Ratgeber
Zur Zeitmessung oder Zeitnahme in Geräten oder Schaltkreisen bietet es sich an, ICs zu verwenden. Es gibt ICs, die Funktionen als Echtzeituhr übernehmen können, bereits als vorgefertigte Module. Wie diese Bauelemente funktionieren und was es beim Kauf zu beachten gibt, erfahren Sie hier.
Da einige elektronische Schaltungen sehr oft zum Einsatz kommen, kann es sinnvoll sein, diese zusammenzufassen und als ein Bauelement anzubieten. Diese Schaltungen werden Integrierte Schaltungen (engl. Integrated Circuit, abgekürzt IC) genannt. Sie befinden sich auf einem sehr dünnen Plättchen.
Sie setzen sich aus verschiedensten Bauteilen wie Transistoren, Dioden, Widerstände oder Kondensatoren zusammen. Die Bauteile werden aus Halbleitermaterial auf das Plättchen aufgebracht, sodass ein sehr kleines Abmass möglich ist.
Das Plättchen selbst heisst Chip, aber auch das Bauelement der integrierten Schaltung wird oft Chip genannt. Zum Schutz und zur besseren Handhabung befinden sich diese Schaltungen in einem Gehäuse aus Kunststoff oder Keramik.
ICs finden sich als Prozessoren, Halbleiterspeicher, Mikrocontroller oder Signalprozessoren wieder. Eine automatisierte Fertigung macht diese Chips sehr preiswert. Ebenfalls sind sie sehr platzsparend, sodass sie viele Funktionen ermöglichen, ohne viel Raum einzunehmen. Defekte Bauelemente lassen sich allerdings durch das geschlossene Gehäuse schwer erkennen und der Austausch kann unter Umständen schwierig werden.
Um die Uhrzeit wiederzugeben oder zu erfassen, benötigt es einige elektronische Komponenten der Digitaltechnik. Für diesen Zweck könnte ein universeller Mikrocontroller genutzt werden. Dieser ist allerdings vergleichsweise gross und müsste eigens programmiert werden. Deshalb gibt es eine Vielzahl an IC-Modulen, die diese Aufgabe übernehmen.
Diese werden auch Echtzeituhren oder Real-Time-Clock (kurz RTC) bezeichnet. Ein Quarzoszillator erzeugt bei Anlegen einer Spannung eine Schwingung, mit der die Zeit gemessen werden kann. Mit Echtzeituhr-Modulen lässt sich die Uhrzeit und das Datum verfolgen.
Sie befinden sich beispielsweise in digitalen Armbanduhren, als Zusatz in Geräten wie dem Elektroherd oder in Computern. Es können zusätzlich zur Zeit- und Datumserfassung noch Alarmfunktionen und Batterien integriert sein.
Dazu gibt es bei bestimmten RTCs noch spezielle Kalenderfunktionen, wie beispielsweise das Erkennen von Schaltjahren. Die Stromversorgung kann extern über die jeweiligen Bauteilanschlüsse erfolgen oder es gibt eine integrierte Spannungsquelle im RTC-Modul.
Bei der integrierten Spannungsquelle sollte darauf geachtet werden, für welchen Zeitraum diese ausgelegt ist. Es gibt auch Echtzeituhren, die weiterlaufen, obwohl die externe Stromversorgung abreisst. Diese Chips verfügen über eine interne Spannungsquelle, um Zeit und Datum weiterhin zu verfolgen. Diese Quellen sind aber nur zum Überbrücken von kurzen Zeiträumen ausgelegt.
RTCs, die über ein NVRAM-Speichermodul verfügen, können Werte wie Uhrzeit und Datum dauerhaft und ohne Stromversorgung speichern. Das Gegenstück dazu ist SRAM, welcher die gespeicherten Informationen beim Abschalten der Betriebsspannung verliert.
Um das richtige RTC auszuwählen, benötigen Sie die grundlegenden Angaben zum Chip, die Sie in den technischen Daten wiederfinden. Eine ausführliche Erläuterung wie zu Funktionen, Kalibrierung, interne Schaltung oder Betriebsarten des Moduls, finden Sie in der Herstellerdokumentation.
Die Versorgungsspannung sollte zwischen dem minimal und maximal aufgeführten Wert liegen. Sollte eine Batterie nötig sein, beachten Sie, dass diese mit der Zeit schwächer wird und so der Spannungswert sinkt. Die Angaben zum Strom geben Ihnen Aufschluss über die Stromaufnahme. Dieser Wert ist bei der aufgeführten Referenzspannung ermittelt worden. Dabei gilt: Umso kleiner die angelegte Spannung im Vergleich zum Referenzwert, desto grösser wird der Strom. Beachten Sie diese Werte, wenn Sie den Chip mit einer Batterie versorgen, denn sie geben Aufschluss über die Lebensdauer.
Echtzeituhren haben verschiedene Systeme von Schnittstellen, welche oft als Bus bezeichnet werden. Diese Schnittstellen dienen der Kommunikation zwischen RTC und weiteren Bauelementen wie Displays, Controllern oder weiteren IC-Schaltungen.
Weit verbreitet ist beispielsweise der I²C-Bus, der eine schnelle Übertragung zwischen ICs über zwei Leiter ermöglicht. Eine serielle Schnittstelle kann beispielsweise für die Verbindung mit einem Display eingesetzt werden. Je nach Anwendungszweck kann es daher entscheidend sein, welcher Bus benötigt wird. Sie sollten bei der Auswahl also auch die anderen Bauelemente berücksichtigen.
Wenn der Chip mehr Aufgaben als die einfache Zeiterfassung erfüllen soll, sollten Sie den Speicher und die Funktionen des RTC prüfen. Möchten Sie mehrere Werte wie Alarmzeiten oder Kalenderdaten vermerken, benötigen Sie einen grösseren Speicher. Beim Prüfen und Überwachen sind RTCs mit integrierter Batterie zu bevorzugen, da sie eine zuverlässige Zeitmessung gewährleisten, wenn extern ein Fehler auftritt oder die Stromversorgung unterbrochen wird.
Für das Anbringen der ICs auf einer Platine gibt es verschiedene Montagearten. Ein Modul mit "Beinchen" wird durch die Platine gesteckt und angelötet, während bei der Oberflächenmontage (engl. Surface-mounted-device, SMD) der Chip direkt auf die Platine aufgebracht wird. Beim Löten ist darauf zu achten, dass das Modul nicht zu warm wird, da es durch die kleine Bauweise keine hohen Temperaturen verträgt. Ebenfalls halten die kleinen Anschlussbeinchen kein mehrmaliges Biegen aus.
Fazit – Vielfältige Zeitmesser
Mithilfe von ICs ist es möglich, sehr kleine und effiziente Module zur Zeitmessung beziehungsweise Zeitnahme bereitzustellen. Da es ein breites Spektrum dieser Echtzeituhren gibt, sind bei der Auswahl einige Punkte zu beachten. Uhr-ICs sind preiswerte Bauelemente mit vielfältigen Funktionen und in einer Vielzahl von Anwendungsszenarien zu finden.