Energetische Sanierung einer ACS-77 Funkuhr


Die Firma Auerswald hat Mitte der 1980er Jahre die Funkuhr ACS-77 als "Renkforce"-Bausatz auf den Markt gebracht. Die Uhr basiert auf einem Z80-Prozessor und viel TTL-Logik. Was sie vor allem auszeichnet ist ein gut lesbares Display mit LED-7-Segment-Anzeigen und ihr Technik-Look.
Interessanterweise war meine ACS-77 nicht mit einer CPU von Zilog oder anderen second sources bestückt, sondern mit einer nichtlizenzierten U880 aus DDR-Produktion, Aufschrift "80 - CPU RD MME".

Ansicht der Funkuhr
Die ACS77 im Originalzustand mit Gehäuse. Auf der Suche nach Standby-Verbrauchern im Haushalt bin ich dann irgendwann auch bei dieser schönen alten Funkuhr angekommen:

Originalverbrauch: 10,7 Watt

Jahrespreis damit: 10,7W x 24h x 365d = 93,7kWh (!!!) (x 0,22€/kWh = €20,63/a) (Preis-Stand 04/2011)

und das seit ca. 25 Jahren. *Schluck*. Ganz schön viel Strom. Und Geld. Zeit, das zu ändern!

Resultate
Die Resultate der einzelnen "Sanierungsmaßnahmen" mit Angabe der erreichten Betriebskosten/Jahr (Preis-Stand 2011).
In Summe ist eine Reduktion auf fast 25% des Originalzustands erreicht.

Projektstatus: abgeschlossen - Maßnahmen 1, 2 (04/2011), 3 (12/2016), 4 (01/2017) umgesetzt, 5 vertagt
Letzte Änderung Webseite: 12.01.2017 CMOS-EPROM statt 2732

Energetische Sanierung


Maßnahme 1: Die Stromversorgung austauschen

altes Linearnetzteil der ACS77
Das schon etwas zerlegte Netzteil meiner ACS77 - man beachte die Schwarzfärbung der Leiterplatte...

Neues Schaltnetzteil der ACS77
...und das neue Schaltnetzteil von innen. (Es passt aber mit Gehäuse in die ACS-77.)


Die Stromversorgung meiner ACS-77 war mit einem Transformator, Si-Brückengleichrichter, 2000uF Elko und zwei Längsreglern 7812 + 7805 sehr klassisch aufgebaut. Damit auch leider ziemlich ineffizient, denn die Uhr im Originalzustand nimmt sich im Betrieb 230mA aus der 12V-Versorgung und 270mA aus der 5V-Versorgung. Allein die Verlustwärme der beiden Längsregler hatte bei meiner Uhr die Pertinax-Leiterplatte des Netzteils schon recht schwarz gefärbt...
Der Transformator an sich kommt bei einem Kern EL 54/18,8 auch nur auf rund 67% Wirkungsgrad (siehe z.B. Block Trafo EL 13/ 12).

Abhilfe: Ein günstiges Schaltnetzteil. Meine Wahl fiel auf das AP12UV-01 von ANAM Instruments, Korea. Das Netzteil gibt es bei Pollin Elektronik für €1,95, es hat 5V/1A und 12V/0,5A und sollte mit seinem TOP223Y-Schaltregler bei einer Effizienz um 85% liegen (maximal 90% laut Datenblatt). Man kann das Netzteil ohne Kabel direkt in das Gehäuse der Uhr bauen - mit einer 5-poligen Diodenbuchse aber auch als externes Netzteil belassen. Ich habe mich für die Einbauvariante entschieden, damit man nicht irgendwo noch ein extra-Kästchen rumfliegen hat.

Neue Verbrauchsmessung mit AP12UV-01 Schaltnetzteil: 6,4W

Immerhin schon 4,3W und damit 40% weniger Verbrauch - mit einer Jahresersparnis von rund €8,30 rechnet sich das neue Netzteil bereits nach drei Monaten (und reduziert das Brandrisiko wahrscheinlich auch, wenn man sich das alte Netzteil ansieht). Hätte ich das mal eher umgebaut!
Real ist der Wirkungsgrad des AP12UV-01 mit dem Verbrauch der Original-ACS77 von 270mA@5V und 230mA@12V -> 1,35W + 2,76W = 4,11W -> 64%... auch nicht so berauschend, wahrscheinlich da es überdimensioniert ist - im Leerlauf verbraucht es auch schon 1,45W.

Maßnahme 2: Anzeigen tauschen

Segmentvergleich ACS77
Vergleich alte/neue Segmente und neue Vorwiderstände

Thermografie ACS77
Thermografie: die alten Vorwiderstände werden wirklich warm (rd. 71°C), die neuen bleiben kalt
Auch Prozessor, ROM und RAM sowie die Latches sind gut zu sehen.


Die alten HA1105R Segmente kann man gegen pinkompatible moderne hocheffiziente SA39-11SRWA (z.B. bei Reichelt Elektronik) tauschen, wobei man auch die Vorwiderstände deutlich erhöhen muss: Im Original fallen an den 390 Ohm rd. 9,3V ab -> If = 23mA. Bei einem Tastverhältnis von 1:6 gibt das rd. 4mA real, also über den Daumen eine Lichtintensität von rd. 220ucd. (Iv=550ucd bei If=10mA für die HD1105R). Laut Datenblatt ist Vf=1,6V, d.h. 12V-9,3V-1,6V = 1,1V fallen an den Zeilen- und Spaltentreibern ab.
Die SA39-11SRWA haben allerdings mindestens 9000ucd bei If=10mA und Vf=1,8V... also könnte If nur noch rund 6% der 23mA betragen -> 1,4mA. Wenn man etwas heller werden will (= es mit 1,4mA ausprobiert hat...) spendiert man doch besser 3mA:
Am neuen Vorwiderstand müssen also 12V-1,1V-1,8V = 9,1V bei 3mA abfallen ->Rvor=3k3 aus der E12-Reihe, allerdings reichen jetzt 1/4W-Widerstände.
Theoretisch bringt der Segmenttausch noch einmal rund 2,6W Minderverbrauch, also nochmals gut 40% Verbesserung. Mit etwas mehr Aufwand könnte man die Anzeigen auch an die 5V-Versorgung hängen, ich wollte aber nicht mit Fädeldrähten auf der Leiterplatte im Plexiglasgehäuse anfangen, außerdem lohnt sich das auch energetisch nicht wirklich.
Die Investition von €7,98 lohnt sich zwar erst nach gut 19 Monaten (abgesehen von dem langwierigen Auslöt-Abenteuer) - das ist zwar lang, aber gemessen an der Zeit, die die Uhr schon gelaufen ist lohnt sich auch das noch, zumal die Anzeige dabei auch wieder etwas heller wird.

Neue Verbrauchsmessung mit SA39-11SRWA 7-Segmentanzeigen: 3,8W

Da passt die Theorie ganz gut - und die Betriebskosten fallen auf €7,32. Aus der 12V-Versorgung werden jetzt nur noch rd. 62mA bezogen.


Maßnahme 3: CMOS-Z80 anstelle der NMOS-CPU

Z84C0010 in der ACS77
Ungewohntes Bild: Z80C von 1994 in einer Uhr aus den 80ern

Nach Datenblatt kann man mit dem Umstieg von NMOS auf die CMOS-Z80 nochmal bis zu 200mA sparen - gesagt, getan:
Via Alibaba Express bekommt man zwei recyclete Z84C0010 für $4,75 frei Haus, wenn man eine davon weiterverkauft also €2,24 pro CPU anstelle €5,99 (Stand 20.12.2016) bei Reichelt. Dauert zwar 3-4 Wochen, aber nach Test mit dem Z80-Minitester war klar: die funktionieren sogar.

Also: Alte NMOS-CPU ausgelötet, Sockel rein, Z84C eingesteckt, läuft. (Bei mir mit Standard-ROM V3.1)

Der Stromverbrauch auf der 5V-Seite fällt damit von 270mA auf rund 183mA, der Gesamtverbrauch fällt auf 3,2W, das ammortisiert sich bei aktuellem Strompreis also deutlich unter 2 Jahren.


Maßnahme 4: CMOS-EPROM anstelle der NMOS-EPROM

27C256 in der ACS77
Das 32k-Eprom 27C256 in der ACS-77

Der EPROM-Tausch lohnt sich gleich doppelt:
Zum einen ist das bei Reichelt erhältliche OTP-PROM AT27C256B (oder ein 27C256 aus dem Altbestand) trotz x-fachem Speicher deutlich sparsamer als das Original 2716 oder 2732.
und... aufgrund der limitierten Data Retention Time von EPROMs (10 Jahre...) setzt man den Lebenszeit-Zähler der Uhr auch noch mal teilweise zurück.
Allerdings muss man sich einen 1:1 Adaptersockel bauen, der zusätzlich Pin24 (VCC) des ACS-Sockels mit den Pins 1,2,27 und 28 (VPP, A12-A14) verbindet. Damit man nich mit den Prozessor zusammenstösst muss man von dem Sockel auch noch etwas wegfeilen - siehe Bild. Der Inhalt des Original 2732 muss ab Adresse 0x7000 in das neue EPROM. Wer das HEX-File Version 3.1 braucht... bitte melden - das Finden eines EPROM-Brenners ist dann die nächste Hürde.

Der Gesamtverbrauch fällt auf 2,8W, das ammortisiert sich bei aktuellem Strompreis zwar erst nach 2,5 Jahren, aber dafür ist ein Ausfall der Uhr durch Bitkipper im alten EPROM erstmal wieder unwahrscheinlicher geworden.

27C256 auf 2732 Adapter
Der Adaptersockel für 27C256 anstelle 2732


Maßnahme 5: LS-TTL gegen CMOS-TTL tauschen

Die bipolaren TTL-Bausteine genehmigen sich nach typ-Datenblattangabe auch in Summe schon rund 100mA - also bei 5V aus dem Schaltnetzteil etwa ein halbes Watt. Man sollte sich erstmal nur auf die größten Beitragsleister, die 4 Latches beschränken, die sich rund 0,33W genehmigen. Der Tausch gegen Bausteine der HC-Reihe lohnt sich allerdings erst nach mehr als einen Jahr- langfristig ist das aber auch noch okay.

Umgesetzt habe ich Maßnahme 5 bisher nicht.

Sonstige Maßnahmen

Man könnte auch auf der Versorgungsseite noch einmal nachkarten und auf ein effizientes USB-Steckernetzteil und 5V/12V Mini-DC/DC-Wandler umrüsten, allerdings gewinnt man damit auch kaum noch was: aus den 65mA@12V werden bei 70% Effizienz des DCDC-Wandlers 223mA@5V -> In Summe also 405mA@5V, bei 65% Effizienz des Netzteils ebenfalls 3,2W...


Messgeräte

  • Das Leistungsmessgerät KD-302 von Reichelt - ist auch bei Schaltnetzteilen und kleinen Leistungen erstaunlich präzise. Ich habe es mal mit einem "richtigen" Leistungsmessgerät Yokogawa WT 1600 gegengemessen, da machte es eine erstaunlich gute Figur auch bei Standby-Messungen an Schaltnetzteilen. Das KD-302 setzt auf das Single-Phase, Bi-Directional Power/Energy IC CS5460 von Cirrus auf, das die Leistungsberechnung etc. in Hardware ausführt. Anzeige usw. werden von einem Elan-Microcontroller übernommen.
  • Multimeter im 200mA und 10A-Messbereich
  • Wärmebildkamera Fluke Ti50FT