Elektronische Würfel

Wer kennt nicht die elektronischen Würfel in unterschiedlichsten Ausführungen?

Schon vor vielen Jahren kamen erste elektronische Nachbildungen des guten alten Würfels auf den Markt, Anfangs von Tüftlern entwickelt und als Bauanleitung in Elektor, Funkschau oder anderen Zeitschriften mit ähnlichem Anspruch veröffentlicht, später, nachdem Firmen die Zeichen der Zeit erkannt hatten, auch als fertige Bausätze oder auch komplett aufgebaut.

In den meisten Versionen sind mindestens 2 IC am werkeln, ein Zähler und ein Decoder/Treiber für die Anzeigen, die wie bei einem Würfel mit 7 Augen angeordnet sind.

Der Zähler bekommt sein Eingangssignal von einem Taktgenerator der mit möglichst hoher Frequenz (im Kilohertz- Breich) arbeitet, um "mogeln" durch gezieltes Loslassen des Schalters zu unterbinden. Der Zähler ist meist ein Binär- oder Dezimalzähler dessen Ausgang mit einem Decoder verbunden wird, der die Umwandlung in einen Code vornimmt, der die Anzeige des Wurfergebnisses in Augenform wie bei einem normalen Würfel ermöglicht.

Auf dem Weg vom normalen Würfel aus Holz, Kunststoff oder Glas zum elektronischen Pendant kommt man irgendwann am Ende an die Aufgabe, die per Tastendruck erwürfelte “Augenzahl” anzuzeigen. Um alle Zahlen von 1 bis 6 durch Punkte bzw. Leuchtelemente anzeigen zu können, benötigt man 7 Lichter, von denen sechs wie die sechs Augen beim normalen Würfel angeordnet sind. Das siebte Licht liegt in der Mitte zwischen den sechs anderen Lichtern an der Stelle, wo beim normalen Würfel das Einser-Auge sitzt.

AugenanordnungBildlich hat man sich das etwa so vorzustellen (wobei im richtigen Leben die “Augen” auf der Oberseite des Würfels angeordnet sein werden).

Für die 7 Lichter würde man also im ersten Ansatz 7 getrennte Ausgänge schalten müssen, für jedes Licht einen.

 

 

(Das Bild ist übrigens mit dem Zeichenprogramm von OpenOffice.org erstellt).

 

 

Wenn man sich aber mal die möglichen Augenzahlen eines Würfels ansieht, dann erkennt man, dass man die Ansteuerung der Anzeigeelemente stark vereinfachen kann.

Es gelten folgende Regeln:

  • Der mittlere Punkt muss für jede ungerade Zahl leuchten (1, 3, 5)
  • Für gerade Zahlen werden immer mindestens 2 Punkte gleichzeitig benötigt (2, 4, 6)
  • Ungerade Zahlen sind zusammengesetzt aus der nächst kleineren, geraden Zahl und der 1 (wobei die ebenfalls ungerade 1 eine Ausnahme ist, denn deren nächst kleinere, gerade Zahl ist die Null, die wir erstens nicht würfeln können und zweitens nicht darzustellen brauchen).
  • Die Punkte für die gewürfelte 2 liegen diagonal gegenüber...
  • ...was impliziert, dass die beiden anderen Punkte für die 4 ebenfalls auf diagonalen Ecken liegen.
  • Damit ergibt sich die Lage der restlichen beiden Punkte wie im unteren Bild mit 4 gekennzeichnet.

AugenschemaWir sehen, dass wir insgesamt nur 4 getrennt schaltbare Ausgänge benötigen, die die nach folgendem Schema (auf unserem auf der Seite liegenden Musterwürfel, Bild rechts) angeordneten Lichter ansteuern:

Für die 6 würfelbaren Zahlen werden die Ausgänge

  • 1                               für 1
  • 2                               für 2
  • 1 + 2                         für 3
  • 2 + 3                         für 4
  • 1 + 2 + 3                   für 5
  • 2 + 3 + 4                   für 6

verwendet.

 


Mein erster elektronischer Würfel (~1970) war ein Bausatz mit IC-Grab (na ja, 3 ICs insgesamt :-), Netzteil, dicken Treibertransistoren mit Vorstufen und Glühlämpchen in Schraubfassungen für die Anzeige, den ich in ein Sperrholzgehäuse mit ca 10 cm Kantenlänge eingebaut habe. Das reichte gerade so, um die rechteckige Platine aufzunehmen, bot aber im “Untergeschoss” noch reichlich Platz für das Netzteil.Elektronischer Würfel im Holzgehäuse, nahezu antik, ~1970

Da das Holzgehäuse liebevoll verklebt ist kann ich leider keinen Einblick gewähren.

Bemerkenswert ist vielleicht noch, dass alle Digitalfunktionen, also Multivibrator, Zähler und Decoder, bei diesem Würfel mit NAND-Gattern von Typ SN 7401 realisiert sind. Die Spannungsversorgung (5V) für die ICs ist diskret aufgebaut mit Zener-Diode und Transistor... kaum zu glauben, aber funktioniert :-)

Der Trafo mit Netzanschluss ist natürlich sicher und elektrisch isoliert in einem eigenen Abteil des Gehäuses untergebracht, der Aufbau erfüllt die Bedingungen für den Betrieb nach Schutzklasse II.

 

 

 


Der nächste Versuch in Richtung besserer Handhabbarkeit des elektronischen Würfelersatzes war deutlich kleiner, auf Platinen in mehreren Ebenen aufgebaut, hatte aber immer noch jeweils ein IC für Zähler und Decoder sowie Transistoren als Treiber für die LEDs, die diesmal als Anzeige dienten. Ein besonderes Schmankerl war bei diesem Würfel der Sensortaster.Miniwürfel mit Tipptaster

Auch hierfür habe ich ein Holzgehäuse gebaut, diesmal jedoch nur für den Würfel. Das Netzteil war in diesem Fall extern und wurde über einen Klinkenstecker angeschlossen.

Der auf diesem und dem nächsten Foto sichtbare schwarze “Dreckrand” ist mit weichem Bleistift aufgemalt und dient als Sensorfläche für den Tastschalter, der das Würfeln auslöst. Entgegen der Darstellung im Schaltbild wird hier nur der Kontakt an der Basis des ersten Transistors verwendet. Die durch den Körper eingekoppelte Brummspannung reicht aus, um den Taktgenerator zu starten.

 

 

Miniwürfel, InnenansichtHier ist der Aufbau der Elektronik mit den drei übereinander angeordneten Platinen gut zu erkennen.

Auf dem Gehäuseboden sieht man den ersten Versuch, die Oberseite des Würfels zu bohren.
Das Material war zu dünn, die Löcher wurden zu groß, aber als Einlage zum Abstand einstellen tut die Platte trotzdem ihre Dienste :-)

Die elektrischen Verbindungen (Dioden, Widerstände, Spannungsversorgung) dienen gleichzeitig zur mechanischen Verbindung der einzelnen Platinen.

 

Die Schaltung für diesen Würfel stammt von Horst Schneider.

Schaltbild des Miniwürfels


Meine Idee, einen kleinen elektronischen Würfel zu bauen, ließ mich irgendwann mal zu einer sehr ausgefallenen Lösung greifen: Ein Binärzähler vom Typ SN 7492 bekam als "Taktgenerator" zwei einander so eben noch nicht berührende Drahtstücke verpasst, die Ausgänge des Decoders mussten direkt die Elemente einer LED 7-Segment-Anzeige treiben, die aber keine Zahl anzeigte, sondern deren einzelne Segmente als Augen missbraucht wurden. Die Anzeige war diesmal nicht einem normalen Würfel nachempfunden (die 6 wurde als 0 dargestellt, die 5 als H, 1 als Minus, 4 als I I und so weiter. Der Trick: Einfach die Anzahl der leuchtenden Segmente der Anzeige zählen), dafür besticht die Schaltung durch geniale Einfachheit :-)
Dem Würfel habe ich eine Klarsichtverpackung spendiert, deren Kantenlänge etwas mehr als der Länge des 14pin-IC-Gehäuses entspricht. Und es war mein erster Würfel mit nur einem IC :-)

Da die Ausgänge des 7492 natürlich nicht das passende Bitmuster für einen Würfel mit 7 Augen liefern, muss noch ein Decoder dazwischen geschaltet werden. Da Zähler und Decoder 1:1 aus dem obigen Design entnommen sind, gilt nachfolgende Beschreibung auch für den vorhergehenden Würfel.

 

A

B

C

D

1

H

L

L

L

2

L

H

L

L

3

H

H

L

L

4

L

L

H

L

5

H

L

H

L

6

L

L

L

H

Wir haben an den 4 Ausgängen des 7492 folgende Kombinationen von Pegeln für die 6 darzustellenden Zahlenwerte:

(H entspricht Highpegel, L entspricht Lowpegel)

 

 

 

Der Decoder ist durch 7 Dioden (1N4148 oder DUS = Diode Universal Silizium) realisiert, die die 4 Ausgänge des 7492 mit den 7 LEDs entsprechend dem folgenden Schaltbild verbinden.
Schaltbild meines ersten Ein-IC-Würfels
Durch die Verbindung der beiden Ausgänge A und D mit jeweils den beiden Reset-Eingängen des 7492 wird beim Erreichen des Zählerstandes 7 der Zähler auf Null zurück gesetzt. Um das Design einfach zu halten, wurde auf die Unterdrückung der Null als erwürfelbare Zahl verzichtet. Wir denken uns in dem Fall einfach, der Würfel wäre vom Tisch gefallen oder läge irgendwo schräg an ;-))

Im Schaltbild sind die LEDs einzeln gezeichnet, im wirklichen Leben (dieses Würfels) entsprechen die LEDs den einzelnen Segmenten der verwendeten 7-Segment-Anzeige, wie schon weiter oben beschrieben.

Dem aufmerksamen Beobachter wird auffallen, dass nirgends Vorwiderstände für die LEDs eingezeichnet sind. Nun, das ist Absicht und entspricht der ausgeführten Schaltung. Es hat sich gezeigt, dass die Treiberstufen des SN 7492 in Serie mit einer Diode und mindestens einer LED bei 5 V Betriebsspannung nicht sofort kaputt gehen. Gleiches gilt für die LEDs. Da darüber hinaus ein Dauerbetrieb des Würfels sowieso nicht geplant ist, sondern ich das Ganze als Machbarkeitsstudie betrachte, kann auf die Widerstände zugunsten der Abmessungen des fertigen Produkts und der Einfachheit der Schaltung verzichtet werden. Diese Überlegungen bitte bei einem Nachbau im Hinterkopf behalten und eventuell zur Sicherheit Serienwiderstände für die LEDs vorsehen.

Gewürfelt wird durch Klopfen mit der Fingerspitze auf das Gehäuse. Die Erschütterungen übertragen sich auf die Innereien des Würfels, wodurch sich die beiden Drähte berühren, den Kontakt also schließen und wieder öffnen und dabei lustig prellen. Die Prellimpulse schalten den Zähler weiter. Einfach aber wirkungsvoll :-)

fertig eingebaut in KlarsichtgehäuseHier eine Ansicht des fertigen Würfels.

Das Gehäuse habe ich aus etwas stärkerer Klarsichtfolie gebastelt. Die Kanten wurden mit einem Messer am Stahllineal entlang eingeritzt und ließen sich so sehr genau knicken. Vorsicht, die Ritze nicht zu tief schneiden, sonst bricht der Kunststoff.

Die entsprechende Würfelabrollung hat bestimmt jeder schon im Matheunterricht gezeichnet. An fünf strategisch wichtigen Seiten wird jeweils eine Zunge zum Kleben angefügt, schon kann das Ganze mit UHU zugeklebt werden.

Die gesamte Schaltung “hängt” an dem 7-Segment-Display, welches ebenfalls mit UHU an den Deckel des Würfels geklebt ist.

 

 

 

 

 

In den Detailaufnahmen sieht man im linken Bild einen Teil des “Diodendecoders”, im rechten Bild ist als oberstes Element innerhalb des Gehäuses die Drahtkonstruktion zu sehen (man erkennt zumindest rechts eine der Ösen, die ich in die Drähte gebogen habe, damit sie leichter schwingen).

mechanischer Aufbau und Dioden-Decodermechanischer Aufbau und Prell-Kontakt


Jahre später, als ich beruflich viel mit sogenanten PALs (Programmable Array Logic) zu tun hatte, poppte der Gedanke an meinen Ein-IC-Würfel wieder hoch.

Es sollte machbar sein, die Gleichungen für den Decoder, den Zähler und auch den Taktgenerator in ein 20poliges IC vom Typ GAL 16V8 zu implementieren. Gesagt, getan... schnell den PAL-Compiler angeworfen, ein bisschen Bool´sche Umformung, eine kleine State machine und eine Rückkopplung eingehackt, und schon konnte ich mit dem Verifier sehen, dass der Gedanke machbar ist :-)

Die PALs haben recht starke Ausgangsstufen, die locker 40 mA treiben, ich konnte also auf Treiberstufen für die LEDs der Anzeige leicht verzichten. Als einziges externes Element habe ich einen Taster zum Starten des Würfelvorganges benötigt (im Bild rechts). Ach ja, Vorwiderstände für die LEDs musste ich natürlich ebenfalls vorsehen. Weil noch Platz auf der Platine war, habe ich auch noch einen Ein-Aus-Schalter spendiert (der gelbe Schiebeschalter links).

Würfel mit einem IC, PAL-DesignDas Ergebnis ist zwar größer als das Minimaldesign mit der 7-Segmentanzeige, dafür aber eine echte Hightech-Lösung ;-))

...mit dem immanenten Nachteil von manchen Hightech-Lösungen:
Der Stromverbrauch eines PAL ist selbst bei QuarterPower-Typen noch drastisch.

Fast 100 mA muss das Netzteil liefern, wenn die höchste Augenzahl angezeigt wird. Selbst ohne Anzeige verbrät ein PAL der damaligen Generation (~1989) schon 80 mA.

Für Batteriebetrieb ist diese Lösung also nicht unbedingt geeignet.

 

Für Neugierige gibt es das PAL-Listing in LOGIC-Syntax.


Inzwischen ist als weitaus bessere Alternative für einen Ein-IC-Würfel die Verwendung eines PIC in SMD -Ausführung mit ebensolchen Chip-LEDs denkbar. Das sollte schön klein und auch weniger stromhungrig aufzubauen sein... mal sehen, was sich da machen lässt ;-))

Und weil ich zwischenzeitlich das eine oder andere Design mit Atmel-Chips gemacht habe, habe ich auch mal einen ATtiny13 als Antrieb für einen SMD-Würfel verwendet.


 

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