Seit ein paar Jahren hängt bereits die selbstgebaute „Wörter-Funkuhr: Second Edition“ bei uns im Wohnzimmer und hat bereits einige Freunde und Verwandte fasziniert. Das besondere dabei ist: Die Uhr zeigt die Uhrzeit mit Texten in einer Buchstabenmatrix an.

Daher wollte ich solche Wörteruhren gerne verschenken. Die vorhergehende Wörteruhr war jedoch viel zu zeitaufwändig herzustellen. Darum habe ich mir für diese dritte Version einige Veränderungen einfallen lassen, um die Aufbauzeit erheblich zu verkürzen. Auch technisch ist diese Uhr nochmals deutlich ausgereifter. Zudem macht mir das Thema Produktdesign Spaß, d.h. ich sehe es als Herausforderung, ein Projekt möglichst fehlerfrei zu entwickeln und in jedem Detail mit durchdachten Ideen aufzuwarten.

In diesem Artikel zeige ich euch, was dabei herausgekommen ist. An manchen Stellen nehme ich vergleichenden Bezug zu meinem Vorgängermodell.

Damit die Wörteruhr in einem akzeptablen Kostenrahmen herstellbar ist, wird sie genau wie meine zweite Version in einen Bilderrahmen eingebaut. Immerhin kommt dieses Mal ein edlerer Aluminiumrahmen für ein Bild mit 50×50 cm zum Einsatz.

Konstruktion des Körpers

Um die Kammern für die einzelnen beleuchteten Buchstaben zu bilden, kam bei meiner zweiten Version dieser Uhr ein handgefertigter Holzrahmen zum Einsatz. Dieser musste gewährleisten, dass Licht von den beleuchteten Buchstaben nicht hinter die benachbarten unbeleuchteten Buchstaben gelangt. Die Herstellung war aber ein immenser händischer Aufwand. Dieses Mal habe ich im CAD-Programm FreeCAD einen Körper für meine Wörteruhr konstruiert und fräsen lassen. Als Material kam dabei Forex zum Einsatz, ein Kunststoffschaum, der recht leicht ist und gute Lichtisolationseigenschaften hat. Es ist aber nicht, wie man sich Schaum vorstellt. Die Platte sieht massiv aus und lässt sich auch nicht zusammendrücken; man kann darauf stehen. Der Körper ist bereits so ausgearbeitet, dass alle notwendigen Bestandteile der Wörteruhr daran befestigt werden können.

Herausgekommen ist dabei dieser Körper, der hier im Foto von der Rückseite sichtbar ist, d.h. die Frässeite ist die spätere Rückseite.

Hardwareentwicklung

Die Hardware habe ich komplett neu entwickelt. Dabei half das geniale PCB-Layout-Programm KiCAD. Eine beim Aufbau zeitersparende Maßnahme war, dass die Leiterplatte nun dieselbe Größe wie die Wörteruhr aufweist, d.h. tatsächlich 50×50 cm groß ist. Dies spart die interne Verkabelung im Vergleich zum Vorgängermodell vollständig ein. Zudem wird die Platine mit weißem Lötstopplack gefertigt. So bildet sie zugleich die Rückwand der Leuchtkammern und reflektiert das Licht nach vorne zur Buchstabenfront. Weiterhin konnten rückseitige Beschriftungen der Wörteruhr einfach durch einen rückseitigen Siebdrucklayer der Leiterplatte realisiert werden.

Und so sieht die Leiterplatte auf der Bestückungsseite aus. Bis auf Steckverbinder und wenige weitere Bauteile sind alle Komponenten in SMT vorgesehen. Man erkennt die Matrix für die LEDs, sowie die umlaufenden Aussparungen für die Rahmenhalter.

Hier ist die Leiterplatte auf den Körper aufgelegt worden und zugleich kann man hier die Rückseite der Leiterplatte erkennen.

Hier folgen ein paar Detailfotos: Hier sieht man die Mulden für die Rahmenhalteclips.

Die Mulde an der Unterseite ist für die Anschlüsse und Bedientaster vorgesehen (noch nicht bestückt).

An der Oberseite sind weitere Mulden für Rahmenbefestigungsclips und für den Aufhänger vorbereitet.

Von vorne sieht das nun so aus.

In dem Detailfoto erkennt man links oben eine Kammer für LED-Treiber-Chips, wovon außerhalb des Fotos weitere existieren. Unten links ist eine Kammer für die DCF77-Antenne und unten mittig ist eine Kammer für die zentrale Elektronik.

Hier noch ein weiteres Detailfoto. Man erkennt die Kammern für die 4 Minutenpunkte und darüber für die Buchstaben. Die leeren Kammern auf der rechten Seite werden für den Gewichtsausgleich gegenüber den ganzen Kammern der linken Seite benötigt, damit die Uhr später auch gerade hängt.

Frontblende

Schließlich musste auch die Herstellung der Frontblende vereinfacht werden. Bei meiner zweiten Version habe ich Glasplatten händisch lackiert und die auszusparenden Buchstaben mit Aufklebern verdeckt, die ich nach der Lackierung wieder entfernt habe. Das war ein aufwändiger und empfindlicher Prozess, der nicht jedes Mal gelang. Für meine dritte Version habe ich daher mit Inkscape eine Vektordatei erzeugt und diese von einem Werbetechniker schneidplotten lassen. Dabei ist lichtdichte Folie zur Hinterglasverklebung zu verwenden.

Das Ergebnis kann sich sehen lassen. Sauber geschnittene Buchstaben mit absolut scharfen Kanten.

Aufbau der Wörteruhr

Nun beginne ich mit dem Aufbau der Wörteruhr. Da alles so gut vorkonstruiert wurde, handelt es sich dabei neben der Bestückung der Leiterplatte eigentlich nur noch um die Montage von Fertigkomponenten.

Zunächst wird dem Bilderrahmen die Rückwand entnommen. Von dieser müssen der Aufhänger und die Rahmenbefestigungsclips gelöst werden.

Die Rahmenbefestigungsclips sind vernietet. Mit einem Bohrer kann man die Nieten sehr einfach öffnen und die Clips von der Rückwand entfernen.

Der Aufhänger ist mit gestanzten Blechzähnen unterhalb der Löcher in der Rückwand festgekrallt. Wenn man zuerst mit einem Holzbohrer in die Löcher des Aufhängers bohrt, um dort das Holz zu entfernen, und den Aufhänger dann vorsichtig von der Rückwand hebelt, geht das aber beschädigungsfrei.

Die Zähne hinten am Aufhänger kann ich in der Wörteruhr nicht gebrauchen und habe sie zwischen zwei Metallteilen im Schraubstock einfach platt gedrückt.

Damit der Aufhänger auch sicher das Gewicht der Wörteruhr trägt, kann er nicht mit Blechschrauben am Kunststoffkörper befestigt werden. Daher kommen Einpressmuttern zum Einsatz. Da hierfür die einzige Aussparung an der Vorderseite des Körpers benötigt wird, führe ich das händisch durch. Dabei sind lediglich zwei vorhandene Löcher flach anzusenken. Dafür lohnt ein separater Fräsvorgang nicht. Zur Erinnerung: Der Körper wurde nur von der Rückseite gefräst, d.h. alle übrigen Aussparungen sind auf der Rückseite angeordnet oder durchgehend.

Weil ich keinen Flachsenker habe, verwende ich einfach einen passenden Bohrer und bohre vorsichtig so tief, bis die Außenkante des Bohrers genügend tief im Material ist. Der zu viel gebohrte Kegel unterhalb stört nicht.

Die Einpressmutter wird nun hineingedrückt. Rückseitig wird dann der Aufhänger daran festgeschraubt.

Eine kleine Bearbeitung am Rahmen ist noch erforderlich. Unten mittig muss an der Rückseite des Rahmens eine Aussparung für ein heraushängendes Versorgungskabel vorgenommen werden. Mit ein paar Schlüsselfeilen war das aber schnell gemacht. Dabei muss man unbedingt etwas unterlegen, um den Rahmen nicht zu zerkratzen.

Nun geht es mit der Bestückung der Leiterplatte weiter. Zuerst wollte ich euch aber die LEDs zeigen. Sie sind an ihrer längsten Seite etwa 3 mm lang, d.h. recht klein. Mit einer Pinzette ist die Bestückung aber nicht schwierig. Trotz ihrer geringen Größe sind sie heller als die LEDs der Vorgängeruhr und haben zudem einen schöneren Farbton. Mit 5700 Kelvin sind sie neutralweiß (weder warm/gelblich, noch kalt/bläulich) und mit ihrem sehr guten Farbwiedergabeindex CRI von 85 Ra ist das Licht angenehm voll, d.h. nicht fad.

Die LEDs werden in seitlicher Lage auf der Leiterplatte montiert. Dabei ist die Leuchtfläche der LEDs jedoch nicht im Winkel von 90° zur Platine ausgerichtet, sondern die LED ist ein wenig nach unten zur Platine geneigt. Die LED befindet sich nämlich außerhalb der Fläche des Buchstabens und beleuchtet die Fläche unterhalb des Buchstabens so bestmöglich. Die weiße Platine zusammen mit einem Diffusor (später) ergeben so ein homogenes Licht, ebenfalls verbessert zu meiner zweiten Version. Durch das seitliche Beleuchten fällt zudem die Tiefe der Wörteruhr so schön gering aus.

Die Platine ist nun vollständig bestückt. Das Foto kann zum Vergrößern angeklickt werden. Viele Bauteile sind gar nicht erforderlich. Insbesondere durch die LED-Treiber-Bausteine am linken Platinenrand wurden im Vergleich zur Vorgängerwörteruhr hunderte Bauteile eingespart. Eine nicht zu unterschätzende weitere Zeitersparnis beim Aufbau. Auf Qualität habe ich jedoch Wert gelegt. An Schutzelementen und dergleichen wurde nicht gespart.

Links unten sieht man die Antenne – den grauen Ferritstab mit der rötlichen Kupferlackdrahtwicklung – für den Empfang der Funkuhrzeit. Die Wörteruhr ist kompatibel mit den DCF77-Antennen von Conrad, ELV und Reichelt. Da diese Module recht proprietär sind, wollte ich so vermeiden, für einen möglichen weiteren Aufbau zu einem späteren Zeitpunkt keine Antenne mehr bekommen zu können.

Die Rückseite der Leiterplatte ist hier mit dem Körper verschraubt. Hier wurden relativ viele Schrauben verwendet, damit Körper und Leiterplatten überall möglichst gut aneinander anliegen, da sonst Licht durch die Fugen zwischen Körper und Leiterplatte zu abgeschalteten Buchstaben gelangen würde. (Sorry für das schlechte Foto, mein Deckenleuchter spiegelt sich hier)

So sieht der Zwischenstand nun von vorne aus. Die nachfolgenden Fotos zeigen auch ein paar Details.

Als nächstes ist nun der Aufhänger an den zuvor angebrachten Einpressmuttern zu befestigen.

Kleiner Exkurs: Für homogenes Licht in den Buchstaben wird ein guter Diffusor benötigt. Dabei handelt es sich um eine Folie oder ein Papier, die/das durch ihre Oberflächeneigenschaften das Licht diffus streut. Im Idealfall sieht man eine dahinterbefindliche Lichtquelle nicht mehr als Leuchtpunkt, sondern als gleichmäßige Leuchtfläche. Bei der Wörteruhr liegt die Lichtquelle nicht hinter dem Buchstaben, sondern außerhalb dessen. Dennoch wäre ohne Diffusor eine Lichtabnahme von der Lichtquelle weggehend sichtbar. Gute Diffusorfolien erledigen diese Aufgabe bestens, jedoch gibt es hier noch eine zweite Anforderung: Von außen auffallendes Licht, also z.B. Tageslicht darf nicht dazu führen, dass die Folie selbst leuchtend erscheint. Ein paar meiner besseren Diffusorfolien waren weißlich und wurden durch helles Licht von außen so hell, dass die unbeleuchteten Buchstaben sich kaum von den beleuchteten unterschieden.

So habe ich 9 verschiedene Diffusorfolien getestet, indem ich je zwei Buchstaben mit Testmustern beklebt habe. Die 9 eingezeichneten roten Rähmchen im folgenden Foto zeigen, wo Folien aufgebracht sind. Kleinflächige Buchstaben, wie z.B. ein „I“ habe ich dabei ausgelassen, da sie für einen Vergleich nicht taugen.

Dieses Foto zeigt die Bewältigung der ersten Anforderung von den Diffusorfolien. In Wirklichkeit leuchten alle LEDs maximal hell, auch unter den Buchstaben unten ohne Folie, und ich habe ein kurz belichtetes Foto geschossen. Man sieht, dass die guten Diffusorfolien die Buchstaben heller erscheinen lassen, dabei sind alle LEDs gleich hell. Weiterhin habe ich auch Fotos von seitlichen Einblicken und ähnlichem gemacht, welche die Homogenität besser zeigen, aber ich will niemanden mit zu vielen Details überschütten.

In diesem Test wird die zweite Anforderung getestet. Die LEDs der Wörteruhr sind abgeschaltet. Stattdessen wird frontal beleuchtet und wieder kurz belichtet fotografiert. Hier ist von Vorteil, wenn die Buchstaben möglichst dunkel erscheinen. Der Diffusor unter „ST“ war z.B. im ersten Test ganz gut, während er hier total versagt. Den Diffusor unter „ZW“ habe ich letztlich verwendet. Minimal besser ist der Diffusor unter „ES“, aber er ist dreimal so teuer, hat also ein schlechteres Preis-Leistungs-Verhältnis.

Exkurs Ende.

Jetzt folgt die Endmontage. Zuerst wird das Glas mit der hinterklebten Buchstabenfolie in den Rahmen gelegt.

Dann folgt der Diffusor. Da der ausgewählte Diffusor nicht selbstklebend ist, habe ich ihn mit Klebebandstreifen fixiert. Dies wird nur benötigt, damit der Diffusor nicht verrutscht bis die Wörteruhr geschlossen ist. Anschließend ist er eingeklemmt und kann nicht mehr verrutschen.

Schließlich kommt der mit der Leiterplatte verschraubte Körper in den Rahmen.

Die Rahmenbefestigungsclips werden in den vorgesehenen Mulden platziert und mit Blechschrauben festgeschraubt.

Und fertig. Stolzes Ergebnis. Alles passt einwandfrei zusammen.

Inbetriebnahme

Zur Inbetriebnahme ist lediglich eine Anschlussleitung einzustecken und am anderen Ende ein Steckennetzteil in die Steckdose. Für die Anschlussleitung habe ich eine Zwillingsleitung mit weißer Isolation verwendet. Das macht sich vor weißen Tapeten besser. Die Anschlussbuchse in der Wörteruhr liegt seitlich. Daher gibt es zur Zugentlastung und damit die Leitung gerade aus der Wörteruhr hängt einen Haken an der Leiterplatte, über den man das Kabel legen kann.

Impressionen

Nun gibt es ein paar Bilder im Betrieb. Äußerlich sieht die Wörteruhr ähnlich aus wie meine zweite Version. Die Leuchtkraft ist einstellbar und wird zudem über integrierte Helligkeitssensoren mit der Umgebungshelligkeit mitgeführt.

Auch Sonderanzeigen sind wieder möglich. Dabei können Texte oder Symbole zu einer festgelegten Uhrzeit angezeigt werden. Mit einem Herz etwa kann eine beschenkte Person überrascht werden.

Auch eine vertikale versteckte Botschaft kann in wählbaren Zeitintervallen angezeigt werden. Während der vertikale Text hier klar erkennbar ist, findet der Beschenkte ohne Hinweis garantiert nicht von selbst heraus, dass der Text vorhanden ist.

Oder auch ganz plump einfach mal „Es ist Nacht“.

Wie diese Sonderanzeigen konfigurierbar sind, zeigt u.a. der nächste Abschnitt.

Konfiguration

Die Wörteruhr verfügt über einen rückseitigen USB-Anschluss. Wird sie mit einem PC verbunden, geht die Uhr in einen Konfigurationsmodus, der mit einem blauen Licht neben dem USB-Stecker angezeigt wird.

Für Windows und Linux habe ich eine Konfigurationssoftware programmiert. Sie ist ganz schlicht gehalten, aber erfüllt ihren Zweck. Die Konfiguration der Wörteruhr kann in die Software geladen, nach Belieben editiert und anschließend wieder in der Wörteruhr gespeichert werden. Wenn mehrere Konfigurationen verwaltet werden sollen, können sie zusätzlich auch in Dateien gespeichern werden. Im hier angezeigten Programmreiter kann zudem sogar die Firmware der Wörteruhr über USB aktualisiert werden. Sollte ich also einmal Fehler in der Firmware finden, kann ich den Wörteruhrenbesitzern einfach ein Update geben, welches sie selbst einspielen können, ganz ohne Fachkenntnisse und Programmiergerät.

Wie im Abschnitt „Impressionen“ oberhalb bereits gezeigt, kann die Aufteilung der Frontblende variieren. So könnte man auch andere Sprachen, Dialekte oder solche versteckten vertikalen Texte realisieren. In dem hier angezeigten Reiter kann die Belegung einfach in eine Tabelle eingegeben werden.

Anschließend muss der Wörteruhr in einem weiteren Reiter mitgeteilt werden, wo alle Wörter lokalisiert sind. Dazu existiert eine fest einprogrammierte Menge an sogenannten Anzeigeseiten. Die werden in der Liste im Programmfenster schwarz angezeigt. Durch klicken auf die Buchstaben im schwarzen Feld können diese ein- oder ausgeschaltet werden. Weiterhin können benutzerdefinierte Anzeigezeiten erstellt werden, die in der Liste rot angezeigt werden.

Im nächsten Bild ist beispielsweise das im obigen Abschnitt gezeigte Herz programmiert. Dieses wird entsprechend der Konfiguration täglich zu einer zufälligen Uhrzeit zwischen 8 und 13 Uhr einmal für 3 Minuten angezeigt. Im schwarzen Feld kann man das Herz durch Einschalten der entsprechenden Buchstaben „malen“.

Neben der hier gewählten Option „täglich, zufällige Uhrzeit“ gibt es auch Optionen für eine  tägliche, sowie wöchentliche, monatliche und jährliche Anzeige zu einem exakten (minutengenauen) Zeitpunkt. So können z.B. Geburtstagsanzeigen realisiert werden. Durch den Funkuhrzeitempfänger kennt die Wörteruhr nämlich das Datum, auch wenn sie es nicht anzeigt.

Mit der Option „Folgeseite“ können sogar Animationen erstellt werden, indem mehrere Anzeigeseiten verkettet werden. Dies kann eine endliche Kette oder eine endlose Animation sein. So oder so wird die Animation nur für die gewählte „Anzeigedauer“ angezeigt.

Auch der vertikale versteckte Text kann hier als benutzerdefinierte Anzeigeseite angelegt werden.

Ein weiterer Reiter lässt Einstellungen zum Dialekt zu. So kann die Wörteruhr z.B. „Es ist viertel vor neun.“ oder auch „Es ist dreiviertel neun.“ anzeigen. Je nach Einsatzort in Deutschland sprechen die Leute bevorzugt das eine oder andere aus. Auch weitere Sprachfeinheiten können justiert werden. Einfach mal das Bild vergrößern.

Dann existiert noch ein Reiter „Licht“. Hier kann das Überblenden nach Wunsch festgelegt und ein Helligkeitsprofil eingegeben werden. Letzteres ist aber sinnvoller mit den an der Wörteruhr befindlichen Tasten für die Leuchtkraft zu bewerkstelligen. Ganz unten auf diesem Reiter kann die Leuchtkraft der Minutenpunkte relativ zu den Buchstaben eingestellt werden. Da hier andere LEDs mit anderer Farbe vorgesehen sind/sein können, muss deren unterschiedliche Leuchtkraft aneinander anpassbar sein. Alle diese Optionen sind aber bereits sinnvoll voreingestellt und müssen nur auf Wunsch verändert werden.

---

So, das wars. Die neuen Wörteruhrbesitzer haben sich riesig gefreut und ich hatte (meistens) meinen Spaß beim Entwickeln.

Für alle meine Leser, die jetzt Lust auf einen Nachbau haben, habe ich ein Archiv mit allen benötigten Unterlagen zusammengestellt. Viel Spaß!

Für die Nachbauer des Bausatzes gibt es hier noch ein Tutorial-Video, welches das Entlöten der Schraubklemme des DCF77-Empfängers von Conrad beschreibt. Dies ergänzt einen Aufbauschritt in der Anleitung im Dateiarchiv.

>

Lieben Gruß
Emanuel