Archiv pro měsíc: Září 2014

Stavba digitronových hodin II

Pohled na hodinySvé první digitronové hodiny jsem postavil v době, kdy se začala prosazovat retrománie a vyvstal hlad po digitronových zobrazovačích. Jednomu kamarádovi se moje originální hodiny líbily tak moc, že si vyžádal stavbu nových, přímo pro něj. Jeho přáním bylo mít je v dřevěné krabičce (což se později ukázalo jako špatná volba) a se zálohováním při výpadku sítě (což se později ukázalo jako dobrá volba).

Princip zapojení

Deska plošného spoje digitronových hodin IIZálohování TTL obvodů není dost dobře proveditelné, hlavně kvůli jejich vysoké spotřebě. Pro zjednodušení návrhu, ušetření místa a spotřeby byl tedy zvolen koncept s mikrokontrolérem a externím obvodem reálného času (RTCC).
Pro jednoduchost jsem zavrhnul použití multiplexu, mimo jiné také kvůli možným problémem se svítivostí digitronů (doutnavý výboj potřebuje určitý čas ke stabilizaci a ten v multiplexním režimu chybí). Na mikrokontrolér PIC16F887 v pouzdru DIL40 jsou tedy připojeny tři dekodéry MH74141 a dva tranzistory pro spínání katod digitronů.
K mikrokontroléru je dále připojen již zmiňovaný obvod reálného času MCP7940 od stejného výrobce – Microchip. K němu stačí připojit „hodinkový“ krystal 32768 Hz, vhodně zapojit napájení a obvod již uvnitř obsahuje vše potřebné, dokonce i volnou paměť RAM k libovolnému využití.

Firmware

V mikrokontroléru je velmi jednoduchý program, který v cyklu čte čas z obvodu MCP7940 a odesílá jej na porty s připojenými dekodéry MH74141. Správný čas lze nastavit pomocí třech připojených tlačítek. Program po zapnutí zkontroluje, zda-li je obvod reálného času v provozu. Pokud došlo k odpojení baterie (způsobené např. její výměnou, nebo byl obvod spuštěn poprvé), procesor odešle do obvodu reálného času potřebná nastavení a vynuluje vnitřní čas.

Zdroj

Jako zdroj slouží malý transformátorek 230/12 V neznámého původu a lithiová baterie CR2032 pro zálohování obvodu RTC. Za transformátorkem je usměrňovač a stabilizátor 7805. Protože jsem chtěl uspořit místo, navrhnul a odzkoušel jsem funkční stabilizátor napětí 180 V pro digitrony napájený přímo síťovým napětím. Hodiny jsou tak galvanicky spojeny s rozvodnou sítí. Toto byla naprosto nevhodná volba, k čemuž se dostanu později. Aby se ztrátové teplo na tranzistoru omezilo, zapojil jsem před stabilizátor pro digitrony srážecí rezistory, na kterých se maří část výkonu, která by jinak zbyla na tranzistor. Tyto odpory jsou zdrojem tepla a při provozu se poměrně dost zahřívají.

Krabička a problémy s ní

Hodiny po zasunutí desky do krabičkyKamarád si pro hodiny postavil krabičku přesně na rozměr desky plošného spoje. Po sestavení hodin bylo zjištěno, že uvnitř krabičky nezbylo absolutně žádné místo na výměnu vzduchu pro chlazení. Po zprovoznění a zahoření se potvrdilo očekávané přehřívání. Jelikož je krabička dřevěná, nefunguje předávání tepla přes stěny krabičky. Řešením by bylo vyvést alespoň stabilizátor 7805 a výkonový tranzistor ze stabilizátoru 180 V na chladič vně krabičky. Celý obvod je však galvanicky spojen se sítí, což znamená nebezpečí při každém vyvedení části obvodu vně krabičky.

Pohled na vnější chladičPo pečlivém uvážení všech variant byl zakoupen stabilizátor 7805 vPohled na chladič shora pouzdře celém z plastu a zezadu karabičky byl přimontován hliníkový plech, na nějž byly stabilizátor a výkonový tranzistor pro stabilizaci 180 V připevněny. Všechny vývody byly pečlivě zaizolovány ve smršťovací bužírce a součástky byly připevněny na plech ze strany směrem ke krabičce. Pro jistotu byla navíc označena fixem fáze na flexošňůře. Celkové řešení chlazení je možné vidět na obrázku.

Závěrem

Hodiny v době publikování tohoto článku běží teprve krátce, avšak jsou k dispozici první zkušenosti. Při přehřívání vnitřních obvodů docházelo ke značnému předbíhání, což lze vysvětlit zvýšenou teplotou krystalu a tím pádem vyšší frekvenci. Po instalaci externího chladiče se přesnost hodin ustálila a nyní hodiny stále předbíhají, ale již ne tak moc (pár sekund denně, dříve to bylo pár minut denně). Do budoucna chci nahradit jeden kondenzátor u krystalu kapacitním trimrem pro možnost doladění frekvence. Spotřeba hodin je kolem 10 W, což je daň za nešikovně vyřešené lineární stabilizátory. Proudový odběr z baterie při odpojení sítě je menší než 1 μA. Celkově je samotné zapojení velmi jednoduché stejně jako i obslužný program v mikrokontroléru. Tudíž nejtěžší na této kontrukci bylo hodiny vměstnat do krabičky bez odvodu tepla.

Zájemci si můžou na tomto odkazu stáhnout jak schéma pro Orla ve verzi 6.1.0, tak i program pro mikrokontrolér PIC16F887 napsaný v C.

Stavba digitronových hodin III

Digitronové hodiny IIIDalší retro hodiny, v pořadí již třetí, nejsou novostavba, ale spíše pouze rekonstrukce a úprava stávající elektroniky. Jednalo se o přístroj, který sloužil jako hodiny, jež každých dvacet minut přepínaly koksovací baterie v koksovně Jan Šverma. (Technologické postupy v koksovně neznám, píšu jak mi bylo řečeno) Přístroj byl vyroben účelově pro toto použití, avšak provedení bylo zdařilé a vzhled profesionální (vzhledem k době výroby). Léta provozu v drsném prostředí však byla znát, digitrony svítily, ale hodiny nefungovaly.

Nálezový stav

Původní stav dig. hodin IIIPůvodní elektronika byla rozdělena na desku s displejem a časovou základnou a desku ovládací logiky, která v 10., 30. a 50. minutě ovládala výstupní relé. Zdroj napětí 5 V byl řešen klasickým stabilizátorem MA7805 připevněným na zadní stěnu přístroje a napětí 180 V bylo získáno z odbočky na sekundáru transformátoru a jednocestným usměrněním. Desku s ovládací logikou jsem demontoval a ponechal jsem pouze původní desku s časovou základnou a digitrony.

Pohled na původní stav dig. hodin IIIV časové základně je krystal 100 kHz ve skleněném pouzdře (stále funguje a je dost retro – na obrázcích je schován v polystyrénovém hranolku), kmitočet je dělen obvody 7490 a 7493 až na signál s periodou 1 s. Zobrazovače jsou pak řešeny kaskádou obvodů 7490, 74141 a digitronů ZM1080. Některé obvody 7490 a 74141 byly vadné a musely být vyměněny. Na čelním panelu je řada tlačítek a přepínačů ISOSTAT, z nichž jsem poté upravil a použil tři pro nastavování hodin.

Co se opravilo

Pohled dovnitř na dig. hodiny III po opravěVe zdroji je použit původní transformátor a zapojení se stabilizátorem MA7805. Pro získání napětí pro digitrony 180 V a možnost regulace jasu jsem místo původního jednocestného usměrnění jedinou diodou použil dvoucestný můstek s vyhlazovacím kondenzátorem a osvědčeným zapojením stabilizátoru z digitronových hodin II. Po této úpravě lze dobře regulovat jas digitronů pomocí odporového trimru.

Deska s ovládací logikou v dig. hodinOvládací logika je nově sestavena ze 4 pouzder obvodů 7400. V digitronových hodinách I jsem použil pro nastavování přivedení vyššího kmitočtu na vstup displeje. Tento způsob zdá se mi poněkud nešťastným. Po obvodové stránce je jednoduchý, avšak pokud omylem „přejedete“ požadovaný stav, je nepraktický. Po těchto zkušenostech jsem přistoupil k nastavování klasickým přičítáním. Jeden stisk tlačítka – zvýšení čítače o 1.

Jako ostatně ke každému mému výrobku jsem si udělal dokumentaci, abych byl schopen po několika letech výrobek opravit bez nutnosti dlouho vzpomínat a analyzovat zapojení. Díky tomu taky vzniklo na první pohled nepřehledné schéma desky s ovládací logikou. Tlačítka pro Schéma desky s nastavovací logikou dig. hodin IIIzvyšování čítačů o 1 a přepínač „Sekundy stop“ jsou ošetřeny proti zákmitům zapojením do klopného obvodu R-S sestaveného ze dvou hradel NAND. Aby bylo možné sloučit signál z předchozího řádu (ze sekund na minuty nebo z minut na hodiny) se signálem z tlačítka „Hodiny/Minuty +1“, musí být signál z tlačítek převeden na krátké impulzy pomocí tvarovacího obvodu. Ten je zapojen ze dvou hradel, odporu a kondenzátoru a při sestupné hraně na vstupu se na výstupu objeví krátký impulz log. 0, který po sloučení signálu s jiným signálem v hradle NAND způsobí na výstupu hradla impulz log. 1, jež zvýší obsah čítače následujícího řádu o 1. Ve schématu je ještě patrné, že jsem zapomněl označit vstup +200 V z trafa, který je zcela vlevo nahoře.

Závěrem

Při oživování se začal chovat nestandardně krystalový oscilátor, samovolně se zastavoval nebo měnil frekvenci. Pravděpodobně se jednalo o nečistoty (prach) v kapacitním trimru. Trimr jsem protočil a pročistil. Protože jsem neměl k dispozici náhradu, neměnil jsem jej, což je možná chyba, avšak po „rozchození“ již oscilátor pracoval dobře. Zahořování proběhlo ve velmi krátkém čase, hodiny jsem vzápětí předal původnímu majiteli. Naměřená spotřeba ze sítě byla cca 10 W, což odpovídá použité technologii TTL. O hodinách nyní nemám žádné zprávy, což pravděpodobně znamená, že fungují spolehlivě. 🙂

Stavba digitronových hodin I

Nenechte se zmást číslem v názvu článku, nejedná se o seriál. Jsem totiž nepřítel internetových článků na pokračování, kdy se jeden článek zcela nelogicky rozdělí po odstavcích na jednotlivé díly a člověk se pak musí proklikávat množstvím odkazů, aby se dozvěděl podstatné věci… Číslo v nadpisu je zcela záměrně proto, že tyto retro hodiny nejsou poslední, které zde budu popisovat. Jedna se o novostavbu retro digitálních hodin s moc hezkými neonovými indikátory, takzvanými digitrony.

Digitron

Vnitřek digitronu

Nevím, zda-li mám popsat, co to ten digitron vlastně je, ale cosi mi říká, že bych to měl aspoň stručně nastínit. Tak tedy… Digitron je uzavřená skleněná baňka uvnitř vyplněná neonem o nižším tlaku než atmosférickém. Kromě toho plynu jsou uvnitř také kovové elektrody, jedna anoda ve tvaru mřížky a několik katod, každá ve tvaru nějakého znaku nebo číslice. Po přivedení kladného napětí kolem 160 V až 180 V na anodu a uzemnění jedné z katod začne kolem uzemněné katody zářit doutnavý výboj. Protože je katoda vytvarována do tvaru znaku, zvenčí je vidět zářit právě tento znak. Ostatní katody jsou v nečinnosti a v podstatě zavazejí dobrému výhledu na právě zářící znak. Proud se pohybuje v řádu jednotek mA, podle velikosti znaků. Velké digitrony mohou mít proud až 10 mA, malé digitrony mají proud obvykle kolem 1 mA. Protože doutnavý výboj má tendenci lavinovitě zvětšovat proud, musí být v anodě vždy předřazen ochranný odpor. Napájecí napětí jsem již zmiňoval a jednoduchým výpočtem lze dokázat, že výkonová spotřeba může být až 1 W. U digitronů běžné velikosti občas dostupných na aukčních serverech bývá spotřeba obvykle kolem 0,5 W. Je to jeden z důvodů, proč se od digitronů upustilo. Mezi dalšími důvody je zejména vysoké napájecí napětí, které komplikuje ovládací elektroniku – musí být konstruována tak, aby odolala tomuto napětí bez újmy.

Nejčastěji se objevují digitrony s čísly, ale vyráběly se varianty se znaky jednotek (např. Hz, W, V, A, ohm, …) a předpon (kilo, Mega, mikro, …) nebo znaků +, – a ~. Tyto jsou mnohem vzácnější než obvyklé číslicové, jelikož se vyráběly v menším množství. Používaly se výhradně v měřících přístrojích.

Proč?

Vnitřek digitronových hodin IProč tedy hodiny s tak archaickými součástkami, které se musí napájet vysokým napětím, mají vysokou spotřebu a jsou složité na ovládání? Protože vypadají pěkně. To je jediný důvod, proč lidé prahnou po retro hodinách s digitrony. Jak je z fotek patrné, takové kulaté číslice na sedmisegmentovách nevykouzlíte, stejně jako nenahradíte příjemnou barvu neonového výboje. K digitronům samotným toho tedy bylo dost a nyní můžu přejít k hodinám. Na těchto hodinách jsem se snažil dosáhnout co největší věrnosti digitronům a používat k nim zásadně dobové součástky nebo alespoň dobové zapojení. Ne ve všech částech se mi to povedlo, avšak záměr byl dodržen.

Retro hodiny s digitrony na bázi TTL obvodů řízené síťovým kmitočtem 50 Hz

Zadní pohled na digitronové hodiny INa začátku byla hezká krabička z hliníkových profilů, ve které bylo původně zařízení z obvodů TTL. Uvnitř se proto krom desek plošných spojů nacházel rovněž transformátor s vinutím 8 V a pomocným vinutím 24 V. Trafo rozhodlo o konstrukci zdroje. Pro obvody TTL je použit stabilizátor Tesla 7805 v klasickém tranzistorovém pouzdře, pro digitrony jsem zvolil kondenzátorový násobič o šesti stupních připojený na vinutí 24 V. Násobič tedy generuje napětí kolem 200 V naprázdno. Na výstupu násobiče je něco jako stabilizátor, který ale (jak se později ukázalo) příliš nestabilizuje. Vytváří však alespoň úbytek napětí a omezuje napětí při chodu naprázdno (k němuž ale stejně nemůže za normálního stavu dojít).

Z usměrňovače je dále vyveden signál 50 Hz upravený na TTL úrovně a zachytávaný monostabilním klopným obvodem 74121. MKO je nastaven na periodu téměř 20 ms. Po dobu trvání log. 1 na výstupu nelze tento MKO resetovat ani prodloužit dobu trvání. Je to tedy účinné zamezení vnikání nahodilých impulzů a špiček ze sítě do vstupních čítačů a zpřesnění chodu.

Uspořádání digitronových hodin IZa klopným obvodem se nachází sada čítačů – děličů, které dělí signál 50 Hz s periodou 20 ms na signál s periodou 1 minuta. Jsou použity čítače 7490 a 7493 s různě upraveným modulem, avšak pro vypuštění jednoho pouzdra jsem byl nucen použít i CMOS čítač 4xxx. Na desce čítačů by totiž nebyl sudý, ale lichý počet pouzder integrovaných obvodů a vypadalo by to blbě. 🙂 Skutečný důvod je ten, že jsem projekt dělal na dílčí desky v lehké verzi Orla s omezením velikosti desky a další pouzdro se tam prostě nevešlo. Dnes bych to asi vymyslel jinak, ale účast v soutěži SOČ si vyžádala konkrétní software.

Za děliči je koncová skupina obvodů – čítače hodin společně s dekodéry MH74141 a digitrony. Mezi digitrony jsou dvě doutnavky. Protože jednu se mi během stavby podařilo ztratit, na její místo přišla vysvícená doutnavka z vypínače. Ovšem po sestavení hodin se ztracená doutnavka opět nalezla, přesně podle Murphyho zákona schválnosti.

Závěrem

Pohled na digitronové hodiny IHodiny takto sestavené a zprovozněné běží již od roku 2010, v době psaní tohoto článku tedy přes 4 roky. Výkonová spotřeba je poměrně velká (wattmetrem bylo naměřeno 5,5 W), ale je to daň za design. O stabilitě síťového kmitočtu jsem někde na internetu četl, že dodavatel elektrické energie musí zajistit stabilní počet kmitů denně. To znamená, že klesne-li kmitočet např. v době špičky, musí se dorovnat počet kmitů vyšší frekvencí sítě, třeba v noci. Tuto informaci nemám potvrzenou, ale toto kolísání je velmi malé. Realita je taková, že se hodiny s časovým znamením rozhlasu rozchází minimálně a seřízení je zapotřebí pouze po výpadku proudu, kdy se hodiny vynulují. Zálohování jsem právě díky řízení síťovým kmitočtem neřešil, navíc při velké spotřebě TTL obvodů by byla baterie velká a nebylo by možné ji umístit do prostoru v krabičce.