English version

Digitronový teploměr - vnitřní / vnější

     Úvod:
Digitronů není nikdy dost :). Ale aby to nebyly pořád jen hodiny, rozhodl jsem se postavit digitronový teploměr. Má dva kanály - měří vnitřní (pokojovou) a venkovní teplotu. Má také paměť na naměřená minima a maxima. Co to jsou digitrony popisuji podrobněji zde.
     Volba typu digitronů:
V teploměru lze použít téměř jakékoliv číslicové digitrony, ke kterým existuje symbolový typ podobného tvaru a velikosti se symboly "+" a "-". Ze sovětských typů ze použít např. IN-12A či IN-12B spolu se symbolovkou IN-15B. Typy IN-14 lze použít spolu se symbolovkou IN-19V obsahující + a -. V takovém případě by šlo přidat ještě IN-19A, který obsahuje symbol °C, zapojený natrvalo, ale ten už by měl jen estetickou funkci. Z typů od RFT lze použít např. Z560M spolu se Z561M, dále Z566M spolu se Z567M, Z5660M spolu se Z5670M. Typy Z570M / Z573M / Z574M spolu se Z571M. Typy Z5700M / Z5730M / Z5740M spolu se Z5710M. Od tesly lze použít ZM1040 se symboly ZM1041, ZM1041S nebo ZM1047. ZM1042 lze použít např. s ZM1043 či ZM1043S. Netuším, zda pro menší digitrony Tesla (např. ZM1020 nebo ZM1080T) vůbec existují symbolovky, ale typ ZM1080T by ale šlo nakombinovat se Z571M od RFT. Typ ZM1020 jde nakombinovat se Z561M. Pro tuhle kombinaci jsem se nakonec rozhodl i já.
     Zapojení:
Digitronový teploměr má displej sestavený ze dvou číslicových a jednoho symbolového digitronu. Číslicové digitrony E1, E2 jsou řízeny tzv. síťovým duplexem. Je to obdoba dvoukrokového multiplexu, kde jedna půlperioda sítě rozsvěcí jeden digitron a druhá druhý. Díky tomu stačí jen jeden budič digitronů MH74141. V porovnání s běžným multiplexem je zde také několik výhod. Není nutné aktivně spínat anody (každá anoda dva VN tranzistory). Klasický multiplex bývá problematický i z důvodu velkého napětí obdélníkového průběhu, které vlivem kapacitních proudů vyvolává slabý svit neaktivních číslic (duchy). U síťového duplexu k takovému problému nedochází, protože se pracuje se sinusovým průběhem napětí, nikoliv obdélníkovým. Odpadá tím i pečlivá filtrace napájecího napětí, typická pro klasický multiplex. Navíc zde nejsou žádné kondenzátory nabité na nebezpečné napětí, které by byly hrozbou i po odpojení od sítě. Symbolový digitron E3 je řízen staticky (bez duplexu) a spínán pomocí dvou VN tranzistorů T2 a T3. Ty jsou dimenzované na alespoň 400V, lépe 500V. Lze použít buď MOSFETy N, nebo bipolární tranzistory NPN. Bipolárním tranzistorům je nutno přidat bázový sériový odpor.
     Jako řídící obvod byl zvolen Atmel AVR ATtiny24A (ATtiny24, ATtiny24V). Ten zajišťuje všechny potřebné funkce pro provoz teploměru. Pin 5 (PB2 / INT0) slouží k synchronizaci duplexu přes tvarovací tranzistor T1. Pokud by byl duplex prohozený (prohodí se zobrazení jednotek s desítkami), přepólujte primár nebo sekundár pomocného trafa Tr2. Celý obvod se napájí ze sítě přes trafo Tr1 (230V / 9V cca 1,5VA). Stabilizaci napětí 5V zajišťuje tradičně obvod IO5 (7805). Díky malé spotřebě logiky nebyl potřeba chladič. Jelikož jsou k teploměru připojeny externí teplotní sondy, musí být jeho obvod z bezpečnostních důvodů galvanicky oddělen od sítě. Digitrony tedy nelze napájet přímo ze sítě bez oddělení, jako například v digitronových hodinách s uzavřenou konstrukcí.
     Jelikož trafa se sekundárním napětím v řádu stovek voltů a s malým výkonem (okolo 1 - 2 VA) nejsou běžně k sehnání, vyřešil jsem to trochu jinak. Napětí pro digitrony je získáno pomocí trafa Tr2. To je zapojeno obráceně k sekundáru Tr1 a transformuje tedy malé napětí zpět na velké. Jako první mě napadlo použít dvě stejná trafa (Tr1 i Tr2 by byl typ 230V / 9V 1,5VA). Výstupní napětí by teoreticky bylo 230V. Malá trafa ale mají značné ztráty a tak v praxi je výstupní napětí takové sestavy traf cca jen 145V naprázdno, v zátěži ještě méně, což není dostatečné. Druhý nápad byl použít trafo 230V / 9V a za ním obráceně zapojené trafo 230V / 6V, aby se ztráty kompenzovaly. Zde se ale objeví jiný problém - pokud k vinutí dimenzovanému na 6V připojíme napětí 9V, vede to k přesycování jádra Tr2 a vysokému indukčnímu proudu, zatěžujícímu i Tr1. Obě trafa se pak značně zahřívají a mají vysokou vlastní spotřebu. Donutit trafo s primárem na 230V pracovat opačně a poskytovat tedy napětí 230V se ukázalo jako o hodně problematičtější, než se může zdát. Malá trafa mají velké ztráty, kompenzované přidáním závitů na sekundáru a ubráním závitů na primáru (napětí na prázdno mají až o 60% vyšší). Proto při zapojení obráceně dávají vždy výrazně menší napětí, než by teoreticky měla. Navíc aby výstupní napětí odpovídalo původnímu vstupnímu napětí, musí trafo pracovat s vyšší indukcí. Jako schůdné řešení se nakonec ukázalo použití trafa s primárem 400V. Osvědčila se sestava trafa 230V / 9V 1,5VA, za které je zapojené obrácené trafo 400V / 9V 2,6VA. Výkon trafa by stačil menší, ale v provedení s primárem 400V jsem nic pod 2,6VA nenašel. Tato sestava poskytuje na výstupu naprázdno 270V a po zátěži 210V, což je pro digitrony postačující. Navíc vlastí spotřeba traf je nízká.
     Každý z digitronů E1 a E2 se napájí jednou půlperiodou výstupního napětí Tr2, což zároveň slouží k jejich duplexu. Symbolový digitron E3 se napájí z dvoucestně usměrněného napětí, aby byl zdroj (Tr1 a Tr2) zatížen rovnoměrně v obou půlperiodách. Anodový odpor E3 je proto dvojnásobné hodnoty, aby střední proud zůstal zachován. Vnitřní a venkovní teplota je snímána dvěma teplotními čidly IO1, IO2 - MCP9700A připojenými na vstupy AVR ADC1 a ADC2. Vnější sonda je na dlouhém třížílovém kabelu. Vnitřní sonda je na krátkém kabelu (cca 20cm) vyvedená mimo skříň, aby nebyla ovlivňována teplem z přístroje. Potřebné přesné referenční napětí (2,495V) je získáno pomocí IO3 (TL431A) a přivedeno na vstup AREF. Zařízení se ovládá tlačítkem TL1 sloužícím k vyvolání nebo vymazání paměti na minima a maxima.
     Proud digitrony je zvolen co nejmenší pro prodloužení jejich životnosti. Příliš malý proud může způsobit, že se nerozsvítí celá katoda, ale jen její část. Při napájení pulzujícím proudem musí tedy špičkový proud přesáhnout alespoň na chvíli minimální hodnotu. Odpory R1, R2, R3 určují proud digitrony. Pokud by proud nestačil ke správnému zobrazení, lze hodnoty odporů snížit. Střední proud digitrony je cca 0,8mA, což se ukázalo jako dostatečné pro správné zobrazení a pro dobrou čitelnost i za denního světla. Spotřeba teploměru je cca 1,9W.
     Zobrazení a ovládání:
Teploměr zobrazuje vždy 2 sekundy vnější teplotu, 2 sekundy vnitřní teplotu a poté 0,4 sekundy rotuje číslice pro prevenci otravy katod. Vnější teplota se zobrazuje se znaménkem "+" nebo "-". Vnitřní teplota se zobrazuje bez znaménka, neboť se nepředpokládá, že by byla někdy záporná. To také pomáhá rozlišit od sebe oba zobrazované údaje. Tlačítkem TL1 je možné vyvolat paměť na minima a maxima. Postupným mačkáním tlačítka se zobrazí nejprve minimum vnější, maximum vnější, minimum vnitřní a nakonec maximum vnitřní teploty. Po 4s se opět začně zobrazovat aktuální vnější a vnitřní teplota. Dlouhým stiskem tlačítka (alespoň 2s) lze paměť maximálních a minimálních hodnot vymazat.
     Rotace číslic je potřeba, protože údaj na displeji teploměru se nemění příliš často a číslice nejsou využívány rovnoměrně. Bez rotace číslic by se katody, které se po dlouhou dobu nerozsvítí, pokryly materiálem, uvolňovaným ze svítících katod, a později by již nesvítily správně (dojde k otravě katod). Zejména cifra desítek se mění jen velmi pomalu se změnami ročních období. Funkce rotace vždy rychle zobrazí všechny číslice od 00 od 99 a tím jejich otravě zabrání. Zároveň na symbolovce E3 problikne na okamžik opačné znaménko, než to, které se právě zobrazuje u vnější teploty. Bez tohoto opatření by např. po třičtvrtěročním neustálém svícení katody "+" už nemusela katoda "-" vůbec fungovat.
     Zkušenosti z dlouhodobého provozu:
24. 10. 2015 - zařízení uvedeno do nepřetržitého provozu.
24. 10. 2016 - 1 rok provozu bez poruchy, bez známek opotřebení digitronů.
24. 4. 2017 - 1,5 roku provozu bez poruchy, bez známek opotřebení digitronů.

     Upozornění: Zařízení se napájí ze sítě pracuje se životu nebezpečným napětím. Všechny jeho části musí být vhodně izolované. Zařízení musí být vybaveno vhodnou pojistkou. Konstrukce je vhodná jen pro konstruktéry znalé zásad bezpečné práce se životu nebezpečným napětím. Vše děláte na vlastní nebezpečí. Autor nebere žádnou zodpovědnost za jakékoliv vaše újmy.

     Celý program ke stažení:
Zdrojový kód v assembleru (ASM)
Přeložený v HEX souboru (822 Bajtů)
Zapisování programu do AVR se podrobněji věnuji zde.

Případným zájemcům mohu naprogramovaný mikroprocesor poslat. Více info zde.


Schéma digitronového teploměru (Klikněte pro zvětšení)


Nastavení konfiguračních bitů v progamu AVRISP.

Hotový digitronový teploměr


Digitronový teploměr


Digitronový teploměr - displej


Digitronový teploměr s kabeláží.

Fotky ze stavby digitronového teploměru


Nějaké ty kulaté digitrony s vrchním pohledem. ZM1020, Z560M a Z561M.


Simulace teploměru v kontaktním poli. Digitrony a 74141 jsou nahrazeny LED diodami (binární zobrazení), synchronizace 50Hz je simulována pomocí obvodu 555, místo čidla je tu potenciometr pro simulaci různých hodnot.


Deska z voltmetru Meratronik V540. Do patic, původně určených pro Z566M, pasují i ZM1020, Z560M a Z561M. Mají stejnou patici B13B.


Vyndávání přebytečných patic.


Desku se zbylými 3 paticemi jsem ořízl, odbrousil všechny spoje a nabarvil na černo.


Spojení desky digitronů s řídící deskou.


První test v provedení "hromada drátů po stole". Tady je 1x Z561M a 2x Z560M, vše od RFT.


Srovnání digitronů Tesla ZM1020 a RFT Z560M. Tesla má o něco větší a hlavně širší číslice a není v nich tolik nevyužitého prostoru. Proto jsem se nakonec rozhodl pro digitrony Tesla.


Bohužel jsem neměl žádnou symbolovku + a - od Tesly v provedení pasujícím k ZM1020 (možná se nic takového ani nevyrábělo), a tak jsem pro zobrazení znaménka použil RFT Z561M. Zde vydíte všechny jeho symboly. Využity jsou ale jen + a -.


ZM1020 spolu s Z561M. Jelikož se barva laku dost lišila a digitrony stejně budou za červeným sklem, lak jsem odstranil.


Vároba čidla z MCP9700A. Jednotlivé vývody přiletované ke kabelu a izolované smršťovacími bužírkami. Na celé čidlo se pak navlékne širší smršťovací bužírka, do ní se nalije vteřinové lepidlo a poté se zahřeje. Pro jistotu a větší mechanickou odolnost je možné použít více vrstev bužírky. Kabel použijeme kulatý. Díky tomu na něj bužírka dobře pasuje a lehce vytvoříme vodotěsnou sondu, kterou můžeme umístit venku.


Hotové čidlo zalepené do smršťovacích bužírek.


Vestavba digitronového teploměru do krabice








Digitrony


Už jen zakrytovat a je to hotové :).


Historická fotka ZM1022 z katalogu (bezbarvá obdoba ZM1020).


Datasheet ZM1020 Tesla


Datasheet Z560M RFT


Datasheet Z561M RFT


Zapojení vývodů MH 74141


Video - digitronový teploměr během stavby



Přidáno: 20. 10. 2015
zpět na úvodní stránku