English version

Velké digitronové hodiny se Z566M / Z5660M / ZM1040

     Úvod:
Rozhodl jsem se pro konstrukci mých už třetích digitronových hodin. Za úkol jsem si dal, aby tentokrát hodiny měly nějaké větší digitrony (cca 30mm výška znaku), dále měly boční čtení (vypadají více jako tradiční elektronky) a instalovaly se do patic, aby nebylo nutno je barbarsky letovat natvrdo a šlo je v případě poruchy vyměnit. Co to jsou digitrony popisuji podrobněji zde.
     Volba typu digitronů:
Digitrony, které tyto požadavky splňují a lze je v našich končinách najít, jsou zejména Z566M a jeho varianta bez laku Z5660M od východoněmeckého RFT, dále ZM1040 a verze bez laku ZM1042 od československé Tesly, případně ještě LC-631 od Polského Dolam. Všechny tyto typy mají znak cca 30 - 31mm. Zajímavé jsou i Z522M a Z5220M, ale jedná se o starší typ vyráběný spíše více na západ od nás, a proto jsem žádný nikdy neviděl. Sovětský svaz přispěl do světa digitronů velmi zajímavým kouskem IN-18 (ИН-18) s úctyhodnou výškou znaku 40mm, ale ač za dob totality ze SSSR do ČSSR dováželo hodně věcí, digitrony IN-18 tu prakticky nenajdeme. Zajímavý, ale také bohužel poměrně těžko sehnatelný, je Z568M nebo Z5680M od RTF s výškou číslice 50mm. Tak velký digitron nejspíš neměl moc široké využití a vyrobilo se jich málo. Pak ještě existovaly některé západoevropské a americké typy s čísly vysokými 50 - 60mm, např. NL-7037, nebo naprosto šílený japonský digitron CD47/GR-411 a CD47/GR-414 s čísly vysokými neuvěřitelných 135mm, ale takové zázraky kapitalistického světa není vůbec žádná šance v ČR, SR a snad ani nikde ve střední Evropě zahlédnout.
     Shánění digitronů:
Jako nejsehnatelnější se nakonec ukázaly socialistické Z566M od východoněmeckého RFT, na druhém místě ZM1040 od československé Tesly a na třetím Z5660M, což je vlastně jen bezbarvá mutace Z566M a lze ji v případě nutnosti ze Z566M vyrobit odstraněním laku :). Stejně tak lze méně častou bezbarvou ZM1042 vyrobit ze ZM1040. Digitrony se znakem 3cm jsou asi největší, které se běžněji používaly, vyskytovaly se např. ve stolních čítačích, voltmetrech, multimetrech a průmyslové automatizaci. Z566M jsou i např. v polských voltmetrech Meratronik V541 a podobných. ZM1040 jsou v obdobných přístrojích od Tesly. Použít nové Z566M z krásných originálních krabiček mi přišlo líto a rozkuchání funkčního Meratroniku V541 také a tak jsem tyto varianty zcela zavrhl. Původně jsem pomýšlel na použité Z5660M, ale ty jsem bohužel měl jen 2. Digitronů ZM1040 jsem měl na potvoru jen 5. Bohužel většina stolních měřidel měla právě těch 5 číslicovek. Jako nejschůdnější se tedy ukázaly použité, ale funkční Z566M např. z četných trosek dalších nefunkčních Meratroniků řady V530 a V540, které by případně šlo odbarvit a použít spolu se Z5660M. Další varianta jsou ZM1040, ale šestý kus a dva rezervní jsem k nim našel až později.
     Volba oddělovačů:
Kromě vlastních číslicových digitronů je třeba také zvolit oddělovače, oddělující jednotlivé dvojice čísel. Žádný z dostupných digitronů těchto rozměrů nemá zabudouvané desetinné tečky, a tak je nutno použít vnější oddělovače. Původní nápad byl použít jako oddělovače také digitrony, konkrétně symbolové typy, které zobrazují symboly jako např. "+", "-" nebo "~". K typům Z566M patří symbolovky Z567M, k Z5660M patří Z5670M. K ZM1040 se používaly např. ZM1041, ZM1041S nebo ZM1047 a k ZM1042 např. ZM1043 a ZM1043S. Symbolovky mají stejnou patici a baňku, jako číslicovky, ke kterým patří. Proto se jejich použití jako oddělovačů jeví celkem esteticky. Na druhou stranu to ale zvyšuje rozměry hodin, složitost a spotřebu. Navíc použití více součástek, které se již nevyrábějí, může zkomplikovat budoucí údržbu. Proto jsem se nakonec rozhodl jako oddělovače použít doutnavky. V případě, že hodiny zobrazují i datum, použití doutnavek také přispěje k lepší čitelnosti. Dvojice doutnavek nad sebou tvoří dvojtečku, která na první pohled odděluje hodiny, minuty a sekundy. Pokud svítí jen dolní tečka, na první pohled je jasné, že je to tečka za datumem. Rozeznání datumu od času by při použití znaků + - ~ bylo dost neintuitivní.
     Funkce hodin:
Hodiny by pochopitelně měly zobrazovat čas :). V případě hodin s velkými digitrony to musí být včetně sekund, jinak by krása digitronů nevynikla. Bez sekund nelze obdivovat magicky přeskakující číslice :). Dále zobrazují i datum a den v týdnu. Umí počítat přestupné roky a automaticky přecházet na letní a zimní čas. Nechybí ani budík s volbou jednorázově, všední dny nebo každý den. Užitečná je také digitální korekce rychlosti chodu a počítadlo provozních hodin pro sledování životnosti digitronů. V pravidelných intervalech dochází k rotaci všech číslic kvůli prevenci otravy katod. Manuálně také lze vyvolat trvalou rotaci pro regeneraci digitronů. Funkce vycházejí z předchozích digitronových hodin. Jsou více méně stejné až na zobrazení dne v týdnu. U předchozích hodin byl zobrazován pomocí jeho čísla (1-7) na poslední dvojici digitronů spolu s datem. U těchto hodin se den v týdnu indikuje pomocí sedmi velkých zelených doutnavek (typ NEON-9) a na poslední dvojici digitronů se zobrazuje rok (jeho poslední dvojčíslí).
     Zapojení:
Hodiny mají šestimístný displej sestavený z digitronů. Digitrony jsou řízeny tzv. síťovým duplexem. Je to obdoba dvoukrokového multiplexu, kde jedna půlperioda sítě rozsvěcí jednu polovinu digitronů (zde 3) a druhý druhou. V tomto případě je zobrazení rozděleno na sudá a lichá místa. Výhodou tohoto zapojení je, že oproti statickému buzení se sníží počet budičů digitronů MH 74141 ze šesti na tři. V porovnání s běžným multiplexem je zde také několik výhod. Není nutné aktivně spínat anody (každá anoda by musela mít dva VN tranzistory) a není nutný tak velký pulzní proud pro dosažení požadovaného jasu, jako při šestikrokovém multiplexu. 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, a jakékoliv kondenzátory nabité na nebezpečné napětí. Duplex také eliminuje pískání (mechanickou rezonanci), ke které může dojít při multiplexu velkých digitronů. Je také nutno dodat, že multiplex se v praxi používal jen u malých digitronů. U velkých (nad 18mm) se nepoužíval a datasheety možnost multiplexu neuváděly. Síťový duplex napájí digitron stejným průběhem proudu, jako při provozu z klasického jednocestného usměrňovače bez filtrace, a odpovídá tedy parametrům, které datasheet povoluje. Jako oddělovač číslic slouží dvě dvojtečky tvořené miniaturními doutnavkami. Jsou rozděleny do dvou dvojic zapojených v sérii. Jednu tvoří horní tečky, druhou dolní. To umožňuje použít dolní tečky jako tečky za datumem. Obě skupiny doutnavek jsou také spojeny do duplexu, takže k jejich řízení stačí jediný VN tranzistor T2.
     Jako řídící obvod byl zvolen Atmel AVR ATmega8A (ATmega8L). Ten zajišťuje všechny potřebné funkce pro provoz hodin. Pin PD3 (INT1) 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 Tr1. Trafo Tr1 (230V / 9V - cca 1,5VA) slouží nejen jako zdroj napájení pro logiku, ale také k rozlišení půlperiod. Stabilizaci napětí 5V zajišťuje tradičně obvod IO5 (7805) s malým chladičem. Aby nedošlo k vynulování hodin při výpadku sítě, nechybí jim ani zálohovací baterie. Ta má napětí 4,5V (popř. 3V, 3,6V nebo 3,7V). Já jsem použil tři AA články. Stačila by i mnohem menší baterie, protože spotřeba během zálohování je jen asi 9uA. Během provozu z baterie digitrony pochopitelně nesvítí a tak stačí napájet jen IO1, nikoliv hladové 74141, odebírající dle katalogu až 32mA, změřeno 24mA. Zpětnému toku proudu z baterie do budičů 74141 a do 7805 zabraňuje schottkyho dioda D1. Dioda D2 zabraňuje nechtěnému nabíjení baterie při provozu ze sítě.
     Piezoreproduktorek Rep1 slouží k ozvučení budíku. Lze ho nahradit indukčním reproduktorkem s kondenzátorem např. 1u v sérii. Budík funguje i při provozu z baterie. Hodiny se ovládají pomocí tlačítek TL1 a TL2. Pin PD3 (INT1) slouží k synchronizaci duplexu a ke snímání, zda je přítomno síťové napětí. Pokud nedojde během 250ms k žádné změně úrovně, přejdou hodiny na úsporný bateriový provoz. Výstupy IO1 vedoucí do budičů 74141 a do báze T2 jsou v takovém stavu nastaveny na log 0. Obvod hodin je napájen ze sítě bez oddělení. Síťové napětí okolo 230V je přibližně to nejvhodnější napětí k napájení digitronů. Provoz bez oddělovacího transfomátoru je možný, pokud jsou celé hodiny uzavřené do vhodné bezpečné skříňky a žádná živá část není zvenčí přístupná. Zálohovací baterie musí být uzavřena a nepřístupná z venčí (nelze použít např. pouzdro pro baterii s dvířky). Tlačítka musí být dimenzována na 250V~, protože podstatné není jen napětí kontakt-kontakt, ale i napětí kontakt-člověk mačkající hmatník :). Digitrony samozřejmě nejsou odkryté, jsou pod bezpečným průhledným krytem. Konstrukce s odkrytými digitrony je dle mého názoru nejen nebezpečná (i v případě oddělení od sítě), ale také dost náchylná k poškození digitronů a v neposlední řadě značně anachronická (nevím o žádném zařízení z dob běžného používání digitronů, které by mělo digitrony odkryté). Samozřejmě je ale možné konstrukci doplnit o oddělovací transformátor. Hodiny napájené ze sítě bez oddělovacího transformátoru pochopitelně nelze připojit k programovacímu rozhraní, ale programování MCU lze provést mimo desku a nebo při napájení ze záložní baterie.
     Proud digitrony je zvolen co nejmenší pro prodloužení jejich životnosti. Datasheet uvádí min proud stejnosměrný proud 3mA, max. 6mA, doporučený 4,5mA. 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 - R6 určují proud digitrony. Odpor R9 slouží k jemnému doladění proudu a lze ho vypustit. Úbytek digitronů je obvykle cca 140V a špičkové napětí sítě je 325V, na odporech je tedy špičkové napětí 185V. Odpory jsou voleny tak, aby špičkový proud potřebné hodnoty provozního proudu. R = UR šp. (185V) / Išp.. Pokud by proud nestačil ke správnému zobrazení, lze hodnoty odporů snížit. Já jsem zvolil špičkový proud cca 5,1mA (střední proud je cca 1,2mA). Ukázalo se, že to bohatě stačí ke správnému zobrazení i k dobré čitelnosti digitronů dokonce i za denního světla. Spotřeba hodin je cca 3,9W.
     Program:
Program digironových hodin je níže ke stažení v HEX souboru přímo pro nahrání do mikrokontroléru i jako zdrojový kód v Assembleru pro případné úpravy. Na obrázku níže je nastavení konfiguračních bitů mikroprocesoru v programu AVRISP i PonyProg. Hodiny jsou řízeny nízkofrekvenčním krystalem 32 768 Hz, který umožní nízkou spotřebu při provozu z baterie. MCU je taktován na 4MHz z vnitřního RC oscilátoru. V nečinnosti během síťového napájení hodin přechází IO1 do sleep módu Idle. Při bateriovém napájení hodin přechází během nečinnosti do módu Power Save, což umožní velmi nízkou spotřebu. Taktování MCU je v tomto stavu vypnuto a běží pouze asynchronní časovač/čítač 2. Zajímavostí je počítadlo provozních hodin. Aby nedošlo ke ztrátě údaje (24bit) ani při odpojení sítě i baterie, je ukládán do EEPROM a 8x za hodinu aktualizován. Aby nedošlo k brzkému opotřebení EEPROM (garantovaná životnost každého bajtu je 100 000 zápisů), používá se rozdělování zátěže (wear leveling). Pro nejnižší bajt je postupně střídáno 96 různých bajtů v EEPROM. Pro vyšší dva bajty to není potřeba, protože se aktualizují jen při přetečení nejnižšího bajtu. Ke 100 000. zápisu toho samého bajtu by díky tomu došlo až po 137 letech trvalého provozu :). Do EEPROM je ukládána také kompenzace krystalu. Při střídavém zobrazení data a času se cyklus opakuje po 7 sekundách. Číslo 7 bylo zvoleno, protože je nesoudělné s čísly 10 a 60, a tak nedochází k nerovnoměrnému opotřebení katod digitronů sekund při zobrazování času. Čas je v zájmu digitronů zobrazován déle, než datum, protože je to proměnlivější údaj.
     Ovládání:
Hodiny se ovládají pomocí tlačítek TL1 a TL2.
1. Zobrazení
Hodiny mají dva základní módy zobrazení. První z nich zobrazuje pouze čas ve tvaru "HH:MM:SS" (Hodiny:Minuty:Sekundy). Druhý zobrazuje střídavě čas a datum s periodou 7 sekund. Čas je vždy zobrazen po dobu 5 sekund a datum po dobu 2 sekundy. Datum je zobrazeno ve tvaru "DD.MM.RR" (Den.Měsíc.Rok). Mezi těmito dvěma módy lze přepínat tlačítkem TL1. V obou módech se každých 49 sekund rotují číslice po dobu 1,25 sekundy. Den v týdnu je indikován trvale pomocí jedné ze 7 doutnavek.
2. Budík
Hodiny jsou vybavené budíkem. Tlačítkem TL2 postupně přecházíte mezi zobrazením času, času+data a čtyřmi kroky nastavení budíku: Hodiny budíku, desítky minut budíku, minuty budíku, mód budíku. K nastavení slouží tlačítko TL1. Módy budíku jsou: 0 - vypnutý, 1 - jednorázový, 5 - v pěti pracovních dnech, 7 - každý den. Nastavování budíku je indikováno střídavě blikajícími tečkami. Zvonící budík lze zastavit kterýmkoliv tlačítkem.
3. Nařizování
Dlouhým stiskem tlačítka TL2 se dostanete do procesu nařizování hodin. Postupně nařídíme hodiny, desítky minut, minuty, sekundy, den v týdnu, den, měsíc, rok a automatický přechod na letní a zimní čas (111111 = zapnuto, 000000 = vypnuto). K nastavování slouží TL1, k přepínání mezi jednotlivými kroky TL2. Po čtyřminutové neaktivitě se hodiny automaticky vrátí z nařizování do zobrazení čas+datum.
4. Automatický letní a zimní čas
Pokud je automatický čas povolen, přesun na letní čas proběhne poslední neděli v březnu tím, že po 1:59:59 následuje 3:00:00. Přesun na zimní čas proběhne poslední neděli v říjnu tím, že po 2:59:59 následuje 2:00:00. (Dle pravidla platného pro téměř všechny evropské státy včetně ČR a SR od r. 1996.)
5. Speciální funkce
Dlouhým stiskem tlačítka TL1 se dostaneme ke speciálním funkcím. První z nich je test digitronů, při kterém na všech cifrách postupně běží číslice od 0 do 9 (mění se po 1s). Lze použít i k údržbě digitronů (proti otravě katod). Stiskem TL2 se dostanete k další speciální funkci, což je kompenzace krystalu. Pokud hodiny nejdou přesně, můžete je seřídit v rozmezí -75 až +75 ppm s krokem 3ppm (3 miliontiny). Tlačítkem TL1 nastavíte hodnotu. Záporné hodnoty se zobrazují vlevo, kladné vpravo (např. -75ppm se zobrazí jako "75 00 00", +18ppm jako "00 00 18"). Ještě jedním stiskem TL2 se dostaneme do poslední speciální funkce, což je počítadlo provozních hodin. Zobrazuje celkovou dobu provozu zařízení (v hodinách). Následujícím stiskem TL2 se již dostanete zpět k zobrazení času. Počítadlo provozních hodin lze vynulovat tím, že při propojené drátové propojce DP1 dlouze stisknete tlačítka TL1 i TL2 současně. Tečky rychle zablikají a počítadlo se nastaví na 000000. Nulování se doporučuje provést pouze při výměně digitronů. Za normálních okolností tedy propojku DP1, povolující nulování, nepropojujte.
     Zkušenosti z provozu hodin:
4. 11. 2015 - prvních 500 h provozu bez poruchy, bez známek opotřebení.
7. 12. 2015 - 1000 h provozu bez poruchy, bez známek opotřebení.
2. 2. 2016 - 2000 h provozu bez poruchy, bez známek opotřebení.
2. 7. 2016 - 5000 h provozu bez poruchy, bez známek opotřebení.

     Upozornění: Zařízení pracuje se životu nebezpečným síťovým napětím. Obvod není oddělen od sítě a všechny jeho části musí být vhodně izolované. Tlačítka musí být dimenzována na síťové napětí a záložní baterie nesmí být přístupná zvenčí. Mikroprocesor nesmí být připojován k programovacímu rozhraní běhěm provozu ze sítě. Zařízení musí být vybaveno vhodnou pojistkou. Konstrukce je vhodná jen pro konstruktéry znalé zásad bezpečné práce se síťovým 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 (2 920 Bajtů)
Zapisování programu do AVR se podrobněji věnuji zde.

Případným zájemcům mohu naprogramovaný mikroprocesor poslat. Více info zde.

Schéma digitronových hodin
Schéma digitronových hodin se Z566M / Z5660M / ZM1040 / ZM1042 / LC-631 řízených AVR ATmega8A / ATmega8L (Klikněte pro zvětšení)


Nastavení konfiguračních bitů v progamu PonyProg.


Nastavení konfiguračních bitů v progamu AVRISP.

Hotové digitronové hodiny






















Fotky ze stavby digitronových hodin


První varianta - Z566M


Druhá varianta - Z5660M, z té sešlo, protože jich nebylo dost.


Třetí varianta - ZM1040, u těch mi chyběl jeden do šesti.


Lampy Z567M, Z5670M a ZM1041S, které jsem původně chtěl použít jako oddělovače, ale nakonec jsem tuto variantu zavrhnul.


Ukázka, že dva digitrony stejného typu nemusí vůbec vypadat stejně :). Na fotce Z566M a Z5660 lišící se značením, vnitřním uspořádáním, počtem a umístěním getrů, materiálem anody a také tmavostí laku.


Jako zdroj digitronů mohou posloužit např. trosky měřidla Meratronik V540, V541, V543, V544.


...nebo dalších, jako Meratronik V530, V533, V534 (dvě desky vlevo). Tato řada ale měla o jednu číslici méně a patice s vývody dozadu.


Jelikož na první číslicovce voltmetrů řady V540 se zobrazuje jen "1", mohou ostatní číslice mít otravu katod. Tu však lze zvýšeným proudem za pár hodin zregenerovat. Jako vhodný se ukázal pulzující proud z jednocestného usměrňovače.


Srovnání ZM1040 (31mm) se Z574M (13mm).


Úryvek z Amatérského Rádia 1971 č. 7. Zmiňuje se, že digitrony ZM1040 se v Tesle Vrchlabí začaly vyrábět v roce 1973. Kdy výroba skončila už nevím, ale ideální by bylo, kdyby k tomu nikdy nedošlo :).


Datasheet ZM1040 Tesla.


Přehled několika typů digitronů Tesla Vrchlabí včetně ZM1040.


Výstřižky z neznámého anglicky psaného datasheetu ZM1040. Znázorňuje 2 možné způsoby napájení: Stejnosměrný proud nebo jednocestný usměrňovač bez filtrace. Uvádí životnost 100 000 h při proudu 4,5mA. To je cca 11,5 let :).


Typické odpory pro ZM1040 - stejnosměrný zdroj a jednocestný usměrňovač.


Údaje některých digitronů RFT včetně Z566M a Z5660M


Vývody Z566M a Z5660M (zobrazeno zespodu). Digitron se instaluje vývodem 8 dopředu.


Údaje polského LC-631 Dolam.


Zapojený vývodů a pravdivostní tabulka obvodu MH 74141.


Blokové schéma MH74141


Dobová fotka několika integrovaných obvodů včetně Tesla MH 74141 z knížky z roku 1977.


Simulace digitronových hodin v kontaktním poli á lá binární hodiny. Obvod 555 simuluje frekvenci síťového duplexu 50Hz.


Obvody MH74141, SN74141, 74141 ze 70. a 80. let.


Zkouška, jak si bude 74141 rozumět s doutnavkami. Ukázalo se, že přepínání doutnavek tímto obvodem není problém.


Při vyndávání patic z trosek V541 pomohl plynový sporák :). Ještě že není elektrický...


Vyjmuté patice B13B značky Elrado.


Vrtání nové desky pro patice digitronů. Původní deska posloužila jako předloha. Vadný Z5670M slouží k testu, zda jsou patice použitelné.





Navrtaná deska s vybroušenými letovacími ploškami pro patice.


Letování patic a odporů


Test 3 různých typů digitronů - zatím jen natvrdo připojené katody. Teď je potřeba udělat řídící desku.


Digitrony zezadu (2x Z5660M, 2x Z566M, 2x ZM1040).


Tvorba řídící desky. Ještě chybí transformátor. Všimněte si bezpečnostních zón bez mědi okolo děr pro šrouby a okolo primáru trafa.


Propojování desky digitronů a řídící desky. Celkem je v hodinách asi 12m vodiče :).


První test ve stylu "hromada drátů po stole" :).


Funguje to :)


Řídící deska. Chybí zde ještě sirénka budíku a dekodér pro doutnavky indikující den v týdnu.


Vestavba hodin do krabice.


Zatím ještě chybí deska doutnavek.


Připojování provizorních doutnavek.


Hotová řídící deska s ATmega8A a 4x 74141


Test hodin s doutnavkami


Zázrak doutnavého světa - zelená doutnavka (NEON-9).


Indikátor dne v týdnu osazený zelenými doutnavkami


... a test.


Video - z průběhu stavby hodin.


Video - test hotových hodin.



Přidáno: 23. 9. 2015
zpět na úvodní stránku