English version

Digitronové hodiny bez mikroprocesoru

     Úvod:
Cílem bylo postavit menší digitronové hodiny bez použití mikroprocesoru (AVR, PIC a podobně), pouze s použitím běžných primitivních logických obvodů. Co to jsou digitrony popisuji podrobněji v tomhle článku. Díky absenci mikroprocesoru (MCU) je funkcionalita hodin velmi jednoduchá: zobrazují čas a nařizují se dvěma tlačítky.
     Zapojení:
Hodiny mají čtyřmístný displej sestavený ze známých digitronů Z574M od RFT. Použít ale lze v podstatě jakékoliv jiné digitrony. Trafo Tr1 (230V / 9V - 1,5VA) slouží spolu s obvodem 7805 (s malým chladičem) jako zdroj 5V pro logiku. Aby nedošlo k vynulování hodin při výpadku sítě, nechybí jim ani zálohovací baterie. Ta má napětí 3 - 4,5V. Může být tvořena např. dvěma až třemi tužkovými nebo mikrotužkovými články či 3V lithiovým článkem (CR2032). Zpětnému toku proudu z baterie do dekodérů 74141 a do 7805 zabraňuje schottkyho dioda D2. Dioda D3 zabraňuje nechtěnému nabíjení baterie při provozu ze sítě. Odběr z baterie během zálohování je jen cca 25uA. Hodiny jsou řízené krystalem 32 768 Hz. Jeho frekvence je dělena pomocí 14-bitového binárního děliče 4060 (HCF4060, CD4060, 74HC4060). Na jeho posledním výstupu je frekvence 2 Hz. Potřebná frekvence 1 Hz je získána nevyužitým binárním děličem v IO2. IO2, IO3 a IO4 jsou dvojité dekadické děliče 74HC390 (CD74HC390). Každý dekadický dělič se skládá ze samostatného dvojkového a pětkového děliče, které lze v případě potřeby využít i samostatně. Získaná frekvence 1 Hz vstupuje do IO4, který počítá sekundy a desítky sekund. Desítky sekund jsou při stavu 6 resetovány na 0 pomocí D8 a D9. Zobrazení sekund není osazeno, ale v případě potřeby je možné ho doplnit (obdobným způsobem, jako je řešeno zobrazení minut). Na 6. vývodu IO4 je frekvence 1/60 Hz, která sestupnou hranou taktuje IO3 - počítadlo minut a desítek minut. Desítky minut jsou resetovány při dosažení hodnoty 6 pomocí D6 a D7, obdobně jako u desítek sekund. Na 6. vývodu IO3 je frekvence 1/3600 Hz. Sestupná hrana taktuje počítadlo hodin IO2 v okamžiku přetečení minut z 59 na 00. Diody D3 a D4 resetují při stavu 24 zároveň hodiny i desítky hodin. Binární hodnoty jsou dekódovány pomocí obvodů MH 74141 (Popř. SN74141N, 74141 nebo K155ID1). To jsou dekodéry z BCD kódu na 1 z 10, určené pro přímé buzení digitronů. Jejich výstupy jsou otevřené kolektory NPN tranzistorů s ochrannými zenerovými diodami 60V. Desítky hodin se obejdou bez dekodéru. Stavy jsou pouze 0, 1 a 2. V případě, že nechceme zobrazovat počáteční nulu, stačí dva tranzistory (T1 a T2) pro spínání číslice 1 a 2. Jako oddělovač hodin a minut slouží doutnavka blikající s frekvencí 1 Hz, spínaná tranzistorem T3. K nařízení hodin slouží tlačítka TL1 a TL2, která umožňují 2 stupně zrychleného chodu hodin. Obvody IO1 až IO4 by měly být v CMOS provedení (řada HC), aby jejich spotřeba byla nízká a hodiny bylo možné zálohovat baterií. Při použití klasických bipolárních obvodů (např. 74390 nebo 74LS390) sice hodiny budou fungovat, ale spotřeba logiky bude značně vyšší a bateriové zálohování bude problematické. Při zálohování z baterie digitrony pochopitelně nesvítí a ani dekodéry 74141 nejsou napájeny.
     Digitrony jsou napájeny ze sítě bez oddělení. Síťové napětí 230V je svou velikostí řádově vhodné k napájení digitronů. Provoz bez oddělovacího transformátoru 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 nejde jen o napětí kontakt-kontakt, ale i napětí kontakt-člověk mačkající hmatník :). Digitrony samozřejmě nejsou odkryté, jsou za bezpečným průhledným krytem. Samozřejmě je ale možné konstrukci doplnit o oddělovací transformátor. Digitrony jsou napájeny jednou půlperiodou sítě bez filtrace. Proud digitrony je zvolen co nejmenší pro prodloužení jejich životnosti. Pro Z574M a podobné (Z573M, Z570M, Z5700M, Z5730M, Z5740M, ZM1080, ZM1080T, ZM1082, ZM1082T) je povolené rozmezí proudu 1,5 - 2,5mA. Příliš malý proud může způsobit, že katoda nerozsvítí celá. Při napájení pulzujícím proudem musí špičkový proud přesáhnout minimální potřebnou hodnotu. Napájení pulzujícím proudem je jednou z metod stmívání digitronů a pro zvýšení jasu je možné doplnit filtrační kondenzátor. Odpory R8 - R11 určují proud digitrony. Úbytek digitronů je cca 140V a špičkové napětí sítě je 325V, na odporech je tedy špičkové napětí 185V. Odpory jsou voleny tak, aby špičkový proud přesáhl minimální provozní proud, ale nebyl zbytečně vysoký. Pokud by proud nestačil ke správnému zobrazení, lze hodnoty odporů snížit. Já jsem zvolil odpory 82k, kterými teče špičkový proud cca 2,25mA (střední proud je cca 0,5 - 0,6mA), což se ukázalo jako dostatečné ke správnému zobrazení i k dobré čitelnosti digitronů. Spotřeba hodin je cca 1,8W.

     Zkušenosti z provozu hodin:
7. 10. 2015 - začátek nepřetržitého provozu digitronových hodin.
7. 12. 2015 - 2 měsíce provozu bez poruchy, bez známek opotřebení.
7. 4. 2016 - 6 měsíců provozu bez poruchy, bez známek opotřebení.
7. 10. 2016 - 1 rok provozu bez poruchy, bez známek opotřebení.
7. 4. 2017 - 1,5 roku provozu bez poruchy, bez známek opotřebení.

     Upozornění: Zařízení pracuje se životu nebezpečným síťovým napětím. Obvod není galvanicky oddělen od sítě proto a všechny jeho části musí být vhodně izolované. Tlačítka musí být dimenzována na síťové napětí a záložní baterie nesmí být přístupná zvenčí, jelikož je pod síťovým napětím. 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.

Schéma digitronových hodin
Schéma digitronových hodin z logiky (bez mikroprocesoru).
(Klikněte pro zvětšení)

Hotové digitronové hodiny


Hotové digitronové hodiny z logiky


Digitronové hodiny bez mikroprocesoru - displej










Digitronové hodiny během stavby


Kuchané Z574M, co mi už přes 10 let leží v šuplíku.


První testy digitronů Z574M v nedostavěných hodinách. Nechtěl jsem je letovat napevno, tak jsem je umístil do dutinek vzniklých rozlámáním precizních patic.


Hotová elektronika hodin.


Digitrony spolu s deskou logiky


Zabudování do krabičky


Už zbývá jen zašroubovat :).


Test obvodů Texas Instruments SN74141N, které jsou západním ekvivalentem Tesla MH74141. Zdá se, že to s nimi funguje také :). Tyto kousky jsou datované 1973.


Vývody ZM1080T. Ostatní typy Z570M, Z573M, Z574M, Z5700M, Z5730M, Z5740M, ZM1080, ZM1082, ZM1082T se liší nanejvýš vypuštěním jedné nebo obou desetinných teček. Jelikož tečky nejsou v hodinách využity, lze všechny tyto typy zapojit beze změny.


Datasheet ZM1080T Tesla.


Datasheet Z570M RFT.


Datasheet Z573M a Z574M RFT.


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.


Video - digitronové hodiny bez MCU během stavby a testování.



Přidáno: 7. 10. 2015
zpět na úvodní stránku