English version

Digitronové hodiny ze 70. let

     Úvod:
Už jsem úspěšně stavěl Digitronové hodiny bez mikroprocesoru. Nyní jsem se rozhodl jít ještě dál a postavit hodiny z dobové TTL logiky československé Tesly ve stylu, jak by pravděpodobně byly postaveny v 70. - 80. letech, tedy v době vrcholu slávy digitronů. Nejedná se vlastně o repliku žádného sériově vyráběného zařízení, jelikož digitronové hodiny se jakožto spotřebič pro domácnost nikdy nevyráběly. Jedná se spíše o napodobení amatérské konstrukce z tohoto období. Pojďme si tedy zacestovat v čase, přenést se zpět do dob totality a zabastlit si jako za starých časů :).
     Trocha historie:
Už začátkem 70. let se do rukou československých bastlířů pomalu začínal dostávat zázrak tehdejší elektroniky - logické integrované obvody TTL. Zajímavou aplikací těchto obvodů jsou digitální hodiny. Kolem roku 1970 začal národní podnik Tesla vyrábět desítkový čítač MH7490 (později verze MH7490A) a dále šestnáctkový čítač MH7493 (MH7493A), které se pro konstrukci digitálních hodin výborně hodí. Toho času se také začaly objevovat jejich první amatérské konstrukce. K zobrazení času se využívaly digitrony. Už v literatuře z roku 1969 je zmínka o digitronu ZM1020 Tesla. Digitron ZM1080T se začal v Tesle vyrábět v roce 1971 a digitron ZM1040 v roce 1973. Tehdy se jim ještě říkalo "číslicová výbojka" nebo "dekadická indikační výbojka". Název digitron se ujal až o několik let později. Cca začátku 70. let se začala Tesla vyrábět i slavný obvod MH74141, dekodér z BCD na 1 z 10ti s výstupy přímo pro digitrony.
     Zapojení:
Digitální hodiny se ve své podstatě skládají z několika čítacích obvodů zapojených do řady, kde při přetečení určitého čítače se hodnota následujícího o 1 zvýší. Čítače jsou zapojeny v pořadí jednotky sekund, desítky sekund, jednotky minut, desítky minut, jednotky hodin a desítky hodin. Jednotky sekund a jednotky minut počítají od 0 do 9 (celkem 10 stavů) a proto se pro ně hodí desítkový čítač MH7490(A). Desítky sekund a desítky minut počítající od 0 do 5 (6 stavů) vyžadují šestkový čítač. Takový sice neexistuje, ale je možné ho vytvořit zkrácením počítacího cyklu vyššího čítače. Tím může být např. osmičkový, desítkový či šestnáctkový čítač. Zkrácení počítacího cyklu se provádí s pomocí vstupů reset. Tyto vstupy se spojí s výstupy tak, aby při dosažení určitého stavu došlo k vynulování čítače. Pokud má čítač počítat od 0 do 5, je nutné ho při dosažení stavu 6 vynulovat. Dva vstupy reset R0& (které se chovají jako hradlo AND) jsou připojeny na výstupy B a C, tedy druhý a třetí nejnižší výstup. Při dosažení hodnoty 6 (binárně 110) jsou oba tyto výstupy v log. 1 a téměř ihned dojde k přechodu na stav 0.
     Ještě trochu složitější je mechanizmus počítání hodin a desítek hodin. Při stavu 9 se dalším zvýšením hodnoty jednotky hodin dostanou do stavu 0 a desítky hodin se zároveň zvýší o jednu. Současně se ale s dalším zvýšením při stavu 23 musí dostat celá dvojice čítačů do stavu 00. Nejlepší řešení je pro jednotky hodin použít desítkový čítač MH7490(A), který se sám o sobě po stavu 9 dostává do stavu 0. Pro desítky použijeme jakýkoliv čítač schopný počítat alespoň od 0 do 2. Celou dvojici čítačů potřebujeme nulovat při dosažení stavu 24. V kódu BCD je to 10 100. Vstupy reset obou čítačů tedy připojíme na druhý bit desítek hodin (výstup B) a na třetí bit jednotek hodin (výstup C).
     Nyní již máme systém čítačů počítajících čas, ale ještě potřebujeme zdroj impulzů s frekvencí co možná nejpřesněji 1Hz, tedy s periodou 1s. Jelikož přesnost RC či LC oscilátorů je řádově horší, než vyžaduje konstrukce hodin, nabízí se v podstatě dvě schůdná řešení: Jako zdroj přesného kmitočtu použít krystal, nebo síťový kmitočet. Krystaly ale bývaly za dob totality poměrně drahá a špatně dostupná záležitost. Navíc, frekvence krystalu je poměrně vysoká (nejméně desítky kHz) a pro získání frekvence 1Hz vyžaduje velké množství čítačů zapojených jako děliče frekvence. Pro krystal 100kHz by kupříkladu bylo třeba 5 desítkových čítačů MH7490 / MH7490A. Čítače jsou pochopitelně velmi drahé a vzácné :), a proto raději využijeme síťový kmitočet 50Hz. K získání 1Hz pak stačí už jen 2 čítače a není potřeba žádný krystal ani obvod krystalového oscilátoru. K dělení použijeme jeden desítkový čítač a dále jeden např. desítkový čítač upravený k dělení pěti. Síťový kmitočet je upraven pomocí tvarovacího obvodu, který převede sinusový průběh na obdélníkový kompatibilní s TTL úrovněmi.
     Obvyklá, dalo by se říci učebnicová, konstrukce hodin obsahuje 8 desítkových čítačů Tesla MH7490 (či MH7490A). Nejprve se kmitočet sítě upravený tvarovacím obvodem dělí 5ti a 10ti (v libovolném pořadí), následně se dělí 10ti, 6ti, 10ti, 6ti a nakonec pomocí dvojice desítkových čítačů 24mi. Zapojení je ale možné optimalizovat a ušetřit tak jeden čítač. Využijeme k tomu i šestnáctkových čítačů MH7493 (či MH7493A). Desítkový čítač MH7490(A) je vlastně složen ze dvou samostatně použitelných čítačů - dvojkového a pětkového. Šestnáctkový čítač MH7493(A) je obdobně složen ze dvou čítačů - dvojkového a osmičkového. Toho při optimalizaci obvodu využijeme také. Pro jednotky sekund, jednotky minut a jednotky hodin použijeme celkem 3 desítkové čítače. Pro desítky sekund a desítky minut použijeme 2 osmičkové čítače v MH7493 zkrácené na šestkové. Dvojkové zůstanou volné pro jiné využití. Pro počítání desítek hodin použijeme dva spojené dvojkové čítače ze dvou MH7490, čímž vznikne čtyřkový čítač. Ten pro účely čítání desítek hodin postačuje. Nevyužité dva pětkové čítače se využijí na dělení frekvence sítě 50Hz až na 2Hz (50 / 5 / 5 = 2). Jeden z nevyužitých dvojkových čítačů obvodů MH7493 se využije k dělení vzniklého kmitočtu 2Hz na 1Hz, který již může vstupovat do čítače sekund. Druhý dvojkový čítač (druhého obvodu MH7493) zůstal nevyužit. Lze ho případně použít jako přídavný dělič, pokud bychom chtěli hodiny řídit sdruženým kmitočtem 100Hz z můstkového usměrňovače. Dvojkový a pětkový (respektive osmičkový) čítač ve společném pouzdře sdílí vstupy reset. To však nevadí, pokud funkce reset (nulování) je využita u čítače vyššího řádu. Čítač nižšího řádu by se totiž při nulování tak jako tak sám o sobě dostal do stavu 0. (Vyšší čítač pokročí jedině v situaci, kdy všechny nižší čítače přetekly do stavu 0.) Obvod počítání hodin a desítek hodin se v našem případě skládá ze tří MH7490. Vstupy reset všech tří jsou tedy spojeny.
     Po optimalizaci se počet čítacích obvodů snížil z osmi na sedm, tedy 5 obvodů MH7490 a 2 obvody MH7493. Vstupy reset u jednotek sekund a jednotek minut nejsou využity a proto je nutné je spojit s GND. Obvody MH7490 navíc obsahují i vstupy R9& pro přednastavení hodnoty 9, které také nejsou využity, a tedy musí být též spojeny s GND. U obvodu MH7493 najdeme pouze vstupy R0&. Při řazení čítačů vždy připojujeme vstup vyššího čítače na nejvýznamnější používaný bit nižšího čítače.
     Kromě chodu musí mít hodiny také funkci nařizování. Nařizování je řešeno pomocí dvou tlačítek. Jedním se nařídí hodiny a druhým poté minuty. Při nařizování hodin prochází kmitočet 50Hz pětkovou částí čítače minut a pak čítačem desítek minut. Tím je vydělen 30ti a vznikne frekvence 1,666 Hz, umožňující pohodlné nařízení. Obdobně tomu je u nařizování minut, kde kmitočet 50Hz projde nejprve pětkovou částí čítače jednotek sekund a dále čítačem desítek sekund. Díky tomu do minut vstupuje také kmitočet 1,666 Hz. Některé propracovanější konstrukce hodin využívaly k nařizování obvod exkluzivní OR (XOR) MH7486 v kombinaci s tlačítkem doplněným o bezzákmitový obvod. Taková konstrukce je však o něco složitější a vyžaduje více integrovaných obvodů. Pro jednoduchost se proto hodiny obvykle stavěly s nařizovacím mechanizmem jako je znázorněno na schématu níže. Chodová frekvence do čítače vstupuje přes odpor a nařizovací frekvence přímo přes tlačítko. Než průběh procházející tlačítkem dojde do nařizovaného obvodu, je dělen 30ti, což v praxi k odstranění zákmitů tlačítka obvykle postačuje.
     Síťový kmitočet je před využitím nutno správně tvarovat. Je potřeba ze sinusového průběhu vytvořit obdélníkový průběh kompatibilní s TTL. Jelikož rozvodná síť je značně zarušena rozličnými rušivými impulsy a harmonickými kmitočty, je nutno použít dolní propust (tvořená RC obvodem) a také i Schmittův klopný obvod s hysterezí. Bez tohoto opatření je prakticky nemožné řídit hodiny síťovým kmitočtem. Samotná dolní propust ani samotný Schmittův obvod nedostačují, je nutná kombinace obou. Někteří konstruktéři došli k mylnému závěru, že síťový kmitočet je pro řízení nepoužitelný, z důvodu nevhodného tvarovacího obvodu. Pokud nejsou rušivé impulsy odfiltrovány, budou započítány v čítačích a hodiny se mohou výrazně předcházet. Tvarovací obvod je vytvořen pomocí obvodu Tesla MH7400, což je čtveřice dvouvstupových hradel NAND.
     Čas je potřeba nejen odměřovat, ale také vhodným způsobem zobrazit. V 70. letech a první polovině 80. let byly nejběžnějším a nejdostupnějším číslicovým zobrazovačem digitrony. Sedmisegmentové LED displeje byly ještě poměrně nedostupné a drahé. Jejich svítivost byla velmi nízká a zobrazený znak malý. Navíc nebyly příliš k sehnání ani dekodéry z BCD kódu na 7 segmentů. Oproti tomu digitrony byly již zavedenou a prověřenou metodou zobrazení. I dekodéry MH74141 určené pro digitrony byly již běžnou součástí výroby Tesly. Z toho důvodu byly pro konstruktéra digitrony prakticky jedinou možnou volbou. Tesla vyráběla v podstatě jen 3 typy vhodných digitronů (pokud nepočítáme jejich bezbarvé verze jako jiný typ), a to ZM1020, ZM1040 a ZM1080T. Velké digitrony ZM1040 (znak 31mm, boční pohled) se ale většinou do rukou bastlířů dostávaly až v 90. letech, kdy se díky jejich zastarání dostaly do výprodejů za pár Kčs, případně do kontejnerů. Malé digitrony ZM1080T (znak 13mm, boční pohled) byly dostupnější. Nevyužívají patici a letují se přímo do desky. Pokud je požadována možnost výměny digitronu (nebo pozdější použití digitronu jinde), pak zbývá už prakticky jediná varianta, a to ZM1020. Je to menší digitron s vrchním pohledem, znakem 15,5mm vysokým, instalovaný do patice B13B. Já jsem se také rozhodl pro tento typ. Typ ZM1020 je také vůbec první digitron vyráběný Teslou, a tak se pro retro hodiny hodí nejlépe :).
     Sekundy mohou a nemusí být zobrazeny. V nejstarších konstrukcích z úsporných důvodů obvykle byly zobrazeny jen hodiny a minuty. Tím se ušetří 2 digitrony a 2 dekodéry MH74141. Během 70. let byl dekodér MH74141 ještě poměrně drahý a tak se bastlíři snažili snížit jejich počet na minimum. K ovládání digitronu na pozici desítek hodin tedy místo tohoto dekodéru chytře použili pouhé dva tranzistory. Zobrazují se tu totiž jen číslice 1 a 2. Počáteční nula se nezobrazuje, což není na škodu. Dekódování BCD zde není nutné, protože se zde vyskytují stavy jen 0, 1 a 2. Nejnižší bit BCD vždy značí číslici 1 a druhý nejnižší bit číslici 2. Nahrazení dekodéru tranzistory i potlačení nuly vede také ke snížení spotřeby celého obvodu. Pokud nejsou použity sekundy, ke konstrukci stačí pouhé 3 kusy dekodérů MH74141. Ke spínání jsou třeba dva vysokonapěťové tranzistory malého výkonu. Nejvhodnější byly v těchto dobách typy tranzistory určené do videozesilovačů, např. BF259, SF359, BF459, KF422, KF469. Úbytek napětí na digitronu se odčítá od napětí anodového zdroje, čímž se nároky na tranzistor o něco sníží. Při nedostatku vysokonapěťových tranzistorů mohl tehdejší konstruktér řešit problém použitím malého tyristoru, např. KT506 či KT508/400. Tyristor však lze použít jen při napájení digitronů pulzujícím proudem (jednocestně či dvoucestně usměrněné napětí bez filtrace), nikoliv při použití filtrovaného stejnosměrného napětí.
     Pro úplnost můžeme hodinám přidat ještě svítící či blikající tečku mezi hodiny a minuty. Ta může být tvořena buď miniaturní žárovičkou, doutnavkou, a nebo velmi moderně :) pomocí první československé světelné diody Tesla LQ100 v krásném zlaceném kovovém pouzdře. Tato červeně svítící dioda má svítivost (jenom) 0,8mcd při 20mA a červenou čočku, která už jen od křivého pohledu odpadne (pochopitelně i s čipem), ale je to prostě naše první LEDka :). Max. proud je 50mA a max. vrcholový proud je dle katalogu neuvěřitelných 5A. Úbytek napětí v propustném směru je jen 1,65V a lze ji tedy napájet z napětí logiky.
     Hodiny ke své funkci pochopitelně potřebují také napájecí zdroj. Jednak zdroj stabilizovaného stejnosměrného napětí 5V a dále zdroj anodového napětí pro digitrony, které musí být nejméně 170V (pro lepší stabilitu pracovního proudu digitronů je však lepší použít ještě o něco větší napětí). Napětí 5V získáme pomocí zdroje se síťovým transformátorkem, diodovým usměrňovacím můstkem a stabilizátorem. Nejstarší konstrukce vystačili se stabilizátorem tvořeným Zenerovou diodou a výkonovým tranzistorem. Modernější konstrukce mohou využít monolitický obvod stabilizovaného zdroje pevného napětí 5V Tesla typu MA7805 v celokovovém pouzdře TO-3. Ten opatříme malým chladičem. Na vstupní i výstupní stranu stabilizátoru co nejblíže k obvodu MA7805 umístíme keramické blokovací kondenzátory s hodnotou okolo 100nF. Na vstupní straně použijeme např. kondenzátor z řady Tesla TK783 dimenzovaný na 32V. Na výstupní straně vystačíme s kondenzátorem z řady TK782 (na 12,5V). Stejné kondenzátory použijeme i k blokování napájecího napětí na desce logických obvodů. Spotřeba logických obvodů MH7490A je 29mA (<42mA), MH7493A...26mA (<39mA), MH74141...27mA (<32mA) a MH7400...12mA (<22mA). Celková spotřeba logiky hodin bez sekund (s 3x MH74141) tedy je typická 290mA, maximální 406mA. Dále je třeba přičíst spotřebu ostatních součástek, jako vlastní spotřebu MA7805, LED, bázové odpory a odpory tvarovače, dohromady cca 25mA. Max. odběr ze sekundáru trafa tedy vychází cca 431mA. Stabilizátor MA7805 vyžaduje vstupní napětí alespoň 7V. Přičteme pokles napětí na filtračních kondenzátorech cca 1,2V (při kapacitě 3000uF a proudu 431mA) a úbytek usměrňovacích diod max. 2x 1,1V a vyjde min. amplituda stř. napětí 10,4V. To odpovídá efektivní hodnotě cca 7,3V. Po započtení odchylky sítě -10% vyjde minimální potřebná hodnota sekundárního napětí 8V~. Použijeme tedy transformátorek s parametry 8 až 10V, cca 500mA. K napájení digitronů je možné použít stejnosměrné napětí nebo pulzující napětí jednocestně či dvoucestně usměrněné bez filtrace. Napětí můžeme získat buď z vhodného síťového transformátorku, nebo v nouzi přímo ze sítě. Při napájení digitronů přímo ze sítě bez oddělovacího transformátorku ale je celý obvod hodin galvanicky spojen se sítí a musí tedy být vhodně zabezpečen proti dotyku částí pod napětím. Také tlačítka musí být vhodná pro provoz se síťovým napětím. Do přívodu síťového napětí v každém případě zařadíme vhodnou pojistku, abychom omezili zejména riziko požáru.
     Zkušenosti z provozu hodin:
...

     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, aby se omezilo riziko požáru. 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 - zdroj napájecího napětí a tvarovač kmitočtu 50Hz.


Schéma digitronových hodin - TTL logika (čítače, dekodéry), digitrony.

Hotové digitronové hodiny

Fotky budou brzy doplněny...

Digitronové hodiny během stavby


Test návrhu TTL digitronových hodin v kontaktním poli.





Obvody TESLA MH7490A a vodiče Kablo Kladno :).


Zlacené patice DIP14 Tesla


Zlacené patice DIP16 Tesla - černé bakelitové. Očka jsem odbrousil :).


Tesla vyráběla v podstatě jen 3 typy číslicových digitronů: ZM1020, ZM1040, ZM1080T (nepočítáme-li bezbarvé modifikace ZM1042 a ZM1082T jako jiný typ), takže výběr není tak složitý :).


Osazování DPS.


První test TTL digitronových hodin.


Deska s TTL logikou hodin (7400, 7490, 7493, 74141).


Zázrak křemíkového světa - první československá světelná dioda (dnes bychom řekli LED) Tesla LQ100.


Deska s digitrony a deska s TTL logikou hodin.


LED dioda Tesla LQ 100. V provozu je těžko vyfotitelná a její typické temně rudé světlo nedokáže monitor reprodukovat.


Stabilizovaný zdroj 5V s obvodem Tesla MA7805.


Pojistkové pouzdro do panelu Remos.


Test hodin před zaskříněním.


Práce na zaskřínění digitronových hodin.





Datasheet digitronu ZM1020 Tesla.


Datasheet digitronu ZM1080T / ZM1082T Tesla.


Zapojený vývodů a pravdivostní tabulka obvodu MH 74141.


Blokové schéma MH74141


Dobová fotka několika integrovaných obvodů včetně Tesla MH74141 a MH7490 z knížky z roku 1977.


Dataasheet obvodů Tesla MH7490A a MH7493A.


Zapojení vývodů obvodů Tesla MH7490A a MH7493A.


Přehled čítačů v katalogu z r. 1980.


Zapojení vývodů MH7400


Malé vysokonapěťové tyristory Tesla KT505/400, KT506, KT508


Usměrňovací diody KY132/1000 a další (v katalogu z r. 1980).


Video - digitronové hodiny ve stylu 70. let - test návrhu v kontaktním poli.


Video - "retro" záběr :)



Přidáno: 2. 3. 2016
zpět na úvodní stránku