úvod:
Rozhodl jsem se pro konstrukci mych u? t?etích digitronovych hodin. Za úkol jsem si dal, aby tentokrát hodiny měly nějaké vět?í digitrony (cca 30mm vy?ka znaku),
dále měly bo?ní ?tení (vypadají více jako tradi?ní elektronky) a instalovaly se do patic, aby nebylo nutno je barbarsky letovat natvrdo a ?lo je v p?ípadě poruchy vyměnit.
Co to jsou digitrony popisuji podrobněji zde.
Volba typu digitron?:
Digitrony, které tyto po?adavky splňují a lze je v na?ich kon?inách najít, jsou zejména Z566M a jeho varianta bez laku Z5660M od vychodoněmeckého RFT, dále
ZM1040 a verze bez laku ZM1042 od ?eskoslovenské Tesly, p?ípadně je?tě LC-631 od Polského Dolam. V?echny tyto typy mají znak cca 30 - 31mm.
Zajímavé jsou i Z522M a Z5220M, ale jedná se o star?í typ vyráběny spí?e více na západ od nás, a proto jsem ?ádny nikdy neviděl. Sovětsky svaz
p?ispěl do světa digitron? velmi zajímavym kouskem IN-18 (ИН-18) s úctyhodnou vy?kou znaku 40mm, ale a? za dob totality ze SSSR do ?SSR dová?elo hodně věcí,
digitrony IN-18 tu prakticky nenajdeme. Zajímavy, ale také bohu?el poměrně tě?ko sehnatelny, je Z568M nebo Z5680M od RTF s vy?kou ?íslice 50mm.
Tak velky digitron nejspí? neměl moc ?iroké vyu?ití a vyrobilo se jich málo. Pak je?tě existovaly některé západoevropské a americké typy s ?ísly vysokymi
50 - 60mm, nap?. NL-7037, nebo naprosto ?íleny japonsky digitron CD47/GR-411 a CD47/GR-414 s ?ísly vysokymi neuvě?itelnych 135mm, ale takové zázraky
kapitalistického světa není v?bec ?ádná ?ance v ?R, SR a snad ani nikde ve st?ední Evropě zahlédnout.
Shánění digitron?:
Jako nejsehnatelněj?í se nakonec ukázaly socialistické Z566M od vychodoněmeckého RFT, na druhém místě ZM1040 od ?eskoslovenské Tesly a na t?etím Z5660M,
co? je vlastně jen bezbarvá mutace Z566M a lze ji v p?ípadě nutnosti ze Z566M vyrobit odstraněním laku :). Stejně tak lze méně ?astou
bezbarvou ZM1042 vyrobit ze ZM1040. Digitrony se znakem 3cm jsou asi největ?í, které se bě?něji pou?ívaly, vyskytovaly se nap?. ve stolních
?íta?ích, voltmetrech, multimetrech a pr?myslové automatizaci. Z566M jsou i nap?. v polskych voltmetrech Meratronik V541 a podobnych.
ZM1040 jsou v obdobnych p?ístrojích od Tesly. Pou?ít nové Z566M z krásnych originálních krabi?ek mi p?i?lo líto a rozkuchání
funk?ního Meratroniku V541 také a tak jsem tyto varianty zcela zavrhl. P?vodně jsem pomy?lel na pou?ité Z5660M, ale ty jsem bohu?el měl
jen 2. Digitron? ZM1040 jsem měl na potvoru jen 5. Bohu?el vět?ina stolních mě?idel měla právě těch 5 ?íslicovek.
Jako nejsch?dněj?í se tedy ukázaly pou?ité, ale funk?ní Z566M nap?. z ?etnych trosek dal?ích nefunk?ních Meratronik? ?ady V530 a V540, které by p?ípadně ?lo
odbarvit a pou?ít spolu se Z5660M. Dal?í varianta jsou ZM1040, ale ?esty kus a dva rezervní jsem k nim na?el a? později.
Volba oddělova??:
Kromě vlastních ?íslicovych digitron? je t?eba také zvolit oddělova?e, oddělující jednotlivé dvojice ?ísel.
?ádny z dostupnych digitron? těchto rozměr? nemá zabudouvané desetinné te?ky, a tak je nutno pou?ít vněj?í oddělova?e.
P?vodní nápad byl pou?ít jako oddělova?e také digitrony, konkrétně symbolové typy, které zobrazují symboly jako nap?. "+", "-" nebo "~".
K typ?m Z566M pat?í symbolovky Z567M, k Z5660M pat?í Z5670M. K ZM1040 se pou?ívaly nap?. ZM1041, ZM1041S nebo ZM1047 a k ZM1042 nap?. ZM1043 a ZM1043S.
Symbolovky mají stejnou patici a baňku, jako ?íslicovky, ke kterym pat?í. Proto se jejich pou?ití jako oddělova?? jeví celkem esteticky.
Na druhou stranu to ale zvy?uje rozměry hodin, slo?itost a spot?ebu. Navíc pou?ití více sou?ástek, které se ji? nevyrábějí, m??e zkomplikovat budoucí
údr?bu. Proto jsem se nakonec rozhodl jako oddělova?e pou?ít doutnavky. V p?ípadě, ?e hodiny zobrazují i datum, pou?ití doutnavek také p?ispěje
k lep?í ?itelnosti. Dvojice doutnavek nad sebou tvo?í dvojte?ku, která na první pohled odděluje hodiny, minuty a sekundy. Pokud svítí jen dolní te?ka,
na první pohled je jasné, ?e je to te?ka za datumem. Rozeznání datumu od ?asu by p?i pou?ití znak? + - ~ bylo dost neintuitivní.
Funkce hodin:
Hodiny by pochopitelně měly zobrazovat ?as :). V p?ípadě hodin s velkymi digitrony to musí byt v?etně sekund,
jinak by krása digitron? nevynikla. Bez sekund nelze obdivovat magicky p?eskakující ?íslice :).
Dále zobrazují i datum a den v tydnu. Umí po?ítat p?estupné roky a automaticky p?echázet na letní a zimní ?as.
Nechybí ani budík s volbou jednorázově, v?ední dny nebo ka?dy den. U?ite?ná je také digitální korekce rychlosti chodu a
po?ítadlo provozních hodin pro sledování ?ivotnosti digitron?. V pravidelnych intervalech
dochází k rotaci v?ech ?íslic kv?li prevenci otravy katod. Manuálně také lze vyvolat trvalou rotaci pro regeneraci digitron?.
Funkce vycházejí z p?edchozích digitronovych hodin. Jsou více méně stejné a? na zobrazení
dne v tydnu. U p?edchozích hodin byl zobrazován pomocí jeho ?ísla (1-7) na poslední dvojici digitron? spolu s datem. U těchto hodin
se den v tydnu indikuje pomocí sedmi velkych zelenych doutnavek (typ NEON-9) a na poslední dvojici digitron? se zobrazuje rok (jeho poslední dvoj?íslí).
Zapojení:
Hodiny mají ?estimístny displej sestaveny z digitron?. Digitrony jsou ?ízeny tzv. sí?ovym duplexem. Je to obdoba dvoukrokového multiplexu,
kde jedna p?lperioda sítě rozsvěcí jednu polovinu digitron? (zde 3) a druhy druhou. V tomto p?ípadě je zobrazení rozděleno na
sudá a lichá místa. Vyhodou tohoto zapojení je, ?e oproti statickému buzení se sní?í po?et budi?? digitron? MH 74141 ze ?esti na t?i.
V porovnání s bě?nym multiplexem je zde také několik vyhod. Není nutné aktivně spínat anody (ka?dá anoda by musela mít dva VN tranzistory)
a není nutny tak velky pulzní proud pro dosa?ení
po?adovaného jasu, jako p?i ?estikrokovém multiplexu. Klasicky multiplex byvá problematicky i z d?vodu velkého napětí obdélníkového pr?běhu, které vlivem kapacitních
proud? vyvolává slaby svit neaktivních ?íslic (duchy). U sí?ového duplexu k takovému problému nedochází, proto?e se pracuje se sinusovym pr?během napětí,
nikoliv obdélníkovym. Odpadá tím i pe?livá filtrace napájecího napětí, typická pro klasicky multiplex, a jakékoliv kondenzátory nabité na nebezpe?né napětí.
Duplex také eliminuje pískání (mechanickou rezonanci), ke které m??e dojít p?i multiplexu velkych digitron?.
Je také nutno dodat, ?e multiplex se v praxi pou?íval jen u malych digitron?. U velkych (nad 18mm) se nepou?íval a datasheety mo?nost multiplexu neuváděly.
Sí?ovy duplex napájí digitron stejnym pr?během proudu, jako p?i provozu z klasického jednocestného usměrňova?e bez filtrace, a odpovídá
tedy parametr?m, které datasheet povoluje.
Jako oddělova? ?íslic slou?í dvě dvojte?ky tvo?ené miniaturními doutnavkami. Jsou rozděleny do dvou dvojic zapojenych v sérii.
Jednu tvo?í horní te?ky, druhou dolní. To umo?ňuje pou?ít dolní te?ky jako te?ky za datumem. Obě skupiny doutnavek jsou také spojeny do duplexu,
tak?e k jejich ?ízení sta?í jediny VN tranzistor T2.
Jako ?ídící obvod byl zvolen Atmel AVR ATmega8A (ATmega8L). Ten zaji??uje v?echny pot?ebné funkce pro provoz hodin. Pin PD3 (INT1) slou?í
k synchronizaci duplexu p?es tvarovací tranzistor T1. Pokud by byl duplex prohozeny (prohodí se zobrazení jednotek s desítkami), p?epólujte primár nebo sekundár
pomocného trafa Tr1. Trafo Tr1 (230V / 9V - cca 1,5VA) slou?í nejen jako zdroj napájení pro logiku, ale také k rozli?ení p?lperiod.
Stabilizaci napětí 5V zaji??uje tradi?ně obvod IO5 (7805) s malym chladi?em. Aby nedo?lo k vynulování hodin p?i vypadku sítě, nechybí jim ani
zálohovací baterie. Ta má napětí 4,5V (pop?. 3V, 3,6V nebo 3,7V). Já jsem pou?il t?i AA ?lánky. Sta?ila by i mnohem men?í baterie, proto?e
spot?eba během zálohování je jen asi 9uA. Během provozu z baterie digitrony pochopitelně nesvítí a tak sta?í
napájet jen IO1, nikoliv hladové 74141, odebírající dle katalogu a? 32mA, změ?eno 24mA.
Zpětnému toku proudu z baterie do budi?? 74141 a do 7805 zabraňuje schottkyho dioda D1. Dioda D2 zabraňuje nechtěnému nabíjení baterie
p?i provozu ze sítě.
Piezoreproduktorek Rep1 slou?í k ozvu?ení budíku. Lze ho nahradit induk?ním reproduktorkem s kondenzátorem nap?. 1u v sérii.
Budík funguje i p?i provozu z baterie. Hodiny se ovládají pomocí tla?ítek TL1 a TL2.
Pin PD3 (INT1) slou?í k synchronizaci duplexu a ke snímání, zda je p?ítomno sí?ové napětí. Pokud nedojde během 250ms
k ?ádné změně úrovně, p?ejdou hodiny na úsporny bateriovy provoz. Vystupy IO1 vedoucí do budi?? 74141 a do báze T2 jsou v takovém stavu nastaveny na log 0.
Obvod hodin je napájen ze sítě bez oddělení. Sí?ové napětí okolo 230V je p?ibli?ně to nejvhodněj?í napětí k napájení digitron?.
Provoz bez oddělovacího transfomátoru je mo?ny, pokud jsou celé hodiny uzav?ené do vhodné bezpe?né sk?íňky a ?ádná ?ivá ?ást není
zven?í p?ístupná. Zálohovací baterie musí byt uzav?ena a nep?ístupná z ven?í (nelze pou?ít nap?. pouzdro pro baterii s dví?ky).
Tla?ítka musí byt dimenzována na 250V~, proto?e podstatné není jen napětí kontakt-kontakt, ale i napětí kontakt-?lověk ma?kající hmatník :).
Digitrony samoz?ejmě nejsou odkryté, jsou pod bezpe?nym pr?hlednym krytem. Konstrukce s odkrytymi digitrony je dle mého názoru nejen
nebezpe?ná (i v p?ípadě oddělení od sítě), ale také dost náchylná k po?kození digitron? a v neposlední ?adě zna?ně anachronická
(nevím o ?ádném za?ízení z dob bě?ného pou?ívání digitron?, které by mělo digitrony odkryté). Samoz?ejmě je ale mo?né
konstrukci doplnit o oddělovací transformátor. Hodiny napájené ze sítě bez oddělovacího transformátoru pochopitelně nelze p?ipojit k programovacímu rozhraní,
ale programování MCU lze provést mimo desku a nebo p?i napájení ze zálo?ní baterie.
Proud digitrony je zvolen co nejmen?í pro prodlou?ení jejich ?ivotnosti. Datasheet uvádí min proud stejnosměrny proud 3mA, max. 6mA, doporu?eny 4,5mA.
P?íli? maly proud m??e zp?sobit, ?e se nerozsvítí celá katoda,
ale jen její ?ást. P?i napájení pulzujícím proudem musí tedy ?pi?kovy proud p?esáhnout alespoň na chvíli minimální hodnotu.
Odpory R1 - R6 ur?ují proud digitrony. Odpor R9 slou?í k jemnému doladění proudu a lze ho vypustit.
úbytek digitron? je obvykle cca 140V a ?pi?kové napětí sítě je 325V, na odporech je tedy ?pi?kové napětí 185V.
Odpory jsou voleny tak, aby ?pi?kovy proud pot?ebné hodnoty provozního proudu. R = UR ?p. (185V) / I?p..
Pokud by proud nesta?il ke správnému zobrazení, lze hodnoty odpor? sní?it.
Já jsem zvolil ?pi?kovy proud cca 5,1mA (st?ední proud je cca 1,2mA). Ukázalo se, ?e to bohatě sta?í ke správnému zobrazení
i k dobré ?itelnosti digitron? dokonce i za denního světla. Spot?eba hodin je cca 3,9W.
Program:
Program digironovych hodin je ní?e ke sta?ení v HEX souboru p?ímo pro nahrání do mikrokontroléru i jako zdrojovy kód v Assembleru pro p?ípadné úpravy.
Na obrázku ní?e je nastavení konfigura?ních bit? mikroprocesoru v programu AVRISP i PonyProg.
Hodiny jsou ?ízeny nízkofrekven?ním krystalem 32 768 Hz, ktery umo?ní nízkou spot?ebu p?i provozu z baterie.
MCU je taktován na 4MHz z vnit?ního RC oscilátoru. V ne?innosti během sí?ového napájení hodin p?echází IO1 do sleep módu Idle.
P?i bateriovém napájení hodin p?echází během ne?innosti do módu Power Save, co? umo?ní velmi nízkou spot?ebu. Taktování MCU je v tomto stavu
vypnuto a bě?í pouze asynchronní ?asova?/?íta? 2. Zajímavostí je po?ítadlo provozních hodin. Aby nedo?lo ke ztrátě údaje (24bit) ani p?i odpojení
sítě i baterie, je ukládán do EEPROM a 8x za hodinu aktualizován. Aby nedo?lo k brzkému opot?ebení EEPROM (garantovaná ?ivotnost ka?dého
bajtu je 100 000 zápis?), pou?ívá se rozdělování zátě?e (wear leveling). Pro nejni??í bajt je postupně st?ídáno 96 r?znych bajt?
v EEPROM. Pro vy??í dva bajty to není pot?eba, proto?e se aktualizují jen p?i p?ete?ení nejni??ího bajtu.
Ke 100 000. zápisu toho samého bajtu by díky tomu do?lo a? po 137 letech trvalého provozu :). Do EEPROM je ukládána také kompenzace krystalu.
P?i st?ídavém zobrazení data a ?asu se cyklus opakuje po 7 sekundách. ?íslo 7 bylo zvoleno, proto?e je nesoudělné s ?ísly 10 a 60,
a tak nedochází k nerovnoměrnému opot?ebení katod digitron? sekund p?i zobrazování ?asu. ?as je v zájmu digitron? zobrazován déle, ne? datum,
proto?e je to proměnlivěj?í údaj.
Ovládání:
Hodiny se ovládají pomocí tla?ítek TL1 a TL2.
• 1. Zobrazení
Hodiny mají dva základní módy zobrazení. První z nich zobrazuje pouze ?as ve tvaru "HH:MM:SS" (Hodiny:Minuty:Sekundy).
Druhy zobrazuje st?ídavě ?as a datum s periodou 7 sekund. ?as je v?dy 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 p?epínat tla?ítkem TL1.
V obou módech se ka?dych 49 sekund rotují ?íslice po dobu 1,25 sekundy. Den v tydnu je indikován trvale pomocí jedné ze 7 doutnavek.
• 2. Budík
Hodiny jsou vybavené budíkem. Tla?ítkem TL2 postupně p?echázíte mezi zobrazením ?asu, ?asu+data a ?ty?mi kroky nastavení budíku:
Hodiny budíku, desítky minut budíku, minuty budíku, mód budíku. K nastavení slou?í
tla?ítko TL1. Módy budíku jsou: 0 - vypnuty, 1 - jednorázovy, 5 - v pěti pracovních dnech, 7 - ka?dy den.
Nastavování budíku je indikováno st?ídavě blikajícími te?kami.
Zvonící budík lze zastavit kterymkoliv tla?ítkem.
• 3. Na?izování
Dlouhym stiskem tla?ítka TL2 se dostanete do procesu na?izování hodin. Postupně na?ídíme hodiny, desítky minut, minuty, sekundy, den v tydnu,
den, měsíc, rok a automaticky p?echod na letní a zimní ?as (111111 = zapnuto, 000000 = vypnuto).
K nastavování slou?í TL1, k p?epínání mezi jednotlivymi kroky TL2. Po ?ty?minutové neaktivitě se hodiny
automaticky vrátí z na?izování do zobrazení ?as+datum.
• 4. Automaticky letní a zimní ?as
Pokud je automaticky ?as povolen, p?esun na letní ?as proběhne poslední neděli v b?eznu tím, ?e po 1:59:59 následuje 3:00:00.
P?esun na zimní ?as proběhne poslední neděli v ?íjnu tím, ?e po 2:59:59 následuje 2:00:00.
(Dle pravidla platného pro témě? v?echny evropské státy v?etně ?R a SR od r. 1996.)
• 5. Speciální funkce
Dlouhym stiskem tla?ítka TL1 se dostaneme ke speciálním funkcím. První z nich je test digitron?, p?i kterém
na v?ech cifrách postupně bě?í ?íslice od 0 do 9 (mění se po 1s). Lze pou?ít i k údr?bě digitron? (proti otravě katod).
Stiskem TL2 se dostanete k dal?í speciální funkci, co? je kompenzace krystalu. Pokud hodiny nejdou p?esně,
m??ete je se?ídit v rozmezí -75 a? +75 ppm s krokem 3ppm (3 miliontiny). Tla?ítkem TL1 nastavíte hodnotu.
Záporné hodnoty se zobrazují vlevo, kladné vpravo (nap?. -75ppm se zobrazí jako "75 00 00", +18ppm jako "00 00 18").
Je?tě jedním stiskem TL2 se dostaneme do poslední speciální funkce, co? je po?ítadlo provozních hodin.
Zobrazuje celkovou dobu provozu za?ízení (v hodinách). Následujícím stiskem TL2 se ji? dostanete zpět k zobrazení ?asu.
Po?ítadlo provozních hodin lze vynulovat tím, ?e p?i propojené drátové propojce DP1 dlouze stisknete tla?ítka TL1 i TL2
sou?asně. Te?ky rychle zablikají a po?ítadlo se nastaví na 000000. Nulování se doporu?uje provést pouze p?i vyměně digitron?.
Za normálních okolností tedy propojku DP1, povolující nulování, nepropojujte.
Zku?enosti z provozu hodin:
28. 6. 2019 - 22 500 hodin provozu bez poruchy, bez známek opot?ebení.
Cely program ke sta?ení:
Zdrojovy kód v assembleru (ASM)
P?elo?eny v HEX souboru (2 920 Bajt?)
Zapisování programu do AVR se podrobněji věnuji zde.
