English version

Digitronové hodiny ze 70. let

     úvod:
U? jsem úspě?ně stavěl Digitronové hodiny bez mikroprocesoru. Nyní jsem se rozhodl jít je?tě dál a postavit hodiny z dobové TTL logiky ?eskoslovenské Tesly ve stylu, jak by pravděpodobně byly postaveny v 70. - 80. letech, tedy v době vrcholu slávy digitron?. Nejedná se vlastně o repliku ?ádného sériově vyráběného za?ízení, jeliko? digitronové hodiny se jako?to spot?ebi? pro domácnost nikdy nevyráběly. Jedná se spí?e o napodobení amatérské konstrukce z tohoto období. Poj?me si tedy zacestovat v ?ase, p?enést se zpět do dob totality a zabastlit si jako za starych ?as? :).
     Trocha historie:
U? za?átkem 70. let se do rukou ?eskoslovenskych bastlí?? pomalu za?ínal dostávat zázrak tehdej?í elektroniky - logické integrované obvody TTL z Tesly Ro?nov. Zajímavou aplikací těchto obvod? jsou digitální hodiny. Kolem roku 1970 za?al národní podnik Tesla vyrábět desítkovy ?íta? MH7490 (později verze MH7490A) a dále ?estnáctkovy ?íta? MH7493 (MH7493A), které se pro konstrukci digitálních hodin vyborně hodí. Toho ?asu se také za?aly objevovat jejich první amatérské konstrukce. K zobrazení ?asu se vyu?ívaly digitrony. U? v literatu?e z roku 1969 je zmínka o digitronu ZM1020 Tesla. Digitron ZM1080T se za?al v Tesle vyrábět v roce 1971 a digitron ZM1040 v roce 1973. Tehdy se jim je?tě ?íkalo "?íslicová vybojka" nebo "dekadická indika?ní vybojka". Název digitron se ujal a? o několik let později. Cca na za?átku 70. let za?ala Tesla vyrábět i slavny obvod MH74141, dekodér z BCD na 1 z 10ti s vystupy p?ímo pro digitrony.
     Zapojení:
Digitální hodiny se ve své podstatě skládají z několika ?ítacích obvod? zapojenych do ?ady, kde p?i p?ete?ení ur?itého ?íta?e se hodnota následujícího o 1 zvy?í. ?íta?e jsou zapojeny v po?adí jednotky sekund, desítky sekund, jednotky minut, desítky minut, jednotky hodin a desítky hodin. Jednotky sekund a jednotky minut po?ítají od 0 do 9 (celkem 10 stav?) a proto se pro ně hodí desítkovy ?íta? MH7490(A). Desítky sekund a desítky minut po?ítající od 0 do 5 (6 stav?) vy?adují ?estkovy ?íta?. Takovy sice neexistuje, ale je mo?né ho vytvo?it zkrácením po?ítacího cyklu vy??ího ?íta?e. Tím m??e byt nap?. osmi?kovy, desítkovy ?i ?estnáctkovy ?íta?. Zkrácení po?ítacího cyklu se provádí s pomocí vstup? reset. Tyto vstupy se spojí s vystupy tak, aby p?i dosa?ení ur?itého stavu do?lo k vynulování ?íta?e. Pokud má ?íta? po?ítat od 0 do 5, je nutné ho p?i dosa?ení stavu 6 vynulovat. Dva vstupy reset R0& (které se chovají jako hradlo AND) jsou p?ipojeny na vystupy B a C, tedy druhy a t?etí nejni??í vystup. P?i dosa?ení hodnoty 6 (binárně 110) jsou oba tyto vystupy v log. 1 a témě? ihned dojde k p?echodu na stav 0.
     Je?tě trochu slo?itěj?í je mechanizmus po?ítání hodin a desítek hodin. P?i stavu 9 se dal?ím zvy?ením hodnoty jednotky hodin dostanou do stavu 0 a desítky hodin se zároveň zvy?í o jednu. Sou?asně se ale s dal?ím zvy?ením p?i stavu 23 musí dostat celá dvojice ?íta?? do stavu 00. Nejlep?í ?e?ení je pro jednotky hodin pou?ít desítkovy ?íta? MH7490(A), ktery se sám o sobě po stavu 9 dostává do stavu 0. Pro desítky pou?ijeme jakykoliv ?íta? schopny po?ítat alespoň od 0 do 2. Celou dvojici ?íta?? pot?ebujeme nulovat p?i dosa?ení stavu 24. V kódu BCD je to 10 100. Vstupy reset obou ?íta?? tedy p?ipojíme na druhy bit desítek hodin (vystup B) a na t?etí bit jednotek hodin (vystup C).
     Nyní ji? máme systém ?íta?? po?ítajících ?as, ale je?tě pot?ebujeme zdroj impulz? s frekvencí co mo?ná nejp?esněji 1Hz, tedy s periodou 1s. Jeliko? p?esnost RC ?i LC oscilátor? je ?ádově hor?í, ne? vy?aduje konstrukce hodin, nabízí se v podstatě dvě sch?dná ?e?ení: Jako zdroj p?esného kmito?tu pou?ít krystal, nebo sí?ovy kmito?et. Krystaly ale byvaly za dob totality poměrně drahá a ?patně dostupná zále?itost. Navíc, frekvence krystalu je poměrně vysoká (nejméně desítky kHz) a pro získání frekvence 1Hz vy?aduje velké mno?ství ?íta?? zapojenych jako děli?e frekvence. Pro krystal 100kHz by kup?íkladu bylo t?eba 5 desítkovych ?íta?? MH7490 / MH7490A. ?íta?e jsou pochopitelně velmi drahé a vzácné :), a proto raději vyu?ijeme sí?ovy kmito?et 50Hz. K získání 1Hz pak sta?í u? jen 2 ?íta?e a není pot?eba ?ádny krystal ani obvod krystalového oscilátoru. K dělení pou?ijeme jeden desítkovy ?íta? a dále jeden nap?. desítkovy ?íta? upraveny k dělení pěti. Sí?ovy kmito?et je upraven pomocí tvarovacího obvodu, ktery p?evede sinusovy pr?běh na obdélníkovy kompatibilní s TTL úrovněmi.
     Obvyklá, dalo by se ?íci u?ebnicová, konstrukce hodin obsahuje 8 desítkovych ?íta?? Tesla MH7490 (?i MH7490A). Nejprve se kmito?et sítě upraveny tvarovacím obvodem dělí 5ti a 10ti (v libovolném po?adí), následně se dělí 10ti, 6ti, 10ti, 6ti a nakonec pomocí dvojice desítkovych ?íta?? 24mi. Zapojení je ale mo?né optimalizovat a u?et?it tak jeden ?íta?. Vyu?ijeme k tomu i ?estnáctkovych ?íta?? MH7493 (?i MH7493A). Desítkovy ?íta? MH7490(A) je vlastně slo?en ze dvou samostatně pou?itelnych ?íta?? - dvojkového a pětkového. ?estnáctkovy ?íta? MH7493(A) je obdobně slo?en ze dvou ?íta?? - dvojkového a osmi?kového. Toho p?i optimalizaci obvodu vyu?ijeme také. Pro jednotky sekund, jednotky minut a jednotky hodin pou?ijeme celkem 3 desítkové ?íta?e. Pro desítky sekund a desítky minut pou?ijeme 2 osmi?kové ?íta?e v MH7493 zkrácené na ?estkové. Dvojkové z?stanou volné pro jiné vyu?ití. Pro po?ítání desítek hodin pou?ijeme dva spojené dvojkové ?íta?e ze dvou MH7490, ?ím? vznikne ?ty?kovy ?íta?. Ten pro ú?ely ?ítání desítek hodin posta?uje. Nevyu?ité dva pětkové ?íta?e se vyu?ijí na dělení frekvence sítě 50Hz a? na 2Hz (50 / 5 / 5 = 2). Jeden z nevyu?itych dvojkovych ?íta?? obvod? MH7493 se vyu?ije k dělení vzniklého kmito?tu 2Hz na 1Hz, ktery ji? m??e vstupovat do ?íta?e sekund. Druhy dvojkovy ?íta? (druhého obvodu MH7493) z?stal nevyu?it. Lze ho p?ípadně pou?ít jako p?ídavny děli?, pokud bychom chtěli hodiny ?ídit sdru?enym kmito?tem 100Hz z m?stkového usměrňova?e. Dvojkovy a pětkovy (respektive osmi?kovy) ?íta? ve spole?ném pouzd?e sdílí vstupy reset. To v?ak nevadí, pokud funkce reset (nulování) je vyu?ita u ?íta?e vy??ího ?ádu. ?íta? ni??ího ?ádu by se toti? p?i nulování tak jako tak sám o sobě dostal do stavu 0. (Vy??í ?íta? pokro?í jedině v situaci, kdy v?echny ni??í ?íta?e p?etekly do stavu 0.) Obvod po?ítání hodin a desítek hodin se v na?em p?ípadě skládá ze t?í MH7490. Vstupy reset v?ech t?í jsou tedy spojeny.
     Po optimalizaci se po?et ?ítacích obvod? sní?il z osmi na sedm, tedy 5 obvod? MH7490 a 2 obvody MH7493. Vstupy reset u jednotek sekund a jednotek minut nejsou vyu?ity a proto je nutné je spojit s GND. Obvody MH7490 navíc obsahují i vstupy R9& pro p?ednastavení hodnoty 9, které také nejsou vyu?ity, a tedy musí byt té? spojeny s GND. U obvodu MH7493 najdeme pouze vstupy R0&. P?i ?azení ?íta?? v?dy p?ipojujeme vstup vy??ího ?íta?e na nejvyznamněj?í pou?ívany bit ni??ího ?íta?e.
     Kromě chodu musí mít hodiny také funkci na?izování. Na?izování je ?e?eno pomocí dvou tla?ítek. Jedním se na?ídí hodiny a druhym poté minuty. P?i na?izování hodin prochází kmito?et 50Hz pětkovou ?ástí ?íta?e minut a pak ?íta?em desítek minut. Tím je vydělen 30ti a vznikne frekvence 1,666 Hz, umo?ňující pohodlné na?ízení. Obdobně tomu je u na?izování minut, kde kmito?et 50Hz projde nejprve pětkovou ?ástí ?íta?e jednotek sekund a dále ?íta?em desítek sekund. Díky tomu do minut vstupuje také kmito?et 1,666 Hz. Některé propracovaněj?í konstrukce hodin vyu?ívaly k na?izování obvod exkluzivní OR (XOR) MH7486 v kombinaci s tla?ítkem doplněnym o bezzákmitovy obvod. Taková konstrukce je v?ak o něco slo?itěj?í a vy?aduje více integrovanych obvod?. Pro jednoduchost se proto hodiny obvykle stavěly s na?izovacím mechanizmem jako je znázorněno na schématu ní?e. Chodová frekvence do ?íta?e vstupuje p?es odpor a na?izovací frekvence skrz kondenzátor 1nF a tla?ítko. Ne? se kmito?et procházející tla?ítkem dostane do na?izovaného obvodu, je dělen 30ti, co? v praxi k odstranění zákmit? tla?ítka obvykle posta?uje. K potla?ení zákmit? vyrazně p?ispěje i kondenzátor 1nF v sérii s tla?ítkem - na?izovací impulz je krátky a nehrozí jeho rozt?í?tění na více impulz?.
     Sí?ovy kmito?et je p?ed vyu?itím nutno správně tvarovat. Je pot?eba ze sinusového pr?běhu vytvo?it obdélníkovy pr?běh kompatibilní s TTL. Jeliko? rozvodná sí? je zna?ně zaru?ena rozli?nymi ru?ivymi impulsy a harmonickymi kmito?ty, je nutno pou?ít dolní propust (tvo?ená RC obvodem) a také i Schmitt?v klopny obvod s hysterezí. Bez tohoto opat?ení je prakticky nemo?né ?ídit hodiny sí?ovym kmito?tem. Samotná dolní propust ani samotny Schmitt?v obvod nedosta?ují, je nutná kombinace obou. Někte?í konstrukté?i do?li k mylnému závěru, ?e sí?ovy kmito?et je pro ?ízení nepou?itelny, z d?vodu nevhodného tvarovacího obvodu. Pokud nejsou ru?ivé impulsy odfiltrovány, budou zapo?ítány v ?íta?ích a hodiny se mohou vyrazně p?edcházet. Tvarovací obvod je vytvo?en pomocí obvodu Tesla MH7400, co? je ?tve?ice dvouvstupovych hradel NAND.
     ?as je pot?eba nejen odmě?ovat, ale také vhodnym zp?sobem zobrazit. V 70. letech a první polovině 80. let byly nejbě?něj?ím a nejdostupněj?ím ?íslicovym zobrazova?em digitrony. Sedmisegmentové LED displeje byly je?tě poměrně nedostupné a drahé. Jejich svítivost byla velmi nízká a zobrazeny znak maly. Navíc nebyly p?íli? k sehnání ani dekodéry z BCD kódu na 7 segment?. Oproti tomu digitrony byly ji? zavedenou a prově?enou metodou zobrazení. I dekodéry MH74141 ur?ené pro digitrony byly ji? bě?nou sou?ástí vyroby Tesly. Z toho d?vodu byly pro konstruktéra digitrony prakticky jedinou mo?nou volbou. Tesla vyráběla v podstatě jen 3 typy vhodnych digitron? (pokud nepo?ítáme jejich bezbarvé verze jako jiny typ), a to ZM1020, ZM1040 a ZM1080T. Velké digitrony ZM1040 (znak 31mm, bo?ní pohled) se ale vět?inou do rukou bastlí?? dostávaly a? v 90. letech, kdy se díky jejich zastarání dostaly do vyprodej? za pár K?s, p?ípadně do kontejner?. Malé digitrony ZM1080T (znak 13mm, bo?ní pohled) byly dostupněj?í. Nevyu?ívají patici a letují se p?ímo do desky. Pokud je po?adována mo?nost vyměny digitronu (nebo pozděj?í pou?ití digitronu jinde), pak zbyvá u? prakticky jediná varianta, a to ZM1020. Je to men?í digitron s vrchním pohledem, znakem 15,5mm vysokym, instalovany do patice B13B. Já jsem se také rozhodl pro tento typ. Typ ZM1020 je také v?bec první digitron vyráběny Teslou (podnik Tesla Vrchlabí), a tak se pro retro hodiny hodí nejlépe :).
     Sekundy mohou a nemusí byt zobrazeny. V nejstar?ích konstrukcích z úspornych d?vod? obvykle byly zobrazeny jen hodiny a minuty. Tím se u?et?í 2 digitrony a 2 dekodéry MH74141. Během 70. let byl dekodér MH74141 je?tě poměrně drahy a tak se bastlí?i sna?ili sní?it jejich po?et na minimum. K ovládání digitronu na pozici desítek hodin tedy místo tohoto dekodéru chyt?e pou?ili pouhé dva tranzistory. Zobrazují se tu toti? jen ?íslice 1 a 2. Po?áte?ní nula se nezobrazuje, co? není na ?kodu. Dekódování BCD zde není nutné, proto?e se zde vyskytují stavy jen 0, 1 a 2. Nejni??í bit BCD v?dy zna?í ?íslici 1 a druhy nejni??í bit ?íslici 2. Nahrazení dekodéru tranzistory i potla?ení nuly vede také ke sní?ení spot?eby celého obvodu. Pokud nejsou pou?ity sekundy, ke konstrukci sta?í pouhé 3 kusy dekodér? MH74141. Ke spínání jsou t?eba dva vysokonapě?ové tranzistory malého vykonu. Nejvhodněj?í byly v těchto dobách typy tranzistory ur?ené do videozesilova??, nap?. BF259, SF359, BF459, KF422, KF469. úbytek napětí na digitronu se od?ítá od napětí anodového zdroje, ?ím? se nároky na tranzistor o něco sní?í. P?i nedostatku vysokonapě?ovych tranzistor? mohl tehdej?í konstruktér ?e?it problém pou?itím malého tyristoru, nap?. KT506 ?i KT508/400 z Tesly Vrchlabí. Tyristor v?ak lze pou?ít jen p?i napájení digitron? pulzujícím proudem (jednocestně ?i dvoucestně usměrněné napětí bez filtrace), nikoliv p?i pou?ití filtrovaného stejnosměrného napětí.
     Pro úplnost m??eme hodinám p?idat je?tě svítící ?i blikající te?ku mezi hodiny a minuty. Ta m??e byt tvo?ena bu? miniaturní ?árovi?kou, doutnavkou, a nebo velmi moderně :) pomocí první ?eskoslovenské světelné diody LQ100 v krásném zlaceném kovovém pouzd?e, vyráběné podnikem Tesla Vrchlabí. Tato ?erveně svítící dioda má svítivost (jenom) 0,8mcd p?i 20mA a ?ervenou ?o?ku, která u? jen od k?ivého pohledu odpadne (pochopitelně i s ?ipem), ale je to prostě na?e první LEDka :). Max. proud je 50mA a max. vrcholovy proud je dle katalogu neuvě?itelnych 5A. úbytek napětí v propustném směru je jen 1,65V a lze ji tedy napájet z napětí logiky.
     Hodiny ke své funkci pochopitelně pot?ebují také napájecí zdroj. Jednak zdroj stabilizovaného stejnosměrného napětí 5V a dále zdroj anodového napětí pro digitrony, které musí byt nejméně 170V (pro lep?í stabilitu pracovního proudu digitron? je v?ak lep?í pou?ít je?tě o něco vět?í napětí). Napětí 5V získáme pomocí zdroje se sí?ovym transformátorkem, diodovym usměrňovacím m?stkem a stabilizátorem. Nejstar?í konstrukce vysta?ili se stabilizátorem tvo?enym Zenerovou diodou a vykonovym tranzistorem. Moderněj?í konstrukce mohou vyu?ít monoliticky obvod stabilizovaného zdroje pevného napětí 5V Tesla typu MA7805 v celokovovém pouzd?e TO-3. Ten opat?íme malym chladi?em. Na vstupní i vystupní stranu stabilizátoru co nejblí?e k obvodu MA7805 umístíme keramické blokovací kondenzátory s hodnotou okolo 100nF. Na vstupní straně pou?ijeme nap?. kondenzátor z ?ady Tesla TK783 dimenzovany na 32V, vyráběny v podniku Tesla Hradec Králové. Na vystupní straně vysta?íme s kondenzátorem z ?ady TK782 (na 12,5V). Stejné kondenzátory pou?ijeme i k blokování napájecího napětí na desce logickych obvod?. Spot?eba logickych obvod? MH7490A je 29mA (<42mA), MH7493A...26mA (<39mA), MH74141...27mA (<32mA) a MH7400...12mA (<22mA). Celková spot?eba logiky hodin bez sekund (s 3x MH74141) tedy je typická 290mA, maximální 406mA. Dále je t?eba p?i?íst spot?ebu ostatních sou?ástek, jako vlastní spot?ebu MA7805, LED, bázové odpory a odpory tvarova?e, dohromady cca 25mA. Max. odběr ze sekundáru trafa tedy vychází cca 431mA. Stabilizátor MA7805 vy?aduje vstupní napětí alespoň 7V. P?i?teme pokles napětí na filtra?ních kondenzátorech cca 1,2V (p?i kapacitě 3000uF a proudu 431mA) a úbytek usměrňovacích diod max. 2x 1,1V a vyjde min. amplituda st?. napětí 10,4V. To odpovídá efektivní hodnotě cca 7,3V. Po zapo?tení odchylky sítě -10% vyjde minimální pot?ebná hodnota sekundárního napětí 8V~. Pou?ijeme tedy transformátorek s parametry 8 a? 10V, cca 500mA. K napájení digitron? je mo?né pou?ít stejnosměrné napětí nebo pulzující napětí jednocestně ?i dvoucestně usměrněné bez filtrace. Napětí m??eme získat bu? z vhodného sí?ového transformátorku, nebo p?ímo ze sítě. Já jsem zvolil napájení digitron? p?ímo ze sítě pomocí jednocestného usměrňova?e bez filtrace. Jako anodové odpory digitron? m??eme pou?ít nap?. odpory ?ady TR193 z Tesly Lan?kroun, dimenzované na ztrátovy vykon 1W. Zvolil jsem hodnotu 68k. P?i napájení digitron? p?ímo ze sítě bez oddělovacího transformátorku je cely obvod hodin galvanicky spojen se sítí a musí tedy byt vhodně zabezpe?en proti dotyku ?ástí pod napětím. Také tla?ítka musí byt vhodná pro provoz se sí?ovym napětím. Do p?ívodu sí?ového napětí v ka?dém p?ípadě za?adíme vhodnou pojistku, abychom omezili zejména riziko po?áru.
     Zku?enosti z provozu hodin:
28. 6. 2019 - 3 roky a 3 měsíce provozu bez poruchy ?i známek opot?ebení

     Upozornění: Za?ízení pracuje se ?ivotu nebezpe?nym sí?ovym napětím. Obvod není galvanicky oddělen od sítě proto a v?echny jeho ?ásti musí byt vhodně izolované. Tla?ítka musí byt dimenzována na sí?ové napětí. Za?ízení musí byt vybaveno vhodnou pojistkou, aby se omezilo riziko po?áru. Konstrukce je vhodná jen pro konstruktéry znalé zásad bezpe?né práce se sí?ovym napětím. V?e děláte na vlastní nebezpe?í. Autor nebere ?ádnou zodpovědnost za jakékoliv va?e újmy.


Schéma digitronovych hodin - zdroj napájecího napětí a tvarova? kmito?tu 50Hz.


Schéma digitronovych hodin - TTL logika (?íta?e, dekodéry), digitrony.

Hotové digitronové hodiny

Fotky budou brzy doplněny...

Digitronové hodiny během stavby


Test návrhu TTL digitronovych hodin v kontaktním poli.





Obvody TESLA MH7490A a vodi?e Kablo Kladno :).


Zlacené patice DIP14 Tesla


Zlacené patice DIP16 Tesla - ?erné bakelitové. O?ka jsem odbrousil :).


Tesla vyráběla v podstatě jen 3 typy ?íslicovych digitron?: ZM1020, ZM1040, ZM1080T (nepo?ítáme-li bezbarvé modifikace ZM1042 a ZM1082T jako jiny typ), tak?e vyběr není tak slo?ity :).


Osazování DPS.


První test TTL digitronovych hodin.


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


Zázrak k?emíkového světa - první ?eskoslovenská světelná dioda (dnes bychom ?ekli LED) Tesla LQ100.


Deska s digitrony a deska s TTL logikou hodin.


LED dioda Tesla LQ 100. V provozu je tě?ko vyfotitelná a její typické temně rudé světlo nedoká?e monitor reprodukovat.


Stabilizovany zdroj 5V s obvodem Tesla MA7805.


Pojistkové pouzdro do panelu Remos.


Test hodin p?ed zask?íněním.


Práce na zask?ínění digitronovych hodin.





Testování. Zatím mají hodiny jen zadní stěnu sk?íně.


P?íprava ráme?ku hodin ze d?eva a plexi.


Sestaveny ráme?ek retro hodin.


Sk?íň hodin zezadu.


Digitronové hodiny ve sk?íňce.


Te? u? chybí jen vyvrtat díru pro pouzdro pojistky a p?idělat krycí plexisklo.


Datasheet digitronu ZM1020 Tesla.


Datasheet digitronu ZM1080T / ZM1082T Tesla.


Zapojeny vyvod? a pravdivostní tabulka obvodu MH 74141.


Blokové schéma MH74141


Dobová fotka několika integrovanych obvod? v?etně Tesla MH74141 a MH7490 z kní?ky z roku 1977.


Dataasheet obvod? Tesla MH7490A a MH7493A.


Zapojení vyvod? obvod? Tesla MH7490A a MH7493A.


P?ehled ?íta?? v katalogu z r. 1980.


Zapojení vyvod? MH7400


Malé vysokonapě?ové tyristory Tesla KT505/400, KT506, KT508


Usměrňovací diody KY132/1000 a dal?í (v katalogu z r. 1980).


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


Video - "retro" záběr :)



P?idáno: 2. 3. 2016
zpět na úvodní stránku
手机捕鱼游戏