Электронные часы на "древних" газоразрядных индикаторах

Рейтинг: 
Your rating: Нет
7.5
Average: 7.5 (4 votes)

Сейчас домашние электронные часы делают либо на основе светодиодных индикаторных матриц, либо жидкокристаллических. Все цифры составляются из сегментов, при этом выглядят весьма абстрактно. Впрочем, читается все хорошо, и все к такому начертанию уже привыкли... Но чего-то таким часам не хватает, наверное «души». Глядя на квадратные цифры китайского электронного будильника всегда ностальгировал по каллиграфически правильно выресован-ным цифрам старых цифровых измерительных приборов или очень старых бухгалтерских калькуляторов, и их «сказочному», какому-то «потустороннему» свечению... и вот не устоял, взялся за паяльник.

Обычно устройства с применением газоразрядных цифровых индикаторов делают, вернее делали, на основе микросхем ТТЛ типа К155. Но, это уже совсем «ретро». К тому же хотелось сделать схему, питающуюся непосредственно от электросети без применения понижающих силовых трансформаторов, потребляя минимальную мощность. Поэтому выбор остановился на микросхемах серии К176 и К561. Газоразрядные индикаторы - ИН-14, они представляют собой вакуумные лампы, наполненные газом, в которых есть анод и десять отдельных катодов, выполненных в виде цифр от «О» до «9». Когда между анодом и катодом возникает достаточное напряжение катод светится и мы видим соответствующую цифру.

Теперь можно перейти непосредственно к разбору схемы. Часы выполнены по схеме, состоящей из генератора импульсов, следующих с периодом в 1 минуту и четырех счетчиков, два из которых отсчитывают минуты, а два других - часы. Еще есть весьма оригинальная система установки времени, но о ней позже.

Генератор минутных импульсов построен на микросхеме К176ИЕ12, - это довольно устаревшая микросхема, но пока еще вполне доступная. Она предназначена для схем электронных часов с динамической индикацией. Её «динамические» функции здесь не используются, а только мультивибратор с кварцевой стабилизацией частоты и счетчик для получения импульсов с периодом в одну минуту. Импульсы снимаются с вывода 10 и через резистор R1 поступают на вход счетчика D2, считающего единицы минут. Резистор R1 служит для сопряжения со схемой установки времени, он повышает выходное сопротивление вывода 10 ИМС D1 чтобы можно было на вход «С» D2 подавать импульсы и от другого источника. Такая схема «коммутации» источника импульсов, на резисторе и диоде (VD3) конечно примитивна, но работает неплохо. Счетчик выполнен на микросхеме К561ИЕ8, это десятичный счетчик с выходным дешифратором. У счетчика есть десять выходов и при работе счетчика единица есть только на одном из них, номер которого соответствует числу посчитанных импульсов. На остальных выходах при этом единица. Еще есть выход переноса «Р» на нем появляется импульс для передачи счета на следующий более старший разряд. Единица на выходе «Р» появляется с приходом пятого импульса, а ноль с моментом обнуления счетчика при поступлении на его вход 10-го импульса. Таким образом через каждые десять импульсов на выходе «Р» формируется один полный импульс, позволяющий следующему разряду считать уже десятки, и т.д.
Но счетчик часов отличается от счетчика частотомера или счетчика импульсов тем, что система счета не совсем десятичная. В каждом часе не 100, а 60 секунд, а в сутках не 100, а 24 часа. Поэтому последующие счетчики нужно ограничить чтобы они не считали лишнего.

Счет счетчика D3 ограничен до шести. Сделано это путем подачи уровня с его выхода «6» на вход «R». Как только наступает шестой десяток импульсов единица с выхода «6» (вывод 5 D3) поступает на выводы 15 D2 и D3 и обнуляет счетчики минут, - оба разряда. Теперь счет минут начинается снова, а импульс с выхода «Р» D3 передается на счетчик часов на микросхемах D4 и D5. Вывод «Р» стало возможным использовать в этом случае потому что единица на нем возникает по приходу на вход D3 пятого импульса. А нуль - при общем обнулении, то есть, по приходу шестого импульса. Таким образом через каждый час на D3 формируется импульс длительностью 10 минут.
Счетчик D4 считает единицы часов. Он работает без ограничения счета, и через каждые 10 часов дает импульс на выводе 12 («Р»). Этот импульс поступает на счетчик десятков часов, выполненный на микросхеме D5. В сутках всего два десятка часов, причем не просто два десятка, а еще четыре единицы. Поэтому нужно
принять меры по ограничению счета не только счетчика старшего разряда (D5), но и счетчика младшего разряда часов (D4), причем так чтобы схема сбрасывалась при установки их в состояние «24». Решена эта проблема двумя диодами VD9, VD10 и резистором R11. Резистор подтягивает входы «R» D4 и D5 к единице, и диоды - к нулю. Поэтому чтобы на входы «R» D4 и D5 подать единицу нужно чтобы эти диоды оба были закрыты. Так как катод VD9 подключен к выходу «4» D4, а катод VD10 к выходу «2» D5, то такое состояние возникает только в том случае, если счетчик часов на счетчика D4 и D5 установился в состояние «24». Диоды закрываются и через резистор R11 и развязывающий резистор R46 на входы «R» D4 и D5 поступает напряжение высокого логического уровня.

Выходные цепи заслуживают особого внимания. Газоразрядные цифровые индикаторы работают по принципу известных «неон о к». Ток они потребляют мизерный, но им требуется довольное большое напряжение между электродами. Кроме того необходим резистор, включенный последовательно, чтобы ограничить ток и не допустить пробоя и выхода из строя лампы. Выходные каскады КМОП микроосхем К561ИЕ8 не рассчитаны на высокое напряжение, - там просто логический ноль или единица КМОП уровня. Чтобы можно было управлять газоразрядными индикаторами нужно сделать выходные высоковольтные ключи. На мой взгляд проще всего это организовать отдельными транзисторными ключами на достаточно высоковольтных маломощных транзисторах. Но транзисторов надо много, - по одному на каждую цифру. Здесь 29 транзисторов. В принципе это могут быть любые n-p-п транзисторы, маломощные, достаточно высоковольтные либо транзисторы из высоковольтных транзисторных сборок и ключей, применяющихся в системах, работающих с телефонной линией или электросетью. Можно так же использовать и высоковольтные полевые ключевые транзисторы, однако это дорого.
Питание осуществляется от сети без применения трансформатора. Это делает конструкцию более простой и дешевой, но не безопасной в смысле возможности поражения током, так как вся её схема находится под напряжением сети. Хотя, с другой стороны и вся схема, например, настольной лампы так же под напряжением сети. Просто это нужно учесть при разработке корпуса, органов управления.

Напряжение сети поступает на выпрямитель на диодах VD4-VD7. Выходное постоянное напряжение немного сглаживается конденсатором С6 и поступает в две цепи, - на аноды газоразрядных индикаторов, и на параметрический стабилизатор VD8-R10, который создает постоянное стабильное напряжение 9-10V для питания КМОП-микросхем. Конденсатор С7 сглаживает пульсации, а конденсаторы С8, С9, СЮ служат для подавления помех по цепи питания в схеме устройства. Они
равномерно располагаются по схеме, например, С8 - между выводами 8 и 16 D1, С9 - между выводами 8 и 16 D3, СЮ -между выводами 8 и 16 D5.
Кнопка S1 используется для ручного обнуления часов. Кнопка тройная, при её нажатии верхняя по схеме её часть обнуляет счетчики минут. При этом резистор R12 разгружает выход «6» микросхемы D3. Средняя часть обнуляет счетчики микросхемы D1, которая формирует минутные импульсы. А нижняя часть обнуляет счетчики часов (резистор R46 разгружает выходы «4» D4 и «2» D5).

Поскольку часы весьма оригинальные, то и с системой предварительной установки времени я решил «соригинальничать». А именно, вместо традиционных кнопок поставил переменный резистор с выключателем на оси (как для регулировки громкости). При его повороте и включении совмещенного выключателя начинается медленное изменение показания в строну роста, - повернуть ручку резистора больше и скорость изменения показания индикатора увеличивается. То есть, крутим эту ручку, в быстром режиме устанавливаем часы, потом уменьшаем скорость и устанавливаем минуты, потом поворачиваем до выключения. Не знаю как насчет удобства такого способа, но весьма оригинально.

Схема установки выполнена на двух элементах микросхемы D6. Это мультивибратор, частота импульсов которого регулируется вышеуказанным резистором, а выключателем он блокируется. Когда резистор R5 в выключенном положении совмещенного с ним SR5, то через R7 на вывод 1 D6.1 поступает низкий логический уровень. Мультивибратор заблокирован. Диод VD3 закрыт и не мешает прохождению импульсов от D1 на D2. Если SR5 включен диоды VD1 и VD2 открыты, они подают высокие логические уровни на R-входы D1 и на вывод 1 D6. В результате мультивибратор работает и импульсы от него через диод VD3 поступают на вход D2. А счетчики D1 в это время обнулены. На выводе 10 D1 ноль, а резистор R1 как бы «подтягивает» вход D2 к нулю.

Очень важно правильно распаять выводы переменного резистора R5, объединенного с выключателем. Нужно это сделать так, чтобы выключение встроенного выключателя происходило в положении, когда сопротивление резистора R5 максимальное. В противном случае установка времени будет практически не возможна.

Теперь о деталях и конструкции. Индикаторы ИН-14 можно заменитьи другими аналогичным. К сожалению точно не помню маркировки, но их раньше выпускалось довольно много типов по размерами и отображаемой информации (были варианты и с буквами, символами). Важно не спутать газоразрядные индикаторы «ИН» с люминесцентными «ИВ». И те и другие стеклянные лампы, но «ИВ» совсем по другому принципу устроены. Их работа основана на свечении люминофора, а ИН - на свечении разряда в газе. Индикаторы «ИВ» и питаются совсем иначе, - анодное напряжение небольшое (9-20V), есть управляющая сетка и накал-катод. А отображение цифр - сегментное.

Микросхемы серии К561 можно заменить аналогичными серии К176 или CD. Аналога ИМС К176ИЕ12 нет, но можно попробовать собрать генератор минут на ИМС типа К176ИЕ18 по типовой схеме включения.

Кварцевый резонатор - стандартный часовой.

Выходные транзисторы типа NMJE13001, высоковольтные маломощные. По справочнику можно подобрать и другие варианты, а так же, полевые высоковольтные транзисторы или ключевые сборки. Можно даже использовать транзисторы средней мощности типа КТ940, выпаянные из блоков цветности старых утилизированных отечественных телевизоров модельного ряда «3-УСЦТ».

Диоды 1N4148 можно заменить на КД522, КД521. Мост на диодах 1 N4007 можно заменить мостом на диодах КД105, КД209 или других диодах или готовым мостом, допускающим по напряжению работу в сетевом выпрямителе. Стабилитрон Д814В можно заменить любым стабилитроном на напряжение 8-12V (допустимые, по справочнику, пределы для ИМС К176). Либо составить из двух последовательно включенных на более низкое напряжение (например 2 шт. КС147 дадут необходимое напряжение).

Конструктивно все собрано на готовой покупной макетной печатной плате. Корпусом служит деревянная сувенирная шкатулка. В её крышке просверлены отверстия по толщине баллонов газоразрядных индикаторов. Диаметр отверстий подгоняется таким чтобы свободно в нем перемещался но не болтался. Затем низ индикатора обернуть в один слой медицинского пластыря или матерчатой изоленты и установить индикатор в отверстие. Получается якобы старинная шкатулка, из крышки которой торчат четыре лампы, показывающие время.

Конечно можно придумать и другое конструктивное оформление.

Налаживание. При правильном монтаже и исправных деталях схема работает после первого же включения. Точность хода часов можно корректировать подстроенными конденсаторами С1 и С4. Налаживание схемы предварительной установки времени заключается в выборе пределов регулировки скорости установки подбором емкости С5 и сопротивления R6.

Часы можно дополнить и секундными разрядами. Для этого нужно собрать еще одну схему счетчика как для счета минут (как на D2 и D3), включить эти два счетчика последовательно имеющимся, то есть с 12-го вывода счетчика десятков секунд подать импульсы на вывод 14 D2. Кроме того нужно уже на вход (вывод 14) нового счетчика единиц секунд подавать импульсы с периодом не в одну минуту, а в одну секунду, снимая их с вывода 4 D1. Соответственно, вариант часов с секундами получается больше на две микросхемы К561ИЕ8, на два индикатора и на 16 высоковольтных транзисторов.

Лыжин Р.

Литература:
1. И.Нечаев. Индикатор года на газоразрядном индикаторе, ж. Радио №12-2012. стр. 32-33.

Комментарии