středa 16. září 2009

Elektronkové binární hodiny

Zhruba před rokem jsem přemýšlel, jaké další zajímavé zařízení bych mohl postavit. Jakou další metu si dát. Chtěl jsem něco z elektronek, něco jiného než zesilovač. Ty totiž stavím pořád. Zaujaly mě tehdy digitronové hodiny. Řízení bylo z logických obvodů a čas zobrazovaly svítící elektronky – digitrony. Napadl mě tehdy ten šílený nápad, postavit řídící logiku celou z elektronek. Strávil jsem hodiny kreslením schémat jakýchsi čítačů, které se ale vůbec nejevily, že by mohly fungovat. Neměl jsem se čeho chytit, žádnou literaturu, nevěděl jsem, co mám hledat. A navíc to vypadalo, že budu potřebovat mnohem víc elektronek, než si dovedu představit, že nějak seženu. Práci jsem tak odložil na neurčito. Jak ale ubíhal čas, tak se začaly scházet dobré zprávy, elektronky by se snad sehnat daly, a že prý určitě z jedné dvojité triody nutně musí jít udělat klopný obvod, tedy dělička dvěma, což je základ.
Okolo Vánoc jsem strávil hodiny na Googlu až jsem našel toto: http://www.nixiebunny.com/hpac4/index.html
Když jsem to uviděl, nevěřil jsem vlastním očím. Z krabičky koukají čtyři dvojité triody a na druhé straně rozsvěcí postupně deset doutnavek, jako čítač.
Našel jsem k tomu zázraku manuál a okamžitě začal koukat do schématu. V tom manuálu bylo přesně popsáno jak to celé funguje. Včetně popisu funkce klopného obvodu a průběhu napětí na jednotlivých součástkách.
Už druhý den jsem stavěl svůj první klopný obvod. Osadil jsem ho elektronkou ECC82, připojil napětí, multimetr a ono to fungovalo!! Na první pokus, na jedné anodě 35V a na druhé 65V, vazebním kondenzátorem škrtnout o mínus a napětí se prohodila... Namontoval jsem digitron a zobrazoval střídavě nulu a jedničku...fungovalo to bez chyb ve velkém rozsahu napájecího napětí...
Vymysleli to v roce 1956...

Rázem mi mylo jasné jak celé hodiny sestavím a kolik součástek budu potřebovat... asi 40 elektronek, 400 odporů, 200 kondenzátorů... šílené...
Ale pustil jsem se do práce.
Jenže se objevily problémy. Samotné klopné obvody sice ochotně rozsvěcovaly doutnavky, ale na digitrony to prostě nestačilo. Počítal jsem a počítal, měnil hodnoty odporů, ale buď v digitronu svítilo víc čísel najednou a nebo se čítač zasekl. Zátěží se snižoval rozdíl mezi logickou jedničkou a nulou, až zařízení nemohlo fungovat... Jediné, co v mezích jakžtakž fungovalo byl čítač desítek hodin... 0,1,2...ale víc čísel nešlo.
V originálu tenkrát pro buzení digitronů používali optočlánek složený z doutnavky a fotoodporu. Jenže představa, že tam budu montovat navíc skoro 50 doutnavek a fotoodporů mě děsila. A práce zase šla na neurčito.

Nakonec vše opět vyřešil čas. Po stavbě polovodičových binárních hodin, kde čas zobrazovalo 17 diod a pohled na ně mě tak uchvátil, jsem se rozhodl použít místo digitronů prostě doutnavky indikující přímo stav klopného obvodu. Ryze prosté řešení. Už žádný šílený odporový dekodér „binár na jedna z deseti.“ Zařízení v podstatě nepotřebovalo předělat, šlo jen o to odmotovat digitrony a nahradit je doutnavkami. Jenže mě trápilo, že čítače byly uvnitř vázány zpětnou vazbou tak šikovně, aby měly deset cyklů, místo šestnácti, což znamenalo, že doutnavky nebudou indikovat v binární soustavě, ale v BCD kódu a to dost specifickém, který není zrovna moc pochopitelný... Chtěl jsem postavit binární hodiny. Zaobíral jsem se myšlenkou postavit čtyřvstupové hradlo AND například z jedné oktody, ale po zkušenostech s nejasnou logickou hodnotou jsem od toho upustil. Představa, že klesne napětí v síti a hodiny budou o své půlnoci ukazovat 31:63:63 a pak teprve 0:00...mě odradila. Pak jsem si řekl, že se tedy naučím číst ten BCD kód..

Pak už to byly jen hodiny a hodiny práce... vyndat odpor, ohnout nožičky, zasunout do oček, připájet, zastříhnout nožičky, připravit kondenzátor...
Původně jsem měl v úmyslu ušetřit práci tím, že vyrobím desky plošných spojů...ale ty mi na jednu číslici vycházely až 10cm široké a zařízení by bylo obrovské jen kvůli tomu. Nakonec jsem koupil patice do šasi a prostě je přišrouboval těsně vedle sebe na hliníkové profily. Čtverec 30x30cm, čtyřicet patic a v rohu místo na trafo...
Trvalo mnoho dní, než jsem vůbec mohl vyzkoušet první části zapojení.

Vize byla taková, že první elektronka bude oscilátor stabilizovaný krystalem 32768Hz, pak bude 15 elektronek postupně dělit kmitočet, každá dvěma až na 1Hz. Dále bude čítač vteřin, pak desítek vteřin a z něho bude výstup minut a tak dál...a na konci bude čítač dnů v týdnu... protože jsou to už jen tři elektronky navíc...a bude jich přesně čtyřicet...
40 elektronek, 352 odporů, 170 kondenzátorů, 23 doutnavek a jeden krystal.

Největší potíže jsem měl s tím, co jsem si říkal, že přece nebude problém, s oscilátorem. Oscilátor kmital jak chtěl a na krystal kašlal... Měnil jsem součástky tak dlouho až se krystal konečně chytil...Frekvence musela být jednoduše co nejblíže frekvenci krystalu. V tu dobu mi bylo jasné, že bez přesného osciloskopu bych to asi nedal dohromady.

Na obrazovce osciloskopu se neustále objevovaly všelijaké nepravidelné křivky. Některé děličky fungovaly, jiné ne. signál neměl střídu 1:1 a k posledním děličkám se mu ani nechtělo...
Mohly za to elektronky. Tenkrát jsem koupil krabici triod ve které bylo asi 70 naprosto totožných elektronek. Prodejce říkal, že měly přijít do kontejneru. Byly měřené špatné. Říkal jsem, že je chci do digitálního zařízení, takže mi nevadí, že neprošly měřením do zesilovačů.

Tak jsem prostě vyměňoval elektronky tak dlouho, až osciloskop ukazoval pravidelný obdélníkový průběh správné frekvence. Nakonec více než polovina elektronek ochotně spolupracovala. Ale stejně mi trvalo týden než jsem na poslední děličce uviděl periodu o délce 1000ms.

Pak už zbývalo jen zapojit čítače a doutnavky, což se kupodivu obešlo bez problémů. Podařilo se mi sehnat doutnavky s luminoforem, které svítí nádhernou zelenou barvou...

Zdrojem celého zařízení je transformátor 100VA. Většina výkonu (70VA) jde na žhavení elektronek, které chtějí při 12,3V 5,8A. Anodové napětí 2x 200V je dvoucestně usměrněno elektronkou EZ81.

Příkon hodin ze sítě je 100W. Při pohledu na 40 nažhavených elektronek je to více než příznivá hodnota. Ale představa takovýchto hodin, z principu běžících nonstop, už není tak hezká... 72kWh měsíčně a 0,9MWh ročně...

Klopný obvod se skládá z dvou triod, které jsou vázány tak, že vždy je jedna „otevřená“ a druhá „zavřená“ a když jednu začneme otevírat, tak se druhá zavírá. Pro funkci jsou důležité kondenzátory mezi anodou a mřížkou, jejichž náboj určuje, která elektronka se otevře při příštím impulzu vstupního signálu. Signál přichází do klopného obvodu ve formě krátkého prudkého poklesu napětí na anodách obou elektronek. Podrobně zde: http://www.nixiebunny.com/hpac4/hpac4.pdf.

Schema oscilátoru a prvních dvou děliček


Schema čítače vteřin


Pár fotek
V provozu

Specifický BCD kód: Zobrazený čas 19:39:19


Fotky z konstrukce:
začátek

děličky

Pod elektrolytem, nalevo od velkého odporu je vidět hodinový krystal

Transformátor

Zkouška vteřin a minut


Video náběhu po zapnutí: http://www.youtube.com/watch?v=M5VB_X01pr4