Ретрочасы

Автор статьи, решив «вспомнить молодость», изготовил ори­гинальные настольные электронные часы из газоразрядных индикаторов и других деталей, выпускавшихся в последней чет­верти прошлого века.

Вероятно, любой радиолюбитель (осо­бенно старшего поколения) согласится с тем, что электронные часы для него не просто самоделка, а полезное для всей семьи изделие. В начале своей радиолюбительской деятельности каж­дый радиолюбитель (и я, естественно, тоже) собрал по несколько ча­сов. Но это было давно, когда электронные часы, причём даже в самом простом и при­митивном корпусе, а то и во­все без него, были чем-то удивительным…

Когда в середине 90-х го­дов промышленность выпус­тила набор «Старт», в котором было всё необходимое для часов, включая печатную пла­ту, бум по их изготовлению побил все рекорды. У нас в общежитии института радио­электроники часы без корпу­сов, собранные из него, висе­ли на всех стенах.

Но те времена безвозврат­но прошли. Сегодня торговля предлагает такой широкий вы­бор разнообразнейших часов, что вроде ничего оригиналь­ного уже и не придумаешь.

Про самодельный корпус, сравнимый с промышленным, я вообще промолчу. Изготовить его под силу далеко не каж­дому. Именно поэтому я больше не пла­нировал браться ни за какие часы.

Однако около года назад я увидел в Интернете фотоснимок часов с газораз­рядными индикаторами ИН-16 (рис. 1). Несмотря на то что такие индикаторы уже давно морально устарели, часы выглядели интересно, необычно и очень ностальгически. Взяться за изготовление подобных часов меня побудили три обстоятельства. Во-первых, интересный внешний вид. Во-вторых, корпус изготовить очень просто. А в-третьих, газоразрядные индикаторы у меня с давних пор были и предназначались именно для часов. Но тогда делать на них часы я не стал, потому что появился набор «Старт» с его большим и изуми­тельным индикатором ИВЛ1-7/5, по сравнению с которым газоразрядные индикаторы выглядели неказистыми.

Но вот колесо истории совершило очередной поворот, часы на газораз­рядных индикаторах стали считаться «ретро» и вошли в моду. Теперь магиче­ский оранжевый цвет и простая форма цифр газоразрядных индикаторов смотрятся оригинально, а в темноте даже завораживающе.

Естественно, возник вопрос — соби­рать часы на микроконтроллере или обычных часовых микросхемах? Ко­нечно, часы на микроконтроллере обладают более широкими воз­можностями. Они могут пока­зывать и год, и месяц, и день недели, могут иметь несколь­ко будильников, управлять электроприборами и ещё много чего. Но поскольку я задумал «ретрочасы”, то ре­шил, что будет правильно, чтобы они были «ретро» и внутри.

Несмотря на кажущуюся сложность, разработанные часы просты в изготовлении и налаживании, потому что со­браны на специализирован­ных «часовых» микросхемах. Эти микросхемы у многих лежат на полке — выбросить жалко, а применить некуда. Если же их нет в старых запа­сах, то они всё ещё имеются в продаже и стоят недорого. Высоковольтные транзисторы и диоды можно выпаять из неисправных энергосберегающих ламп. Поэтому стоимость комплекта деталей для таких часов минимальна. Повторить их могут практически все желающие.

Схемы часов на «часовых» микросхе­мах хорошо известны радиолюбителям. Но в известных конструкциях не преду­смотрена индикация секунд, а часы и минуты отображаются на светодиодных или вакуумных люминесцентных инди­каторах. Поэтому пришлось согласо­вать «часовые» микросхемы с газораз­рядными индикаторами и добавить блок индикации секунд.

В результате получилось устройство, состоящее из четырёх плат: счёта вре­мени (схема на рис. 2), индикации ча­сов и минут (схема на рис. 3), высоко­вольтных ключей и питания (схема на рис. 4), счёта и индикации секунд (схе­ма на рис. 5). Одноимённые входные и выходные цепи этих плат следует со­единить между собой.

Микросхемы К176ИЕ12 (DD2) и К176ИЕ13 (DD3) разработаны именно для совместной работы в часах. Не стану подробно описывать назначение всех выводов этих микросхем — эту ин­формацию можно найти в десятках, ес­ли не сотнях источников. Остановлюсь только на некоторых, необходимых для понимания схемы часов и их налажива­ния начинающими радиолюбителями.

Микросхема DD2 вырабатывает секундные и минутные импульсы. Они поступают на микросхему DD3, которая содержит счётчики минут, часов и регистр памяти будильника с устройст­вом включения звуковой сигнализации в заданное время. К выводам 12 и 13 микросхемы DD2 подключён кварцевый резонатор ZQ1 на частоту 32768 Гц с элементами, необхо­димыми для работы с ним внутреннего генератора микросхемы. Такой резо­натор так и называют — «часовой». Конденсатор С1 необходим для точной подстройки частоты генератора, от которой зависит точность хода часов. На выводе 14 микросхемы DD2 эту час­тоту можно проконтролировать часто­томером.

Входы начальной установки счётчи­ков микросхемы DD2 (выводы 5 и 9) соединены с соответствующим выхо­дом (выводом 4) микросхемы D03. При нажатии на кнопку коррекции времени SB1 сигнал с микросхемы DD3 обнулит эти счётчики. Он же через преобразова­тель уровня на транзисторе VT20 посту­пает на входы начальной установки счётчиков единиц секунд DD6 и десят­ков секунд DD8 (рис. 5).

Индикация часов и минут в рассмат­риваемом устройстве — динамическая. Это означает, что каждый индикатор включён только в том интервале време­ни, когда на выводах 13, 14, 15, 1 микро­схемы DD3 установлен код цифры, кото­рая должна отображаться именно на включён только в том интервале време­ни, когда на выводах 13, 14, 15, 1 микро­схемы DD3 установлен код цифры, кото­рая должна отображаться именно на этом индикаторе. Сигналы с выводов 3, 1, 15, 2 микросхемы D02, управляющие поочерёдным включением индикаторов HG1—HG4, поступают на высоковольт­ные ключи, собранные на транзисторах VT9—VT12, VT14, VT15, VT17, VT18 (см. рис. 4). Эти ключи подают высокое напряжение положительной полярности на аноды индикаторов. Но поскольку они инвертируют управляющие сигна­лы, их перед подачей на ключи необхо­димо инвертировать ещё раз. Для этого предназначены инверторы DD1.1 — DD1.4 (см. рис. 2).

На выводе 4 микросхема DD2 гене­рирует секундные импульсы, идущие на её же вход С (вывод 7). Эти же импульсы через преобразователь уровня на тран­зисторе VT19 (рис. 5) поступают на вход счётчика единиц секунд на микросхеме DD6. Сигнал с выхода 8 (вывода 11) этого счётчика поступает на вход счёт­чика десятков секунд на микросхеме DD8. Сигналы с выходов разрядов обо­их счётчиков поданы на высоковольтные дешифраторы DD7, DD9 и далее на индикаторы HG5, HG6. Таким образом, индикация единиц и десятков секунд не динамическая, а статическая.

Секундные импульсы поданы и на вход высоковольтного ключа на транзи­сторе VT8, который управляет неоновой лампой HL1. В окончательной версии часов от мигающей каждую секунду точки я отказался, но не стал удалять соответствующий узел из схемы. Воз­можно, что кто-нибудь захочет, чтобы в его часах такая точка была.

У использованного мной варианта добавления к часам счётчика и индика­тора секунд есть одна особенность. Поскольку счётчики К155ИЕ2 и К155ИЕ4 изменяют своё состояние по спадам входных импульсов, переключение се­кунд происходит на полсекунды позже, чем переключение минут счётчиком микросхемы DD3. Впрочем, это заметно лишь при смене 59-й секунды нулевой. Я не счёл это недостатком. Пусть думают, что так и должно быть, часы ведь не обычные, а «ретро».

Вывод 6 микросхемы DD3 — вход сигнала коррекции показаний часов. Выход звукового сигнала будильника — вывод 7. С него сигнал поступает на усилитель мощности на транзисторах VT6 и VT7 и далее на излучатель звука НА1.

Как уже упоминалось, с выводов 13, 14, 15, 1 микросхемы DD3 код цифры поступает через преобразователи уровней (транзисторы VT1—VT4) на информационные входы запоминающе­го регистра — счетверённого D-триггера DD4. Запись в этот регистр про­исходит по сигналу с вывода 12 микро­схемы DD3, прошедшему через пре­образователь уровня на транзисторе VT5.

С выходов регистра коды цифр часов и минут поступают на общий дешифратор DD5 (см. рис. 3), выходы которого соединены с объединённы­ми одноимёнными катодами индикаторов HG1—HG4. Выводы неисполь­зуемых катодов индикаторов ни в коем случае не следует оставлять неподключёнными, иначе возможно паразитное свечение соответствующих им цифр.

Для управления работой часов пред­назначены кнопки SB1—SB4 и кнопоч­ный выключатель SA1 (им включают и выключают звуковой сигнал будильни­ка). Кнопки SB2 и SB3 служат для уста­новки соответственно минут и часов, а кнопка SB4 — для установки времени срабатывания будильника. При нажатой кнопке SB4 индикаторы показывают это время. Чтобы изменить его, необходи­мо нажимать на кнопки SB2 и SB3, не отпуская кнопку SB4.

Кнопка SB 1 позволяет откорректиро­вать показания часов, для чего её следует нажать за несколько секунд до фактического окончания текущего часа. При этом счёт времени прекратится. Внутренние счётчики минут и секунд микросхем DD2 и DD3, а также счётчики DD6 и DD8 будут обнулены. Если число минут в момент остановки было менее 40, значение в счётчике часов микро­схемы DD3 не изменится, в противном случае оно увеличится на единицу. По сигналу точного времени кнопку SB1 следует отпустить, после чего счёт вре­мени будет продолжен.

К сожалению, при нажатой кнопке SB1 остаётся включённой цифра на каком-либо индикаторе. Чтобы не ус­ложнять часы, я не стал делать узел гашения всех индикаторов, посчитав, что это нельзя считать недостатком рет­рочасов. Впрочем, в них можно доба­вить такой узел, собрав его по схеме, приведённой на рис. 24 в [1].

Как уже было отмечено, в предлагае­мых часах индикация часов и минут — динамическая, а секунд — статическая. Чтобы яркость индикаторов HG5 и HG6 не отличалась от яркости индикаторов HG1—HG4, номиналы резисторов R25 и R26 в цепях анодов индикаторов HG5 и HG6 увеличены до 150 кОм.

Вследствие недостатка места в кор­пусе часов я выполнил их блок питания по бестрансформаторной схеме. По­этому все детали часов находятся под напряжением сети. При их налаживании следует соблюдать особую осторож­ность [2].

Если при повторении конструкции в корпусе найдётся место для понижаю­щего трансформатора, рекомендую применить трансформаторный блок питания. Вторичная обмотка трансфор­матора должна быть рассчитана на напряжение около 12 В при токе нагруз­ки 150.. 200 мА. При этом из схемы исключают конденсатор С8, резистор R9 и стабилитрон VD7.

Ещё один вариант — использовать выносной стабилизированный импульс­ный блок питания на 9 или 12 В. Такие блоки обычно по конструкции подобны зарядным устройствам для сотовых те­лефонов, их применяют повсеместно. При использовании блока питания на 12 В из схемы исключают конденсатор С8, резистор R9, диодный мост VD6 и стабилитрон VD7. Выходное напряжение блока питания, соблюдая поляр­ность, подают на конденсатор С9. Если применён блок питания на 9 В, из схемы исключают, кроме перечисленных в пре­дыдущем абзаце элементов, также транзистор VT13, резистор R14 и стаби­литрон VD9, а анод диода VD10 соеди­няют с плюсовым выводом конденсато­ра С9.

Большая ёмкость конденсатора С10 позволяет часам идти ещё некоторое время после отключения напряжения в сети. Диод VD10 отсекает от конденса­тора С10 другие цепи, позволяя ему рас­ходовать запасённую энергию только на питание микросхем DD1—DD3. При ука­занной на схеме ёмкости 2200 мкФ часы продолжают работать более 10 мин. Этого вполне достаточно, чтобы не только предотвратить сбои показаний, но и, например, перенести часы из одной комнаты в другую. В статье [3] имеются экспериментальные данные о зависимости продолжительности хода часов от ёмкости этого конденсатора.

Если всё-таки необходимо резерв­ное питание, изучите статью [3] — её автор предлагает несколько вариантов. А если не нравится звучание имеющегося в часах будильника, можно со­брать другой по схемам из [3] и [4]. В [5] есть даже вариант будильника на микросхеме музыкального синтезатора УМС [6].

На рис. 6 показаны печатные платы, на которых собраны часы. Их чертежи я не привожу, потому что и схема часов, и печатные платы неоднократно изменя­лись и дорабатывались. Например, когда я решил добавить в часы индика­тор секунд, то не стал разрабатывать новую плату, а просто прикрепил допол­нительную к имеющейся плате индика­торов часов и минут. Были изменения и в других платах. Поскольку часы делались в одном экземпляре, перерабаты­вать печатные платы с учётом измене­ний я не стал.

Вместо микросхемы К176ИЕ12 мож­но использовать К176ИЕ18, но схема её включения отличается.

Вместо микросхемы К176ЛА7 в опи­санных часах допустимо применить К176ЛЕ5, причём никаких изменений схемы не потребуется. Только не за­будьте, что такая замена станет невоз­можной, если будет решено делать узел гашения индикаторов по схеме из статьи [1].

Вместо счетверённого D-триггера К155ТМ7 можно использовать К155ТМ5. Применение микросхемы К155ТМ7 объяс­няется лишь тем, что она была у меня в на­личии. Её я и установил в часы, оставив ин­версные выходы триггеров свободными.

Многие детали можно взять из элект­ронных балластов неисправных энерго­сберегающих ламп. Из него взят, на­пример, малогабаритный оксидный кон­денсатор С7. Его ёмкость может лежать в пределах 2,2…10мкФ. Применяемые в балластах транзисторы ME 13003, MJE13005, MJE13007, MJE13009 можно использовать взамен КТ605А. Из отечест­венных транзисторов для их замены по­дойдут КТ604А. Можно также применить две транзисторные сборки К166НТ1А, что несколько усложнит разработку пе­чатной платы, но зато уменьшит её габа­риты. Наконец, из неисправных балла­стов можно взять диоды 1 N4007, кото­рые заменят все диоды в часах (кроме стабилитронов). Из них же можно собрать и диодный мост вместо КЦ407А.

Из отечественных диодов в качестве замены диодов КД102Б подойдут дру­гие маломощные кремниевые диоды с допустимым обратным напряжением 300 В и более, например, КД104А, КД105Б—КД105Д. Диоды КД102А в рассматриваемом случае могут быть заменены любыми маломощными кремниевыми диодами. Если позво­ляют размеры платы, вместо диодного моста КЦ407А можно применять КЦ402 или КЦ405 с любыми буквенными индек­сами.

Транзисторы КТ315Г и КТ361Г могут быть заменены транзисторами тех же серий с любыми буквенными индекса­ми или другими кремниевыми мало­мощными транзисторами соответству­ющей структуры с допустимым напря­жением коллектор-эмиттер не менее 15 В.

Вместо транзистора КТ815Г пригод­ны транзисторы серий КТ815, КТ817, КТ819 с любыми индексами. Однако транзисторы серии КТ819 из соображе­ния габаритов лучше применять в пласт­массовом корпусе (без индекса М).

Поскольку на вход стабилизатора напряжения 5 В поступает напряжение 12 В, транзистор VT16 выделяет зна­чительное количество тепла. Поэтому он должен иметь теплоотвод, который может быть любой конструкции. На­пример, алюминиевой пластиной тол­щиной несколько миллиметров и пло­щадью не менее 15…20 см². Кнопки SB1—SB4 — любые, умещающиеся в корпус часов. Вместо кнопочного вы­ключателя SA1 можно с тем же услови­ем применить любой движковый или рычажный выключатель. Звуковой из­лучатель НА1 — телефонный капсюль сопротивлением не менее 50 Ом. Если позволяет место в корпусе, можно использовать малогабаритную дина­мическую головку, подключив её через выходной трансформатор от любого транзисторного приёмника. При этом громкость сигнала будильника суще­ственно возрастёт.

Гасящий конденсатор С8 составлен из трёх конденсаторов К73-17 ёмко­стью 1 мкФ на постоянное напряжение 630 В, соединённых параллельно. Их можно расположить в любом свобод­ном месте корпуса. Имейте в виду, что не все конденсаторы пригодны для работы в качестве гасящих. Например, нельзя применять конденсаторы БМ, МБМ, МБГП, МБГЦ-1, МБГЦ-2 [7] Если позволяют размеры корпуса, можно использовать конденсаторы МБГЧ или К42-19 на напряжение не менее 250 В или МБГО на напряжение не менее 400 В.

К изготовлению корпуса часов сле­дует подойти со всей тщательностью, поскольку от него зависит впечатление, которое будут производить часы на друзей и знакомых. Далее я указываю размеры своих часов. Естественно, их можно менять.

Возьмите ровную, хорошо отполи­рованную деревянную планку шириной 50 мм и толщиной 5 мм. Отпилите от неё две детали длиной по 200 мм и две детали длиной по 70 мм. Рекомендую использовать ножовку по металлу с более мелкими, чем у ножовки по дере­ву, зубьями. Постарайтесь пилить стро­го под прямым углом. Затем, применяя любой клей для дерева (например, ПВА), склейте каркас. Его внешние раз­меры — 200×80 мм.

Для изготовления светящегося дна необходима пластина органического стекла толщиной не менее 5 мм. Раз­метьте прямоугольник размером, как у получившегося каркаса, и также ножов­кой по металлу, стараясь пилить строго под прямым углом и не останавливаясь, выпилите его. Отполируйте торцы плас­тины и приклейте получившееся дно к каркасу клеем «Момент».

На задней стенке корпуса установи­те кнопки SB1—SB4 и выключатель SA1, просверлите в ней отверстия для держателя плавкой вставки FU1 и сете­вого шнура. Не забудьте и про вентиля­ционные отверстия.

Самая ответственная часть работы — изготовление верхней крышки часов из тонированного стекла. Самостоятельно вырезать такую крышку, да ещё с от­верстиями под индикаторы, сможет далеко не каждый, поэтому я рекомен­дую обратиться в ближайшую стеколь­ную мастерскую. Они есть в любом, даже самом маленьком городе. Там вы­резают стёкла для окон, зеркала, де­лают аквариумы. Просто принесите туда точные размеры крышки и точно укажите центры и диаметры отверстий под индикаторы.

Вполне удовлетворительный резуль­тат получится, если сделать крышку из органического стекла, но внешний вид часов будет несколько иным. Зато такую крышку можно изготовить и самому.

Особо стоит остановиться на дета­лях, которые придадут изготовленным часам ещё больший шарм. Это синие светодиоды подсветки индикаторов снизу и светодиодная лента жёлтого свечения, подсвечивающая заднюю кромку дна корпуса часов. Типов свето­диодов и лент великое множество и можно применять практически любые. Если у кого-нибудь возникнет сомне­ние, что светодиоды должны быть именно синими, а лента именно жёл­той, не стану спорить. На вкус и цвет товарищей нет. Можно экспериментировать с любыми цветами или даже применить RGB-светодиоды и RGB-ленту с контроллерами, управляемыми дистанционно. Такие контроллеры можно приобрести в магазинах, тор­гующих электротоварами.

Светодиоды HL2—HL7 устанавли­вают под каждый из шести индикато­ров. Они создают красивый синий све­тящийся ореол вокруг цифр и в верхней части индикаторов — этот эффект хорошо виден на фотоснимке внешнего вида часов (рис. 7). Светодиоды со­единяют последовательно и подключают через гасящий резистор R24 к цепи +300 В. Подборкой этого резисто­ра добиваются желаемой яркости свечения светодиодов. Применённые мной светодиоды имеют достаточную яркость уже при токе 2…3 мА, поэтому мощность, рассеиваемая резистором, не превышает 0,5 Вт.

Конечно, безопаснее было бы питать светодиоды подсветки не высоким напряжением, а с выхода низковольт­ного выпрямителя — от конденсатора С9, соответственно уменьшив сопро­тивление резистора R24. Объясню, почему было решено питать их от высоковольтного, а не от низковольтного выпрямителя. Напряжение +300 В на плате индикаторов секунд уже имеется, а для питания светодиодов HL2—HL7 низким напряжением пришлось бы добавить ещё один провод.

Светодиодная лента состоит из па­раллельно соединённых секций дли­ной по 50 мм, в каждой из которых имеются соединённые последова­тельно два-три светодиода и резистор. Для использования в часах при­годна лента с напряжением питания 12 В. Отделите oт неё отрезок длиной 200 мм (четыре секции) и приклейте его прозрачным клеем к задней кром­ке дна корпуса часов. Желаемую яркость свечения установите подбор­кой резистора R12. При этом следует помнить, что чем больше яркость свечения ленты, тем больший ток она потребляет и ^тем большей должна быть ёмкость гасящего конденсатора С8. При емкости этого конденсатора 3 мкФ тог, потребляемый лентой, не должен превышать 60 мА, иначе на­пряжение на конденсаторе С9 опус­тится ниже 12 В, в результате чего транзистор VT13 выйдет из рабочего режима. При указанных на схеме но­миналах лента в моих часах именно столько и потребляет и светит доста­точно ярко, хотя напряжение на ней всего 9В.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеев С. Применение микросхем серии К176. — Радио, 1984, № 4, с. 25—28; № 5, с. 35-40; № 6, С. 32-35.
2. Осторожно! Электрический ток! — Радио, 2015, № 5, с. 54.
3. Никишин Д. Часы на светодиодных индикаторах КЛЦ202А. — Радио, 1998, № 8. с. 46-48
4. Алексеев С. Электронные часы ав­толюбителя. — Радио, 1996, № 11, с. 46— 48.
5. Турчинский Д. Вместо обычного будильника — музыкальный. — Радио, 1998, №2, с 48, 49.
6. Дриневский В., Сироткина Г. Музы­кальные синтезаторы серии УМС. — Радио, 1998, Ns 10, с. 85, 86.
7. Бирюков С. Расчёт сетевого источника питания с гасящим конденсатором. — Радио, 1997, Ms 5, с. 48-50.

Автор: А. Карпачев, г. Железногорск Курской обл.
Источник: Радио №1, 2016