Představujeme stavebnici PT036, digitální
kruhové hodiny simulující pomocí 144 LED diod chod ručičkových časoměrů. Divili
jsme se, proč na trhu podobná stavebnice chybí. Příčinu jsme nalezli až při
samotném vývoji. Rozvedení cest z integrovaných obvodů do tolika LED diod,
přičemž se ještě každá cesta s každou kříží, je velmi náročné. Rozhodli
jsme se však nápad i přes všechny překážky realizovat s pomocí
oboustranného plošného spoje a věříme, že bezhlučný provoz „skoro" analogových
hodin, jejichž čas si lze přečíst i v noci, se Vám podobně zalíbí.
K dobru je třeba vyzdvihnout také relativně nízkou spotřebu
v porovnání s běžnými hodinami s LED displeji a to díky tomu, že
k indikaci času zde slouží pouze několik LED diod. Buďte pozorní při svém
pájení. Vypajování součástek u oboustranného spoje není žádná legrace. Koupit
Základní údaje
Autor
Richard Vacula
Adam Remeš (dokončení prototypu, návrh řešení pomocí maticového zapojení)
Napájecí napětí
4,5 - 18 V
Proudový odběr
max 20 mA
Průměr DPS
170 mm
Popis zapojení
Samotný princip fungování hodin je
velmi jednoduchý. Zapojení obsahuje pouze obyčejné CMOS obvody řady 4000. IC1
4060 tvoří časovou základnu, tedy oscilátor, na jehož výstupu Q12 naměříme
signál o kmitočtu 8Hz. IC2 4017 dělí kmitočet osmi, čímž dostáváme signál o
frekvenci 1Hz, který budeme využívat pro čítání sekund. Nyní se dostáváme
k samotnému čítání a zobrazování času pomocí LED diod. Začněme u sekund.
Máme 60 LED diod a chceme, aby při každém pulsu signálu 1Hz (jeden kmit za
sekundu) se rozsvítila následující LED dioda. Každý by patrně zapojil šest
čítačů 4017 do série, tedy 6x10 výstupů, ovšem, to by na náš vkus bylo na jedné
desce těch obvodů trochu moc (nezapomeňme na minuty a hodiny) a museli bychom
přejít dokonce na SMD technologii, aby se naše elektrotechnická prasárna dala
realizovat.
Jak snížit počet čítačů za použití
obyčejných CMOS obvodů? Jednoduše. Uděláme takový pomalejší multiplex, přesněji
řečeno maticové zapojení buzení LED diod pomocí samotných čítačů/budičů v
jednom. Co to znamená - pouze to, že vytvoříme skupinky LED diod po deseti,
které budou mít společnou zem spínanou dalším čítačem. Zároveň anoda první
diody je spojená také s anodou 11., 21., 31., 41., a 51. diody.
V jednu chvíli je ovšem aktivována pouze jedna zem (například pro skupinu
D1-D10), takže z těchto šesti LED diod (D1, D11, D21, D31, D41) svítí
pouze jedna, a je to D1. Jakmile první čítač IC3, který přivádí napětí na
jednotlivé anody, přeteče, začne čítání znova, ale v tu chvíli již byl
vyslán signál do obvodu IC4, který způsobí aktivaci dalšího výstupu a tím i
sepnutí přes příslušný tranzistor další země. IC3 a IC4 tedy budí diody
maticovým způsobem, totéž platí pro dvojici IC5 a IC6 a v trochu okleštěné
podobě i pro IC7 a IC8. Po 59. sekundě dojde k vyslání impulsu do čítačů
obsluhujících zobrazování minut (IC5 a IC6) a zároveň se čítače sekund nulují a
čítání začíná znova. Jak je vidno ze schématu, zapojení zobrazování minut je
naprosto identické se zobrazováním sekund. Děje se tedy opět totéž a po 59.
minutě dojde k vynulování čítačů minut a vyslání impulsu do čítačů hodin
(IC7 a IC8). Zde se hraje zase ta samá písnička, ale pouze pro dvanáct diod.
Takže máme jednu skupinku diod po deseti a druhou už jen po dvou. Taky čítač,
který spíná země, využívá aktivně pouze dva ze svých deseti výstupů. Při
dvanácté (nebo taky nulté) hodině dochází opět k vynulování, tentokráte
všech čítačů/budičů IC3 - IC8 a odpočítávání času začíná zcela nanovo. Zmíněné
nulování zajišťují vstupy RESET (pin 15). Přivedením log. 1 na Reset vynulujeme
stav čítače. Ze zapojení můžete pozorovat, že ten samý impuls, který je
přiveden na RESET, je zároveň naveden na vstup dalšího čítače. Proč to tak je,
si jistě už každý logicky odvodí. Po 59 sekundách chceme začít čítání sekund
znova, ale zároveň přičíst jednu minutu. Jeden RESET je globální - aplikuje se
na všechny čítače/budiče hned při startu. Proto se nedivte, že chvíli trvá, než
se hodiny po prvním připojení rozběhnou. Resetovací impuls po zapnutí generují
C3 a R7 (dokud se C3 nabíjí, protéká jím proud a na vstupy RESET se přivádí
Log. 1, po nabití naopak log. 0). Vzhledem k propojenosti lokálních RESETů
se vstupy dalších čítačů je třeba zamezit, aby globální RESET nakonec
nezpůsobil i čítání, místo pouhého nulování. K zamezení takové události
slouží diody D136, D137 a D140. Zároveň, pokud nechceme, aby lokální RESETy
nepřešly v globální, je třeba zamezit takovému impulsu, aby pronikl
k ostatním vstupům RESET. Proto je globální RESET naváděn přes diody D133,
D134 a D135. Poněkud specifický RESET je u dvojice IC7 a IC8. Je vyvolán
diodovým hradlem AND (D138, D139 a R19), pokud „udeří" dvanáctá hodina (nebo
půlnoc) - v tu chvíli musí začít čítání hodin opět nanovo, tedy od půl
noci, nebo od pravého poledne.
Nastavení času umožňují čtyři
tlačítka S1 - S4. S1 - S3 pouze urychlují čítání na minutách a hodinách
(sekundy nejsou ovlivňovány). Tlačítko S4 umožňuje nulování sekund. Nastavíte
si například 9:33 a ve správnou chvíli, až bude skutečně 9:33, vynulujete
sekundy. Tím nastavíte čas na sekundu přesně.
Napájení hodin je možné hned
několika způsoby. Pokud se rozhodnete napájet zdrojem o napětí mezi 4,5 - 6V,
zapojte jej na svorky X1 a X3. Pro taková napětí totiž není nutný stabilizátor
IC9. V případě napětí vyšších (7,5 - 18V) připojte zdroj napětí na svorky
X0 a X3. Záložní baterii (obyčejnou nenabíjecí) 4,5V napojte na svorky X2 a X3.
V případě provozu z baterie nejsou napájeny orientační krajní modré
LED diody D143 - D154. Rezistor R22 složí k regulaci jasu modrých LED
diod. Rezistory R23 a R24 pro změnu snižují jas LED diodám pro hodiny. Můžete
si tak sami zkorigovat jas orientačních diod i diod pro indikaci hodin. Nic se
nestane ani když tyto rezistory nahradíte drátovými propojkami. Ale to budou
svity jednotlivých druhů diod značně nevyvážené.
Konstrukce
Začněte osazením izolovaných propojek PR1 až PR6. Poté postupujte od
nejnižších součástek až po ty nejvyšší. Vřele doporučujeme po propojkách začít
s LED diodami. My jsme při konstrukci nastrkali do spoje vždy jeden typ
LED diod - nejdříve nižší 3 mm modré, pak 3 mm červené, 3mm žluté a nakonec 5
mm oranžovo-červené. Po nastrkání diod do spoje jsme je přitiskli polstrovanou
deskou a poté spoj i desku za stálého přitištění otočili a položili na stůl.
LED diody byly tlačeny ke spoji a my pak pájeli vždy jednu nožku diody. Poté
jsme se na výsledek podívali a případně některé diody porovnali. Následně jsme
se vrhli i na druhé nožky. Při osazování LED diod se orientujte podle plánku.
Na zobrazení osazení součástek je patrné, kde je seříznutá hrana LED diody. Je
to ta strana, která má zároveň kratší vývod. Pokud vaše pracoviště nedisponuje
mikropájkou, použijte pro osazování IC1 - IC8 dodávané patice a CMOS obvody
NEPÁJEJTE. Krystal Q1 pájejte jako poslední na co
nejnižší teplotu (cca 300 °C) a nejkratší dobu. Zapájejte nejdřív jednu nožku,
dejte si půl minuty pauzu a pak rychle zapájejte druhou. Tyto malé krystaly
jsou háklivé na přehřátí a pokud vám hodiny přestanou po nějaké době fungovat
(záleží, jak moc krystal při pájení ugrilujete), stačí vyměnit krystal Q1 a
věřte, že je to skutečně jeho přehřátím. Obvod
IC9 nemůžete jednoduše připlácnout ke spoji a přišroubovat. Vedou pod ním cesty
a ty byste mohli kovovým chladičem propojit. Využijte proto dodávané slídové
podložky pro odizolování stabilizátoru IC9 od samotného plošného spoje a
následně pouzdro obvodu přišroubujte. Pokud se
budou hodiny zrychlovat nebo zpožďovat, dolaďte je pomocí trimru C3.
Tipy na další vylepšení
V horní části hodin, nad LED diodou D143, se nacházejí
dvě pájecí plošky, ke kterým nejsou přivedeny žádné spoje. Jedná se o záměr - tyto plošky mohou posloužit k připájení očka pro
pověšení na zeď. U obvodu se
nacházejí také tři díry vyvrtané na míru šroubku M3. Někteří možná budou chtít
před hodiny upevnit kouřové plexisklo. K jeho uchycení mohou posloužit
právě zmíněné předvrtané díry. Myslete však, že byste
se po připevnění plexiskla nedostali k tlačítkům pro nastavení času -
proto zavčasu zvažte, jestli je budete pájet ze strany součástek, nebo na
spodní stranu spoje bez potisku. Obojí je možné.
Rozpis součástek
Výkresy plošných spojů
světle
modrá: spoje zespod, světle červená: horní spoje, světle fialová: spoje
z obou stran, černá: osazení součástek

DPS - spoje - pohled zezadu (BOTTOM)
DPS -
spoje - pohled shora (TOP)