pusty pusty pusty
pusty
pusty pusty forum szukaj książki linki artykuły
home pusty c c c c c c c c c
teoria dla początkujących schematy elektronika retro mikrokontrolery pusty
na dół

Elektronika w stylu retro

Lampowy minutnik do jaj

Lampowy minutnik do jaj - cóż to takiego? Szczerze mówiąc ten projekt najbardziej mnie zaskoczył swoją oryginalnością. Układ odmierzający czas gotowania jajek zbudowany na lampie elektronowej? O tym jeszcze nigdy nie słyszałem. Myślę, że ten projekt dla fanów elektroniki retro okaże się niezwykle interesującym. Sam wykonałem taki minutnik dzięki uprzejmości Alka, który dostarczył mi lampę i obwód drukowany.
   Jeśli jesteś więc zainteresowany budową takiego układu lub poznaniem zasady działania niezwykłej lampy, to zapraszam do bliższego zapoznania się z tą konstrukcją.
   W tabelce poniżej umieszczam schemat ideowy minutnika i plik pcb. Plik ze schematem ideowym zawiera niezbędną bibliotekę, a sam schemat narysowany jest w formacie programu CircuitMaker 2000.

Spakowane pliki do pobrania
Nazwa schematu/pliku Format i wielkość pliku do pobrania
CKT PDF (GIF) PCB
Lampowy minutnik
pliki z CircuitMakera
8,0 KB 17,0 KB 6,0 KB
Lampowy minutnik
pliki z Protela 99SE
7,0 KB --- 17,0 KB
Lampowy minutnik
oznaczenia ET1 Autorem tekstu i schematów jest: Aleksander Zawada
Zmiany jakich dokonałem w stosunku do oryginału były podyktowane stylem i układem mojej strony.

Niniejszy opis dotyczy układu opisanego w EP 9/03.

Kolejny timer-minutnik do jaj? Przecież takich układów można wiele znaleźć w internecie i w archiwum EP! Na czym więc polega niezwykłość tego układu? Otóż zliczanie czasu powierzymy lampie.
   Większość z Was w pierwszej chwili pomyśli-żadna nowość! Pewnie kolejny układ z digitronami (lampami nixie). Nic z tych rzeczy!
   W niejednym "skarbcu" elektronika zalegają elementy, których zastosowanie wydaje się problematyczne. Wiele lamp wyszło z użycia, bo trudno znaleźć dla nich jakiekolwiek zastosowanie. Ale jest to możliwe, wystarczy chwila zastanowienia, trochę dobrych chęci i cierpliwości. Jednymi z takich lamp "na wygnaniu" są dekadowe lampy liczące czyli dekatrony.

Dawne lata
Rozwój takich dziedzin nauki, jak m.in. fizyki atomowej, który nastąpił w latach 40. ubiegłego stulecia doprowadził do skonstruowania elektronicznych urządzeń cyfrowych. Stało się to możliwe właśnie dzięki lampom elektronowym. Aby budowa maszyny cyfrowej była możliwie prosta skonstruowano lampy liczące. Jeszcze 40 lat temu królowały one w cyfrowym sprzęcie pomiarowym. Do tej grupy lamp należą dekatrony, trochotrony i pewnego rodzaju tyratrony (lampy spustowe). Ale wśród tych lamp można wyróżnić pewne podgrupy.
   Na przykład dekatrony można podzielić na gazowane i elektronowo-promieniowe. Zajmiemy się bliżej jednym typem lampy liczącej - elektronowo-promieniową lampą liczącą E1T. Została on skonstruowana w 1953 r. przez Van Overbecka i była produkowana przez Philipsa i Valvo. Później wytwarzano te lampy także w Polsce pod oznaczeniem ELW1.
   Taka lampa jest w istocie bardzo podobna do lampy oscyloskopowej i oka magicznego. Na rys.1 przedstawiono przekrój poprzeczny lampy i jej symbol graficzny. Samo działanie lampy jest dość skomplikowane, toteż opowiem o tym dość pobieżnie.
Rys. 1
   Katoda (K), umieszczony przed nią metalowy ekran (E1), siatka pierwsza (S1), siatka druga (S2) i elektrody prętowe za siatką pierwszą spełniają rolę wyrzutni wiązki elektronów. Wiązka nie ma przekroju kołowego (jak w lampach oscyloskopowych), lecz prostokątny. Ma to na celu zmniejszenie wymiarów lampy (krótsza ogniskowa soczewki elektronowej) i uproszczenie jej budowy. Siatki trzecia i piąta wyłapują elektrony, które powstają wskutek emisji wtórnej. Z siatki czwartej (S4) i anody A mogą być bowiem wybijane elektrony wtórne wskutek uderzeń rozpędzonych elektronów z katody. Jest to zjawiskiem niepożądanym, bo pogarsza się zbieżność wiązki. W lampie E1T można uzyskać tylko dziesięć stabilnych położeń strumienia elektronów. Prostokątne otwory w elektrodach S4 i A umożliwiają uzyskanie dziesięciu znaków na ekranie lampy. Lampa jest wyposażona w ekran (E) pokryty luminoforem. Na zewnętrznej powierzchni lampy są namalowane cyfry od 0 do 9. Wiązka elektronów, która pada na ekran powoduje świecenie luminoforu w pobliżu odpowiedniej cyfry. Dla poprawnej pracy lampy jest wymagane napięcie przyspieszające o wartości 300V. Nie jest to dużo, zważywszy, że w lampach oscyloskopowych wymagane napięcie jest z reguły większe od 500V. Lampa E1T ma płytki odchylające D1 i D2, podobnie do lampy oscyloskopowej.
   Podstawowy układ pracy licznika na lampie E1T przedstawiono na rys.2.

rys3 rys2
Rys. 3 Rys. 2
Wykaz elementów
Nazwa elementu Symbol Ilość
27pF/63V C3 1
trymer 68pF C2 1
470pF/500V C4 1
1nF/630V C5 1
6,8nF/400V C8 1
150nF/400V C6 1
470nF/400V C7 1
100µF/400V C9 1
470µF/25V C1 1
1k 0,6W 1% R4 1
5,6k 0,6W 1% R10,R12 2
15k 0,6W 1% R5,R8 2
33k 0,6W 5% R1 1
39k 0,6W 1% R13 1
47k 0,6W 1% R14 1
68k 0,6W 1% R6,R7 2
220k 0,6W 1% R2 1
330k 0,6W 1% R9 1
1M 0,6W 1% R11,R15 2
9,1M 0,6W 1% R3 1
CD4060 U1 1
CD4518 U2 1
CD4071 U3 1
CD4011 U4 1
lampa E1T lub ELW1 V1 1
mostek prostowniczy 1A/800V M1 1
mostek prostowniczy 1A/50V M2 1
dioda Zenera 15V 1W D1 1
1N4007 lub 1N4148 D2 1
Transformator wg opisu Tr1 1
buzzer 12V BUZZ1 1
bezpiecznik WTA-T 400mA B2 1
1 włącznik zwierny dwusekcyjny SW1 1
Podstawka "duodecal" z 12 stykami 1
Napięcie zasilające i wartości elementów są tak dobrane, że po włączeniu lampy wiązka elektronów pada na ekran w pobliżu cyfry "0". Widzimy, że płytka odchylająca D2 jest połączona z anodą A. Elektrody te są zasilane przez rezystor R7 o dużej oporności 1M . Elektrody D2 i A mają pewną pojemność pasożytniczą, nie zaznaczoną na schemacie. Przez kondensator C1 doprowadzane są do elektrody D1 lampy impulsy zegarowe. Nie mogą to być jednak impulsy prostokątne, do jakich przywykliśmy w układach cyfrowych. Impuls zegarowy musi mieć kształt pokazany na rys. 3. W przeciwnym razie lampa nie będzie liczyć lub będzie liczyć nieprawidłowo. Jeśli do elektrody D1 zostanie doprowadzony prawidłowy impuls zegarowy, to indukujący się przeciwny potencjał na elektrodzie D2 nie nadąża za zmianami na D1 wskutek znacznej stałej czasowej R7 i wspomnianej pojemności pasożytniczej. Nastąpi więc odchylenie wiązki elektronów w kolejną stabilną pozycję - zaświeci się znak w okolicy cyfry "1". Aby nie nastąpiło cofnięcie wiązki impuls zegarowy musi opadać względnie wolno - dłużej niż 10 s. Zmiany potencjału na D2 nadążają podczas opadania impulsu za zmianami na D1. Teraz jest jasne, dlaczego prostokątny przebieg zegarowy nie jest odpowiedni-nie następowałoby przejście wiązki do kolejnej stabilnej pozycji. Przejście do kolejnych stabilnych pozycji następuje podobnie aż do wskazania cyfry "9" włącznie. Po kolejnym impulsie zegarowym następuje przesunięcie wiązki na anodę przepełnienia Ap. Nastąpi więc przepływ prądu przez opornik R5. Oznacza to przepełnienie licznika. Jeśli trzeba połączyć kaskadowo kilka lamp w licznik o większej pojemności wówczas należy odpowiednio uformować impuls z anody przepełnienia i wyzerować dekadę. W tym celu jest potrzebny układ formujący - lampowy przerzutnik monostabilny (rys. 2). Doprowadza on do siatki S1 lampy liczącej krótki ujemny impuls kasujący, a do lampy liczącej następnej dekady odpowiedni impuls zegarowy. Działanie tego przerzutnika jest następujące. Lewa trioda w stanie stabilnym przewodzi, bo jej siatka nie jest zablokowana ujemnym potencjałem. Prawa trioda jest zaś zatkana ujemnym potencjałem na siatce, uzyskiwanym na oporniku R15. Gdy z anody przepełnienia pojawi się na siatce lewej triody ujemny impuls (przez kondensator C4) zostanie ona zatkana. Anoda tej lampy stanie się przeto "bardziej" dodatnia i ten dodatni impuls za pośrednictwem kondensatora C7 odblokuje siatkę prawej triody. Przez kondensator C5 do siatki S1 lampy liczącej dotrze ujemny impuls, który na chwilę spowoduje przerwę w przepływie wiązki elektronów. Spowoduje to przejście strumienia elektronów do położenia początkowego i wskazanie znaku "0". Elementy C6, C8, R15, R16, R17 formują impulsy zegarowe dla następnej lampy liczącej. W naszym minutniku samoczynne zerowanie lampy nie będzie potrzebne i zastosowanie wyżej opisanego przerzutnika będzie zbędne. Należy jeszcze wspomnieć, że szybkość liczenia w opisanym wyżej układzie licznika nie przekraczała 30kHz.
   W innych układach z tą lampą (gdy np. kasowanie następowało impulsami dodatnimi na elektrodzie D2) uzyskiwano szybkość liczenia do 200kHz. Jednak ze względu na rozrzut parametrów elementów praktyczna szybkość liczenia nie przekraczała zazwyczaj 80 kHz. Jest to relatywnie mała szybkość liczenia w porównaniu choćby z szybkością standardowych układów TTL. Należy jednak wziąć pod uwagę, że te lampy umożliwiły skonstruowanie dość praktycznych jak na owe czasy, układów mierników cyfrowych. W czym przejawiała się ta praktyczność? W stosunkowo łatwym odczycie wyników pomiaru. Wynik był bowiem wyświetlony w jednym rzędzie, a złożoność układu stosunkowo niewielka. Jedna lampa spełniała rolę jednego licznika i jednocześnie "wyświetlacza" jego zawartości.
   Czas życia dekatronu E1T jest przewidziany na 10000 godzin pracy. To dość dużo zważywszy, że niektóre z dekatronów gazowanych miały czas życia zaledwie 500 godzin pracy.
   W wielu urządzeniach, w których wymagano dużej szybkości liczenia stosowano liczniki złożone z lampowych przerzutników dwustanowych, zwanych dawniej binadami. Aby złożyć licznik dziesiętny potrzeba 4 binad, czyli 8 lamp. Konstrukcja takich liczników była skomplikowana - oprócz dużej ilości lamp składały się one z innych elementów. Odczyt stanu licznika nie należał do najłatwiejszych. Powszechnie praktykowano dołączanie neonówek do binad. Wyświetlały one informację w kodzie dwójkowym. Aby odczytać stan licznika należało biegle posługiwać się kodem dwójkowym. Bardziej rozbudowane maszyny były wyposażone w deszyfrator (dziś powiedzielibyśmy dekoder), który sterował albo lampy "Nixie" (co było szczytem wygody) albo całe kolumny neonówek. Na każdą cyfrę miernika musiało więc przypadać 10 neonówek. Ponieważ wynik nie był w takim przypadku wyświetlany w jednym rzędzie, to odczyt był utrudniony. Były budowane także mierniki cyfrowe, ale z odczytem analogowym za pomocą odpowiednio wyskalowanego mikroampero-mierza. Konstruowane były także układy trójstanowe, tzw. triady. Nie miały one, wbrew pozorom, właściwości podobnych do współczesnych bramek trójstanowych. Jak wiadomo, w bramkach trójstanowych trzeci stan nie jest stanem logicznym, lecz odpowiada odłączeniu bramki od układu. Jest to tzw. stan wysokiej impedancji. Tymczasem w dawnych układach trójstanowych pierwszy stan oznaczał przekroczenie jakiejś wielkości, drugi - wartość poniżej normy, trzeci - wartość w normie. Czasem budowano liczniki z połączonych triad, aby oszczędzić na ilości lamp, ale odczyt wskazań takiego licznika był bardzo niewygodny.

Współcześnie
A dziś? Dziś możemy zastosować lampę liczącą E1T w minutniku do jaj, jako nietypowy wskaźnik upływającego czasu.
Spójrzmy na schemat elektryczny, pokazany na rys. 4.
Lampowy minutnik - schemat
Rys. 4
O ironio - zderzenie podzespołów cyfrowych dwóch epok - staroświecka lampa licząca i całkiem współczesne układy CMOS. Czemu tak? Otóż największą trudnością w tym projekcie jest opracowanie układu układu kształtującego impulsy zegarowe. Wykonanie całego układu jako w pełni lampowego jest wprawdzie możliwe, ale wykonajmy prostą kalkulację, która wykaże, że jest to niecelowe. Układ 4060, widniejący na schemacie jest generatorem z czternastostopniowym licznikiem - dzielnikiem dwójkowym. Możemy go zastąpić kaskadą lampowych binad. Stosując lampy podwójne, jak np. ECC88 (zawierają dwie triody w jednej bańce) i stosując diody półprzewodnikowe musielibyśmy użyć "zaledwie" 15 takich lamp (1 na generator kwarcowy i 14 na licznik). Aż boję się policzyć, jaki byłby pobór prądu z sieci takiego lampowego 4060. A przecież należałoby jeszcze zrobić lampowe 4518 ,4001 i 4011. Można zbudować prymitywny układ generatora RC na jednej lampie, ale dokładność odmierzania byłaby gorsza od klepsydry piaskowej. Wszak zmiany temperatury elementów byłyby znaczne, przez co układ nie pracowałby stabilnie. Aby odmierzyć na przykład 5 minut podczas gotowania jajka na miękko lampa ma zliczyć 10 impulsów. Oznacza to, że impuls zegarowy powinien się pojawiać na elektrodzie D1 co 30s. W układzie U1 4060 następuje podzielenie częstotliwości kwarcu przez 16384 i na nóżce 3 tego układu uzyskujemy 2 impulsy w ciągu sekundy. Następnie w pierwszym liczniku dziesiętnym układu U2 4518 realizowane jest dzielenie przez 10. Na nóżce 6 układu U2 otrzymujemy więc 1 impuls na 5 sekund. W drugim liczniku układu U2 następuje dzielenie przez 6. Należało w tym celu zbudować układ na bramkach B1, B2 i B3, który wytwarza sygnał zerowania dla wszystkich liczników. Przyciśnięcie klawisza kasowania powoduje podanie jedynki logicznej na wejście bramki B3, co powoduje zerowanie liczników. Przycisk kasowania musi być dwusekcyjny, bo lampa wymaga innego "poziomu logicznego" do zerowania niż układy CMOS. Na wyjściu bramki B4 następuje zmiana z zera na jeden dokładnie po 30 sekundach od momentu kasowania liczników. Jest to ważne, bo lampa jest wyzwalana narastającym zboczem sygnału z bramki B4. Jak pamiętamy, lampa wymaga odpowiedniego kształtu impulsu zegarowego. Impuls ten jest formowany na elementach C4, C5, D2, R5. Dioda D2 obcina ujemne impulsy, tworzące się podczas różniczkowania przebiegu zegarowego.
   Na rys. 5 przedstawiono uproszczone przebiegi w niektórych punktach układu minutnika.
Lampowy minutnik - przebiegi czasowe
Rys. 5
poprawka W układach CMOS zmiana z logicznego zera na jeden odpowiada zmianie napięcia wyjścia z około 0V do napięcia zasilania układu. Ponieważ jest wymagane, aby wysokość impulsu zegarowego lampy wynosiła 13,6V ±15% układy CMOS są zasilane napięciem 12,5V z oddzielnego uzwojenia transformatora sieciowego; jest ono prostowane (M2) i filtrowane (C1). W części cyfrowej nie można więc stosować układów TTL, bo uzyskamy za małą wysokość impulsu zegarowego dla lampy. W obwód anody przepełnienia jest włączony brzęczyk BUZZ1. Po zliczeniu dziesiątego impulsu zegarowego następuje nieznaczne przesunięcie wiązki elektronów w lampie liczącej, tak, że przez anodę przepełnienia Ap popłynie prąd uruchamiający brzęczyk, ale nadal świeci się znak w pobliżu cyfry "9". Sygnał z brzęczyka oznacza koniec odmierzania czasu (np. gotowania). Brzęczyk nie wyłączy się do momentu wciśnięcia przycisku kasowania lub odłączenia zasilania układu.
   Napięcia zasilające układ: 6,3V AC 0,4A dla żarzenia lampy, 9V 50mA AC dla układów CMOS i 220V AC 30 mA są uzyskiwane za pomocą transformatora Tr1. Wyprostowane przez prostownik napięcie anodowe jest filtrowane za pomocą kondensatora C9.

Uruchomienie
Montaż układu nie powinien sprawić problemu i nie wymaga szerszego omówienia.
   Na cokole lampy przy każdej z nóżek jest wytłoczona cyfra - "pinologia" została opisana na rys. 1.
   Układ zmontowano na płytce drukowanej. Ponieważ nie produkowano podstawek pod lampy E1T do druku, więc lampa została "podpięta" na przewodach. Przewody te nie powinny być jednak zbyt długie (do kilkunastu cm). Kolejność wyprowadzeń lampy pokrywa się z kolejnością wyprowadzeń na złączu krawędziowym, z tym, że przewody 4 i 9 na cokole lampy należy ze sobą zamienić miejscami. Poprawnie zmontowany układ działa zaraz po włączeniu i nagrzaniu się lampy, co zajmuje mniej niż 20s. Po nagrzaniu powinien zaświecić się znak w okolicy cyfry 0. Jedyną czynnością regulacyjną jest ewentualne dostrojenie generatora do częstotliwości 32768 Hz trymerem C2.
   Elementy w obwodach lampy powinny być dobrej jakości - tolerancja oporników 1%, kondensatorów 5% - 10%. Jest to warunek stabilnej pracy lampy E1T. Tak zalecał producent w danych katalogowych. Gdyby lampa nie chciała liczyć należy zmienić wartości pojemności C4 i C5. Przyczyną tego mogą być też za długie przewody.
   Panuje powszechne przekonanie, że układy lampowe są bardzo drogie w budowie. Nie zawsze jest to prawdą i dużo zależy od naszych zdolności organizacyjnych, cierpliwości i szczęścia. Trudno oszacować koszt tego układu, bo zależy to od tego, ile przyjdzie zapłacić za lampę. Mi się udało ją nabyć za 4 zł, a szacunkowy koszt pozostałych części (bez transformatora) nie przekroczył 30 zł.

Errata: Jak słusznie zauważył Wojtek (www.elektronika.priv.pl), układ zerowania można było uprościć. Zastosowanie układu 4071 jest zbędne, jeśli wykorzysta się jeszcze jedną bramkę układu 4011. Tak zmieniony układ zerowania pokazano na rys. 6. Będzie oczywiście potrzebne przeprojektowanie płytki.

autor:   Aleksander Zawada
aleksander_zawada@poczta.onet.pl

Rys. 6
pusty
do góry
WsteczMenuDalej
pusty

UWAGA: Wszystkie umieszczone schematy, informacje i przykłady mają służyć tylko do własnych celów edukacyjnych i nie należy ich wykorzystywać do żadnych konkretnych zastosowań bez przeprowadzenia własnych prób i doświadczeń, gdyż nie udzielam żadnych gwarancji, że podane informacje są całkowicie wolne od błędów i nie biorę odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikające z zastosowania podanych informacji, schematów i przykładów.


Wszystkie nazwy handlowe, nazwy produktów oraz znaki towarowe umieszczone na tej stronie są zastrzeżone dla ich właścicieli.
Używanie ich tutaj nie powinno być uważane za naruszenie praw właściciela, jest tylko potwierdzeniem ich dobrej jakości.

All trademarks mentioned herein belong to their respective owners.
They aren't intended to infringe on ownership but only to confirm a good quality.


Strona wygląda równie dobrze w rozdzielczości 1024x768, jak i 800x600.
Optymalizowana była pod IE dlatego polecam przeglądanie jej w IE5.5 lub nowszych przy rozdzielczości 1024x768.


© Copyright 2001-2005   Elektronika analogowa
pusty
pusty pusty pusty