Wersja z 16:05, 21 cze 2026

(Nie)modny zegar na lampach Nixie

Każdy elektronik majsterkowicz, tworzący własne urządzenia, ma na koncie pewne projekty. Jednym z takich jest zegar elektroniczny. Proste urządzenie o użytkowym przeznaczeniu, mające odmierzać czas i nic więcej. Dawniej tworzony z wykorzystaniem układów cyfrowych małej skali integracji TTL lub CMOS, a następnie jednoukładowych, specjalizowanych kości zegarowych, jak chociażby MC1206 czy LM8560. Obecnie wystarczy do tego celu najprostszy mikroprocesor Atmega lub podobny i wsad z programem. Pozornie, tak jest najprościej i najszybciej. Czy na pewno?

Dawniej kiedy wyświetlacze LED były drogie, a ich jakość była inna niż tych dzisiejszych, dominowały zegary stworzone z udziałem lamp Nixie. Wraz z postępem ustąpiły one miejsca wyświetlaczom LED, VFD, LCD. W pewnym momencie, zapanowała jednak „moda na retro”, co w połączeniu z dużą podażą i niską ceną (do pewnego czasu) antycznych lamp Nixie, spowodowało ich renesans. Zegar na lampach stał się „trendy” a projektów tego rodzaju powstawało bardzo dużo. Niestety, przy tej okazji, spowodowało to mocne przerzedzenie podaży zarówno lamp jak i urządzeń w nie wyposażonych, które zostały dawcami, kończąc później na śmietniku, jako dalej niepotrzebne, mimo swojej sprawności. Obecnie, zdobycie zarówno lamp w stanie NOS, jak i przyrządów w nie wyposażonych, to już sport dla pasjonatów, zresztą kosztujący często niemałe pieniądze. Chociaż „moda na retro” jest stale podtrzymywana, to świetność nixie-zegarów już minęła.

Pomysł realizacji projektu-zegara Nixie czekał na wdrożenie ponad 10 lat. Wszystko zaczęło się od zakupu, wiele lat temu, kilkudziesięciu lamp typu LC 513 i podobnych o wysokości znaku 15,5 mm, w niewiadomym stanie, na lokalnym bazarku za kwotę 30 zł. Jednak ostatecznym zielonym światłem do realizacji był zakup mocno zmęczonego miernika Meratronik V540. Chociaż kompletny zarówno w lampy jak i elektronikę, ze względu na stan mechaniczny (widoczne mechaniczne ślady „ znęcania się” jak i tego, że coś ciężkiego na niego spadło), nie rokował pozytywnie na danie mu dalszego żywota jako woltomierz. Znajdujące się z nim lampy typu Z566M prod. byłego NRD o wysokości znaku 30 mm, jako te „duże” i jednocześnie „najbardziej pożądane”, posłużyły do budowy zegara w opisanym projekcie. Cały projekt nosi znamiona wykorzystania „surowców wtórnych” oraz „przydasiów” już posiadanych w domu, o czym będzie wspomniane poniżej.

Chcąc zbudować zegar na lampach, mamy do wyboru kilka sposobów realizacji poszczególnych bloków, z których konstrukcja się składa. Można tu wyszczególnić: wybór rodzaju lamp, sposób ich zasilania, sposób generacji impulsów zegara, wybór sposobu zliczania impulsów, sposób sterowania katodami lamp.

Jako lampy wybrano Z566M z wyżej wspomnianego Meratronika, te robiące największe wrażenie, dosłownie i w przenośni. Wysokość wyświetlanej cyfry 30 mm pozwala na dobry odczyt nawet z kilkumetrowej odległości, Do tego obecność czerwonego filtru w formie farby na bańce lampy, eliminuje konieczność stosowania osobnego filtra w obudowie zegara dla poprawy kontrastu. Do projektu użyto pięciu lamp, czterech dla godzin i minut oraz jednej Z567M jako „migającego znaku” oznaczającego odliczanie sekund. Zrezygnowano z dwóch lamp cyfrowych odliczających w sposób ciągły sekundy.

Oglądając projekty sprzed pół wieku, kiedy codziennością były układy TTL serii 7400, na nich właśnie najczęściej budowano zegary, do czasu upowszechnienia się układów CMOS serii 4000. Dziś serii TTL, nawet typu LS o zmniejszonym poborze prądu, w zasadzie nie używa się. W zegarze zastosowano układy serii 74 HCMOS, łączące technologię klasycznych CMOSów, z pewnymi zmianami, z tożsamością funkcjonalną klasycznych kości TTL serii 7400.

Podstawą każdego zegara jest odpowiedni wzorzec zliczania czasu oraz generator, zapewniający odpowiednią dokładność w czasie. Dawniej używano głównie rezonatorów kwarcowych o wartościach 1 MHz lub 10 MHz oraz dzielników o wielokrotności 10. Rezonatory zegarkowe 32768 Hz oferują wystarczającą dokładność (chociaż nie jest to poziom GPSu czy zegarów sterowanych radiowo), do tego są małych rozmiarów. Zastosowany generator oparty na układzie CMOS 4060 zawiera w sobie od razu wbudowany dzielnik wielostopniowy, co znacząca uprasza układ. Dzięki wbudowanemu dzielnikowi 2^14, wystarczy dodać zewnętrzny dzielnik przez 2, tutaj w tej roli jeden przerzutnik układu 74HC74 i otrzymujemy impuls wzorcowy 1 Hz.

Każdy zegar to w zasadzie licznik impulsów, zatem drugim istotnym blokiem jest układ zliczania. Tutaj wachlarz układów do wyboru jest bardzo szeroki. Dawniej bardzo chętnie korzystano z liczników 7490 o wyjściach BCD. Z racji że typowy zegar to 6 dekad, potrzebne było 6 takich układów. Inną koncepcją był wybór liczników 4017 o wyjściach „1 z 10”, lecz rozwiązanie ma to jedną niedogodność - wymaga dużej liczby tranzystorów sterujących cyframi lamp, z uwagi na konieczność dopasowania poziomów. W rodzinie układów HC do wyboru jest ciekawy układ 74HC390, zawierający w sobie dwa dziesiętne liczniki (w zasadzie to są niezależne liczniki do 2 oraz do 5 które po połączeniu zliczają do 10), co redukuje ilość potrzebnych układów z 6 do 3. Jeden układ odpowiada za zliczanie sekund, następny minut i ostatni godzin. Takie też zastosowano w projekcie.

Jednak zegar nie jest licznikiem o pojemności 999999, tylko 235959 (tryb zliczania jest 24 godzinny), dlatego liczniki należy odpowiednio „ograniczyć”. Służą do tego dwa układy 74HC132, każdy mający po cztery bramki NAND z układem Schmitta, z których uformowano trzy bramki AND, pozostawiając dwie bramki NAND wolne. Każda z bramek AND odpowiada za zerowanie sekund, minut i godzin, zapewniając przejście 59->00, 59->00 oraz 23->00, co uzyskano dzięki odpowiedniej konfiguracji wyjść liczników z wejściem bramek oraz pinów reset liczników. Nie należy tutaj stosować zwykłych bramek 74HC00 - podczas testów występowały kłopoty z prawidłowym resetowaniem liczników godzin. Bramki z wejściem Schmitta ten problem eliminują.

Z racji, że wyjścia liczników kodują informacje w kodzie BCD, natomiast lampy wyświetlają informację jako 1 z 10, należy użyć odpowiednich układów dekodujących. W latach świetności lamp nixie, opracowano specjalistyczne wysokonapięciowe dekodery BCD na 1 z 10 typu 7441 oraz 74141, których tutaj użyto. Sterują one bezpośrednio lampami, wybierając odpowiednią cyfrę jako tą aktywną. Był to jeden z powodów (oprócz konieczności zastosowana sporej ilości wysokonapięciowej zewnętrznych tranzystorów sterujących) odrzucenia koncepcji wykorzystania liczników 4017.

Wykorzystano układy z szuflady, z dawnych czasów produkcji nieistniejącego już francuskiego SESCOSEMu, chociaż obecnie zakup tych scalaków nie stanowi problemu, dostępne są zarówno te stare NOS produkcji zachodniej jak i odpowiedniki radzieckie, a nawet współcześnie produkowane rosyjskie. Do sterowania cyfrą dziesiątek godzin, wykorzystano dwa tranzystory BF257, żeby nie marnować dodatkowego układu 74141 do sterowania tylko dwoma cyframi. Tak samo, jeden tranzystor BF257 odpowiada za miganie znakiem sekundnika.

Pozornie drobną, aczkolwiek istotną kwestią jest sposób nastawiania zegara. Tutaj do wyboru są dwie możliwości - tryb „wolno-szybko” będący w zasadzie przyspieszeniem impulsów zliczających oraz tryb „osobno minuty, osobno godziny”. Jako wygodniejszy wybrano ten drugi. Pozwala to ustalić zegar szybciej i bardziej precyzyjnie, bez konieczności „przelatywania” za każdym razem całego cyklu liczącego. Przełączniki zrealizowano dzięki dwóch bramkom NAND z wejściem Schmitta na układzie 74HC132 oraz dwóm przełącznikom monostabilnym, osobnym dla minut i osobnym dla godzin. Zrezygnowano z trzeciego guzika, resetującego zegar do nastaw 000000, komplikuje to tylko układ, a nie jest niezbędne do prawidłowego działania. Układ nastawiania podłączony jest poprzez dwie braki XOR z układu 74HC86 do wejść liczników, co umożliwia jednoczesne podanie impulsów zegarowych, jak i nastawiania.

Ostatnią kwestią z elektrycznego punktu widzenia, jest zasilacz. Zegar wymaga dwóch stopni - niskiego oraz wysokiego napięcia, pierwsze do całej sekcji cyfrowej, drugie do zasilania anod lamp. Sekcja niskiego napięcia to typowy zasilacz +5V zrealizowany z udziałem trójkońcówkowego stabilizatora typu LDO o symbolu L4940V5. Sekcję wysokiego napięcia początkowo planowano zbudować w oparciu o przetwornicę HV dostępną w wielu wersjach na znanym chińskim portalu aukcyjnym. Próby jednak nie wypadły pomyślnie, przetwornica grzała się, piszczała lub nie zapewniała odpowiedniej wydajności prądowej. Następnie użyto do testów transformatora z miernika Meratronik, z którego pozyskano także lampy. Obecne tam uzwojenie HV, dające 200-250V oraz drugie około 7V załatwia cały temat zasilania. Transformator ten posiada jednak jeszcze dwa dodatkowe uzwojenia, w tym przypadku niepotrzebne, a których przewody, są wyprowadzone na stałe. Nie chcąc przesadnie kombinować, poszukano rozwiązania alternatywnego, wszak w dobie mody na lampy, lampowych wzmacniaczy, wiele producentów ma w swojej ofercie transformatory typowo do konstrukcji lampowych. Wybrano transformator polskiej firmy SIZEI o oznaczeniu TE66/220, o uzwojeniu pierwotnym 230V 71 mA oraz wtórnych - 200V 30 mA i 6,3V 1,1A. Jest to odpowiednik nieprodukowanego już polskiego transformatora firmy INDEL typ TSL 15/001. Lampy zasilane są z transformatora napięciem niestabilizowanym, wyprostowanym jednopołówko jedną diodą 1N4002 o napięciu granicznym 600V. Z racji, że prąd anody lampy ma decydujące znaczenia zarówno dla jasności świecenia, a przede wszystkim trwałości, należało go odpowiednio dobrać. Doświadczalnie zastosowano tu metodę kontroli, przy jakim prądzie każda z cyfr zaświeci się w sposób pełny. Lampy wszak są używane i ich zużycie jest niewiadome, a co gorsze, nie musi być jednorodne. Katalogowy prąd pracy jednej lampy wynosi 4,5 mA, tutaj okazało się, że wystarczy do pracy prąd rzędu 3 mA na lampę. Jeżeli lampa wykazuje już objawy zużycia, można podwyższyć prąd, jednak należy mieć na uwadze, że producent podaje maksymalny prąd pracy 6 mA.

Model zegara został zmontowany z trzech płytek drukowanych. Pierwsza, bazowa, zawiera lampy wraz z podstawkami i dekoderami 74141 oraz zasilacz +5V. Płytka ta posiada wyprowadzone kołki, w które wchodzą dwie pozostałe płytki. Druga płytka zawiera właściwy układ zliczania, nastawiania oraz generator kwarcowy. Trzecia to zasilacz wysokiego napięcia dla lamp nixie. Transformator umieszczono w osobnej obudowie, połączony z zegarem przewodem zakończonym 4 pinowym wtykiem. Z przodu obudowy transformatora umieszczono włącznik sieciowy oraz żarówkę sygnalizującą zasilanie. Obwód pierwotny transformatora zabezpiecza bezpiecznik zwłoczny.

Układ po zmontowaniu nie wymaga żadnej procedury uruchamiania. Można jedynie sprawdzić dokładność chodu, kontrolując miernikiem częstotliwości przebieg 32768 Hz na wyjściu 9 układu 4060. Gdyby odchyłka była niezadowalająca, można równolegle do jednego z kondensatorów ceramicznych generatora wlutować trymer celem korekty częstotliwości wzorcowej. Pobór prądu dla sekcji cyfrowej to około 40 mA, żarówka sygnalizacyjna pobiera około 30 mA, z kolei lampy pobierają prąd łącznie w granicach 15 mA.

Przydatne wzory:
1. odchyłka dobowa zegara w sekundach
t=(f1/f2)*86400
gdzie 
t - odchyłka dobowa
f1 - różnica częstotliwości wzorcowej i mierzonej
f2 - częstotliwość wzorcowa

2. zamiana ppm na odchyłkę częstotliwości
f=f2*(ppm/1000000)
gdzie
f - odchyłka częstotliwości
ppm - odchyłka w ppm
f2 - częstotliwość wzorcowa

3. zamiana odchyłki częstotliwości na ppm
ppm=(f1/f2)*1000000
gdzie
f - odchyłka częstotliwości
ppm - odchyłka w ppm
f2 - częstotliwość wzorcowa

Literatura:
https://www.tube-tester.com/sites/nixie/data/V600/Z566M/z566m.htm
https://www.tube-tester.com/sites/nixie/data/z567m.htm
http://www.csgnetwork.com/anoderescalc.html
Instrukcja serwisowa woltomierza Meratronik V540
Karty katalogowe układów scalonych 74HC390, 74HC132, 74HC86, 74HC74, 74141, 4060

Załącznik nr 1

Wykaz elementów:

Konrad Klekot

Powrót do "Strony głównej"

Powrót do "Wydania 2026"