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)