Зовнішній вигляд годинника

Електронний годинник (пост-) радянського виробництва "Электроника ТК-01" без блоку живлення, але з трьома дротами для підключення. В цій статті я розкажу як він працює та як до нього правильно подавати живлення.

Электроника ТК-01

Внутрішній вигляд

Схема електрична

Підключення мікросхеми годинника КА1016ХЛ1

Підключення вакуумно-люмінесцентного індикатора ИВЛ2-7/5

Розташування елементів на платі

Основні компоненти

Підвищувач напруги
Мультивібратор, в якості генератора прямокутних імпульсів для підвищувача напруги
Будильник (п'єзодинамік відсутній)
Резонатор
Резистор катода індикатора
Мікросхема годинника КА1016ХЛ1
Резистори, що підтягують аноди індикатора до запірного потенціалу
Вакуумно-люмінесцентний індикатор ИВЛ2-7/5

Маленька ремарка, щодо слова "запірний":

В українській мові нема прикметника "запираючий", хоча є дієслово "запирати" в значенні "замикати", однак є прикметник "запірний", тобто призначений для запирання, замикання.

Індикатор

Принцип роботи вакуумно-люмінесцентного індикатора.

Загальний вигляд індикатора ИВЛ2-7/5

Структурні елементи індикатора

Індикатор складається з трьох основних частин:

катод розжарення
анодні сітки
анодні люмінесцентні сегменти

Катод розжарення - це тонкі дроти, через які проходить струм, що нагріває ці дроти, змушуючи їх випромінювати електрони в навколишнє середовище.

В нормальному режимі роботи, катод світиться слабким, майже непомітним червоним сяйвом.

Нормальний режим роботи катода

Якщо на катод подати надто велику напругу - світіння стає більш інтенсивним. Гарно виглядає, однак не варто експлуатувати катод в такому режимі, тому що його ресурс скорочується в рази.

Перевантаження катода

Струм живлення катода може бути як постійним так і змінним, оскільки він є незалежним. Однак, вважається за краще використовувати саме змінний струм для більш рівномірного зносу провідників.

Анодні сітки в різні моменти часу виконують функцію прискорювача, або навпаки - відштовхувача електронів катода.

Сегменти індикатора мають в своєму складі спеціальну речовину, яка випромінює світло, поглинаючи потік прискорених електронів під дією електромагнітного поля. Для того щоб поглинути електрони з виділенням світла, сегменти повинні бути частиною електричного кола та мати високий потенціал, тому відносно джерела електронів - катода, вони є анодами.

Незважаючи на те, що катод має своє відокремлене електричне коло, між ним та анодними сітками повинен бути електричний зв'язок через спільний провідник низького потенціалу, для того, щоб сітки могли виконувати свої функції.

Структурна схема ВЛІ

В цілому, робота з ВЛІ подібна до роботи з сучасними збірками семисегментних індикаторів:

в кожен момент часу працює лише один розряд
однакові сегменти різних розрядів з'єднані між собою
для того, щоб увімкнути розряд - потрібно на анодну сітку цього розряду подати високий потенціал
щоб увімкнути сегмент - на нього також потрібно подати високий потенціал
для погашення розрядів - на їх анодні сітки подається низький потенціал, наприклад притяжкою за допомогою високоомних резисторів
погашені сегменти також мають бути притягнуті до низького потенціалу

Робочі параметри струму для кожної складової частини індикатора залежать від конкретної моделі. Для ИВЛ2-7/5 вони наступні:

катод розжарення: 2,7 В, 58±6 мА
аноди: 24 В, 3 мА

Якщо на катод подається змінний струм - в такому випадку необхідно використовувати запірну напругу на анодних сітках, через те що коливання струму в катоді можуть викликати паразитне світіння на незадіяних сегментах. Запірна напруга - це від'ємний потенціал відносно загального нуля, для ИВЛ2-7/5 становить:

Напруга сітки запірна (Ugзап) не менше: 3 В (абсолютне значення)

Тобто, в даному випадку, на анодні сітки та сегменти потрібно подавати:

в активну фазу: +24 В
в неактивну: -3 В

Ось так виглядає паразитне світіння сегментів при використанні змінного струму на катоді без запірної напруги на анодних сітках (задіяне притягнення до нуля):

Паразитне світіння сегментів без використання запірної напруги

Якщо поглянути на осцилограму потенціалу на одній із сіток, то побачимо, що з певною періодичністю він стає від'ємним. Ці провали показують як зайві електрони з катода, потрапляючи на сітку, наділяють її від'ємним потенціалом. Далі електрони проскочують до сегментів, підсвічуючи їх.

Потенціал на анодній сітці при змінному струмі на катоді

Чому анодним сіткам не вдається відштовхнути усі електрони? На сітці, в неактивні проміжки часу, присутній нульовий потенціал. При цьому струм на катоді коливається саме навколо цього нульового потенціалу, адже один із контактів катода приєднано безпосередньо до загального нуля. Незважаючи на те, що катод завжди випромінює електрони, як побічний продукт проходження ним струму, незалежно від його напряму, проте різниця потенціалів між катодом та анодами періодично змінюється:

в першому півперіоді - позитивна, на катоді потенціал вище нуля, а отже вище потенціалу анодів
в другому - негативна, потенціал на катоді нижче потенціалу анодів

Коливання напруги на катоді

Коливання потенціалів на катоді відносно загального нуля

В активній фазі анодів їх потенціал значно перевищує потенціал катоду: 24 В проти 2,4 В, тому ця різниця не вносить суттєвого впливу на яскравість.

З іншого боку, в неактивній фазі вона стає впливовою: 0 В проти 2,4 В.

Наведений катодом на анодній сітці паразитний від'ємний потенціал

Чому на осцилограмі ми не бачимо позитивної півхвилі наведеного потенціалу, спитаєте ви. Дуже просто: катод - спеціально створений для того, щоб випромінювати електрони, бо він розжарюється, а от аноди, зокрема сітки, не розраховані на власне випромінювання, тобто не віддаючи електрони - не підвищують власний потенціал.

В результаті маємо наступні процеси:

позитивний півперіод на катоді не має суттєвого впливу на роботу індикатора;
негативний півперіод на катоді призводить до від'ємного потенціалу по відношенню до загального нуля;
від'ємний потенціал означає надлишок електронів;
коли активна фаза анодної сітки збігається з негативним півперіодом на катоді - різниця потенціалів навіть збільшується: 24 - (-2,4) = 24 + 2,4;
коли з негативним півперіодом катода збігається неактивна фаза анодної сітки - потенціал на сітці виявляється більшим за потенціал катода: 0 В > -2.4 В, отже сітка з нульовим потенціалом перестає виконувати функцію відштовхувача електронів, радше навпаки - притягує їх;
таким чином, додаткові електрони на сітці зміщують її потенціал з нуля до від'ємних значень;
минаючи сітку, електрони потрапляють до анодів-сегментів, а оскільки однакові сегменти різних розрядів з'єднані між собою, то ті на яких буде позитивна напруга (від засвічення в активному розряді) отримають помітне свічення в неактивному розряді, що ближче правого контакту, то більший вплив паразитних електронів.

Отже, засобом боротьби з паразитною засвіткою неактивних сегментів є подання на анодні сітки, в неактивній фазі, від'ємного потенціалу відносно загального нуля, більшого (за абсолютним значенням) за паразитний потенціал. Тобто, якщо паразитні електрони формують певний від'ємний потенціал, тоді достатньо буде подати на сітки від'ємний потенціал більшого значення, щоб він відштовхнув зайві електрони катода.

Подача запірної напруги

Напруга на анодній сітці з використанням запірної напруги

Альтернативним способом боротьби з паразитною засвіткою є електричне з'єднання катода з анодними сітками провідником постійного потенціалу, таким, щоб потенціал катода завжди був більшим за потенціал загального нуля:

Катод з позитивним зміщенням

Підвищувач напруги

Розглянемо як працює підвищувач напруги на практиці.

Схема підвищувача напруги на базі мультивібратора

На схемі я позначив цікаві точки:

probe1 - вихід мультивібратора
probe2 - вихід транзисторів підсилення струму
probe3 - вихід конденсатора подвоєння напруги

Спочатку підвищувач напруги у мене не працював, як виявилося через електролітичні конденсатори, що вийшли з ладу. Цікаво, що в такому разі в точці probe3 формується сигнал доволі специфічної форми, нагадуючи привидів, який вказує на те, що конденсатор має завеликий внутрішній опір (ESR):

Сигнал на виході накопичувального конденсатора з великим ESR, режим AC

Після заміни несправних конденсаторів, емпіричним шляхом вдалося встановити, що для отримання 24 В на виході схеми, на вхід потрібно подати 14 В постійної напруги.

Вхідна напруга

На виході мультивібратора отримуємо імпульси (майже) прямокутної форми, високої частоти:

probe1 - вихід мультивібратора

На виході транзисторів підсилення струму отримуємо ту саму картину, що і на виході мультивібратора, за виключенням невеликої втрати потенціалу на p-n переходах:

probe2 - вихід транзисторів підсилення струму

Отриманий меандр додається до напруги, накопиченої у вихідному конденсаторі:

probe 3 - вихід конденсатора подвоєння напруги

На виході підвищувача напруги отримуємо приблизно подвоєну вхідну напругу. Значення напруги на осцилографі та мультиметрі відрізняюється, згідно показам останнього: приблизно 24 В.


Напруга на виході підвищувача напруги

Напруга на виході підвищувача, покази мультиметра

Анімація роботи мультивібратора:

Анімація роботи підвищувача напруги на базі мультивібратора:

Мікросхема КА1016ХЛ1

Управляюча мікросхема КА1016ХЛ1, призначена для використання в електронних годинниках з будильником і секундоміром. Мікросхема безпосередньо керує 7-сегментним вакуумно-люмінесцентним індикатором.

Розпіновка мікросхеми КА1016ХЛ1

Для живлення КА1016ХЛ1 використовується негативна напруга, тобто на пін GND подається високий потенціал, а на -U, відповідно - низький. Різниця потенціалів живлення мікросхеми має бути 15 В, тобто -U = -15 В. Оскільки для живлення індикатора потрібно +24 В, то на вхід GND мікросхеми подається +24 В.

Мікросхема в процесі роботи подає на свої виходи, призначені для вакуумно-люмінесцентного індикатора, сигнал високого потенціалу, тобто потенціал GND, або переводить їх у Z-стан (високий імпеданс), тому входи ВЛІ мають бути притягнені за допомогою резисторів до низького потенціалу.

Для того, щоб отримати стабільну негативну напругу для живлення мікросхеми, використовується стандартна схема стабілізатора напруги на стабілітроні та pnp-транзисторі:

Джерело -15 В

Реалізація живлення годинника

Отже, з документації на індикатор відомо, що йому потрібна напруга 24 В на анодах та 2,4 В на катоді. Сила струму в електричному колі катода повинна бути приблизно 58 мА.

Простими математичними розрахунками виходить, що на жовтий провід, який живить катод, потрібно подавати напругу 14 В, яка за рахунок опору в 200 Ом на резисторі R_CATH при силі струму в 58 мА залишить катоду потрібні 2,4 В. Слід зауважити, що при цьому приблизно 1 ватт енергії буде розсіюватися на резисторі у вигляді тепла.

Обмежуючий резистор катода

Отже, маємо наступні параметри вхідного живлення:

жовтий провід - живлення катода: +/~ 14 В
зелений - загальний: 0 В
білий - живлення мікросхеми та індикатора: +14 В

Однак, в мене виникли деякі зауваження:

немає виділеної лінії для подачі запірної напруги на індикатор, а в схемі вона не формується
1 ватт енергії марно розсіюється в тепло на резисторі катода

Залишилося невирішеним питання: для чого потрібно було робити окремий дріт під живлення катода, якщо другий його вивід посаджений на нуль? В даній схемі запірним потенціалом виступає нуль, а в такому разі катод може живитися лише постійним струмом.

Мій висновок: в схемі допущена конструктивна помилка, оскільки для коректного живлення даної схеми необхідно мінімум 4 дроти. Або живлення для катоду повинно подаватися двома окремими дротами, при цьому потенціал на кожному з виводів катода повинен бути більшим за потенціал загального нуля; або потрібен окремий дріт для подачі запірного потенціалу.

Оскільки обмежуючий резистор розрахований на таку саму напругу як і для живлення основної схеми, то жовтий та білий дроти можна об'єднати.

Таким чином, базове живлення годинника, тобто без внесення змін в його схему, можна організувати від джерела 5 В за допомогою сучасного DC-DC перетворювача:

Базове живлення годинника

Оптимізація

Першим кроком, я волів би позбутися надто потужного резистора катода, знизивши вхідну напругу:

В такому разі схема живлення виглядатиме:

Більш енергоефективна схема живлення

Живлення від трансформатора

Я вирішив спробувати реалізувати живлення цього годинника від типового трансформатора Т19-220-50, взятого з іншого годинника. Цей трансформатор має первинну обмотку для напруги 220 В, та дві вторинні: на 29 та 5 В, яка має відвід від середини, що дає додаткові 2,5 В.

Виводи трансформатора Т19-220-50

Отже, обмотку на 29 В можна використати для живлення основної схеми, а обмотки на 2,5 В - для живлення катода та отримання запірної напруги.

Для того, щоб не перевантажувати катод та обмежити силу струму до номінальної 58 мА, я б рекомендував поставити резистор на 10 Ом:

Як було сказано в розділі про індикатор, запірна напруга повинна мати наступні характеристики:

постійний струм
під час негативної фази на катоді: мати від'ємне значення відносно загального нуля
під час позитивної фази на катоді: бути не більше нуля

З цього слідує:

знадобиться випрямляч для отримання запірної напруги
достатньо напівперіодного випрямляча на одному діоді
джерело живлення катода та запірної напруги може бути спільним
можна обрати будь-яку з двох 2,5 В обмоток, оскільки вони еквівалентні.

Нехай джерелом живлення катода та запірної напруги буде обмотка 6-7:

Схема отримання запірної напруги

Розглянемо схему розподілення напруг в півперіодах:

Схема розподілення напруг в півперіодах

Тепер, коли ми маємо змінний струм на катоді та джерело запірної напруги, потрібно внести наступні корективи в схему: від'єднати, вказаний нижче, провід від загального, щоб подати на нього запірну напругу:

Подача запірної напруги

Оскільки випрямлений струм з даного трансформатора має напругу 34 В, а живлення схеми потребує 14 В, або 24 В без підвищувача напруги, то в нас є два варіанти:

Видалити зі схеми підвищувач напруги, та зменшити напругу живлення з 34 В до 24 В
Просто зменшити напругу живлення з 34 В до 14 В

Оберемо простіший шлях, максимально зберігаючи автентичність пристрою, нехтуючи при цьому енергоефективністю: зменшити напругу живлення за допомогою резисторного дільника напруги. Достатньо змінного резистора 1 К (2 Вт).

Отже фінальна схема живлення електронного годинника "Электроника ТК-01" від типового трансформатора Т19-220-50 з використанням запірної напруги анодних сіток вакуумно-люмінесцентного індикатора виглядає так:

Схема живлення від трансформатора

На цьому в мене все, дякую за увагу, буду радий відгукам та зауваженням.

A little bit about everything

Як влаштовано електронний годинник "Электроника ТК-01"