Digitální hodiny s velkými červenými LED displeji ovládané deseti integrovanými obvody řady CMOS 4xxx. Plošný spoj je stejně velký jako plocha všech LED displejů. Při pájení je třeba dodržovat zásad dobrého pájení, jelikož plošný spoj je oboustranný a IO jsou citlivé na elektrostatickou elektřinu. Displeje jsou pájeny přímo na plošný spoj, na němž jsou plošky pro připájení očka pro přichycení na zeď. Po zdárné stavbě tedy máme kompletní zařízení, jež lze rovnou pověsit na zeď. Hodiny mají aktivován režim 24H se zhasínáním nuly při čase do 10:00.

Než začnete se stavbou, dočtěte pozorně návod. Autor schématu, z něhož bylo vycházeno: Jan Hlinák, upraveno a otestováno + plošný spoj ve společnosti TIPA, spol. s r.o.

Popis zapojení

IC2 - CMOS 4536
je programovatelný dělič kmitočtu s celkem 24 stupňovým čítačem. Dělicí poměr se nastavuje pomocí vstupů A, B, C, D, na které přivádíme požadované logické úrovně prostřednictvím tlačítek S1 až S3 a odporů R6 - R9. U CMOS obvodů je výhodou, že v podstatě log. Jedničkou je i kladné napájecí napětí, log. 0 dosáhneme spojením ze zemí. Toho využívá i princip setu děliče pomocí tlačítek - při sepnutí se na vstup IC přivede nula, při rozepnutí směřuje do obvodu přes odpor kladné napájecí napětí. Pokud bychom vypustili odpory R6-9, došlo by při stisknutí ke zkratu a vynulování hodin, při použití tvrdého zdroje bez limitace proudu by došlo i k propálení cest na plošném spoji. Výhodou CMOS obvodů je, že jsou řízeny napětím, potřebují ke své činnosti minimální proudy. Sice na rozdíl od TTL zvládají nižší frekvence, ale vzhledem k rychlému vývoji IT se brzy bipolární konstrukci vyrovnají i v tomto směru. Zpět k odporům - mohou být vysoké hodnoty, čímž docílíme minimální odběr při stisknutí tlačítka a tedy i uzavření jednoduchého obvodu. Pokud budeme počítat s použitou hodnotou 4k7 a napájecím napětím 12V, vyjde nám zvýšení odběru proudu o max. 2,5x10^-3 S obvodem je často udáván jeden omezující údaj - použitelný kmitočet maximálně 500 kHz. Tento údaj se ale vztahuje k vnitřnímu hradlu při použití RC oscilátoru, nikoliv na běžný provoz s externím zdrojem signálu.

Při použitém krystalu 4.194304 Mhz se např. základním nastavením logických hodnot na vstupech A až D docílí výstupní frekvence 1 Hz. Po jejím dělení 60 obvodem 4566 dostáváme minutové impulsy. Nastavení správného času na hodinách je řešeno právě oněmi třemi spínači - stisky se zvyšuje výstupní kmitočet, zmenšuje se dělitel a kmitočet vzrůstá - hodiny běží mnohem rychleji. S1, S2 i S3 umožní každý jinou dobu periody. Nejvyššího kmitočtu dosáhneme za pomoci stisku všech tlačítek najednou - jsou na DPS rozmístěna vedle sebe, takže ukazováčkem není problém zmáčknout všechny spínače. Jeden stav děličky je dán pevně. Při všech rozpojených spínačích tedy obvod vydělí kmitočet na výstupní 1Hz. To je jeden kmit za sekundu, tedy sekundový impuls. Pomocí mikrospínačů se zmenšuje dělitel a kmitočet vzrůstá - hodiny běží mnohem rychleji, což umožňuje nastavit čas.

My teď budeme pracovat s 1Hz impulsem, jenž vstupuje na posilovací invertor vytvořený z hradla NAND (IC1, v.12,13, výstup 11). Výstup hradla je napojen na kontrolní led, která indikuje sekundy. Když je z IC2 vysílána log. jednička, na výstupu hradla bude log. 0. Proto invertor. Jde jen o oddělení kmitů a posílení proudové zatížitelnosti pro LED, aby nedocházelo k ovlivnění úrovně napětí sekundového impulsu. Led se sice rozžíná v době sestupné hrany, ale k indikaci běhu hodin je to dostatečné. Výstup hradla zároveň vstupuje přes odpor 680R na bázi tranzistoru T1 (KSY72 NPN max. 15V), který spíná tečku displeje jednotky hodin (indikace sekund ze strany displejů a zároveň oddělení hodin a minut). Kmity jsou dále přiváděny do obvodu IC3, který je zde zapojen pouze jako dělič kmitočtu v poměru 1:60. Výstupní frekvence tedy bude rovna 1/60 Hz, což je minutový impuls. Ten je přiveden na IC5...

IC5, IC4 - CMOS 4566
Opět vydělí kmit šedesáti (ten pak směřuje do IC4). Obvod obsahuje dva čítače, a pokud využijeme binárního 3/4 bit. výstupu Q0-Q3, můžeme nastavit třeba ono dělení kmitočtu. Jeden čítač je čistě dekadický, tedy reset nastane automaticky po čísle 9 - využije se pro jednotky minut a hodin. Druhý se vynuluje po čísle 5. (desítky minut, desítky hodin - užije se pouze možnost 0,1 a 2, neboť o půl noci nastane reset všech obvodů). Výstupem čítače je číslo v binární podobě - log. 1 nebo 0 na výstupech Q. Například pokud se na displeji zobrazí číslo 5, naměřili bychom na výstupu daného čítače hodnoty 1, 0, 1. Využijeme tedy jen 3 hodnoty ano/ne, tedy 3 bity. To není ani polovina Byte. Větší než číslo 5 nevyužijeme u tohoto čítače, proto má jen 3 výstupní piny Q. U čítače dekadického už budeme potřebovat 4 výstupy Q, tedy 4bity, abychom byli schopni zapsat binárně i číslo větší než sedm - 8=1000, 9=1001. Jeden byte obsahuje 8bitů. Můžeme tedy hovořit o půl bytové informaci.

IC6 - 9 - CMOS 4543
Jeden CMOS 4566 je tedy zapojen pouze jako dělič, další dva (IC5, IC4) jsou zapojeny do série tak, že postupně čítají minuty i hodiny. Jejich binární výstupy jsou napojeny na obvody CMOS 4543, které disponují schopností dekódovat přiváděné logické úrovně na BCD kód - tedy převádět binární podobu na rozsvěcování jednotlivých segmentů displeje. Příklad - je-li do obvodu přiváděno log 1, 0, 1 (dek. 5), na výstupu se objeví kladné napájecí napětí u pinů a, c, d, f, g, je li obvod nastaven pro připojení displeje se společnou katodou. (Rozlišujeme displeje se společnou katodou - SK a společnou Anodou - SA. V praxi to znamená, že displej SA ma jeden pin, který vede ke všem segmentům - anodám LED diod - a katody segmentu jsou vyvedeny všechny zvlášť. Na anodu tedy přivedeme kladné napájecí napětí a potom podle toho který vývod katody segmentu připojíme k zemi, ten se rozsvítí - uzavře se obvod. Displej se SA je přesně naopak. Je jeden pin, který napojíme na mínus a potom ke každému segmentu vede přívod, který pro jeho rozsvícení napojíme na +. Výhodou 4543 je možnost nastavení, jaký typ displeje bude budit. V mých hodinách jsou použity displeje se SA. Zjednodušeně řečeno obvod spíná země jednotlivým segmentům (a - g).

IC10
Slouží ke zhasínání nuly. Dvě Nand hradla jsou zapojena jako negátory. Na jejich vstupy jsou přiváděny log. Hodnoty binárního čísla z IC4 - pin 12, 13. Při čísle nula je na obou dvou pinech log jedna. Při jedničce či dvojce už naměříme na jednom z těch dvou vždy log jedna a log 0. CMOS 4543 má vstupní pin BI (7). Pokud na něj přivedeme log 0, displej bude svítit, jakmile však na pin 7 napojíme log 1, displej zhasne. Výstup zapojení hradel CMOS4011 je tedy roven log jedna jen tehdy, když na jeho výchozích vstupech byly dvě log 0 (nula = 000). Tedy: jedna nula je přivedena na hradlo 8,9,10, které má vstupy propojené - tedy pro NAND platí 0 + 0 = 1. Totéž u hradla 11,12,13. Máme dvě log 1. Ty přivedeme na hradlo 4,5,6. 1+1 = 0. Výstup je opět negován hradlem 1,2,3 a do 4543, pin 7 přivedeme log 1 - vypnutí displeje.

C2
Kondenzátor sloužící pouze pro zásobování obvody energií - uchování informace o čase při výpadu elektřiny trvající méně než 90 sekund

Konstrukce zapojení

Je třeba si uvědomit, že pájíte s obvody CMOS. Proto, pokud nevlastníte mikro pájku, využijte patic, které jsou součástí stavebnice. Plošný spoj je oboustranný, neprokovený. To znamená, že součástky, ke kterým vedou cesty z obou stran, je nutno zapájet z obou stran DPS (destičky plošného spoje). Nejdříve zapájejte propojky. Jsou znázorněny buďto bílou čarou nebo jde o propojení z vrchní části DPS do spodní. Tedy provrtaná dírka, která není pro žádnou součástku, ale jen pro drátek propojující spodní a vrchní cesty. Dávejte pozor, aby se propojka vedoucí nějakou dobu po DPS nepropojila s jinou cestou! Raději užijte propojky s izolací. Patice nezasunujte až na doraz, budou se Vám potom špatně pájet z vrchní strany. Postup pájení je podrobněji na uzavíracím kartonu. Ujistěte se, že máte vše dobře zapájeno. Až úplně nakonec připájejte displeje (po připájení displeje už se nedostanete k cestám a spojím z dolní strany plošného spoje. Displeje tedy připevníme z opačné strany, než součástky. Jsou všechny stejné, je jedno, který z těch 4 přijde na kterou pozici. Tečka je na straně ladícího trimru CT1, tedy normálně na spodku plošného spoje (viz obr. vlevo). A displeje opět nezasouváme na doraz, abychom je byli schopni zapájet z obou stran. U tranzistoru T1 jsou dvě pocínované plošky, ke kterým je možno připevnit očko z drátu, pomocí kterého lze hodiny zavěsit na zeď i bez krabičky.

umístění displejů

Oživování

Při správné stavbě fungují hodiny na první zapojení - zobrazí se tři nuly. Čas nastavíme pomocí mikrospínačů. Při odpojení zdroje se zachová čas minimálně 1,5 minuty díky kondenzátoru C2. Pokud bude docházet k odchylkám měření času, lze doladit výchozí kmitočet pomocí trimru CT1. Místo diody D1 stačí zapojit pouze propojku, potom budou hodiny fungovat již od 6ti volt. D1 je pouze ochrannou diodou proti přepólování. Displeje jsou vysokosvítivé, jejich jas je vždy maximální vzhledem k napájecímu napětí a nelze jej ovlivňovat. Optimální napájecí napětí: 12V - výhodné pro montáž do vozu či autobusu.

Plošný spoj - rozmístění

Rozpis součástek