Схема электронных часов на транзисторах
Основный элементом обычных механических часов является маятник или баланс, которые приводятся в движение гирей или пружиной. Такие часы требуют регулярного и частого подзавода, что создает определенные неудобства.
Многие конструкторы долгое время работали над проблемой создания часов без гири и пружины, в результате появились электромеханические часы. В них маятник приводится в движение электромагнитом, который питается от источника электрического тока. Когда маятник приближается к положению равновесия (рис. 1), контакты, связанные с ним, замыкаются, и по обмотке электромагнита протекает ток. На маятнике укреплен якорь из мягкого железа, который притягивается неподвижным электромагнитом.
Рис. 1. Устройство электрических контактных часов.
Электромеханические часы очень экономно расходуют энергию батареи и обладают хорошей точностью хода. Но и у них есть слабое место — контакты, замыкающие цепь электромагнита. Ведь только за один год им приходится замыкаться миллионы раз, поэтому через некоторое время электрические часы начинают работать неточно. А если часы совсем маленькие, например наручные, то миниатюрные контакты в них работают еще более ненадежно.. С появлением транзисторов оказалось возможным создать бесконтактные электрические часы.
Схема электрических бесконтактных часов на транзисторе показана на рис. 2. На маятнике укреплен постоянный магнит, при движении которого в витках неподвижной катушки наводится эдс. Одна из обмоток катушки включена между базой и эмиттером транзистора, вторая — в цепь коллектора.
Рис. 2. Электрическая схема часов на транзисторе.
Центр маятника (магнита) пересекает ось катушки в положении равновесия. При колебаниях маятника в катушке L1 наводится эдс, форма которой иллюстрируется кривой 1 (рис. 3). На этом рисунке кривые, проведенные сплошной чертой, представляют эпюры напряжений и токов, возникающих при движении маятника слева направо, а пунктиром — справа налево. Концы обмотки катушки L1 включены так, что, когда маятник подходит к положению равновесия, на базе транзистора появляется отрицательное относительно эмиттера напряжение. Оно возникает при приближении магнита к катушке, вследствие увеличения магнитного потока, пересекающего ее витки. В положении равновесия магнитный поток через катушку достигает максимума. В этот момент напряжение становится равным нулю. Далее магнитный поток начинает уменьшаться и эдс меняет знак на обратный. Когда магнит отходит далеко от катушки, напряжение на ее концах почти исчезает. Во время второго полупериода картина повторяется: при приближении магнита к катушке в обмотке L1 наводится такая эдс, что на базе напряжение отрицательно. Под действием этого импульса напряжения в цепи базы проходит ток (кривая 2) и транзистор отпирается (рис. 3).
Рис.3. Эпюры напряжения, тока а анергии маятника
для схемы часов, приведенной на рис. 2.
А — амплитуда колебаний маятника,
О — положение равновесия.
Направление витков катушки L2, включенной в цепь коллектора, таково, что, когда по ней проходит ток коллектора (кривая 3) магнит притягивается к катушке. Его движение ускоряется.
Частота колебаний маятника как и в обычных часах почти полностью определяется его физическими параметрами: длиной и распределением массы. Масса маятника в основном определяется магнитом и деталями его крепления. С маятником связывают стрелочный механизм с циферблатом, и часы готовы.
Конструкция часов. Для изготовления часов на транзисторе вполне пригодны любые маятниковые часы или «ходики». В них необходимо лишь переделать спусковое устройство и, конечно, удалить пружину или гирю; их функции будет выполнять батарея.
В обычных часах спусковое устройство, приводящее в движение маятник, имеет вид, показанный на рис. 4,а. Его надо переделать так, как показано на рис. 4,б. На ось 1 напаивают коромысло 2, на котором свободно подвешена серьга 3. При движении маятника влево серьга скользит по скошенной стороне зубца храпового колеса 4 и под действием своей тяжести соскакивает с его вершины в промежуток между зубцами. При движении маятника вправо серьга упирается в крутую сторону зубца и поворачивает храповое колесо влево на один зуб. Чтобы зафиксировать положение колеса и не дать ему поворачиваться вправо, на нем сверху лежит одним краем лепесток-собачка 5. Второй край лепестка свободно поворачивается вокруг оси 6. При вращении храпового колеса влево лепесток скользит по скошенным краям зубцов и, соскакивая с их вершин, упирается в крутые края зубцов.
Рис. 4. Устройство спускового механизма обычных часов (а).
Устройство механизма часов на транзисторе для
преобразования колебательного движения маятника
во вращательное движение стрелок (б).
Собранный механизм часов, изготовленных из обычных «ходиков», показан на рис. 5. Коромысло, серьга и лепесток-собачка в этих часах изготовлены из жести. Магнит может быть использован любой. Его объем не должен быть менее 3-4 см 3 , так как он должен удерживать груз 100-200 г. В описываемой конструкции использован кольцевой магнит от громкоговорителя диаметром 35 мм. Для регулировки хода часов крепление магнита должно предусматривать его перемещение вверх и вниз. Если часы спешат, то маятник (магнит) необходимо опустить.
Рис.5. Собранный механизм часов.
В часовом генераторе (рис.2) могут работать любые сплавные транзисторы, например, типа П13-П15. Работа генератора не зависит от величины коэффициента усиления транзистора по току. Диод Д1 можно применить типа Д7Б-Д7Ж. Вместо диода можно использовать эмиттерный или коллекторный переход германиевого сплавного транзистора, у которого оторвался вывод эмиттера или коллектора. Если в генераторе (рис.2) применен транзистор с проводимостью п-р-п, то полярность включения батареи и диода Д1 следует изменить на обратную.
Катушку электромагнита можно намотать на пластмассовом или бумажном каркасе с внутренним диаметром 20, наружным 48 и шириной 8 мм. Наматывать катушку нужно в два провода внавал до заполнения. Диаметр провода — 0,09-0,15 мм. После намотки необходимо проверить нет ли замыканий между полученными двумя обмотками. Начало одной обмотки соединяют с концом другой и к этой точке подключают вывод эмиттера транзистора.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЧАСЫ С СИНХРОНИЗАЦИЕЙ
Впервые мысль синхронизировать все часы в мире от единого источника высказывал еще Никола Тесла более ста лет назад, развивая свои идеи беспроводной передачи энергии. Мы пока только приближаемся к осуществлению этой идеи, хотя и принято «Всемирное время» — UTC. Моей первой конструкцией на цифровых микросхемах были электронные часы. В основу конструкции легла статья из журнала «Радио» 1977 г. № 10 стр. 39-41 «Применение микросхем серии К155». На ИС серии К155 мной были собраны часы, а затем дополнены сигнальным устройством и синхронизатором с радиоприемником. Блок-схема устройства изображена на рис. 1
На рис. 2 изображена схема счетчика часов и блока питания. Она включают в себя кварцевый генератор на ИС DD1 с кварцевом резонаторе Z1 на частоту 100 кГц.
Прямоугольные импульса частотой 100 кГц поступают на делитель частоты с коэффициентом деления 10s (DD2 — DD6), на выходе делителя получаются секундные импульсы. Далее счетчики секунд (DD7, DD8) производят деление на 60. На выходе получаются минутные импульсы, затем делитель на 60 минут (DD9, DD10) на выходе получаем часовой импульс. Для пересчета на 24 в счетчике часов выходы 8 микросхем DD11 и DD12 подключены ко входам Л этих же микросхем. При достижении состояния 4 ИС DD11 и состояния 2 ИС DD12 на обоих входах R этих счетчиков формируется уровень логической 1, и они переходят в нулевое состояние. Блок питания выдает стабилизированное напряжение 5 В и, с помощью однополупериодного выпрямителя напряжение 180 В для питания газоразрядных индикаторов ИН14.
На рис. 3 показан фрагмент схемы подключения дешифраторов и индикаторов. Интегральные микросхемы DD7, DD9, DD11 (К155ИЕ2) имеют коэффициент пересчета 10, а в ИС DD8 и DD10 (К155ИЕ4) для получения коэффициента деления 6 используются лишь первые три триггера, что обеспечивает необходимый для дешифраторов код 1 — 2 — 4. Выходы счетчиков секунд, минут и часов подключены ко входам дешифраторов, выходы дешифраторов — к соответствующим электродам индикаторов. В часах использованы индикаторы ИН14. Интегральная микросхема К150ИД1 служит для подключения индикаторов с общим катодом и содержит ограничительные резисторы, обеспечивающие выходной ток около 5 мА. Электроды индикатора, подключают к выходам микросхемы, а общий катод соединяют с общим проводом. Сигнальное устройство выполнено на микросхемах к155ла3 и К155ла7. Переключателем Ш 1.1, Ш1.2 устанавливается время включения сигнала. При поступлении импульсов совпадения, срабатывает реле Р1 и своими контактами включат зуммер (на схеме не показано). На рис. 4 изображена схема синхронизатора часов.
Синхронизатор служит для точной установки времени в часах по сигналам точного времени, передаваемых по радио. После прихода шестого сигнала вырабатывается импульс отрицательной полярности с амплитудой 5 В и длительностью около 0.2 с., передний фронт, которого задержан относительно начала шестого сигнала не более чем на 0.05 с. Этот импульс и используется для синхронизации часов. Приемник прямого усиления предназначен для приема радиостанции, передающей сигналы точного времени. Он состоит из входного контура L1C1C2, который является магнитной антенной. Усилитель ВЧ на транзисторах Т1 и Т2 обеспечивает усиление ВЧ сигнала, поступающего с магнитной антенны. Диоды Д1 и Д2 детектируют ВЧ сигнал с удвоением напряжения. Транзисторы Т3 и Т4 – усилитель низкой частоты. Конденсаторы С9 и С10 служат для снижения усиления на частотах отличающихся от 1000 Гц. Между коллектором и базой транзистора Т4 включена цепочка Д3Д4С12, ограничивающая амплитуду сигнала и уменьшающая влияние импульсных помех. К выходу усилителя НЧ приемника через эмиттерный повторитель Т5 подключен последовательный контур L3C13C14, настроенный на частоту 1000Гц сигналов поверки времени. Выделенные контуром сигналы через эмиттерный повторитель Т6 поступают на выпрямитель с удвоением напряжения Д5, Д6. Резистор R13 предохраняет повторитель от самовозбуждения. На конденсаторе С17 выделяется импульс отрицательной полярности, который поступает на вход триггера Т7, Т8. При появления сигналов триггер вырабатывает прямоугольные импульсы, которые усиливаются Т9. На коллекторе транзистора Т9 формируются положительные импульсы строго фиксированной амплитуды. Через конденсаторы С19, С20 и диоды Д7, Д8 эти импульсы заряжают накопительный конденсатор С21. Соотношение емкостей С19, С20 и С21 подобрано так, что шестой импульс заряжает С21 до порога срабатывания триггера Шмидта на транзисторах Т10, Т11 и выходного каскада на Т12, на выходе которого появляется отрицательный импульс. Диоды Д9, Д10 для температурной компенсации. Чтобы предотвратить от ложных срабатываний приемник синхронизатора необходимо включать лишь на время, приема сигналов поверки времени.
На два входа логического элемента «ИЛИ» Д11, Д12 поступают положительные импульсы от электронных часов при достижении показаний «59 мин» и «00мин» транзистор Т13 открывается и открывает Т1 приемника на одну минуту. Корректирующий импульс с выхода синхронизатора поступает в цепи сброса счетчиков часов.
Конструкция и детали. Катушки L1 и L2 намотаны на стержне из феррита М700НМ-2 диаметром 8 мм. L1 содержит 50 витков, а L2 – 5 провода ПЭЛ 0.15. Катушка L3 Намотана на кольце из феррита 1000Нм размером Л12х8х3 проводом ПЭВ-1 0.1 до заполнения. Налаживание синхронизатора начинают с проверки режимов всех транзисторов. Контур приемника настраивают на частоту работы местной радиостанции конденсаторам С1 и С2. Затем с выхода этого приемника записать на магнитофон сигналы поверки времени. Отключить резистор R29 от С9. К С9 подключить выход магнитофона. При воспроизведении записи настроить контур L3c13C14 по максимальной амплитуде сигналов поверки времени. Далее с помощью осциллографа, вольтметра и генератора настроить остальные каскады синхронизатора. При слабом сигнале радиостанции необходимо использовать супергетеродинный приемник.
На базе описанных электронных часов мной было изготовлено несколько конструкций для различного назначения: « Автомат подачи звонков для учебных заведений», «много функциональные часы для оперативного дежурного» и пр.
Привожу описание одной из них, фотографии не сохранились. Техническое описание утверждено на заседании комиссии по рационализации и изобретательству в/ч пп 579 58. Протокол К 21 от 9.08.1986 года. Признано лучшим рационализаторским предложением 1986 года. Выдано удостоверение на рационализаторское предложение.
“Многофункциональные электронные часы” являются сложным унифицированным устройством, собранным на сорока интегральных микросхемах, шестнадцати цифровых газоразрядных индикаторах и полупроводниковых приборах предназначены для использования в качестве базового многофункционального устройства и обеспечивают:
– при получении сигнала “ТРЕВОГА” по аппаратуре “ШНУР” автоматическое отображение действий дежурного по части и его помощника с заданными интервалами времени на световом табло;
– ПРИ получении сигнала “ТРЕВОГА” от оперативного дежурного автоматическое включение и индикацию времени “4 + «
– ежедневное автоматическое включение в установленное время системы оповещения, звонков на квартирах и аппаратуры СЦВ с целью проверки оповещения без участия дежурного;
– в установленное время подключение для зарядки аккумуляторов аварийного пиния;
– раздельную индикацию:
– времени местного;
– времени Московского;
– секундомера;
– дня недели;
– даты;
– времени ” 4 + ”
– включение в конце каждого часа фрагмента мелодии.
Опорный генератор стабилизирован кварцевым резонатором i мгц, что обеспечивает точность хода. питание осуществляется от источника постоянного напряжения 12 вольт через стабилизированный преобразователь напряжения, который обеспечивает питание, как от сети 220 вольт, так и от резервного аккумулятора 12 вольт. описанное устройство испытано практически, надежно в работе и обеспечивает четкость действий дежурного по части и его помощника при приведении части в боевую готовность. постоянный контроль за исправностью системы оповещения, контроль за исправностью работы аварийных источников питания, что повышает боевую готовность части в целом.
Схему прислал: Валерий Иванов