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Este es mi primer reloj digital con nixies. Los nixies se utilizaban en los años 50 para mostrar lecturas numéricas pero pronto fueron reemplazados por LED, pantallas fluorescentes o LCD y en la actualidad son piezas de coleccionista. Un nixie consiste en un tubo hermético de cristal relleno de gas, normalmente neón, con una rejilla y diez electrodos cada uno con la forma de un número. Cuando se aplica el suficiente voltaje entre la rejilla y uno de los electrodos el gas se ioniza y emite luz alrededor del electrodo, visualizándose el número correspondiente.
Cabe destacar que este proyecto es posible gracias a la colaboración de Estebitan, Miguel Gimenez y Ronald Dekker. Estebitan me envió una placa con tres nixies y circuitos integrados de la serie 74xx que he aprovechado para construir el reloj, Miguel Gimenez colaboró con el nixie que me faltaba y Ronald Dekker aportó una lamparita de neón para las decenas de horas ¡Muchas gracias a todos!
Siempre que he podido he utilizado componentes originales de la época de forma que el reloj conserva el estilo de diseño y materiales de los circuitos de los años 70.
Este es el reloj una vez montado en su caja. Pulse en la imagen para ampliarla:
Está montado en una caja de bombones transparente con los agujeros necesarios para atornillar los elementos y una ventilación adecuada. En la derecha se pueden ver los pulsadores para avanzar las horas y minutos montados en la cara posterior. Los nixies están dentro de la caja sujetos con unos separadores.
Modificación de enero de 2017:
he sustituido el nixie de las decenas de horas por una lamparita de neón alargada
que era la idea original del diseño, un reloj con solo tres nixies.
En la realidad la diferencia de tonalidad entre el neón y los nixies es mucho menos perceptible. Pulse en la imagen para ampliarla:
Vista superior:
Este es el reloj antes de montarlo en su caja, la lamparita de neón representa las decenas de horas ya que aún no tenía la lamparita más larga.
Algunos circuitos integrados son auténticos TTL de principios de los 70, se puede apreciar su fecha de fabricación: los tres 9315 en la fila superior tienen fecha 7327, es decir año 1973 semana 27 (junio), dos de los 7490 tienen fecha 7205 (febrero de 1972) y usan encapsulado cerámico y el tercer 7490 está marcado 7236 (septiembre de 1972) en encapsulado de plástico gris. Todos ellos fabricados por Fairchild, consumen aproximadamente 20mA cada uno y se calientan.
El 9315 es una variante del 7441 de Fairchild compatible pin a pin y solo difieren las salidas de los valores de sobrerrango (10 a 15). Más información en Nixie drivers reference (Brent Hilpert).
He aprovechado también las resistencias, los zócalos, los cablecillos para los nixies y un transistor BC107A con patillas doradas y encapsulado de plástico. De otra placa antigua he rescatado un rectificador de selenio marca AEG modelo B20C450 y un condensador de 1000µF 10V Bianchi que forman la fuente.
Siguiendo la filosofía de diseño electrónico de la época este reloj tiene un chasis vivo, sin aislamiento, conectado directamente a la red eléctrica. Esto permite conseguir la tensión necesaria para los tubos nixie de forma simple, barata y efectiva con el inconveniente que el circuito no se puede tocar mientras está enchufado por riesgo de electrocución. Este tipo de diseño no es para experimentar sino para ser construido y montado en una caja aislada antes de conectarlo por primera vez.
Dicho esto, para mayor seguridad el circuito está provisto de una resistencia en serie en cada fase que limita la posible corriente en caso de cortocircuito o electrocución. Además, observe que una vez desconectado no hay ningún condensador susceptible de almacenar una carga eléctrica peligrosa.
Para tomar mediciones o manipular el circuito puede desconectar el diodo D3 y la resistencia R9 para aislar el circuito y trabajar sin riesgo de cortocircuito o electrocución, de esta manera el circuito digital funcionará normalmente pero los nixies no se iluminarán.
Importante:
Circuitos integrados TTL: 7490 y 7492, 74LS90 y 74LS92, 74L90 y 74L92,
74S90 y 74S92, 74H90 y 74H92, 74ALS90 y 74ALS92 o 74F90 y 74F92.
Circuito modificado en agosto de 2014.
Ver diseño original de abril de 2003. Mejoras:
- he movido la resistencia R9 al polo opuesto para limitar la
corriente de ambos polos mejorando la seguridad.
- he añadido un filtro pasa bajo (R3 y C6) en la señal de 50Hz
para filtrar transientes que podrían adelantar la hora del reloj.
Todo el circuito tiene voltajes peligrosos en cualquier punto y por lo tanto se ha de aislar totalmente del exterior y por supuesto nunca tocar ninguna parte del circuito mientras esté enchufado.
Como referencia de tiempo utiliza la frecuencia de 50Hz de la red eléctrica. Para usar solo 3 nixies este reloj cuenta las horas sobre 12 y utiliza una lamparita de neón alargada para representar las decenas de horas. Se debe seleccionar el valor de la resistencia R5 según la lamparita utilizada.
Es posible optimizar una parte del circuito para reducir los contadores necesarios. El siguiente circuito reemplaza los circuitos integrados U7, U8, U9 y U10 del esquema original ahorrando un contador, así tenemos un reloj funcional usando solo 6 contadores.
U9 es un 7492 pero se puede sustituir por un 7493 conectando pin 11 a pin 2, pin 8 a pin 3, pin 11 salida hacia U8 y pin 6 y 7 sin conectar. Como ocurre con el esquema original se deben utilizar circuitos integrados TTL: 7493, 74LS93, 74L93, 74S93, 74H93, 74ALS93 o 74F93.
Para países con red a 60Hz es posible adaptar el circuito original y el optimizado como se indica en el apartado Adaptación a 60Hz.
La tensión para los nixies se obtiene rectificando en media onda la corriente de red mediante el diodo D3 y limitándola con las resistencias R5, R6, R7, R8 y R9. La rectificación es necesaria para que solo se encienda el electrodo numérico y no la rejilla ni las conexiones interiores del nixie y la corriente ha de limitarse porque el gas neón una vez ionizado no la limita por sí solo. Con rectificación en media onda se reduce el tiempo que el nixie permanece encendido alargando su vida y no se aprecia parpadeo alguno.
El valor de las resistencias de los nixies (R6, R7 y R8, y R5 si se utiliza un nixie) se ha de ajustar según las especificaciones de los nixies que en mi caso son ZM1020 (hoja en el archivo de Dieter). 47k con una resistencia común de 12k ½W en serie eran las resistencias utilizadas en la placa original que he reutilizado, esto equivale a 95k por tubo dado que la resistencia común soporta 4 veces la corriente de las individuales (12k * 4 + 47k). En la última página de la hoja de datos del ZM1020 este valor coincide con una corriente de 1mA nominal por tubo (la mínima) con una tensión pulsante de 330V. La corriente de pico es de 2mA ((330 − 142) / 95k).
La caída de tensión en el nixie es de 170V en el encendido (pág. 2, voltaje de ignición), 142V mientras permanece iluminado (pág. 4, voltaje de mantenimiento con 2mA de pico) y su apagado completo se produce a los 118V (pág. 2, voltaje de extinción).
El 9315/7441 está diseñado para controlar directamente tubos nixie y para ello sus salidas soportan hasta 70V con 2mA (F9315PC en Datasheets360). En condiciones normales cada 9315 tiene siempre una salida activa (a potencial de masa) ya que carece de funcionalidad para apagar los nixies. Por este motivo el ánodo de los tres nixies tendrá como máximo 170V en el momento del encendido (voltaje de ignición), lo que limita el voltaje aplicado a los dígitos inactivos a 100V (170 − 70), tensión que es inferior a los 118V de extinción garantizando su correcto apagado.
Veamos qué ocurre con los dígitos inactivos. En la pág. 5 de la hoja de datos del ZM1020 hay una relación entre el voltaje en los dígitos inactivos y la corriente que circulará por ellos. Para determinar el punto de trabajo del nixie nos fijamos en las características de las salidas del 9315, en su hoja no hay una curva equivalente a la del nixie pero en la última página se indica una corriente de fuga (Ioh) de 40µA a 55V, así como una tensión (Voh) de 70V a 2mA. Volviendo a la curva del nixie vemos que para 55V se indica una corriente mayor, así el voltaje en los dígitos inactivos será algo superior con una corriente entre 50 y 200µA, quedando muy lejos de los 70V con 2mA soportados por el 9315. Esto sitúa el punto de trabajo del nixie al lado derecho de la curva N por lo tanto funcionará óptimamente.
En el supuesto que un 9315 no activara ninguna salida (por ejemplo si faltara su alimentación) la tensión en sus salidas llegaría a 70V generándose una corriente de fuga por llegar a la tensión máxima y haciéndose visible una tenue iluminación de los electrodos del nixie. La corriente en este caso sería inferior a 1mA y no excediendo los 2mA a 70V que soportan las salidas no supondría ningún problema.
La lamparita de neón de las decenas de horas es la única que se puede apagar y por ello utilizo un transistor de alto voltaje BF422 cuya tensión máxima es de 250V. En estado apagado la tensión en el ánodo de la lamparita es de 258V (330 menos 72 que caen en la resistencia común R9) y con 8V (258 − 250) no se puede iluminar ningún neón.
Debido al alto consumo de estos circuitos integrados no resulta práctica una fuente sin transformador. Siendo auténticos sibaritas vintage una resistencia es todo lo que necesitamos para ajustar la tensión al circuito digital, porque el consumo de estos circuitos TTL es lo bastante constante para no necesitar regulación. Puede parecer atrevido pero funciona perfectamente, mi reloj lleva más de 15 años en funcionamiento con este circuito. El valor de la resistencia R10 se debe establecer según el consumo del circuito y la tensión que se obtenga de la fuente con ese consumo. Los circuitos TTL funcionan con voltajes entre 4,5V y 5,5V, aconsejo ajustarlo algo por debajo de 5V para disponer de margen ante posibles subidas de tensión. El diodo zener D4 de 5,6V junto con el fusible de 250mA entre el transformador y el rectificador protege el circuito contra subidas de tensión. En condiciones normales el voltaje aplicado al zener es inferior a su tensión de conducción y no absorbe ninguna corriente, pero en caso de sobretensión desviará gran cantidad de corriente a masa limitando la tensión brevemente hasta la apertura del fusible.
Se deben instalar condensadores de 100nF entre alimentación y masa repartidos por el circuito para filtrar ruido eléctrico y asegurar un funcionamiento estable.
El control de los nixies lo realizan tres 9315 (7441) que son circuitos integrados diseñados para controlar nixies e incorporan un descodificador para conectarlos directamente a contadores binarios. En este caso están conectados a un contador cada uno, las unidades de horas y minutos a un 7490 que cuenta de 0 a 9 y las decenas de minutos a una parte de un 7492 que cuenta de 0 a 5.
La cuenta del tiempo la realizan un conjunto de contadores concatenados que dividen la frecuencia de red de 50Hz hasta obtener un pulso por minuto que avanza el contador de minutos. La resistencia R3 introduce 50 pulsos por segundo procedentes de la tensión alterna al primer contador, R3 junto con C6 forman un filtro pasa bajo que elimina impulsos indeseados que podrían estar presentes en el cableado eléctrico y que adelantarían el reloj.
En el esquema original U9 y U10 dividen entre 5 y 10 respectivamente realizando la cuenta hasta 50 en un segundo y U7 y U8 dividen entre 6 y 10 respectivamente contando hasta 60 en un minuto. En el pin 8 de U7 tenemos un pulso por minuto que avanza las unidades de minuto U6.
En el esquema optimizado U9 divide entre 12 y U7 y U8 conjuntamente forman un
contador hexadecimal de 8 bits que divide entre 250,
por tanto entre los tres dividen entre 3000 que es el número de ciclos de la corriente
alterna a 50Hz en un minuto, obteniendo un pulso por minuto hacia C3.
Para dividir entre 250 se reinician los contadores U7 y U8 cuando sus salidas coinciden
con el patrón binario 11111010 correspondiente al valor 250. Para ello
los diodos D5 a D9 mantienen a nivel bajo la entrada MR2 (pin 3) de U8 mientras
cualquiera de las salidas correspondientes a los '1' estén a nivel bajo. Cuando la cuenta llega a 250
ambas MR1 y MR2 (pin 2 y 3) quedan a nivel alto, U8 se reinicia a cero y a su vez
avanza U7 que como ya estaba en su último valor vuelve a cero.
Para las decenas de horas en vez de utilizar un contador solo para contar de 0 a 1 he aprovechado el flip-flop libre de U5, la salida de este flip-flop controla la lamparita de neón que representa las decenas de horas a través de Q2 que actúa de interruptor de alta tensión. El estado del flip-flop cambia cada vez que recibe un pulso en su entrada CP0 pin 14, lo que ocurre cuando la hora cambia de 9 a 10 y de 12 a 1, es decir las unidades de hora toman el valor 0 o 1. Esto es por la forma como se ha conectado el nixie al contador U1, desplazado dos posiciones respecto el valor del contador.
El nixie de unidades de hora se ha cableado de forma que los valores 0 y 1 mostrados corresponden con los valores 8 y 9 del contador, así la activación del bit más significativo del contador indica que se ha de cambiar el estado del flip-flop de las decenas de hora. El transistor Q1 invierte la señal porque el flip-flop responde a los flancos de bajada, de esta manera se activa la lamparita de las decenas de horas al pasar de las 9 a las 10 y se apaga al pasar de las 12 a la 1.
Para que el contador pase de las 12 a la 1 se implementa una I lógica con los diodos D1 y D2 de forma que a las 13 horas se activan ambas entradas MS1 y MS2 (pin 6 y 7 de U4). Esto establece el contador a 9 (un 1 mostrado por el nixie) dando a su vez un pulso al flip-flop de U5 que apaga la lamparita de las decenas de hora. La señal MS1 se activa cuando las decenas de horas están activadas y la señal MS2 se activa cuando el contador llega al valor 1 (corresponde a un 3 en el valor mostrado) mientras que el diodo D2 impide que se active a las 11h.
Finalmente, los rebotes de los pulsadores de puesta en hora se han solucionado con los condensadores C3, C4 y C5 y la resistencia de 100k conectada en paralelo con el pulsador MIN+. Los condensadores bloquean la componente de continua y dejan pasar un corto pulso cuando la señal cambia de estado. La resistencia de 100k elimina cualquier diferencia de tensión entre bornes de los pulsadores para que al pulsar no se incremente el contador haciéndolo totalmente inmune a los rebotes, el avance es únicamente a partir de los pulsos presentes en la salida 9 de U9.
Los valores de estos condensadores se han establecido experimentalmente. Con demasiada capacidad (por ejemplo 4,7nF) el contador incrementaba también en el flanco de subida, incrementando dos veces cada ciclo. Con 470pF ya no ocurría y con 4,7pF seguía funcionando bien, por lo tanto se tomó 47pF como valor con buen margen. Observad que cuando se produce un flanco de subida, el condensador está cargado y eleva la tensión de la entrada a la que está conectado por encima de la tensión de alimentación, por este motivo y para minimizar este efecto no conviene utilizar un condensador de demasiada capacidad.
Para países con red a 60Hz es posible adaptar el circuito original cambiando U9 por un 7492 y conectándolo igual que U7, es decir C4 al terminal 11 y el cable hacia U8 al terminal 8.
También se puede adaptar el circuito optimizado que permite ahorrar un contador:
El funcionamiento es parecido al del circuito optimizado para 50Hz.
U9 divide entre 16 y U7 y U8 conjuntamente forman un
contador hexadecimal de 8 bits que divide entre 225,
por tanto entre los tres dividen entre 3600 que es el número de ciclos de la corriente
alterna a 60Hz en un minuto, obteniendo un pulso por minuto hacia C3.
Para dividir entre 225 se reinician los contadores U7 y U8 cuando sus salidas coinciden
con el patrón binario 11100001 correspondiente al valor 225. Para ello
los diodos D5, D6 y D7 mantienen a nivel bajo el reset de U7 y U8 mientras
cualquiera de las salidas correspondientes a los '1' estén a nivel bajo. Cuando la cuenta llega a 225
ambas MR1 y MR2 (pin 2 y 3) quedan a nivel alto y U7 y U8 se reinician a cero.
Proyecto realizado en octubre de 2007 por Jeroni Paul.
Copyright © 2007 Jeroni Paul.
