4) Análisis de la Plaqueta de Nixie. Reloj Retro ZM1022

¿Que contiene y como funciona la placa de tubos Nixie?

                 Ya es el momento de comenzar a analizar la electrónica disponible en la antigua plaqueta a utilizar en este proyecto, construida como ya dije con la tecnología que permitió el éxito del Apolo 11

Aquí está de nuevo:

Fig. 4.1  Placa de tubos Nixie y su electrónica TTL

Como podemos ver aquí, cada tubo Nixie es manejado por dos circuitos integrados digitales de la antigua tecnología TTL, uno tipo SN7441 decodificador de código binario BCD con diez salidas Driver de alta tensión que maneja los Cátodos del tubo, y uno tipo SN7475 que actúa como memoria de cuatro bits del código BCD correspondiente al dígito a mostrar.

El diagrama del circuito ya existente en la plaqueta para cada tubo es el siguiente:

Fig. 4.2  Diagrama del circuito de control  de cada tubo Nixie

                         

Aquí puede verse que el Ánodo del tubo Nixie modelo ZM1022 que nos ocupa, está conectado a la fuente de +200VCC con una resistencia de limitación de 27 Kohms, y sus Cátodos conectados a las salidas Driver del decodificador SN7441. 

Los datos resumidos del SN7441 ó SN74141 son los siguientes:

Fig.4.3 SN7441/ SN74141

Y los datos resumidos del SN7475 son los siguientes:

Fig.4.4 SN7475

Veamos ahora unos breves detalles del circuito. 

Como se ve ambos SN7441 y SN7475 son circuitos integrados digitales de lógica TTL (ya obsoleta) . Como también se ve, estos circuitos lógicos se alimentan con una tensión VCC de 5 Voltios respeto de GND (masa, tierra o 0 Voltios) típica alimentación de la lógica TTL.  Entonces tanto las entradas como salidas de los integrados, manejarán valores lógicos  ó discretos binarios (0 ó 1) de esos dos estados conocidos (GND o VCC)

En lógica TTL se interpreta que una entrada o salida, que tiene un potencial de VCC (5 Voltios) está en estado binario "1" o "High"o "H", y que una entrada o salida que tiene un potencial de GND (0 Voltios) está en estado binario "0" o "Low" o "L"

En el decodificador de código binario BCD tipo SN7441, sus 4 entradas digitales ABCD reciben el código BCD que corresponde a la salida digital Q0 a Q9 que debe activarse. Nótese que dichas salidas funcionan con lógica negativa como interruptores que se cierran colocando un estado Low o GND en el Cátodo correspondiente del dígito Nixie (1 de 10) a encender.

¿Que es el código BCD?

(Nota: uso BCD para referirme al código, y ABCD para referirme a las entradas digitales del integrado)

El código BCD es una de las codificaciones binarias mas sencillas y conocidas. Su nombre viene del inglés Binary-Coded Decimal (BCD) o Decimal Codificado en Binario, y es un estándar para representar números decimales en el sistema binario, en donde cada dígito decimal es codificado con una combinación de cuatro bits o dígitos binarios

Entonces, el decodificador SN7441 responderá a la siguiente tabla lógica o tabla de verdad en la jerga digital:

Fig. 4.5  Tabla de verdad del decodificador SN7441 (código BCD)

                                                        

  

El BCD es un típico código binario "pesado" del tipo "8421" pues cada bit representando una entrada digital activa A o B o C o D (activa es en estado 1 o "H") tendrá un "peso" ó valor dependiendo de la posición dentro de la combinación binaria. En este caso y de acuerdo con la tabla, la entrada A tendrá peso "1", la B peso "2", la C peso "4" y la D peso "8". 

De acuerdo a esta convención, por ejemplo la combinación 0101 (o LHLH) suma los pesos de C y A, o sea 4+1=5 y se activará la salida Q5, igualmente con 1001 (HLLH, 8+1) se activará la salida Q9.

¿Como será el circuito electrónico?

De acuerdo al circuito Fig. 4.2 , las entradas ABCD del decodificador SN7441 serán provistas por las salidas del Latch (memoria) de 4 bits SN7475, que será el encargado de almacenar y mantener memorizada la combinación digital ABCD correspondiente al dígito decimal que se debe mostrar. Dicho almacenamiento durará hasta que dicho dígito deba cambiarse y se almacene la combinación correspondiente a un nuevo dígito.

El SN7475 esta formado por 4 circuitos biestables también llamados Latch  o Flip-Flop. 
Como muestra la hoja de datos, cada uno de estos Latch posee una entrada digital de dato "d", una entrada de habilitación de carga "c" también llamada "e" de Enable en el diagrama, y dos salidas de dato de un bit, uno directo "Q" y uno inverso(negado) "Q".  

Dentro del integrado, cada par de Latchs comparten una entrada común de habilitación c12 y c34, que a su vez funcionarán juntas en el circuito como una única entrada de habilitación del integrado que llamare "e" o "E".

Entonces en este caso, el almacenamiento de la combinación ABCD que se presenta en las entradas 1D, 2D, 3D Y 4D se transferirá a las salidas 1Q, 2Q, 3Q y 4Q del integrado, cuando la entrada de habilitación "E" pase a estado "1" o "High" y permanecerá almacenada e invariante dicha combinación en las salidas, mientras  la entrada de habilitación "E" pase y permanezca en estado "0" o "Low".

Como muestra la tabla de la hoja de datos del SN7475, mientras la habilitación E (o C en esa hoja)) permanezca inactiva o en "0",  las entradas 1D, 2D, 3D Y 4D pueden variar libremente y no afectarán el estado de las salidas almacenadas 1Q, 2Q, 3Q y 4Q.  
En cambio, mientras la habilitación E (o C) esté activa o en "1",  las entradas 1D, 2D, 3D Y 4D serán transferidas y copiadas por las salidas  1Q, 2Q, 3Q y 4Q, quedando estables en el último estado copiado cuando la habilitación E pasa a estado inactivo "0" o "Low".

Con esta técnica descripta, las señales ABCD de entrada a los SN7475 están cableadas en paralelo a los cinco integrados, y activando las señales "E" o "e" de cada uno, se almacenará en forma secuencial, el código BCD correspondiente al dígito decimal a mostrar en cada tubo Nixie.



Entonces un diagrama en bloques del diseño electrónico sería el siguiente:

Fig. 4.6  Diagrama en bloques del Reloj

Aquí como ejemplo el Reloj se supone mostrando la hora 12:38:25 AM.  dispuesta en los cinco tubos Nixie y el dígito "1" agregado a la izquierda como ya se vio.
Arriba se indican como HD y HU, MD y MU, SD y SU las decenas y unidades de Horas, Minutos y Segundos respectivamente para cada tubo. 
Los tubos Nixie reciben las 10 salidas Driver Q0-Q9 de los SN7441 como ya se explicó y estos reciben como entradas, las salidas codificadas en BCD  de los Latch SN7475 que a su vez  reciben en sus entradas, la combinación BCD correspondiente desde el microcontrolador (uC), que luego veremos de que tipo es.
El uC también dispara los pulsos de las señales E1-E5 que almacenan las combinaciones BCD correspondientes a cada dígito en los Laches y controla el encendido o apagado del dígito de decenas de Horas HD y la indicación de AM/PM

El siguiente gráfico muestra la operación de las señales ABCD colocando la combinación BCD correspondiente al dígito requerido y el pulso en E1-E5 que dispara el Latch correspondiente. y luego coloca el estado correspondiente a la señal HD, que no es almacenada en ningún Latch sino que es mantenida en el estado requerido por una salida directa del uC.
Una vez que la secuencia termina, las señales vuelven a su estado de reposo, y tendrán un uso adicional que se verá mas adelante (Back Light). 
Es de notar que el uC disparará esta secuencia en un tiempo menor a un miliSegundo, y luego permanecerá los 999 miliSegundos restantes del Segundo corriente en estado de reposo hasta tener que mostrar el tiempo correspondiente al Segundo siguiente.

Fig. 4.7  Gráfico de tiempos de las señales del Reloj

Nos encontramos en la siguiente entrada. Un saludo...

3) ¿Cuantos dígitos? Reloj Retro ZM1022

¿Cuantos dígitos tendrá el Reloj?

                Una de las primeras decisiones a tomar en este proyecto es cuantos dígitos va a mostrar este Reloj Retro Vintage. Los relojes digitales normalmente muestran cuatro dígitos, dos para Hora y dos para Minutos, o pueden mostrar seis si se agregan dos dígitos para los Segundos. El segundo modelo es mas atractivo pues muestra la actividad continua de los Segundos que le dan vida al Reloj.

      Fig. 3.1 Aquí vemos dos relojes de tubos Nixie de cuatro y seis dígitos

En este proyecto la plaqueta a utilizar ya mostrada posee cinco tubos para cinco dígitos, entonces las alternativas de diseño son:

1) Diseñar el Reloj con cuatro dígitos (horas y minutos como el de la izquierda) por lo cual un tubo Nixie de la plaqueta permanece apagado y desperdiciado,  ó

2) Diseñar un Reloj con seis dígitos (horas, minutos y segundos como el de la derecha), agregando el dígito faltante con una forma y diseño adecuados.

Nótese que un Rejoj digital de seis dígitos de 24 horas, mostrará el tiempo desde: 

0:00:00 hasta 23:59:59 

mientras que un Reloj digital de seis dígitos de 12 horas AM/PM, mostrará el tiempo desde

1:00:00 hasta 12:59:59 

Nótese también que en el primer caso, el dígito de decenas de horas toma los estados:

       Apagado, 1 y 2 

Mientras que en el segundo caso, ese dígito toma los estados:

       Apagado y 1

Hecho este análisis, mi decisión en este caso será por la segunda alternativa, un reloj de seis dígitos en modalidad AM/PM y fabricaré un dígito "1" que pueda agregarse a la izquierda de los cinco dígitos disponibles, y que pueda encenderse y apagarse según lo requiera el tiempo mostrado.

Aquí un prototipo del "1 fabricado" a agregar como sexto dígito delante de los cinco tubos Nixie del Reloj

Fig 3.2 El sexto dígito del Reloj

Y su circuito eléctrico será:

 Fig. 3.3  Circuito de control del sexto dígito

Como se ve, el "1" faltante en el Reloj lo "fabrique" con seis lámparas Neón miniatura de las usadas en los interruptores de luz domiciliaria, adecuando el tamaño del dígito al de la primera Nixie que esta a su lado. El uso de Neons es para mantener la onda retro y "gaseosa naranja" del display.

¿porque las lámparas alimentadas directamente con 220VAC?  Por dos motivos, a saber:

1) Se podían alimentar desde la fuente de 200VCC  que ya mostré en la figura 2.7 que alimenta a los tubos Nixie, pero ocurre que cada Neón consume casi igual potencia de una Nixie por lo cual esa fuente soportaría un consumo equivalente a 11 tubos, lo cual en este caso excede su capacidad de regulación de tensión. 
Otra opción sería usar un alimentador mas robusto o dos en paralelo, con la complicación de tamaño y disipación térmica dentro del gabinete.

2) Y además el uso de corriente alterna es conveniente por el motivo ya visto, los dos electrodos de la lampara Neón se verán encendidos mejorando su luminosidad, cosa que no ocurre con una alimentación de corriente continua donde un solo electrodo se encenderá, el Cátodo o electrodo negativo.
El uso de un Relé en lugar de un conmutador electrónico a transistor o Triac para controlar este dígito también tiene razones obvias, es onda Retro, es confiable, brinda excelente aislamiento entre la red de 220V y la placa electrónica y lo más importante, lo tenía en el cajón...

Nos encontramos en la siguiente entrada. Un saludo...

2) ¿Que es un Nixie? Reloj Retro ZM1022

               Este primer proyecto se trata de aprovechar una antigua placa o plaqueta con tubos Nixie modelo ZM1022 que alguna vez compré en una tienda de rezagos electrónicos, agregarle la electrónica necesaria que estará basada en microcontrolador (uC), el correspondiente gabinete y obtener un reloj onda Retro o Vintage que llamaré Reloj ZM1022 y será parecido al mostrado:

Fig. 2.1 Reloj Nixie de 6 dígitos

La antigua plaqueta en cuestión construida con la tecnología que permitió el éxito del Apolo 11 aquí la presento, consta de cinco tubos Nixie modelo ZM1022 (ya veremos mas en detalle que son) y ya posee ciertos circuitos integrados de mando de los tubos, lo cual simplificará el diseño del Reloj en este primer proyecto.

Fig. 2.2 Placa de 5 tubos Nixie y su electrónica

¿Que es un tubo o válvula Nixie?

Los tubos Nixie fueron muy populares en los 50s o 60s cuando aun no existían los display o exhibidores de semiconductores o Led. Se construyeron en variados modelos y tamaños, aquí algunos de ellos:

 

                                           
                                      Fig. 2.3 Modelos de tubos Nixie

Estos tubos consisten en una ampolla de vidrio al vacío que contiene un gas como Neón, Argón u otros gases raros. También se agregan pequeñas dosis de Mercurio vaporizado que mejoran la conductividad del gas y le puede dar cierta tonalidad azulada. Estos gases tienen la característica de encenderse o producir luminiscencia cuando son atravesados por una corriente eléctrica.

Las pequeñas lámparas que se usan en los destornilladores llamados "buscapolo" o como indicadores luminosos nocturnos en las llaves o interruptores de luz domiciliarios son pequeños tubos de gas Neón. 

                  

 

                            Fig. 2.4 Lámparas de gas Neón de 2 electrodos

Nótese que estas lámparas encienden con bajísimas corrientes del orden del miliAmpere, por lo cual encienden en el caso de un "buscapolo" con la pequeña corriente que atraviesa el cuerpo del usuario sin que este lo note.
En el caso de una lámpara de gas Neón común de este tipo, esta posee dos electrodos que están en contacto con el gas dentro de la ampolla de vidrio al vacío. Al aplicar una tensión adecuada de encendido del gas a estos electrodos, solo se encenderá el gas que rodea al electrodo negativo o Cátodo.
Cuando se aplica tensión alterna a los electrodos por ejemplo de 50 ciclos (frecuencia de la red domiciliaria) se verán ambos electrodos encendidos (como en la foto) ya que ambos actúan como Cátodo (-) y Ánodo (+) alternándose con la frecuencia de la red, pero esto puede decirse que es una ilusión óptica, pues sólo un electrodo esta encendido en cada instante.

En el caso de los tubos Nixie, el funcionamiento es similar sólo que estos poseen un único electrodo Anodo (+) y diez u once electrodos Catodos (-) que corresponden a los números o dígitos decimales diseñados dentro del tubo y opcionalmente a un punto decimal.

Entonces al aplicar una tensión de encendido entre el Ánodo común y cualquiera de los Cátodos del tubo, el gas se encenderá alrededor del dígito correspondiente al Cátodo energizado y los demás dígitos sin energía permanecerán apagados. La construcción de estos dígitos es muy delicada y precisa, para evitar que los dígitos superiores no cubran los de los planos inferiores.

Aquí vemos el encendido con el característico color naranja del gas Neón, de los dígitos 2 y 4 aplicando tensión en los electrodos adecuados de un tubo Nixie:

                                  

 

                                  Fig. 2.5  Encendido de un tubo Nixie de 10 dígitos (0-9)

Los tubos Nixie trabajan con una tensión de encendido de unos 170 Voltios y una tensión de sostén de encendido que puede bajar a los 90 Voltios, mientras que su corriente varía entre 1 y 2 miliAmperes. Dependiendo de la tensión de alimentación del circuito se coloca una resistencia de limitación de corriente de Ánodo del orden de 15 a 30 KiloOhms. 

El tubo Nixie modelo ZM1022

Como ya expliqué, para este proyecto utilizaré la placa de cinco dígitos Nixie ya mostrada. dichos tubos son modelo ZM1022 de unos 70 años de antiguedad y una cantidad incalculable  de horas de funcionamiento, lo cual puede implicar una perdida de brillo por degradación del gas y fugas por los sellos al vacío de sus electrodos, pero estos por suerte todavía funcionan bastante bien. Su imagen y características son las que se muestran:

                   

                   Fig. 2.6 Tubo Nixie ZM1022

Probando la placa de tubos Nixie

Fig. 2.7 Prueba de placa de tubos Nixie

Como se puede ver las antiguas Nixie gozan de buena salud a pesar de su ancianidad y mantienen buen brillo y color, esperemos que sigan así 70 años mas.
Para esta prueba utilizo un convertidor CC-CC de corriente continua de 200 Voltios ajustable comercial (comprado en China) que es la pequeña placa que se ve en el centro, que a su vez es alimentada con 12 Voltios por un adaptador (fuente) de 220VCA-12VCC también comercial (China) .
El segundo adaptador es de 220VCA-5VCC y alimenta los circuitos de tecnología TTL también de 70 años de edad que ya posee la placa.
En entradas posteriores mostrare el detalle de la distribución y función de estas fuentes de alimentación así como los detalles del circuito a utilizar.


El gabinete para el reloj Retro Vintage
 

El gabinete de acrílico transparente a utilizar en el reloj Retro ya esta listo y esperando su contenido

Fig. 2.8  El gabinete del Reloj

Nos encontramos en la siguiente entrada. Un saludo...

Adelanto, Un tubo IEE NIMO en acción:

1) Relojes Vintage Retro con Tubos de Vacio. Introducción

          En los años 50 ó 60 no existían los modernos displays o exhibidores numéricos o alfanuméricos de estado sólido tipo Leds o LCD que hoy están tan difundidos.
Los displays numéricos se diseñaban con tubos electrónicos de vacío, los mas difundidos eran los tubos o válvulas NIXIE y NIMO, estos se construyeron en gran variedad de formatos y tamaños, aquí podemos ver algunos modelos de esas maravillas tecnologías de las décadas en que el hombre llegó a la Luna:

displays

  tubos Nimo

 tubos Nixie

 tubos Nixie miniatura 

 

                     displays Nimo y Nixie alfanuméricos 

                                                            Fig 1.1 Nixies y Nimos

En estas primeras entradas de este mi Blog personal, desarrollaré tres proyectos de relojes con este tipo de displays, a saber:

Proyecto Nro.1: Reloj Retro con tubos Nixie modelo ZM1022

Proyecto Nro.2: Reloj Retro con tubos Nixie  modelo miniatura IN-12

Proyecto Nro 3: Reloj Retro con tubos Nimo modelo BA00-P31

Todos los proyectos incorporarán los circuitos electrónicos basados en microcontrolador uC que controlarán los relojes, su referencia de tiempo y su puesta en día y hora. También describiré los criterios de diseño y soluciones en cada caso, necesarios para enlazar tecnologías de hace 70 años con las tecnologías electrónicas actuales.

Al final del proyecto Nro.1 veremos como: Sincronizar  Relojes con Señal GPS  e Internet

Nos encontramos en la siguiente entrada. Un saludo...

Video ilustrativo de un contador con válvula Nixie, no es de mi autoría