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Reloj de nixies I − Electrónica vintage

Introducción

En este proyecto construyo mi primer reloj digital con nixies. Los nixies fueron un medio ideado en los años 50 para mostrar lecturas numéricas pero pronto se reemplazaron 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 e 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 alargada 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.

El reloj

Este es el reloj una vez construido y montado en su caja. Pulse en la imagen para ampliarla:

Pulse para ampliar

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.

Montaje

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.

Reloj fuera de la caja

Componentes originales utilizados

Placa con el circuito

Los integrados 74xx aprovechados son auténticos TTL de principios de los 70 y van marcados con su fecha de fabricación. Los tres descodificadores 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 se diferencia por 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.

Fuente de alimentación

Placa con el circuito

Diseño del circuito

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 una forma simple, barata y efectiva con el inconveniente que el circuito no se puede tocar mientras está enchufado. Este tipo de diseño no es para experimentar sino para ser construido y montado en una caja aislante antes de conectarlo por primera vez.

¡Advertencias de seguridad!

Lea cuidadosamente las siguientes advertencias de seguridad y asegúrese de comprender cada uno de los puntos.

Se deben tomar los mismos procedimientos y precauciones que cualquier otro circuito, instalación o trabajo con elementos de la red eléctrica.

Dicho esto, 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.

La red de distribución eléctrica presenta dos vías de peligro. Por un lado el voltaje entre los dos polos cuyo peligro radica en tocar los dos polos a la vez y por el otro el voltaje entre cada polo y tierra por el cuál circulará una corriente si se toca un solo polo y tierra a la vez. Tocar tierra puede suceder al ir descalzo, tocar una pared, tubería o un aparato enchufado.

Para tomar mediciones o manipular el circuito cuando está enchufado:

Esquema del reloj

Antes de llevar a la práctica este diseño asegúrese de haber entendido todas las advertencias de seguridad del apartado anterior.

Esquema del reloj de nixies

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 es vivo, es decir hay voltajes peligrosos en cualquier punto y por lo tanto se ha de aislar muy bien 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.

Fuente de alimentación

La tensión para los nixies se obtiene rectificando en media onda la corriente de red y limitándola con resistencias. La rectificación es necesaria para que solo se encienda el electrodo numérico y no la rejilla ni las conexiones interiores y la corriente ha de limitarse porque el gas neón una vez ionizado no la limita por sí solo. El diodo D3 realiza rectificación en media onda, así 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 del nixie que en mi caso es el ZM1020 (PDF en el archivo de Dieter).

47k con una resistencia común de 12k ½W en serie eran las resistencias utilizadas en la placa original y 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), 142V mientras permanece iluminado (pág. 4 con 2mA de pico) y su apagado completo se produce a los 118V (pág. 2).

El 9315/7441 está diseñado para controlar directamente tubos nixie y para ello sus salidas soportan hasta 70V (F9315PC en Datasheets360). Vamos a analizar si es capaz de controlar nixies alimentados a 330V: la clave está en que cada nixie siempre tiene un número iluminado, no existe ninguna vía por la que se puedan apagar todos. Con al menos un electrodo de cada nixie a masa, la tensión del ánodo no excederá nunca la tensión de encendido/mantenimiento de 170/142V. Los dígitos inactivos tendrán como máximo 100V (170 − 70), tensión que no llega a los 118V de apagado lo que garantiza su correcto apagado. Este margen no depende de la tensión con la que se alimentan los nixies sino de la diferencia entre la tensión de encendido y apagado del nixie.

Veamos qué ocurre en 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, por lo tanto el voltaje en los dígitos inactivos será algo superior, entre 60 y 70V con una corriente entre 50 y 200µA. Esto sitúa el punto de trabajo del nixie al lado derecho de la curva N por lo tanto funcionará óptimamente.

En el supuesto caso que no se activara ninguna salida (por ejemplo si faltara la alimentación de 5V) la tensión en las salidas subiría hasta los 70V, tensión a la que están internamente limitadas las salidas del 9315, produciendo una iluminación tenue de los nixies. La corriente en este caso sería inferior a 1mA y no excediendo los 2mA que soportan las salidas no entrañaría ningún riesgo de daño. Sin embargo este no es el funcionamiento normal del circuito y no debería ocurrir nunca.

La lamparita de neón de las decenas de horas es la única que puede apagarse completamente y por ello utilizo un transistor de alto voltaje BF422 cuya tensión máxima es de 250V. En estado apagado la tensión de 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 antiguos circuitos integrados no resulta práctica una fuente sin transformador. Por simplicidad he puesto un regulador 7805 en el esquema pero siendo auténticos sibaritas vintage una resistencia es todo lo que se necesita para ajustar la tensión al circuito digital, porque el consumo de estos circuitos TTL es lo bastante constante para no necesitar regulación. De usar una resistencia se debe intercalar entre el transformador y el rectificador, suprimir el 7805 y calcular el valor adecuado según el consumo del circuito y la tensión que se obtenga de la fuente con ese consumo. Los circuitos TTL funcionan correctamente con voltajes entre 4,5V y 5,5V, aconsejo ajustarlo algo por debajo de 5V para disponer de margen ante posibles subidas de tensión e instalar un diodo zener de 5,6V en paralelo con el condensador C1 con cátodo al positivo del condensador y un fusible de 250mA entre el transformador y el rectificador para proteger el circuito contra subidas de tensión.

Mi circuito consume unos 150mA y cuando me dispuse a calibrar el valor de la resistencia descubrí que sin resistencia tenía aproximadamente 5V en bornes del condensador con carga, motivo por el que pude prescindir de resistencia. Esto es gracias a la resistencia interna del rectificador de selenio utilizado, pero por si acaso puse un zener de 5,6V que junto con el fusible es una protección contra subidas de tensión.

Se deben instalar algunos condensadores de 100nF entre alimentación y masa repartidos por el circuito para filtrar ruido eléctrico y asegurar un funcionamiento estable.

Lógica del circuito

El control de los nixies lo realizan tres 9315 (7441) que son unos 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 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 conectada al pin 14 de U10 introduce los 50 pulsos por segundo procedentes de la tensión alterna al primer contador, R3 junto con el condensador C6 forman un filtro pasa bajo que elimina impulsos indeseados que podrían estar presentes en el cableado eléctrico y que provocarían que el reloj se adelantara. 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.

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. A continuación lo analizo con más detalle.

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.

Es posible adaptar el circuito para 60Hz cambiando U9 por un 7492 y conectándolo igual que U7, es decir C4 al terminal 11 y el cable hacia U8 al terminal 8.

Posibles problemas

Al encender el reloj se muestran dos dígitos encendidos, un brillo difuso en alguno de los nixies, o realiza la secuencia de 60 a 69 minutos
Este reloj no tiene circuito de inicialización de los contadores y al encenderlo pueden tener un valor aleatorio. En algunos casos puede ocurrir que el valor no sea válido y dependiendo del descodificador 7441 se puede mostrar con dos o más dígitos iluminados, es normal y se arregla avanzando los minutos y las horas.
Hay un brillo difuso alrededor de los números
Ocurre cuando el 7441 no activa ningún dígito y puede ser debido a la falta de su tensión de alimentación de 5V o por el motivo tratado en el punto anterior.
La rejilla brilla o se iluminan las conexiones internas
Se ha conectado el diodo rectificador al revés o su tensión inversa máxima es demasiado pequeña, se ha de utilizar un diodo con tensión inversa de 350V mínimo, como el 1N4004 o el BY127.
Al pulsar los botones de puesta en hora el reloj no avanza o no lo hace a velocidad constante
El reloj se atrasa considerablemente o no avanza
Pruebe a doblar la capacidad de los condensadores C3, C4 y C5 y/o reduzca a 820 ohmios la resistencia conectada al pin 14 de U10.
El reloj se desvía unas decenas de segundos adelante o atrás pero a la larga mantiene la hora correcta
Se utiliza la frecuencia de la corriente alterna como base de tiempo, es normal que existan pequeñas variaciones según el consumo de las viviendas e industrias de la región. Las eléctricas aprovechan los instantes de poco consumo para corregir estos desvíos aplicando las variaciones opuestas hasta sincronizar los ciclos totales con un reloj de precisión. Por lo tanto la precisión a la larga será muy buena, pero es normal que se produzcan pequeñas desviaciones a corto plazo.
El reloj adelanta una hora, un minuto o ambas cosas cuando se conecta o desconecta otro aparato.
Los cablecillos de los pulsadores de puesta en hora son sensibles a transientes en la red eléctrica. Para minimizar este efecto deben ser lo más cortos posible, estar trenzados entre si y alejados de otros cables.

Proyecto realizado en octubre de 2007 por Jeroni Paul.
Copyright © 2007 Jeroni Paul.

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