Reloj con Tubos NIXIE (Parte II)

Luego de haber conocido, en una entrega anterior, a estas sofisticadas lámparas de neón, en este artículo veremos todo el desarrollo de construcción de un reloj con tubos NIXIE (Nixie Clock) funcional y con la máxima exactitud disponible, en su forma más sencilla. Contemplaremos muchos aspectos de diseño con el objeto de lograr un aparato pequeño, de correcto funcionamiento e intentando realizar un trabajo agradable a la vista, cuidando detalles estéticos y  de buen gusto. ¿Deseabas construir un reloj de este estilo y nunca encontrabas el camino de inicio? Aquí, en NeoTeo te guiaremos para que puedas lograrlo. ¡Vamos!

Durante los primeros días de imaginación acerca de cómo podría ser nuestro reloj NIXIE, tuvimos en mente muchas ideas (algunas muy locas) hasta que al final la mesura y la cordura privaron por sobre las ganas, el deseo y la imaginación de cualquier trasnoche. Una de las cosas que queremos comentar en este espacio es el motivo que nos impulsó a llevar adelante la idea que tuvimos y dejamos de lado otras opciones que podrían haber sido más elaboradas (electrónicamente hablando) y más ricas en prestaciones. Nuestro objetivo era (y es, por supuesto) lograr un reloj de tubos NIXIE que pudiera (o pudiese) ser construido por cualquier persona con conocimientos básicos, que al menos sepa leer e interpretar un esquema y construir un PCB. Eso implicaba algunas limitaciones que, al final del razonamiento comprendimos que, según nuestro humilde criterio, resultaron ser correctas, apropiadas y prudentes.

Por ejemplo, podríamos haber construido un reloj despertador, con alarma y radio FM, operado por un PIC de gama media. La solución era (es) muy sencilla: un PIC 18F25K20 programado en Amicus (software libre), un DS1307 o (mejor aún) un DS1337C y un receptor FM basado en un TDA7000. Todas cosas ya vistas en NeoTeo que se fusionarían en una aplicación. Un reproductor de audio MP3 podría haber sido otra opción válida. Por supuesto, un microcontrolador con RTC incorporado sería otra posibilidad más eficiente y así la escalada tecnológica de opciones se hace cada vez más alta.

Sin embargo, esta primera idea ya tiene múltiples inconvenientes a enumerar:

• No todos saben programar microcontroladores.

• No todos tienen acceso a un 18F25K20 u otros microcontroladores.

• No todos tienen un programador de microcontroladores.

• No todos saben lo que es un microcontrolador.

• No todos tienen acceso a un DS1037 o DS1337C (Este último trae alarmas, cristal incorporado y todo lo necesario para construir un reloj completo)

• No todos consiguen de manera sencilla un TDA7000

A esta buena cantidad de limitaciones, agregamos una de las más importantes: tal vez sólo quieras un reloj que indique la hora. Pensando en todos los que no podrían tener conocimientos, posibilidades técnicas, ni deseos de trabajar en un montaje tan complejo, decidimos construir sólo eso: un reloj de tubos NIXIE. La más sencilla de todas las opciones para que luego tú, si deseas expandir el desarrollo a un sistema que sea capaz de correr un programa y además de despertarte en la mañana te haga el desayuno; “sea una opción de tu agrado y no una obligación del diseño original”. Diseño que, como te dijimos, quizás nunca llegues a completar por falta de materiales.

Utilizar microcontroladores es una alternativa moderna y nos ofrece múltiples opciones, pero requiere de herramientas y conocimientos que no cualquiera posee. Utilizar cualquier circuito clásico, de los que abundan en la web, basados en circuitos lógicos TTL y/o CMOS tradicionales, es una alternativa que puede incluir a mayor cantidad de lectores y todos, desde el primero al último, podremos lograr lo que deseamos desde el inicio: construir un reloj con tubos NIXIE. Con la claridad de estos objetivos en nuestra mente, salimos por la web a buscar un circuito que fuera sencillo de comprender, que utilizara la menor cantidad de circuitos integrados posibles y que éstos se puedan obtener de manera fácil en el mercado, en cualquier ciudad a un costo accesible para cualquier bolsillo.

Digámoslo de este modo: por pequeña que sea tu ciudad, si hay una tienda de componentes electrónicos, habrá dispositivos CMOS y TTL. Aunque como siempre, las sorpresas se presentan en el momento en que menos las esperas, puede que no consigas justo el que necesitas, como nos pasó a nosotros y tuvimos que apelar a una estrategia de mayor trabajo, pero que nos puso a prueba ante la adversidad.

El circuito empleado es uno de los más llamativos por su simpleza y fácil razonamiento. Utilizando cualquier buscador lo encontrarás de manera muy rápida y lo identificarás al instante por la particularidad de estar dibujado a mano. Nosotros, decidimos trasladar todo a una serie de circuitos hechos del modo en que siempre te presentamos los trabajos en NeoTeo y quizás lo notes o veas diferente, pero si lo observas bien, con detenimiento, es el mismo circuito dibujado “a mano alzada” que circula por toda la web desde hace años y del que te agregamos el enlace al final del artículo. Por razones de espacio lo hemos dividido en varias partes para que, además de ser más sencilla su interpretación, puedas idear a tu gusto y posibilidad, la forma más adecuada de construir el/los PCB necesarios para su implementación. Esto significa que en este artículo no te diremos de qué tamaño es la caja o receptáculo que deberás comprar o conseguir, sino que te mostraremos el nuestro. A partir de nuestra idea, tú podrás mejorarla, optimizarla, ampliarla e instalarla en el gabinete más apropiado que encuentres para la construcción de este reloj de tubos NIXIE. Nosotros hemos preparado una galería de imágenes (encontrarás el enlace a Picasa al pié del artículo) que recopilamos a lo largo de la fabricación de esta verdadera pieza de colección que hoy te mostramos.

En el artículo anterior, te habíamos mostrado las opciones que podíamos utilizar para alcanzar la tensión útil de ánodo, necesaria para el funcionamiento de las lámparas y que debía estar comprendida entre 150V y 170Volts (o Voltios). Luego de algunas propuestas u opciones válidas, arribamos a la posibilidad de utilizar un “Plan B” con transformadores convencionales. Como suele ocurrir en muchos casos, nos vimos obligados a apelar a un “Plan C” ejecutado en función de los transformadores que tuvimos a nuestro alcance, sin necesidad de salir a comprar nada específico. Con sólo un par de cálculos arribamos a la conclusión de obtener una tensión útil y apropiada para nuestros tubos.

Luego de esto y una vez que nos decidimos por el circuito a utilizar, comenzó la preparación del diagrama de bloques del desarrollo. Desde el generador de reloj, que sería un generador de impulsos de un ciclo por segundo, hasta los tubos NIXIE. Como sólo disponíamos de cuatro tubos, la decisión fue utilizar una sencilla lámpara de neón como segundero, al centro de los dígitos que indicarían las horas y los minutos. En un principio pensamos en la posibilidad de utilizar LEDs de color amarillo, pero la decisión del neón fue, sin dudas, la más acertada para mantener la estética luminosa.

Luego de armar la lista de circuitos integrados con el 7410, los 7490, 7492 y 74141 decidimos ir a la tienda de compras y nos encontramos con la desagradable sorpresa de que el 74141 estaba en faltante. La opción rápida y eficaz fue utilizar un CD4028 con un pequeño transistor a cada salida como muestra el esquema que te entregamos. En nuestro caso, la opción fue el C2482, pero en el circuito puedes ver que existen muchos reemplazos posibles para este tipo de transistor. Recuerda que al final del artículo tienes todos los circuitos en tamaño gigante para que puedas apreciar cada detalle de las conexiones y de los valores apropiados de cada componente empleado.

El 74141 es un IC que está diseñado en forma específica para trabajar con tubos NIXIE y se conecta a sus cátodos en forma directa, en cambio el CD4028, si bien cumple la misma función de circuito, no tiene la posibilidad de trabajar con los mismos valores de tensión y corriente. Por este motivo, debimos agregar un adaptador de estos parámetros (buffer), para poder utilizar estos circuitos integrados. De esta adversidad te hablamos antes. Por supuesto, si tú puedes conseguir los 74141 tendrás menos problemas a la hora de diseñar el PCB, pero si te encuentras con que no lo puedes conseguir, aquí te mostramos cómo resolver el inconveniente con transistores NPN y resistencias.

La fuente de 5Volts no tuvo mayores inconvenientes a excepción de la necesidad que tuvimos de separarla respecto a la fuente de 150V – 170V debido a limitaciones de espacio (te reiteramos, no dejes de visitar la web en Picasa para enterarte de todos los detalles del montaje). Observa que existen dos diodos (D4 y D5) que se encargan de conectar al circuito que tomará los semi-ciclos rectificados de los 50Hz de línea y los transformarán en 100 ciclos que luego son acondicionados (divididos para lograr 1Hz) y así poder utilizar la frecuencia de red como base de tiempos. Este es uno de los puntos destacados del montaje.

Cualquiera que haya montado un RTC con un DS1307 (o cualquier otro) conoce lo complejo que es mantener ajustada la hora a lo largo de, al menos, una semana. Siempre pueden existir mínimos detalles que provoquen la desviación de la frecuencia final de 1Hz. Aquí, esto no ocurrirá jamás y si sucede, lo notarás luego de varios meses. Si decides construir tu reloj NIXIE con un DS1307, ten en cuenta este detalle y si puedes, ensaya con un DS1337C que incorpora en su encapsulado el cristal y que además, te brinda la posibilidad de utilizar y programar alarmas. Por supuesto, para esto deberás realizar el desarrollo a partir de un microcontrolador.

El contador es sencillo, utilizando la base de tiempos de 1Hz y acumulando 10 ciclos en el primer SN7490 (En el esquema de abajo, el que está más a la derecha). Estos 10 ciclos generarán un impulso que se sumará dentro del SN7492. Al llegar a los 5 impulsos de 10 segundos y desbordar hacia el sexto (59 a 60) (vía Qc), la dupla de circuitos integrados reinicia su cuenta desde cero. Paralelo a esto, el desborde de Qc envía un impulso al siguiente conjunto SN7490 – SN7492, la dupla central que en este caso es el contador de minutos a través de C7, ingresándolo por el pin 14 del SN7490. La secuencia es idéntica, con la salvedad de que los ingresos de cuenta se realizan cada 1 minuto (exacto).

Las salidas binarias de estos contadores (7490 y 7492) se envían a los conversores CD4028, ubicados en la placa donde se encuentran los tubos NIXIE. El último conjunto (el dúo de la izquierda) repite la misma acción desbordando al llegar al número 13 (cuenta hasta las 12:59) y reinicia desde la hora 01, es decir, este reloj nunca indicará la hora cero. Vale acotar que, para aquellos que tengan una frecuencia de red de 60Hz, deberán aplicar una sencilla reforma en el divisor de frecuencias empleando un SN7492 (división por 12) en lugar de un SN7490 para obtener 10 ciclos y luego sí, hacer la división (por 10) con un SN7490 para alcanzar 1Hz, tal como te mostramos en el diagrama superior.

De este modo, logramos la explicación de todo el funcionamiento del reloj de tubos NIXIE que hemos construido nosotros. Como te expresamos antes, no te dejaremos los PDF de los PCB en este caso, porque lo que pudimos lograr no fue tan satisfactorio como hubiéramos deseado. Entendemos que habría hecho falta un PCB de doble faz en las placas del contador y de los tubos, junto a un mayor tiempo de desarrollo de esos PCB hasta lograr un diseño eficiente, sin puentes (jumpers), y cables aéreos para resolver muchas conexiones.

De todos modos, hay imágenes que pueden ser de utilidad para apreciar nuestro trabajo y puedas iniciar el tuyo de manera similar, o no, cuando decidas abordar el proyecto. Toda la etapa de mecanizado está reflejada en la galería de imágenes y allí te mostramos los espacios reducidos a los que estuvimos sujetos hasta completar el montaje. Sin embargo, antes de realizar este trabajo final, nos dispusimos a efectuar los ensayos pertinentes para detectar cualquier tipo de falla o falta constructiva en nuestro trabajo.

Un problema de diseño original, que nos llevó más de tres días (completos de trabajo) resolver, nos provocaba que los minutos avanzaran cada 30 segundos. Luego de revisar en forma exhaustiva todo el circuito, los PCB, los componentes, las vías, las formas de onda vistas en el osciloscopio, creímos que estábamos al borde del abismo ya que no encontrábamos la razón de nuestro problema. Sin embargo, una observación con sentido común nos ayudó a encontrar el motivo que provocaba el defecto y de ese modo, el reloj comenzó a funcionar en forma correcta y precisa.

Si observan el circuito original, en el enlace que abajo les dejamos, notarán (además de los cambios en la generación de la base de tiempos) el cambio de valores de dos componentes insignificantes, que jamás harían pensar que la falla podría haber estado originada allí. Sin embargo, interpretando un error del dibujante original del circuito, pudimos solucionar nuestro problema y comenzar a disfrutar de este magnífico y bellísimo aparato que admira a cada persona que se lo mostramos. Ten cuidado, los capacitores (o condensadores) de acoplamiento entre bloques de cuenta no son de 47nF, sino de 4,7nF. Un “detalle” que casi nos enloquece.

Sin dudas, este reloj de tubos NIXIE es una de las maravillas tecnológicas que hemos construido en NeoTeo. No porque utilice nanotubos de carbono o el FPGA más veloz del mundo, ni el microcontrolador que estrenó hace unos días Microchip, sino por su belleza, por su admirable e inexplicable belleza. Muchos sólo opinarán que es un reloj ordinario  y que no sirve para otra cosa que para un adorno, sin embargo, construirlo, lograr superar todas las adversidades y tenerlo en un lugar destacado de nuestra casa, brindándonos su esplendor, es una experiencia que sólo se conoce cuando se la vive. ¿Ya tienes pensado construirte uno? ¿Qué diseño utilizarás? ¿Ya tienes el tuyo? ¡Queremos verlo!