继电器时钟使用迟滞来保持状态

文章：拉里稳定

长前管和半导体成为数字电路的主要活性成分，被用于电子系统的高度复杂的控制继电器。Today’s retro-engineering and Steampunk kinds of work often result in projects that wind up being largely artistic — where “watching it work” is an important aspect — yet they can also sometimes venture into electrical design areas that may not have been trodden in the past. This paper describes a relay-based digital clock that is of interest in this regard.

这里所描述的时钟可能已经建在20世纪30年代甚至更早。电报和电话行业已经由20世纪30年代，长期以来一直使用的开关和基本逻辑继电器。继电器是在计算方面中使用为好，在制表和其他商业计算机械[参考文献5]所使用的机电设备的组合。而到上世纪30年代末和40年代初继电器已开始在更一般的设置应用以及由足色[参考文献3]，哈佛[参考文献4]证明，和贝尔【参考文献10，11]继电器计算机。通常，这些包括各种其它类型的电气元件，例如电阻器，电容器和电感器。然而，元件数量而言，继电器为主。

这些系统中使用的继电器还具有许多对我们今天可能呼叫基本继电器的增强功能，提供多个杆，多个线圈，横杆和不同核心材料进行定时控制。类型包括“计数”和踩踏继电器[REF 7]，也可以提供与各种其他机械设备的连接。例如，哈佛标记1驱动了一组机械计算器，以曲柄出基本算术[REF 4]。

然而，在本文的工作中，唯一的有源组件是一个小型DPDT继电器，这可能非常廉价地 - 也许对其较大的祖先的讽刺致敬。在现代时，可以廉价地绘制焊丝的尺寸减少头发的宽度和良好的磁导率和导电性所需的精致材料。因此，这些材料可以廉价地廉价地冲压，以准确，精确和可重复的尺寸。得到的继电器不仅小而且非常敏感。因此，20世纪30年代这样的项目将是可行的，但也将相当大，令人发挥力量更大。

这种设计企业进入非踩踏设计的领域，因为它使用的是依赖于继电器的滞后，而不是锁定，作为它的基本状态保持机制，基于RC-二进制计数器细胞。这种滞后行为的描述EDN设计理念：继电器滞后提供切换功能[REF 2]，实现推式/推迟功率控制单元。级联这些细胞的能力允许我们形成二进制计数器，我们计数秒并因此构建时钟。我们可以通过多种方式获得那些秒的源码，最简单的是使用RC振荡器。使用继电器轻松构建RC振荡器，但是从RC振荡器驱动时钟非常不准确，易于漂移。

另一种方法可以使用LC电路。然而，使用继电器作为LC振荡器的有源元件是一个非常明确的设计挑战。我做了一些研究和计算，发现它看起来可以建立这样的东西，然后可以获得比与RC更好的准确度和温度稳定性。

虽然LC振荡器可能使一个体面的时钟，我没有再追究LC路线。从历史上看，它似乎没有任何种类的钟表中使用的是LC振荡器，尽管他们当然是在无线电接收器和发射器中广泛使用。钟表的更常见的是使用像音叉和摆锤作为谐振元件的物品，从机电装置或管放大器纯粹驱动它们。沃伦Marrsion，谁开发石英晶体振荡器，很好地总结了历史石英晶体时钟的演变K，在1948年7月的贝尔系统技术期刊中[REF 7]。（这也是包含Claude Shannon的相同期刊问题关于通讯的数学理论。(世界真小。

我选择了一种不同的方法来获得精确的秒，尽管我确实使用了RC振荡器来测试。我将交流线路的频率划分为1赫兹-使用继电器，电阻和电容。^[注1]在一天结束时保证了AC线，虽然频率变化了多达0.02Hz，但在一天结束时保证才能产生5,184,000个循环^[注2][ref 1]。因此，如果可以计算这些周期，则可以建立一个相当准确的时钟。这种技术已经存在一段时间，可以追溯到同步交流电机的开发，其旋转在锁定步骤中，在交流线上的循环。自1900年代初以来，基于这个想法的时钟已经存在[REF 8]。

然后，此项目具有两个基本组件。首先是一个小时 - 几秒钟计数器和显示的设计，接受一秒钟脉冲。其次是生产这些脉冲所需的60 Hz频率分频器。这些组件中的每一个都带来了有趣的设计挑战。

二元柜台

参考中的基本切换模块。2可用于级联以实现二进制计数器。电路如图所示图1实现四位计数器作为示例。输入信号的形式为12V脉冲。注意，由虚线表示的每个线圈的磁场是被认为是信号，以说明 - 比电模型更清晰 - 电路的模块化。所使用的继电器是商品HK-19F DPDT继电器，12伏和6伏版[REF 12]。

图1作为虚线表示的线圈的磁场是基于继电器的计数器设计中信号流的重要部分。

时钟设计

鉴于上面的基本电路，有许多方法可以继续进行。必须平衡对易读显示的需要抵御计数电路的复杂性。

最简单的时钟是二进制计数器，具有二进制显示器，其每43,200秒重置（12小时时钟），或每86,400秒（24小时时钟）。然而，人们对人们来说并不容易。

从纯二进制中可读性的升级是二进制编码的十进制（BCD），其中4个（或更少）位的组包括用二进制数字进行的十进制数。这要求人们只读取二进制多达四位，一个简单的任务。我采取了这一点，而不是更雄心勃勃的项目，例如一组数字像素阵列^[注3]，可能会考虑未来。

BCD显示器的选择就剩下计数器设计的问题了。全天重设二进制计数器是可能的，但随后BCD时间的解码逻辑就变得复杂了。更自然的选择是使用一组BCD计数器。对于一秒脉冲驱动器，这需要以10、6和12为模的计数器。

图2.示出所需要的计数器模块的图。如图所示，每个计数器模块具有输入时钟（CIN）和输出时钟（COUT）。一旦从最大值到零其位数营业额，每个产生用于下一个计数器的脉冲。这是常见的柜台的简单级联电气和机械计数器设计。万博投注网址

图2.能够以秒为单位显示时间的计数器需要能够计数模数6,8,10和12的模块。

BCD(和其他mod)计数器

Modulo计数器在基本二进制计数器上具有修改，因为在它到达后，每个必须在下一个时钟上重置为零（模量- 1）。模数计数器的基本结构如图所示图3.，这是modulo-10 BCD计数器模块的原理图。当计数达到9(二进制1001)时，继电器逻辑将时钟分流到复位继电器。复位继电器在复位总线上产生脉冲并切断所有位轴承继电器的电源。复位脉冲需要足够长，以确保所有继电器都退出，但又要足够短，以确保它不会与下一个时钟脉冲重叠。

图3.直到计数达到9，则在下一个时钟将产生的复位脉冲，但返回的计数为0这个BCD计数器工作正常。

电路充当二进制计数器，直到计数器值达到9，此时K3接通并将时钟分流到K2。此时的时钟很低，因此K2保持关闭。当时钟变为高电平时，k2打开并放电C1至R1。当时钟再次低下时，K1由于通过现在放电的C1的电流的频率而导致。继电器K1将继续直到C1充分充电;大约20毫秒。在此期间，电源被切割到存储位的继电器，从而将它们重置为零。时钟被分流回K5和正常的BCD计数恢复。

通过使用适当的逻辑以分别检测5和11的计数值来类似地实现模6和12。MOD 12计数器需要特殊的显示解码，但由于零必须显示为12（点钟），而高于9的值必须显示为1和0或1的BCD值。如图所示，电路如图所示图4.，并附有真值表图5.．

数字4.模型-12计数器的设计显示为高于九个BCD数字的计数，以显示为10,11和12。图5.这个模数-12真值表将大于9的BCD计数解析为两位数字。

使用60Hz AC线路进行定时源

从AC线路生成一秒脉冲的计划需要分割60.在这里，我们使用的是2x2x15的三个级联计数器。前两个阶段的细节显示在图6.．为了处理第一阶段所需的速度，我们需要比图1的设计和6伏继电器的更小值电容器。第一位必须处理60 Hz，或总切换时间16.7毫秒。之后，定时要求变得越来越松散，因此只有15 Hz，66.7毫秒的时间出现在分行 - 15柜台的时钟。模数-15计数器基于与图3中的BCD计数器相同的设计，使用较小的值电容器用于前两个阶段。虽然这个计数器的驾驶期相当长，但我们必须小心重置并确保电容器足够小，使得重置放电充分以关闭继电器。

图6.为了从60Hz的线路信号中获得秒数，我们使用2x2x15的计数器。

注意，在从交流线路提取时序信号时使用了二极管。该二极管允许继电器k2和k3在60hz下工作。由于继电器是非极化的，省略二极管将使这些继电器以120赫兹运行，8.3毫秒的周期，这对于一致和准确的开关时间来说通常太快了。然而，通过使用更快的继电器，二极管可能会被忽略。

物理实现

这是所构造的时钟。主时钟板/显示屏显示在图7.和背面的电线一起。你认为什么时候上映?^[注4][注5]

图7.这里示出了所构造的时钟，从部件和布线侧面示出。（点击图片查看大图）

右侧控制RC振荡器的大电容和锅，使得时钟是用于测试的时钟。但RC振荡器既不准确也不足够稳定，以便实际使用。

交流线分频器与所有这些继电器进行机械地非常嘈杂，所有这些继电器都不断喋喋不休，所以对于隔音，我在旧的木材中间威士忌壳内建造了该部分。图8.示出了盒和内部的电路板。板悬浮在篮筐通过框本身的本体，以尽量减少声音传送。

图8.由于60 Hz分频器继电器不断（并且嘈杂）切换，因此该部分内置在一个用于隔音的木箱内。（点击图片查看大图）

如果您想在完全操作中看到时钟，我发布了一个视频（请参阅“继电器时钟演示“）。

结论

在这个设计中使用继电器迟滞、电阻和电容似乎在过去的系统中没有发生过。所以，我们需要再问一次，这个项目在20世纪30年代是否可行?我相信如此。继电器将在比这里使用的更高的电压下工作，并且有更大的线圈电阻，因此可以使用较小值的电容器。那个时代的电解电容器体积较大，但仍然可以使用。当然，电阻和小灯泡也很常见。本来可以这样做的。

我们可以更忠实于早期，只在计数器上使用继电器，以及不依赖于交流线路的频率产生方法。后者可以使用音叉和类似的器件作为开关型有源元件的槽电路。以所需速度工作的仅继电器计数器当然是可能的，这可能是另一篇文章的主题。

显示，虽然是另一回事，这里将在一次引入了更多的限制进一步回。电灯，例如，可以追溯到只有19世纪末期。此外，与驱动时钟，即使来自离散源，例如与连接到它接触音叉历史文献，总是显示了一些连接元件，其机械地把一个时钟表盘，而不是如在这里完成显示的计数。即使是布罗瓦电子手表的手表，其在1960年变得可用，驱车从音叉移动的基于齿轮的手表显示，具有机械耦合。音叉本身是由一个晶体管振荡器[参考文献10]驱动的振荡电路的一部分。

带有数字显示的时钟在20世纪初确实出现了[参考文献9]，但这些时钟使用传统的运动和翻转的数字卡片来传递离散计数。所以从某种意义上说，这些是计数器，但商业上可获得的时钟，真正基于计数脉冲的频率源，似乎在20世纪60年代之前没有开发出来。所以，虽然这个时钟可能是在20世纪30年代建造的，但它的显示方式可能甚至没有被考虑过。

时钟和周围的测量和解释时间的问题已经在现代显著改变。时钟与音叉，甚至石英晶体手表，变得古朴的时候，我们可以拉我们的手机，得到的时间精确到秒相对于政府标准的时代。但是拥护古雅可以搞的，更何况在时间上进一步前，我们不妨去。它可以在这种情况下，导致一进电子设计有趣和untrodden领土。

笔记

[1]我会承认使用一个二极管，如图在后面的章节。

现在电力公司如何坚持这一点还存在一些问题。Ref[1]表明他们仍然这样做，但我没有更深入地研究它。

[3]通过这意味着与各个灯，白炽灯或其他形成的阵列形成为像素。此外，不允许使用七段显示器或像素阵列的IC。

[4]在你看下面的答案之前仔细看看。

[5]显示的时间是11:51:51和5:26:39。

参考

1. 实用频率，https://en.wikipedia.org/wiki/Utility_frequency．
2. A. Stabile, EDN Design Idea: Relay hysteresis provides toggle function(已提交2020年10月出版)
3. Zuse Z3电脑，https://en.wikipedia.org/wiki/z3_（Domputer）
4. 在马克一号，https://en.wikipedia.org/wiki/Harvard_Mark_I
5. Geoffrey D.奥地利人，赫尔曼霍尔特斯：忘记了信息处理的巨人，哥伦比亚大学出版社，1982年。
6. P. Shackleton和H.W.Purcell，贝尔系统中的继电器，贝尔系统技术期刊，1924年1月，https://archive.org/download/bell00systemtechniamvol3rich/bell00stemtechniamvol3rich.pdf
7. 沃伦A.霍里斯，石英水晶时钟的演变，贝尔系统技术期刊，1948年7月，https://edn.com/wp-content/uploads/bellsystemtechni27amerrich.pdf
8. 数字钟表和手表的短暂历史，https://blog.onlinecclock.net/history-of-digital-clocks-watches/
9. Bulova，https://en.wikipedia.org/wiki/Bulova．例如，在不同的地点可以找到机械和电路的细节https://watchguy.co.uk/teardown-bulova-accutron-218/或者http://members.iinet.net.au/~fotplot/acctech214.htm.
10. 模型v，https://en.wikipedia.org/wiki/Model_V
11. 乔治•Stibitzhttps://en.wikipedia.org/wiki/George_Stibitz
12. HK-19F继电器规格，http://grobotronics.com/images/datasheets/HK19F-12V.pdf

本文最初发布经济日报．