トランジスタ式デジタル時計 制作記 〜ハンダ付け大好き〜

 管理人はMAD研究所さんの記事を読むのが好きで、職場で仕事を飽きた時などいつも読みふけっております。(仕事しろ)
 ところでMAD研究所の所長(?)の前田さんはMaeda Advanced Design Inc.という電子機器の設計・製作・販売をされていて、そこで中々楽しい自作機器の通信販売サイトの運営もされています。
 そこで販売されていた『トランジスタ式デジタル時計』のキットを入手しましたので、管理人にしては珍しく製作記事を作ってみました。
 ハンダ付けフェチの管理人の一生態をご笑覧ください。

そもそもトランジスタ式デジタル時計とはなんぞや?

 もちろん正確なところは前田さんのサイト(以下、MAD研究所)を見るのが確実ですが、折角回路図も貰ったので簡単にブロック図などをご紹介します。
 ちなみに電気をよく分かっていない管理人が回路図から適当に描き起こしたものなので、間違いがあったらご指摘くださいね?
トランジスタ式デジタル時計のブロック図
 こうしてみると、普段何気なく眺めているデジタル時計がどうやって実現されているかよく分かるという物です。ちなみに分周やカウンタは全てフリップフロップで構成されています。学校の授業でフリップフロップ回路の勉強をしていてもSRAM位しか応用例が思い浮かばない物ですが、ディスクリートパーツで構成された回路と共に動作を考えると、デジタル回路と現実のパーツの相関が簡単に分かり、非常に勉強になります。このキットは学校の教材としても非常に優れているものに思えます。だいたい黒板に描かれた真理値表など見ていて、デジタル回路の真理に到達する人なんてどこにも居ないでしょう……(それは管理人の頭が悪いだけだからか?)
 概念的な説明は以上にして、このトランジスタ式デジタル時計は抵抗とコンデンサとトランジスタとダイオードだけでデジタル時計を構成したものです。一つのフリップフロップを15個のパーツで作り上げ、合計約1500個をPCのATX位あるデカい基板にチクチクハンダ付けするという、実にドM向けハンダ付け好きの為に作られた素晴らしいキットなのです。
トランジスタ式デジタル時計の部品
 そして個人的には、クリスタルを使った発振回路や波形整形回路の実回路にも興味があったので、後で回路図を参考にしてバラックで組んで動作を確かめてみようなんて思っていたりもします。
 では、以下日記形式でトランジスタ式デジタル時計との出会いから完成までを紹介していきます。

トランジスタ式デジタル時計制作記 〜TAKECLK2.0編〜

 トランジスタ式デジタル時計との出会い

 アンニュイな月曜の朝。会社に行っても一向に仕事をする気にならず、いつも通りにMAD研究所のWebを見ていたら、全部ディスクリートでデジタル時計を作ったなんてアグレッシヴな記事に出くわす。
 やたら大きな16セグLEDに、抵抗やダイオードがぎっしり。
 こういう大きなデジタル表示には、小さい頃から何か憧れる物があったなぁと、触手(違)がワサワサ動くのを感じる。
 しかし我が自室には電波時計が3個も置いてあるので、これ以上時計が増えてもメリットが無い。
 もちろん、この時計の設計コンセプトで電波時計の機能など付けよう物なら、この大きな基板があと3枚くらい付く事になりそうなので、つくづくICとは便利な物よのぅと改めて感動する次第だった。(とか言いつつ、トランジスタ式電波時計キットとかあったらすっげー作りてー!!)
 とりあえずこの時点では「勢いでポチった。後悔は完成した後だ」とかならないようにワサワサ動く触手(違)を自制し、このまま見守ることとした。

 気合い

 この日も調子の悪いVAIOでMAD研究所のWebを見ていたら、通販に出していたトランジスタ式デジタル時計は1コも売れておらず(管理人は発表直後からいっぱい売れてるんだろうと思ってたのに……)、しかも「誰か、これをバッチリ組み立ててやるぞという、気合の入った方はいませんか。」という前田さんの熱い文面に出くわした。
 まさにこれは、回路設計は全然出来無いけれどハンダ付けだけは好きな管理人に対する厳しい挑戦状であると勝手に勘違いあげくに、直雷を受けたが如くの衝撃を伴って「お前が作らないで誰がやるんだ」との天啓を受けたのだと独り妄想し、もしこのキットを買ったらオレはどうなるのかと1時間悩む。
 作るスキルは、問題無いはず。むしろ作るのが難しかったらしいVer.1のキットでも余裕だ。時間も、今描いている絵の進度を落とせば何とかなる(1ヶ月掛けて作れば良い)。問題は、作った後の実用性であるが、時計として使おうと思うから問題なのであって、ディスクリートでのフリップフロップ回路や波形整形回路の素晴らしいサンプルだと思えば勉強になるし、友人が遊びに来たときに禿しくネタになると、自分稟議を起こす為の理由(言い訳)を懸命にねつ造した。
 結果、ポチった。後悔は完成した後だ!!
 いつまでもMAD研究所のカウンタを回すだけでは無く、微力ではあるが運営に協力するのは数年来の愛読者の責務であろうと思う。今後も楽しい機械をたくさん作って貰いたいし。

 道具の準備

 ブツが届く前にサンプルでマニュアルを頂いたので拝読し、抵抗とかダイオードの足曲げ工具(サンハヤト リードベンダー RB-5)を買って置いた。今までは適当に指先で曲げていたのだが(爪を使って綺麗に曲げられますよ?)、なんせダイオードと抵抗を合わせて1000本以上あるので、道具を買っておかないと色々体を壊しそうな雰囲気だった(笑)
 それに自分、こういう電子工作のキットを作る場合、例え方向性が無いパーツでもきっちり向きを合わせ、基板に斜めに刺さないようして部品本体が両端の穴の真ん中に来るようにと、不必要に見た目にも気を遣って美しく組み上げるのが哲学だという面倒くさい性格をしているのであった。
 あと、前日にヘマこいてニッパの刃先を壊してしまったため、急遽新しいニッパ(フジ矢 MP4-110)を買っておく。前のはフジ矢からサンプルで貰ったお気に入りだったのに、惜しいことをした……(涙)

 ブツ、到着

 九州からはるばる荷物が届いた。
 早速中を開けて、基板と16セグのLEDモジュールの大きさにひと喜び。なんでこういうでかいデジタル表示の物を見ると、昔から不必要にワクワクするんだろうか? それに思っていたよりもLEDモジュールが大きくてテンションだだ上がりである。
 その後適当にパーツの個数を数え(抵抗の数の多いのは諦めた。後はメーカー出荷時の梱包のままの奴も諦めた)、ダイオードの足曲げを始めた。
 そして100本曲げて精根尽き果てた。頭痛が痛くなったので、寝る。

 おりおり

 この日も会社から帰ってきてから、ダイオードの足曲げを続けた。
ひたすらダイオードの足曲げ
 よく分からないけど、多分250本くらい曲げた気がする。
 計画では全てのパーツの足曲げを終えてからハンダ付けをするつもりなので、この調子では今週末もハンダ付けには至らないであろう。しかし特に急ぐ事も無いので、丁寧に作業を続けようと思う。

 おりおり2

 この日も会社から帰ってきてから、ダイオードの足曲げを続けた。
600本のダイオード足曲げ完了
 とりあえずダイオードは全部終わった。そして他に残っている抵抗器とかの山を見て戦慄する。作り始めて1日で終わらない電子工作キットってのは、もしかしてコレが初めてか? 嬉しくて仕方ない。
 まだ時間があったので、抵抗器の足折りを開始。
抵抗器の足曲げを開始
 ちっこいダイオードに比べて抵抗器はリードベンダーにぴったりハマるので足曲げがやりやすい。案外早く終わるかな?
 そして黙々と作業すること一時間半、全部の抵抗器の足曲げが終わっちゃった。
抵抗器の足曲げを完了
 その後一番気になっていた、トランジスタの足曲げを試みる。リードベンダーにくっついていた棒でグリグリやって三本足を整形するらしいのだが、やってみて指が痛くなる割りには余り綺麗に曲がらず、そして200個コレをやるのかと思って絶望する。こりゃ絶対無理だ。指が折れる。
トランジスタの足曲げ開始
 色々考えなければと思いつつ、寝ないとヤバいので寝た。

 おり……おり……

 この日も会社から帰ってきてから、トランジスタの足曲げを続けた。
 リードベンダーでは埒があかないため、リードペンチで曲げる事にした。もう色々諦めて、いつもみたいにトランジスタの根本から足を広げても良いんじゃね?とか何度も思ったけど、まぁ折角制作記事も作っていることだし、ゆっくりやることにした。
トランジスタの足曲げ中
 しかしこういう作業をやっていて思うことは、自分はやはり不器用だということ。中々ミリ単位でびしっと揃った足に曲げられない。これじゃあ基板に刺したときに、頭の高さが合わないなぁ……。もちろん電気的な動作には関係無いのだけれど、なぜ部品がたんまり実装された電子基板がかっこいいのかというと、それは整然と部品が並んでいるからなのだ!(この辺、面倒くさくフェチな性格が爆裂です)
全部の部品の足曲げ完了
 とは言いつつ、綺麗に作りたければ実装機にでも任せれば良いし、人間がやってんだから少々のズレは仕方ないだろうと自分自身を納得させつつ、足曲げを終わらせた。さてさて、週末からハンダ付けか。楽しみで仕方ない。

 こいつ、動くぞ……!

 全てのパーツの足曲げが終わったので、早速ハンダ付けを開始。むしろこっちがオレの戦場だ……! 何て思っていた物の、開始1時間で3回も間違った場所に部品をハンダ付けしてしまう失態を演じる。一体何やってんだといい加減凹む。こんな有様では1500個もパーツがついてるこのバケモノキットは完成させられないぞ!?(汗)
 精神を集中しつつ、まずは電源部、クロック部、波形整形部だけを完成させた。
電源部、クロック部、波形整形部のみ実装完了

 ここまで部品を実装すれば32768Hzのクロックが出ると思うので、一旦電源を入れてオシロで波形を見てみた。ところでキットにはテストピンは1コしか入っていないので、昔展示会でマックエイトに貰ったテストピンをくっつけておいた。おお、今回初めてあの変なパーツが役に立った(笑)
オシロで波形観測
 触っている場所が正しいのか微妙なところだけど、グニャグニャした水晶発振器のクロック(緑)がびしっとした矩形波(黄)に整形されている。ところでデューティー比が1:1になってないけど良いのかな?

 ハンダ付けの続き

 前日に引き続き、分周回路を組み上げる。
 そしてせっかちな管理人は再びオシロを繋げて波形を見てみた。
分周回路まで実装完了
 そしたらちゃんと1Hzの矩形波が出力されていた。多分部品の実装には問題無いのだろう。
 引き続き、時刻調整部とカウンタ部のハンダ付けを進め、今日はここで終わりにした。
時刻調整機能まで実装完了

 ハンダ付けの続き2

 久しぶりに有休を取ったので、ハンダ付けの続きを行う。今日の得物は2進カウンタとフリップフロップだ。
 特にミスや問題も無く、ハンダ付けを終える。ここで一旦電源を入れて、フリップフロップ回路についているLEDを確認してみた。
時分秒のFF回路まで実装完了
 1秒ごとにLEDの点灯位置が移動し、2進数で計算すると正常にゼロからカウントアップしている。時刻調整回路もしっかり働くのを確認出来た。
 続けておよそ160個のダイオードと90個の抵抗と45個のLEDと55個のトランジスタをハンダ付けした。
 LEDの点灯状況から、10進デコーダ回路もちゃんと動作しているのが確認出来た。こうして制作途中でも回路の動作が確かめられるには、それだけ設計が優れているのだと改めて認識させられた。
10進デコーダ回路まで実装完了

 時が見えるよ……

 16セグLEDのダイオードマトリクスとソケットをハンダ付けし、晴れて完成!
完成!
 コレが売り物のデジタル時計なら部品はIC一個と数個のコンデンサ、水晶発振器くらいで済まし、かつLEDもダイナミック点灯になるのだろうけど、それだとデジタル時計の理論を理解するのに必要な知識が多すぎて直感的な理解が出来無いと思われる。一度こういうメンドクサイ(?)ハンダ付けをしないと、IC化やダイナミック点灯の利点を心から理解する事は出来ないだろうし……
 ところで。
 このキットを作るに辺り、切り離した足を全て保存して置いたのだけど、こんな山になった。これ、自分の人生でハンダ付けしてきた足の合計よりも多いのでは??
足の残骸
 さて、つくっておしまいでは高いお金を出してキットを買った意味が無いので、ここから貰った回路図と戯れて此の期に及んで電子回路初級の勉強をしなければならないのだ。
 パーツもいくつか余ってるし、まずはフリップフロップ回路をこさえて自分で動かしてみようと思う。ウン十年前の学校の授業じゃ、黒板に描かれた絵を写しただけで終わったからねぇ……
ブレッドボードで組んだFF回路

トランジスタ式デジタル時計制作記 〜TAKECLK2.5編〜

 、なんとTAKECLKの名前の元ともなったいしざきさんより、TAKECLK2.5の基板とパーツの大半を頂く事が出来ました。条件は制作記事を作れとのことだったので、以下、喜び勇んで記事化しました。

 ところで、TAKECLKが2.0から2.5にバージョンアップして変わった大きなポイントは、以下の通りです。

 特に確認用LEDのおかげで余計に賑やかな感じになっています。手持ちのLEDの色とも相談し、赤白青と、どこかの国の国旗みたいなカラーリングにしようと思います。
 ところで、いしざきさんよりTAKECLKの進化について教わったのでそれも載せておきます。

Ver.説 明
1.0最初の物で、2.0以降に比べて部品が小さかった
2.0回路を一部変更、部品が大きくなって作りやすくなった
2.1秒クリアボタンが付いた
2.2分周FF回路のモニタ用LEDがついた
2.3四角パッケージのLEDが無くなったので砲丸型に変更
2.5数字の表現が16セグ用に変わった

 以下、制作記事をご笑覧下さい。

 TAKECLK2.5が来た!

 け〜じばんでのやりとりを経て、いしざきさんよりTAKECLK2.5の基板(+多くの部品)を頂いた。
TAKECLK2.5の基板
 しかし何度見てもTAKECLK2の基板はデカい! この大きさを我々の業界(?)に例えるなら、ASUSの高級ATXマザーとだいたい同じと言えば分かるだろうか?!? 試しにP6T DELUXEを乗っけたらほとんど同じだった。
TAKECLK2.5の基板の上にATXマザーを乗っけた
 思えば小さい頃(小学生位)、アキバの駅横のパーツ屋さん通りを歩いていて、デカい基板のくせにひたすら7セグで数値をカウントするだけのキットらしき何かを見て、いつかオトナになったらこんな難しそうな(デカい基板の)キット作ってやるんだ!とか思ったり、店頭に並んでいるデカい7セグLEDを見て、やたら興奮したあげくに使いもしないのに一個買っていって電池で光らせた遊んだりしたものだ(そういえばあのLEDはどこに行ってしまったんだろう? 捨てた覚えは無いけれど……)。
 TAKECLK2は、そんな自分の小さい頃にハァハァした煩悩が二つもくっついているという、実に素晴らしい逸品である。

 追加の部品も届く

基板と大量に部品
 ところで基板と共に大量の部品も同梱されていたが、いくつかのパーツが足りないことは事前に教示頂いていた。
 このため早速追加のパーツを通販で買い漁るも、秋○にも千○にも若○にも、なぜ故か4.7MΩの抵抗器が売っていない。たぶんこんな高抵抗、誰も使わないのでしょうねぇ。
 ちなみにヤ○ーショッピングとかで探せば売ってはいるが、たった一本しか使わないのに数百円払うのも癪なので(抵抗器一本の値段なんて2円もしないのに……)、他の部品を買うのと一緒に2.2MΩの抵抗器を100本買っておいた。こいつらを直列に繋げて何とかしようと思う。
 ただ与えられた回路で作るだけでは無く、抵抗一本くらいは逆らってみても良いじゃないか、抵抗器だけに!←おっさん
 とりあえず基板にハンダ付けして抵抗を取っ替え引っ替えすると基板のパターンが痛むので、スルーホール基板用のテストワイヤーなる物があったので買っておいた。
スルーホール用テストワイヤー
 32kHzの信号をこんな怪しげなケーブルで引っ張り出して、ブレッドボードで抵抗器を咬まして動くかはなはだ疑問であるが、こういう実験でもしないと面白く無いし、ウチにはこういうときに回路がちゃんと動いているか簡単に確認出来る心強い味方(デジタルオシロ)もあるので、論より証拠と言った感じで攻めてみたいと思う。

 制作開始

 忙しさにかまけて1ヶ月ほど放置していたTAKECLK2.5であるが、やっと制作の準備が整ったので作業を開始。
 まずは電源と発振、波形整形の各回路を組み上げ、例の4.7MΩの抵抗をどうするか決めることから始めた。 電源・発振・波形整形回路を組む
 4.7MΩの抵抗器を残して回路を組み、先日買ったテストワイヤーでブレッドボード上で抵抗値を色々変えて波形を確認(その前にいくつか抵抗器を重ねて4.7MΩにしてちゃんとクロックが出るのは確認済み)。結局、2.2MΩ×2つで波形が出たのでこれで進める事とした。
オシロで波形を確認
 という事で、2.2MΩの抵抗器を直列にして適当にくっつけたのが以下の写真。
発振回路のアップ
 その後ちゃんと波形が出る事を確認し、分周回路も組み上げ1Hzまで出る事を確認。TAKECLK2.5は2〜16Hzまでのフリップフロップの出力がLEDで確認出来るので便利。
分周回路の動作確認
 さて、以前にも書いたが管理人は抵抗器の向きもきっちり合わせる面倒くさい細かい性格なので、気合いを入れて全部の部品の向きをキッチリ合わせたつもりであったのだが、早速一本やらかした。
 以下は分周用FF回路であるが、どこを間違ったか分かるだろうか?(心霊写真の解説風に)
分周FF回路のアップ

 ちくちくハンダ付け♪

 前回は全ての部品の足折りを済ませてからハンダ付けを行ったが、今回はリードフォーミング→基板挿入→ハンダ付けと、だいたい回路ブロック単位で行う事とした。特に意味は無い。
 ところで皆さんは見たことあるだろうか? こんなに足が大量に生えた基板裏を。(心霊写真の解説風に)
10進デコーダ回路付近のアップ
 162本のダイオードなので、切るべきリード線は324本。あなたは経験があるだろうか? 電子工作のニッパを握って手が筋肉痛になった経験が。(しつこい)
 今週は2進カウンタ回路(+10進デコーダ回路)まで出来たので、2進数までのLEDが光るようになった。ボタンを押して動作を確かめた結果、回路はちゃんと動作している様だ。
2進カウンタまで動作確認

 さくさくハンダ付け♪

 先週に引き続きハンダ付け。今週は10進デコーダ回路+αまで作った。
前回制作したTAKECLK2.0で気に入らなかったことの一つに、トランジスタの頭の高さが全然揃えられなかったというのがあるが、今回は特にそこに注力したので、それなりにびしっと位置が揃ったように思える。
 前回は一個ずつリードペンチで足を曲げていたが、今回は1列分のトランジスタの足を適当に広げて基板に突っ込み、全部の頭の位置を揃えてから一気にハンダ付けした。足の根本に負担が掛かるので、よい子は真似しないように!
10進デコーダまで作成
 ちなみに10進デコーダの確認用LEDには5mmのLEDを突っ込んだのだが、間隔が若干狭いのでそのままでは填まらず、仕方ないので下部の出っ張りの左右をニッパで切り取って無理矢理入れた。LEDは44個もあるので楽しくて仕方ない。
10進デコーダまで動作確認
 早速電源を入れてみたが、10進デコーダもちゃんと動いているようで一安心。来週には完成か!?

 もくもくハンダ付け♪

 最近思うに、管理人は非喫煙者ではあるものの、ハンダのヤニで肺の中は真っ黒なのだろう。むしろハンダの煙はタバコより毒性が強い分だけ、余計に肺が腐っているのかも知れない……。
 さて、そんな年寄りの病気自慢みたいなのは良いとして、ちゃっちゃとダイオードを200本位ハンダ付けして(ちゃっちゃと付ける本数じゃ無い気がするのは、気のせいです!)完成させた。
 ちなみに分周回路のモニタ用LEDは、周りのと合わせる為に砲丸型の透明のに変えてみた。これで余計に、日本のポップカルチャーが好きな某国の国旗のような色合いになった。
基板は完成
 前回はアクリル板を用意し無かったのでここで完成だったが、今回はアクリル板も貰ったので早速取り付け。
アクリル板も取り付け
 やはりアクリル板を取り付けると物自体に厚みが増すためか、格好良さも増すよう。
 前の時計にもアクリル板を付けたくなった。

 という事で、TAKECLK2.5は特段の障害も無く完成に至りました。前回では気に入らなかった、部品位置の不揃いなどもそれなりにリベンジ出来たので、とても満足な結果となりました。
 いしざきさんには、もう二度と組み立てることは無いと思っていたデジタル時計制作の貴重な機会を提供頂き、大変感謝です。
 さて、前回FF回路を組んだだけで終わらしてしまった電子回路の勉強をやらないと……。このままでは宝の持ち腐れだ(涙)