Конструктор часы на газоразрядных лампах

Обновлено: 29.04.2024

ВНИМАНИЕ! Конструкция питается от 5В, но она содержит повышающий преобразователь напряжения, из-за чего некоторые элементы схемы находятся под высоким напряжением порядка 170В. Данное напряжение требуется для питания лаповых индикаторов и сохраняется в течение примерно 10 секунд после выключения схемы. Будьте внимательны, не касайтесь элементов схемы при её работе!

В настоящее время очень популярны так называемые ламповые часы, сегменты которых выполнены на газоразрядных индикаторах, выпускавшихся в СССР в 60…80 годы. Пользователи в восторге от таких часов, называют их свечение «приятным, тёплым, живым». Кроме того, всегда интересно собрать конструкцию на стыке двух технологий: ламповой из 1970-х и современной микропроцессорной.

Однако есть определённые сложности. Во-первых, газоразрядные лампы не выпускаются с 80-х годов. Для управления лампами используется специальная разработанная в СССР микросхема, которую тоже найти непросто. Лампы зажигаются при напряжении около 170 Вольт, что требует построения повышающего преобразователя напряжения. И, наконец, для обеспечения работы часов необходимо написать программу для микроконтроллера.

Для решения всех вышеописанных проблем Мастер Кит выпускает набор для сборки часов на лампах ИН-4 , содержащий всё необходимое для сборки «ламповых часов»: лампы ИН-4, микроконтроллер с записанной программой управления, преобразователь питания, печатные платы и вспомогательные компоненты.

Рис.1. Общий вид конструктора

Проверка комплекта поставки

Сначала проверьте комплект поставки (см. рис. 2. и перечень компонентов из инструкции пользователя). Внимательно проверьте лампы на отсутствие видимых повреждений. Лампы, конечно, не новые, так как их выпуск давно прекращён. Но, как показывает практика, при длительном хранении лампы никак не деградируют. В данном комплекте все четыре лампы выпущены в августе 1979 года. Это наводит на мысль, что с большой вероятностью эти лампы с хранения, они не были в эксплуатации.

Резисторы маркируются не явно, а цветными полосами. Это сделано не для того, чтобы усложнить Вам жизнь: дело в том, что на производстве монтаж плат осуществляют автоматы, и кодовая цветовая маркировка удобнее для систем машинного зрения. Расшифровать номинал резистора помогут таблицы из справочной литературы или сети Интернет, либо можно воспользоваться мультиметром, что гораздо удобнее.

В набор входят два керамических конденсатор ёмкостью 15 пФ, но на их корпусах нанесён код «150». Это не ошибка комплектации: первые две цифры кода - значащие, а третья – множитель (количество нулей), то есть код «150» как раз соответствует ёмкости 15 пФ. Если бы на конденсаторе был нанесён код «151», его ёмкость была бы 150 пФ.

Рис.2. Комплект поставки

Монтаж основной платы

После проверки комплекта поставки приступим к сборке. Конструктор рассчитан на радиолюбителей, уже имеющих начальный опыт монтажа и пайки, но на всякий случай напомню основные моменты, которые помогут в сборке.

Рассмотрим основные этапы монтажа на примере резистора 4.7 кОм:

– сгибаем выводы компонента и устанавливаем его с лицевой стороны платы, корпусом впритык к плате (рис. 3.1);

– с обратной стороны платы разгибаем выводы резистора в противоположные стороны – теперь компонент не выпадет при последующих операциях. Бокорезами откусываем выводы резистора, оставляя около 1…2 мм (рис. 3.2);

– припаиваем выводы резистора к контактным площадкам. Для пайки предпочтительно использовать припой с каналом канифоли типа ПОС-61 или его аналоги. Можно работать обычным припоем и канифолью/неактивным флюсом, но это не так удобно. Паять можно как классическим паяльником с медным жалом, так и современными – с никелевыми наконечниками. Разница в технологии пайки: на медное жало расплавленный припой набирается и как лопатой переносится в точку пайки; при работе никелевым жалом пруток припоя подаётся непосредственно в зону пайки и расплавляется на месте. Обе технологии позволяют достичь одинаково хорошего качества пайки. На рис.3.3 показан процесс пайки никелевым жалом с непосредственной подачей припоя в зону пайки;

– качественная пайка гладкая, блестящая, она полностью покрывает вывод компонента. Признаки некачественной пайки: рыхлая, матовая, непрочная; такой результат бывает в случае использования некачественного припоя или при неправильной температуре жала паяльника. В случае пайки классическим паяльником, не имеющим регулировки температуры, его жало часто перегревается. Попробуйте периодически выключать паяльник и паять немного остывшим жалом. На рис.3.4 показан результат качественной пайки.

Рис.3. Методика монтажа и пайки

Проверить качество паяльного соединения можно следующим способом: немного покачайте компонент, внимательно наблюдая за его выводами со стороны пайки. Если наблюдается подвижность вывода, его надо перепаять заново.

Печатная плата двусторонняя (токоведущие дорожки расположены на обеих сторонах платы), но отверстия металлизированы изнутри. Это значит, что пайку компонента можно производить только с одной стороны платы (не имеет значения, с какой), электрический контакт между слоями платы обеспечивается за счёт металлизации отверстий.

Сначала удобнее установить все малогабаритные компоненты: резисторы, конденсаторы, диоды, кварц, катушку индуктивности, панельку микросхемы. Затем припаяйте держатель батареи, пьезоизлучатель, две линейки гнездовых разъёмов. Обратите внимание: кнопки и гнездо питания припаиваются с обратной стороны платы! В последнюю очередь установите активные компоненты: транзисторы, оптопары и микросхему К155ИД1.

При монтаже компонентов необходимо соблюдать полярность установки:

– диоды маркируются полосой, расположенной ближе к выводу катода. Для справки: возле кварца расположены два диода, полосы на них должны быть направлены в сторону кварца; другие диоды устанавливаются по аналогии;

– электролитические конденсаторы 100 мкФ и 4.7 мкФ маркируются полосой на корпусе у вывода «-». Кроме того, их вывод «+» до обрезки длиннее. На печатной плате контактная площадка плюсового вывода имеет квадратную форму;

– на корпусах оптопар нанесена точка возле первого вывода; на печатной плате контактные площадки первых выводов квадратные;

– микросхемы имеют на одном из торцов ключи в виде полукруглых выемок, ближайшие выводы слева от ключей – первые. На печатной плате имеется такое же обозначение ключа. Кроме того, контактные площадки первых выводов микросхем квадратные;

– резисторы, керамические конденсаторы, пьезоизлучатель, катушка индуктивности, кварц и кнопки полярности не имеют и могут устанавливаться в любом положении.

После сборки и пайки внимательно проверьте свою работу. Особое внимание обратите на полярность установки компонентов и качество пайки. Если найдёте случайное замыкание припоем двух соседних точек пайки, устраните эту ошибку: разогрейте точку пайки и уберите лишний припой оловоотсосом, либо проведите между точками пайки иглой.

После сборки плату желательно отмыть от остатков флюса, лучше всего сделать это при помощи спирта, щётки, ватных палочек и салфеток. Современные флюсы допускается не смывать, но уважающие себя радиолюбители (к которым мы, разумеется, относимся) отмывку производят.

Заключительным этапом установите в панельку микроконтроллер (соблюдайте полярность!) и батарею резервного питания. На рис. 4 и 5 показано, как должна выглядеть смонтированная плата электроники с обеих сторон.

Я уже больше 5 лет занимаюсь изготовлением часов на газоразрядных индикаторах, а недавно заполучил довольно редкие лампы ZM1040, часы на которых считаю одними из лучших в своей коллекции. Надеюсь, и вы сможете по достоинству оценить мою работу, ознакомившись с подробностями и процессом изготовления.

Картинка кликабельна

Введение

Газоразрядный индикатор Nixie tube — электровакуумный прибор, в котором используется тлеющий разряд для отображения различных символов за счёт свечения газа вокруг них. Состоит, как правило, из одного анода и 10 катодов в форме цифр, расположенных друг за другом. Подробнее об устройстве и принципе работы можно почитать на Википедии.

Несмотря на то, что ГРИ не производятся уже почти 30 лет, интерес к часам на их основе в настоящее время не утихает. Справедливости ради стоит сразу отметить, что в мире существует по меньшей мере два современных производителя ГРИ: появившийся около 5 лет назад Daliborfarny, создающий аналоги индикаторов Z5680M/Z568M по весьма высокой для рядового радиолюбителя цене в €135 за штуку и Millclock, с 2018 года создающий нечто похожее на ИН-18 по $99. В то же время на различных барахолках, сайтах с объявлениями и даже на Алиэкспресс сейчас можно без труда купить индикаторы ИН-12, ИН-14, ИН-8 и т.д. по цене от 200 рублей за штуку. Все они по-своему хороши и находят своих почитателей.

Подготовка

Первым делом — выбор ламп. Для этого проекта мне удалось приобрести 6 индикаторов ZM1040 производства ныне несуществующей компании Tesla.

Собственно сайт, на котором можно найти больше информации о ГРИ.

К сожалению, почти на всех лампах местами отсутствовал красный лак, так что мной было принято решение полностью его удалить, фактически получив таким образом индикаторы ZM1042:

Эти ГРИ имеют внушительную по своим меркам высоту символа в 30 мм, что хоть и уступает на 10 мм самым большим из советских индикаторов ИН-18, но при той же ширине символа обеспечивает, на мой взгляд, более гармоничные пропорции.

Вот схема, которую выбрал я:

Картинка кликабельна

При создании часов на ГРИ можно использовать статическую или динамическую индикацию, лично я предпочитаю второй вариант. Именно поэтому на схеме так странно показано соединение дешифратора BU2090F с катодами ламп: все катоды соединены параллельно. Подробнее об этом можно прочитать здесь.
Кроме того, на схеме не показано, к какому катоду подключается каждый выход дешифратора. Дело в том, что для упрощения разводки печатной платы в прошивке имеется возможность "переназначить катоды", то есть задать правильный для конкретного случая порядок отображения цифр.

Для питания ГРИ необходимо напряжение порядка 170 Вольт при токе в несколько миллиампер. Для его получения используется импульсный преобразователь на микросхеме МС34063, хорошо зарекомендовавшей себя в подобных схемах.

Следующий типовой блок — транзисторы для управления анодами ламп — здесь используется ставшее уже классическим сочетание MMBTA42 и MMBTA92.

В качестве микросхемы часов реального времени применена достаточно точная DS3231SN с батарейкой для поддержания хода часов при отключении от сети.

Также на схеме присутствует линейный понижающий преобразователь на 5 Вольт для питания микросхем, датчик температуры DS18B20 и управляющий всем этим микроконтроллер PIC16F628A.

Печатная плата

С лампами, схемой и деталями определились, теперь — плата. Имея некоторый опыт, печатные платы я сразу подготавливаю для изготовления в Китае: два слоя, шелкография, маска, переходные отверстия — всё это здорово упрощает сборку и позволяет позволяет сделать плату в меру компактной. Подробно на этим этапе останавливаться не буду, так как о проектировании и методах изготовления плат написано уже очень много, в частности:

7 правил проектирования печатных плат
Перестаньте травить печатные платы дома — заказывайте их на производстве
Отмечу, что на этом этапе самым сложным для меня оказался поиск чертежа цоколя лампы со всеми размерами. В подобных случаях я всегда стараюсь изготовить первый экземпляр платы (или её фрагмента) самостоятельно, чтобы наверняка исключить возможность ошибки.

В результате моя плата получилась вот такой:

Вырез под разъём питания (который будет закреплён на корпусе, а с платой соединён проводами) и вырезы под электролитические конденсаторы — для уменьшения габаритов и толщины собранной платы. Это незначительно скажется на стоимости плат, но позволит уменьшить размеры корпуса.

На нижней стороне платы перечислены индикаторы, которые можно в неё установить без доработок

Сборка платы

О том, как паять SMD и выводные компоненты я не смогу сказать ничего нового, поэтому лишь уточню пару нюансов.

Во-первых, схему рекомендую собирать по частям: сначала — преобразователи, затем — остальные детали, и только в последнюю очередь — лампы. В данном случае лампы не впаиваются в плату, а устанавливаются через штырьки из разъёма DPBS-25F, которые отдельно можно найти в продаже по запросу "nixie tube pin" — это заметно упрощает сборку.
Во-вторых, если используете какие-то флюсы, не забывайте их потом отмывать. Сам я использую припой с флюсом, не требующим отмывки, что довольно удобно.

В-третьих, советую покупать электронные компоненты только в проверенных магазинах — это поможет избежать множества проблем при сборке и наладке устройства. В случае с этими часами особое внимание советую уделить BU2090F — уж очень часто они мне попадались бракованные: если после сборки в одной или нескольких лампах вместо одной цифры светятся сразу все, проблема почти наверняка в дешифраторе.

После сборки части платы проверяю наличие всех напряжений:

174 Вольта вместо 170 получилось из-за погрешности номиналов резисторов в обратной связи преобразователя, что в данном случае не критично

И полностью собранная плата со всех сторон:

Я собирал сразу две платы, поэтому можно найти некоторые отличия в компонентах между этой и предыдущей фотографией

На этом этапе уже можно установить лампы и продемонстрировать работу часов (что я и делал для окончательной проверки всех элементов), но фотографировать не стал — лучше чуть позже покажу полностью законченные часы.

Изготовление корпуса

В подобного рода изделиях корпус — очень важная составляющая. Вариантов здесь масса: металл, дерево, полимерные материалы (включая 3D печать), камень и различные их комбинации — у кого на что хватит терпения, опыта, оборудования/инструментов и денег. Лично мне нравится древесина.

Именно под деревянный корпус проектировалась плата, и именно этим обусловлено такое расположение разъёма питания и кнопок для настройки.

В качестве материала была выбрана давно полюбившаяся мне древесина бубинга, которая имеет относительно высокую плотность и прочность и хорошо себя зарекомендовала при обработке на фрезерном станке.

Чертёж корпуса в электронном виде я не создавал, но в архиве в конце статьи будет фотография чертежа, сделанного от руки, если кому-то вдруг это нужно.

Модель получилась вот такой:

Извиняюсь за фотографию монитора, сделать скриншот не было возможности

После изготовления, шлифовки и покрытия воском корпус стал выглядеть вот так. Попутно уже вручную были просверлены отверстия для винтов крепления нижней крышки и платы и сделаны небольшие углубления под выступающие детали:

Фотография не очень хорошо передаёт цвет древесины, на КДПВ он больше похож на действительный

Как и ожидалось, после минимальных доработок корпуса, плата была установлена именно так, как и планировалось:

Между нижней стороной платы и крышкой есть зазор в 4 мм для размещения кнопок и конденсаторов

Последняя деталь корпуса — нижняя крышка. Здесь я воспользовался лазерной резкой.
Материал — нержавеющая сталь толщиной 1 мм. Так как заготовка не была зеркальной и имела небольшие царапины, после резки с крышкой надо было что-то делать. Терпения на полировку (после недавней продолжительной обработки корпуса наждачкой) у меня бы не хватило, так что я пошёл другим путём: мелкой наждачной бумагой буквально за минуту шлифовки сделал плоскость матовой, покрытой мелкими царапинами — получилось довольно неплохо:

Размеры получившегося корпуса — около 225х57х19,5 мм. Из-за большой длины для плотного прилегания нижнюю крышку решено было крепить не 4, а 6 винтами. Они разные: 3 с высокими шляпками, 3 — с низкими. Благодаря этому при установке на неровную поверхность часы не будут качаться

Я старался сделать корпус в меру компактным и минималистичным. Понимаю, что некоторым такой подход не понравится, но надеюсь, что кто-то оценит его по достоинству.

Концепция этого изделия состоит в удовлетворении потребности смотреть на настоящее пламя. Тлеющий разряд в газе строго говоря не совсем пламя, хотя и похож на настоящее пламя.
Мне нравится его цвет и это было единственной побудительной причиной заняться созданием таких часов для себя в единственном экземпляре.

Задачи создать прибор для массового производства не ставилось.

Поэтому бюджет проекта заметно больше разумного. Решения принимались исходя из собственных представлений о красоте, стоимость комплектующих не учитывалась. Реально ограничения конечно есть всегда и, например, покупать большие ГРИ (газоразрядные индикаторы) типа ИН18 я не стал – цена их больше интуитивно определенной границы и они не вписывались в мою концепцию внешнего вида изделия. Я использовал ГРИ типа ИН-12.

ИН12 наполнены смесью неона (либо смесью инертных газов) и паров ртути. Пары ртути обеспечивают значительный рост долговечности прибора и придают синеватый оттенок свечению плазмы. Другие ГРИ могут не содержать ртути и давать чистое неоновое свечение.

Основная функция часов – показывать точное время (КЭП, привет!). Очень желательно, чтобы время при включении устанавливалось автоматически и не требовало никаких манипуляций от пользователя. С моей личной точки зрения кнопки на таких приборах не нужны совсем. Подобные приборы с десятком кнопок и сотнями функций, вызываемых разнообразными комбинациями нажатий и времен нажатий, вызывают у меня тихую грусть. Во-первых – ГРИ хорошо приспособлены для отображения только чисел. Ничего другого не предусмотрено и попытки отобразить пункты меню и пр. на мой взгляд – применение негодного инструмента. То же самое относится и к дополнительным функциям типа будильника и пр.

Во-вторых, очевидно, что запомнить какой комбинацией нажатий кнопок включается та или иная заложенная функция – нереально. Писать программы для таких устройств весело и приятно, но пользоваться потом невозможно.

Этот вопрос прекрасно рассмотрен в книге Donald A. Norman Дизайн привычных вещей. Процитирую один пассаж:

«Во время поездок я пользовался несколько раз диапроектором фирмы Leitz. Первый раз был самым кошмарным. Я начал читать лекцию и показал первый слайд. Когда нужно было перейти к следующему слайду, ответственный за показ студент осторожно нажал на кнопку и с ужасом начал наблюдать, как подставка поехала в обратную сторону, выскользнула из диапроектора и упала со стола на пол, перемешав все слайды. На то, чтобы расставить слайды по порядку, ушло 15 минут. В произошедшем был виноват не студент, а этот элегантный диапроектор. Как может одна кнопка выполнять две противоположные функции? Никто не смог бы сделать все правильно с первого раза.»

Проблема была в том, что одна кнопка выполняла две противоположные функции – короткое нажатие выполняло смену слайда вперед, длинное – назад.»

Продолжим обсуждение настройки часов. Такие устройства оптимально настраивать с их собственной веб страницы с использованием компьютера, планшета или смартфона.

Будильник для часов с ГРИ на мой взгляд не нужен – во-первых, рядом всегда есть сотовые с такими функциями и гораздо более удобным интерфейсом. Во-вторых – часы на ГРИ не могут использовать автономный источник питания поскольку типичная мощность потребления (200 Вольт * 7 мА = 1400 мВт или 1.4 ватта) довольно велика и выходит за разумные пределы для химических источников тока. Следовательно, часы с ГРИ будут питаться от сети, и функция будильника окажется зависимой от надежности сети.

Из вышеприведенных рассуждений вырисовывается следующая система:

Часы на ГРИ с питанием от сети, имеющие возможность брать точное время из интернета, с настройкой с собственной веб страницы. Никакие дополнительные возможности не требуются.

Строгость этого правила я тем не менее нарушил, добавив следующие возможности:

Часы могут показать уличную температуру, влажность и давление атмосферы. Эта функция реализует мою личную потребность в знании наружной температуры, когда я утром собираюсь на работу. Я застегиваю рубашку каждый день в одном и том же месте и когда часы обнаруживают меня там – показывают последовательно наружную температуру, влажность и давление воздуха в миллиметрах ртутного столба. Функция оказалась удачной и весьма востребована как мной, так и членами моей семьи. Данные об уличной температуре, давлении и влажности принимаются автоматически и запоминаются на время между посылками от внешнего источника. При превышении таймаута (данные устарели) часы показывают текущую дату. В моей домашней системе данные о параметрах внешней среды поступают с интервалом 10 минут, таймаут «данные устарели» установлен на 30 минут. При проектировании часов предполагалось, что внешнюю команду можно будет отдать голосом, например, сказать: «Часы, погода!». Однако при макетировании оказалось, что этот способ ненадежен и неудобен. Поэтому в дальнейшем голосовое управление было заменено на метод определения присутствия человека перед часами по данным времяпролетного лазерного локатора. Часы должны показать данные погоды, если перед ними постоять примерно секунду.

Обязательные требования включили в себя также эффект плавной смены цифр. Именно этот эффект, единственный из всех, мне очень нравится!

Яркость свечения индикаторов должна подстраиваться под внешнюю освещенность, сохраняя неизменным контраст изображения.

Часы должны отображать шесть цифр и одно вспомогательное значение перед цифрами для индикации, что именно отображается в текущий момент.

Реализация задуманного, аппаратное решение

Выбор ГРИ

Для отображения времени и др. данных применены четыре ГРИ ИН-12А, две ИН-12Б и одна ИН-15А.

ИН-12Б содержат точки, которые я использовал для разделения часов-минут-секунд.

ГРИ ИН-15А может показывать ряд спецзнаков “+”, “-“, “%”, “P” и др., размещен в начале строки.

Оптимальное расстояние между индикаторами.

Чтобы часы смотрелись гармонично, следует обеспечить определенное расстояние между индикаторами, как между буквами в строке. Изучение вопроса дало следующую информацию: оптимальное расстояние между цифрами 4 мм, между словами 8 мм. Оптимальное расстояние между цифрами обеспечивается при плотном прилегании индикаторов в панельках. Полагаю, это не случайно, советские инженеры думали головой при разработке и сделали правильное расстояние.

Синхронизация с серверами точного времени

Рассмотрим способы автоматического получения точного времени:

Запрос по интернету на сервер точного времени.
Глонасс\GPS приемник. К сожалению, в ряде случаев не работает: например, в моей квартире в глубине комнаты сигнал от спутников пропадает, сказывается неудачная конфигурация окружающих строений, в которой чистое небо видно только непосредственно у окна.
Сотовая сеть. В теории можно запросить время у сотовой станции без регистрации (т.е. без симкарты). Я не пробовал. Теоретически наиболее универсальный способ, не требующий ничего от пользователя.
Сигналы точного времени на длинноволновых диапазонах. Сложен для применения, нет портативных готовых решений.

Выбор процессора и микросхем управления ГРИ

Для управления часами требуется процессор с возможностью выхода в инет. Из доступных – это платы на основе ESP8266. Изучение вопроса показало, что плата дешева, распространена, имеет богатое готовое программное обеспечение, созданное энтузиастами, может программироваться в среде Ардуино.

Выбор системы (микросхем) управления ГРИ

ГРИ питаются от достаточно высокого напряжения около 200 вольт. По паспорту (см рис 1) ИН12 требуется не менее 170 вольт для нормального возникновения тлеющего разряда при токе до 2 мА. Система управления должна быть способна коммутировать ток в несколько миллиампер и выдерживать напряжения в районе 200 вольт. В Советском Союзе выпускались микросхемы К155ИД1 (133ИД1 и т.п.) (высоковольтный двоично-десятичный дешифратор). Они прекрасно работали в статическом режиме, на одну лампу требовался 1 дешифратор. Сейчас эти микросхемы доступны из старых запасов и даже выпускаются малыми партиями минским заводом Интеграл. В принципе – неплохой выбор для часов на микросхемах-счетчиках. Однако их сложно использовать в системе на микропроцессоре из-за ограниченности количества выводов у микропроцессоров. Так, у принятого за основу часов ESP8266 всего с десяток выводов, при этом часть имеет определенные ограничения. Для 7 дешифраторов требуется 28 выводов, либо промежуточный регистр, в который надо последовательно выводить данные и затем выдавать параллельно на К155ИД1, что резко усложняет схему.

Рис 1. Паспорт индикатора тлеющего разряда ИН-12

Рис 2. Паспорт индикатора тлеющего разряда ИН-15

При использовании 155ИД1 эффект плавной смены цифр требует динамической индикации. Дело в том, что ГРИ – резко нелинейный прибор и управлять его яркостью аналоговым способом изменением напряжения – очень сложно из-за высокой крутизны характеристики ток – приложенное напряжение. В области малых яркостей газовый разряд становится неустойчивым. Также на устойчивое включение лампы влияет внешняя освещенность – при уменьшении внешней освещенности возрастает как напряжение пробоя, так и время включения индикатора. Внешние фотоны служат своеобразной зажигалкой, инициаторами разряда. Кстати сказать, высокая крутизна зависимости тока через газоразрядный прибор от приложенного напряжения используется для получения стабильного напряжения, фактически такой газоразрядный прибор является стабилизатором напряжения. Поэтому для управления яркостью ГРИ требуется применение импульсного режима питания, в котором яркость пропорциональна среднему току через ГРИ, который в свою очередь пропорционален ширине имульса.

Поиск по интернету дал отличный заменитель 155ИД1 – это микросхема HV5622, представляющая 32-х битный сдвиговый регистр с высоковольтными выходами. Структурная схема показана на рис 3.

Рис 3. Структурная схема HV5622, Supertex inc. ©

HV5622 способна коммутировать напряжения до 230 вольт, принимать данные по последовательному интерфейсу с тактовой частотой до 8 МГц. Микросхемы можно включать последовательно в цепочку. Для управления потребуется всего 4 вывода от МК: данные, тактовый сигнал, сигнал записи в выходной регистр и сигнал включения. Единственное, что вызывало некоторые сомнения – питающее напряжения. По мануалу оно должно быть не менее 8 вольт. А мне хотелось бы питать микросхемы от 5 вольт, да еще управлять ими логическим сигналом с уровнем 3.3в. В инете я нашел пару примеров использования таких микросхем и питания их от 5 вольт. Поэтому при разработке я на всякий случай предусмотрел возможность установить преобразователь логических уровней и питания 5622 более высоким напряжением, но устанавливать эти узлы сразу не стал. Практика показала, что и так все отлично работает от 5 вольт.

Питание часов

Для питания часов на ГРИ требуется источник питания с двумя выходами: на 5 вольт с током в районе полуампера и на 180-200 вольт с током около 10 мА. Стандартно авторы схем подобных часов решают вопрос питания так: используется внешний импульсный блок питания 220 ->12 вольт, из которых внутри часов делается 5 вольт, а 180 вольт для питания ГРИ получаются вторым импульсным преобразователем из входных 12в. Т.е. по сути в общей цепи питания используется 2 импульсных преобразователя, первый из которых делает 220 – 12, а второй 12 – 180. На мой взгляд – неэффективно. Поэтому я выбрал очень традиционный путь использования готового тороидального трансформатора TorAN15. Внешний вид этого трансформатора представлен на рис 4.

Рис 4. Трансформатор TorAN15

Итак, схема часов определена: это готовый модуль на базе ESP12E, три микросхемы HV5622, датчик освещенности на базе MAX44009 и традиционный (я бы даже сказал консервативный) блок питания. В дальнейшем был добавлен узел определения человека перед часами на базе времяпролетного дальномерного лазерного модуля VL53L0X. Принципиальная электрическая схема часов приведена на рис 5.

Рис 5. Dronsky Nixie clock. Схема электрическая принципиальная

Я разделил коммутацию выводов так: первые три лампы – первая HV5622, вторые три лампы – вторая HV5622, оставшаяся HV5622 управляет лампой со спецсимволами и точками в двух ИН12Б.

На этапе проектирования было неясно, хватит ли быстродействия канала SPI для вывода данных для плавной смены цифр. То, что раз в секунду вывести 96 бит не составит труда для ESP12E – сомнений не вызывало. А вот хватит ли быстродействия для вывода эффектов? По расчетам должно хватить с запасом. Но как известно, гладко было на бумаге…

Поэтому поначалу был запланирован вывод данных в три этапа, в каждую микросхему отдельно. Практическая проверка показала, что быстродействия канала SPI хватает с огромным запасом на эффекты даже при тактовой 4 МГЦ. Даже возможность повысить быстродействие вдвое оказалась невостребованной. В результате все микросхемы соединены в цепочку и вывод 96 бит производится одной командой. По расчетам время вывода 96 бит должно составить 24 мкс. На рис 6 представлена запись логического анализатора вывода семи знаков на ГРИ. Суммарное время вывода, с учетом генерации сигнала LE, составляет менее 30 мкС.

Рис 6. Запись логического анализатора вывода 96 бит каналом HSPI c тактовой частотой 4 МГц

Выводы CLOCK всех микросхем объединены. Вывод DI (Data Input) второй и третьей микросхемы присоединены к выводам DO (Data Out) первой и второй микросхемы соответственно. Выводы LE (Latch enable) объединены, на них подается импульс, переносящий данные из сдвигового в выходной регистр. До момента переноса лампы выводят то, что запомнено в выходном регистре. Выводы BLOCK объединены, присоединены к земле через резистор 1к, чтобы удерживать выходные каскады HV5622 в выключенном состоянии до запуска программы в МК. Мануал рекомендует подать питание, сделать первый вывод данных и затем включить выходные каскады.

Управление яркостью

Эффект плавной смены цифр

Для того чтобы получить зрительный эффект плавной смены цифр нужно в течение времени смены одной цифры на другую (обычно 200-250 мС) включать попеременно старую и новую цифры, причем время горения старой цифры должно уменьшаться, а новой – увеличиваться. Алгоритм смены цифр (подпрограмма change()) выполняет 60 циклов. При запуске алгоритма смены цифр первая цифра включена 100% времени цикла, а вторая 0%. По мере прохождения циклов время включения первой цифры уменьшается со 100% до 0%, а время включения второй – увеличивается с 0% до 100%). Таким образом, алгоритм плавной смены цифр в течении 200 мС и 60 циклов уменьшает яркость первой цифры до погасания, а второй – до полной яркости.

Остальное время секундного интервала цифры включены непрерывно и статично, их общая яркость понижается путем управления общим включением\выключением индикации ШИМ сигналом на выводах BL.

На рис 7 показаны сигналы, записанные логическим анализатором при смене цифр. Видно, что в начале выполнения подпрограммы смены старая цифра включена максимальное время, а новая – минимальное и за время смены (примерно 250 мС) время горения старой цифры уменьшается до 0, а новой нарастает до максимума. Зрительно это проявляется как плавное уменьшение яркости старой цифры с одновременным «протаиванием» новой.

Рис 7. Запись сигналов управления при плавной смене цифр

В данной статье речь пойдет об изготовлении оригинальных и необычных часов. Их необыкновенность заключается в том, что индикация времени осуществляется при помощи цифровых индикаторных ламп. Таких ламп, когда-то, было выпущено огромное количество, как у нас, так и за рубежом. Использовались они во многих устройствах, начиная от часов и заканчивая измерительной техникой. Но после появления светодиодных индикаторов лампы постепенно вышли из употребления. И вот, благодаря развитию микропроцессорной техники стало возможным создание часов с относительно простой схемой на цифровых индикаторных лампах.

Думаю, не лишним будет сказать, что в основном использовались лампы двух типов: люминесцентные и газоразрядные. К преимуществам люминесцентных индикаторов следует отнести низкое рабочее напряжение и наличие нескольких разрядов в одной лампе (хотя среди газоразрядных тоже встречаются такие экземпляры, но найти их значительно сложнее). Но все плюсы данного типа ламп перекрывает один огромный минус – наличие люминофора, который со временем выгорает, и свечение тускнеет или прекращается. По этой причине нельзя использовать б/у лампы.

Газоразрядные индикаторы избавлены от этого недостатка, т.к. в них светится газовый разряд. По сути, этот тип ламп представляет собой неоновую лампу с несколькими катодами. Благодаря этому срок службы у газоразрядных индикаторов гораздо выше. Кроме этого, одинаково хорошо работают и новые и б/у лампы (а часто б/у работают лучше). Без недостатков все же не обошлось — рабочее напряжение газоразрядных индикаторов больше 100 В. Но решить вопрос с напряжение гораздо проще, чем с выгорающим люминофором. В интернете такие часы распространены под названием NIXIE CLOCK:

Сами индикаторы выглядят вот так:

Итак, на счет конструктивных особенностей вроде все понятно, теперь приступим к проектированию схемы наших часов. Начнем с проектирования высоковольтного источника напряжения. Тут есть два пути. Первый – применить трансформатор со вторичной обмоткой на 110-120 В. Но такой трансформатор будет либо слишком громоздкий, либо его придется мотать самому (перспектива так себе). Да и напряжение регулировать проблематично. Второй путь – собрать step up преобразователь. Ну тут уж плюсов побольше будет: во-первых, он займет мало места, во-вторых, в нем присутствует защита от КЗ и, в-третьих, можно легко регулировать напряжение на выходе. В общем, есть все, что для счастья надо. Я выбрал второй путь, т.к. искать трансформатор и обмоточный провод никакого желания не было, да и миниатюрности хотелось. Преобразователь решено было собирать на MC34063, т.к. был опыт работы с ней. Получилась вот такая схема:

Сначала она была собрана на макетной плате и показала отличные результаты. Все запустилось сразу и никакой настройки не потребовалось. При питании от 12В. на выходе получилось 175В. В собранном виде блок питания часов выглядит следующим образом:

На плату сразу был установлен линейный стабилизатор LM7805 для питания электроники часов и трансформатор.
Следующим этапом разработки было проектирование схемы включения ламп. В принципе, управление лампами ничем не отличается от управления семисегментными индикаторами, за исключением высокого напряжения. Т.е. достаточно подать положительное напряжение на анод, и соединить с минусом питания соответствующий катод. На этом этапе требуется решить две задачи: согласование уровней МК (5В) и ламп (170В), и переключение катодов ламп (именно они являются цифрами). После некоторого времени размышлений и экспериментов была создана вот такая схема для управления анодами ламп:

А управление катодами осуществляется очень легко, для этого придумали специальную микросхему К155ИД1. Правда, они давно сняты с производства, как и лампы, но купить их не составляет проблем. Т.е. для управления катодами требуется всего лишь подключить их к соответствующим выводам микросхемы и подать на вход данные в двоичном формате. Да, чуть не забыл, питается она от 5В. (ну очень удобная штуковина). Индикацию было решено сделать динамической, т.к. в противном случае пришлось бы ставить К155ИД1 на каждую лампу, а их будет 6 штук. Общая схема получилась такой:

Под каждой лампой я установил яркий светодиод красного цвета свечения (так красивее ). В собранном виде плата выглядит вот так:

Панельки под лампы найти не удалось, поэтому пришлось импровизировать. В итоге были разобраны старые разъемы, похожие на современные COM, из них были извлечены контакты и после некоторых манипуляций с кусачками и надфилем они были впаяны в плату. Для ИН-17 панельки делать не стал, сделал только для ИН-8.
Самое сложное позади, осталось разработать схему “мозга” часов. Для этого я выбрал микроконтроллер Mega8. Ну а дальше все совсем легко, просто берем и подключаем к нему все так, как нам удобно. В итоге в схеме часов появились 3 кнопки для управления, микросхема часов реального времени DS1307, цифровой термометр DS18B20, и пара транзисторов для управления подсветкой. Для удобства анодные ключи подключаем на один порт, в данном случае это порт С. В собранном виде это выглядит вот так:

На плате есть небольшая ошибка, но в приложенных файлах плат она исправлена. Проводами подпаян разъем для прошивки МК, после прошивки устройства его следует отпаять.

Ну а теперь неплохо было бы нарисовать общую схему. Сказано – сделано, вот она:

А вот так все это выглядит целиком в собранном виде:

Теперь осталось всего лишь написать прошивку для микроконтроллера, что и было сделано. Функционал получился следующий:

Отображение времени, даты и температуры. При кратковременном нажатии кнопки MENU происходит смена режима отображения.

1 режим — только время.
2 режим — время 2 мин. дата 10 сек.
3 режим — время 2 мин. температура 10 сек.
4 режим — время 2 мин. дата 10 сек. температура 10 сек.

При удержании включается настройка времени и даты, переход по настройкам по нажатию кнопки MENU

Максимальное количество датчиков DS18B20 – 2. Если температура не нужна, можно их вообще не ставить, на работу часов это никак не повлияет. Горячего подключения датчиков не предусмотрено.

При кратковременном нажатии на кнопку UP включается дата на 2 сек. При удержании включается/выключается подсветка.

При кратковременном нажатии на кнопку DOWN включается температура на 2 сек.

С 00:00 до 7:00 яркость понижена.

Работает все это дело вот так:

К проекту прилагаются исходники прошивки. Код содержит комментарии так что изменить функционал будет не трудно. Программа написана в Eclipse, но код без каких-либо изменений компилируется в AVR Studio. МК работает от внутреннего генератора на частоте 8МГц. Фьюзы выставляются вот так:

А в шестнадцатеричном виде вот так: HIGH: D9, LOW: D4

Также прилагаются платы с исправленными ошибками:

Данные часы работают в течение месяца. Никаких проблем в работе выявлено не было. Стабилизатор LM7805 и транзистор преобразователя едва теплые. Трансформатор нагревается градусов до 40, поэтому если планируется установка часов в корпус без вентиляционных отверстий, трансформатор придется взять большей мощности. В моих часах он обеспечивает ток в районе 200мА. Точность хода сильно зависит от примененного кварца на 32,768 КГц. Кварц, купленный в магазине, ставить не желательно. Наилучшие результаты показали кварцы из материнских плат и мобильных телефонов.

Кроме ламп, использованных в моей схеме, можно устанавливать любые другие газоразрядные индикаторы. Для этого придется изменить разводку платы, а для некоторых ламп напряжение повышающего преобразователя и резисторы на анодах.

Внимание: устройство содержит источник высокого напряжения. Ток небольшой, но достаточно ощутимый. Поэтому при работе с устройством следует соблюдать осторожность.

PS Статья первая, где-то мог ошибиться/напутать — пожелания и советы к исправлению приветствуются.

Добрейшего времени суток всем уважаемым муськовчанам. Хочу рассказать вам об интересном радиоконструкторе для тех, кто знает с какого конца нагревается паяльник. Вкратце: набор доставил положительные эмоции, интересующимся этой темой — рекомендую.
Подробности ниже (осторожно, много фото).

Начну издалека.
Сам я не отношу себя к истинным радиолюбителям. Но не чужд паяльнику и иногда хочется чего-нибудь сконструировать/спаять, ну и мелкий ремонт окружающей меня электроники стараюсь сначала осуществить своими силами (не нанося невосполнимого вреда подопытному устройству), а уж в случае неудачи обращаюсь к профессионалам.

Однажды под воздействием вот этого обзора я купил и собрал такие-же часики. Сама конструкция там простая и сборка не доставила никаких сложностей. Поставил часы в комнату сына и на время успокоился.

Потом, прочитав обзор этих часиков, мне захотелось попробовать собрать и их, заодно потренировавшись в пайке smd компонентов. В принципе и здесь все заработало сразу, только молчала пищалка звукового сигнала, купил в офлайне, заменил и все. Подарил часы другу.

Но хотелось чего-то ещё, поинтереснее и посложнее.
Как-то, ковыряясь у отца в гараже, наткнулся на останки какого-то электронного прибора советской эпохи. Собственно останки — это некая конструкция из плат, содержавшая в себе 9 газоразрядных индикаторных ламп ИН-14.

Тогда и посетила меня мысль — собрать часы на этих индикаторах. Тем более, что подобные часы, когда-то собранные отцом, я наблюдаю в квартире родителей уже лет 30, если не больше. Плату я аккуратно распаял и стал обладателем 9 ламп выпуска начала 1974 года. Желание пристроить в дело эти раритеты усилилось.

В общем решено было для начала купить конструктор таких часов.
Вот здесь как раз обсуждается этот конструктор, собственно это топик автора (его ник mss_ja) этого набора, где он сам и помогает с сборкой и запуском своих наборов. У него же есть и сайт, где много фото готовых изделий. Там можно купить не только наборы для самостоятельной сборки, но и готовые часы. ПосмотрИте, проникнитесь.

Некоторые сомнения вызывал вопрос доставки, ведь уважаемый автор живет на Украине. Но оказалось, что война — войной, а почта работает по расписанию. Собственно 14 дней и посылка у меня.

Вот такая коробчёнка.

Итак, что-же я купил? А всё видно на фото.

В состав набора входят:
печатная плата (на которой автор любезно распаял контроллер, чтоб мне не мучиться, уж больно ноги у него мелкие). Программа была уже зашита в контроллер;
Пакет с компонентами конструкции. Хорошо видны крупные — микросхемы, электролитические конденсаторы, пищалка и т.д., согласно схемы и описания. Под этим пакетиком ещё один, с мелкими smd компонентами — резисторами, конденсаторами, транзисторами. Все smd элементы наклеены на бумагу с надписанными номиналами, очень удобно. Фото сделано в процессе сборки.

Заготовка под корпус часов не входит в набор по умолчанию, но списавшись с автором, я и её купил. Это перестраховка от своей возможной криворукости, т.к. с деревом дела практически не имею и весь опыт обработки оного сводится к периодическому пилению дров для шашлыка на даче. А хотелось классического вида — типа «стекляшки из деревяшки», как выражаются на форуме радиокота.
Итак, приступим.
Вот собственно и всё, что нам понадобится, чтоб начать сборку. А чтобы её успешно завершить, нам ещё нужны голова и руки.

А нет, не все показал. Без этой штуки можно даже и не начинать. Эти smd элементы такие мелкие…

Сборку начал строго по рекомендации автора — с преобразователей питания. А их в этой конструкции — два. 12В->3.3В для питания электроники и 12В->180В для работы самих индикаторов. Собирать такие вещи надо очень внимательно, предварительно удостоверившись, что паяешь именно то, именно туда и не перепутав полярность компонентов. Сама печатная плата отличного качества, промышленного изготовления, паять одно удовольствие.
Преобразователи питания были собраны и протестированы на наличие соответствующих напряжений, далее начал устанавливать оставшиеся компоненты.

Начиная процесс сборки, я дал себе обещание фотографировать каждый его этап. Но, увлекшись сим действом, вспомнил о своем желании написать обзор только когда плата была уже практически готова. Поэтому следующее фото было сделано когда я начал тестировать индикаторы просто воткнув их в плату и подав питание.

Из девяти добытых мною ламп ИН-14 одна оказалась полностью не рабочей, зато остальные были в отличном состоянии, все цифры и запятые отлично светились. 6 ламп отправились в часы, а две — в запас.

Я специально не стал смывать дату изготовления с ламп.
Обратная сторона

Тут виден коряво установленный фоторезистор, это я искал его лучшее положение.
Итак, убедившись, что схема заработала и часы пошли, я отложил их в сторону. И занялся корпусом. Нижняя часть изготовлена из куска стеклотекстолита с которого я содрал фольгу. А деревянная заготовка была тщательно зашкурена мелкой наждачкой до состояния «приятной гладкости». Ну и далее покрыта лаком с морилкой в несколько слоёв с промежточной сушкой и полировкой мелкой наждачкой.

Получилось не идеально, но, на мой взгляд, хорошо. Особенно учитывая отсутствие у меня опыта работы с деревом.

Сзади видны отверстия для подключения питания и датчика температуры, которого у меня пока нет (да-да, оно ещё и температуру может показывать. ).

Тут несколько кадров в интерьере. Толково сфотографировать никак не удаётся, фото не передают всей «лепоты».

Это показ даты.

Подсветка ламп. Ну куда-же без неё. Она отключаемая, не нравится — не включай.

Замечательная точность хода. С неделю наблюдаю за часами, идут секунда в секунду. Конечно неделя — не срок, но тенденция очевидна.

В заключение приведу характеристики часов, которые я скопипастил прямо с сайта автора проекта:

Часы, формат: 12 / 24
Дата, формат: ЧЧ.ММ.ГГ / ЧЧ.ММ.Д
Будильник настраиваемый по дням.
Измерение температуры.
Ежечасный сигнал(отключаемо).
Автоматическая регулировка яркости в зависимости от освещения.
Высокая точность хода (DS3231).
Эффекты индикации.
---без эффектов.
---плавное затухание.
---прокрутка.
---накладка цифр.
Эффекты разделительных ламп.
---выключены.
---мигание 1 герц.
---плавное затухание.
---мигание 2 герца.
---включены.
Эффекты показы даты.
---без эффектов.
---Сдвиг.
---Сдвиг с прокруткой.
---Прокрутка.
---Замена цифр.
Эффект маятника.
---простой.
---сложный.
Подсветки
---Синяя
---Возможность подсветки корпуса. (Опционально)

Итак, подведу итоги. Часы мне очень понравились. Сборка часов из набора не представляет сложности для человека средней криворукости. Потратив несколько дней на весьма интересное занятие, получаем красивое и полезное устройство, даже с налётом эксклюзивности.

Конечно по нынешним меркам цена не очень гуманная. Но во-первых это хобби, на него тратиться не жалко. А во-вторых автор же не виноват что рубль сейчас ничего не стоит.

Очередное наведение порядка в хламе. Что это там блестит такое стеклянное?

Кажется я уже знаю куда их пристроить.

Читайте также: