Андрей Смирнов
Время чтения: ~12 мин.
Просмотров: 0

Часы на газоразрядных лампах (ГРИ), они же Nixie clock

Часы с GPS-синхронизацией времени и винтажными индикаторами ИН-12. Наш вариант Nixie Tube Clock

Не думал, что спустя много лет я вернусь к часам на газоразрядных индикаторах. В конце 70-х я собирал подобные часы на микросхемах 155-й серии, плата выглядела внушительно, по 5 Вольтам потребляли не мало, да и малогабаритными их нельзя было назвать…

Собрать такие винтажные часы попросил меня мой сын, увидел он их на просторах Интернета, где они зовутся Nixie Tube Clock, ну и загорелся. Порыскал я по Инету, схем много, на разных лампах, на любой вкус, но просто повторить — это не по мне, я люблю делать свое, так намного интереснее и приятнее.

Схемы часов на газоразрядных индикаторах ИН-14

В прошлом веке газоразрядные индикаторы использовались очень активно на многих приборах: в часах, измерительной аппаратуре, частотомерах, осциллографах, весах и многих других. Со временем их вытеснили жидкокристаллические дисплеи, технология изготовления которых проще и менее затратна, а самое главное, они компактнее и имеют большее количество разрядов. Дисплеи на жидких кристаллах дают возможность отображать показания с большей точностью.

«Red Dragon» — часы на газоразрядных индикаторах ИН-14 + PIC16F628A

Начал подбирать кварцевые резонаторы, но ухода менее чем на минуту за один день мне почему-то добиться не удалось.

Решил по старым советским схемам собрать стабильный генератор на логических элементах.

Генератор позволил добиться точности до полсекунды за один день. Результат средний, к тому же, требующий использования частотомера высокого класса точности для проведения настройки. В настроенном генераторе необходимо было законтрить переменную емкость, залакировав её, что вновь приводило к уходу частоты по той простой причине, что лак стягивал зазоры подстроечного конденсатора. Помимо того, введение схемы стабильного генератора повышало токопотребление часов.

Помучавшись с неделю, я решил попробовать повторить другой проект часов на ламповых индикаторах, и обязательно — с программной коррекцией хода. Тема не новая и за всё время было много удачных исполнений подобной идеи.

Часы на ГРИ и Arduino v2 [18.03.20]

Решил я сделать максимально простой и доступный проект часов на газоразрядных индикаторах и Arduino! Односторонняя плата, выводные компоненты, никакой жести!

Плата:

  • Габариты платы меньше 100х100мм, то есть заказать 10 таких плат у китайцев будет стоить $2 без учёта доставки
  • Плата односторонняя, её без проблем можно сделать классическим ЛУТом!
  • Все компоненты – выводные, припаяет даже новичок
  • Т.е. плата народная: можно сделать её бабкиным утюгом и распаять горячим гвоздём!
  • Количество компонентов сведено к минимуму!
  • На данный момент в проекте есть платы под индикаторы ИН-12 и ИН-14, возможно будут сделаны и другие
  • Система состоит из двух плат: нижней (вся управляющая электроника) и верхней (лампы и светодиоды подсветки)
  • Нижних плат два варианта: обычная (4 оптопары, точка – светодиод) и с дополнительной оптопарой под неоновую точку (5 оптопар, точка – неонка)
  • У плат ИН-14, ИН-12, ИН-12_перевертыш нижняя часть одинаковая! Части плат взаимозаменяемы. Нижняя плата отличается только у ИН-14_неон

Аппаратные фишки:

  • Сердце платы – полноразмерная Arduino NANO, это означает простую сборку и прошивку
  • Питание всей схемы – 5 Вольт
  • Генератор высокого напряжения раскачивается ШИМ каналом Arduino
  • Напряжение генератора подстраивается резистором с крутилкой
  • Время задаёт RTC DS3231
  • 3 кнопки для настройки времени и будильника
  • Пищалка для будильника
  • Подсветка ламп индикаторов
  • Проект основан на плате Железнякова Андрея. Спасибо! Ссылка на проект: https://goo.gl/xTVQWP

Программные фишки:

  • “Перебор” цифр, не дающий индикаторам окисляться
  • Плавное изменение яркости точки и подсветки ламп
  • Настройка яркости цифр, “точки” и подсветки ламп
  • Два режима яркости в зависимости от времени суток
  • 6 режимов переключения индикаторов
  • 3 режима подсветки ламп
  • Будильника пока что нет

Тёплые ламповые часы на газоразрядных индикаторах ИН-14, ATMEGA8, DS1307 и MC34063. Nixie-clock из Тулы

Часы на ИН-14

Изучил варианты схем в интернете. Обычно Nixie-часы состоят из четырёх основных частей:
1. управляющий микроконтроллер,
2. высоковольтный блок питания,
3. драйвер-дешифратор и собственно лампы.

В большинстве схем в качестве дешифратора используются советские микросхемы К155ИД1 — «высоковольтные дешифраторы управления газоразрядными индикаторами». Мне найти такой чип не удалось, да и не очень хотелось использовать DIP-корпуса.

Содержание / Contents

↑ Схема новых часов на PIC16F628A

Основа схемы строится на микроконтроллере PIC16F628A, который отдаёт сигналы на дешифратор К155ИД1 и управляет анодными ключами.

Питается схема от одного источника +12 В. Стабилизатор типа LM78L05 выдаёт +5 В для питания микросхем. Высокое напряжение, необходимое для питания газоразрядных индикаторов, получил от инвертора на микросхеме MC3403. Подстройка выходного напряжения производится делителем, включенным в обратную связь.
Недостаток подобной схемы инвертора в отсутствии буферного ключа в цепи полевого транзистора. Общее токопотребление схемы инвертора составляет 230 мА.
Неоспоримый плюс – подстройка выходного напряжения, и как следствие регулировка яркости свечения индикаторов.

Прошивка реализует мою основную потребность – подстройку константы, влияющую на ход часов без использования прецизионных кварцевых резонаторов. Приятным бонусом оказалась функция будильника.

Область применения в наше время

Сейчас газоразрядные индикаторы с цифрами промышленность уже не делает, но в свое время их наштамповали столько, что до сих пор они пылятся на складах и в частных запасах. Их можно уже назвать антиквариатом, ну как, например, во многих домах есть винтажные подсвечники, которые используются как декоративный элемент интерьера. Так и часы на газоразрядных лампах – завораживают своей подсветкой и являются отличным добавлением к интерьеру различных помещений, особенно обустроенных в стиле ретро.

Вещь красивая и полезная, но заводами, увы, уже не производится. Можно сделать их самому или купить готовые у людей, специализирующихся на их производстве. Разработано немало схем часов с применением газоразрядных индикаторов на старых и новых микросхемах. Рассмотрим наиболее простые варианты.

КОМПОНЕНТЫ

Каталоги ссылок на Алиэкспресс на этом сайте:

Стараюсь оставлять ссылки только на проверенные крупные магазины, из которых заказываю сам. Также по первые ссылки ведут по возможности на минимальное количество магазинов, чтобы минимально платить за доставку. Если какие-то ссылки не работают, можно поискать аналогичную железку в каталоге Ардуино модулей . Также проект можно попробовать собрать из компонентов моего набора GyverKIT .

  • Arduino Nano купить в РФ, aliexpress, aliexpress, искать
  • Часы DS3231
    • Обычные aliexpress, aliexpress, искать
    • Мини aliexpress, aliexpress, искать
    • Мне рекомендовали поставить диод BYV26C – он быстрее
    • 150 Ом
    • 470 Ом
    • 10 кОм
    • 100 Ом – 3шт
    • 200 кОм
    • 470 Ом
    • 10 кОм
    • 100 Ом – 3шт

    ↑ Схема часов, применённые детали

    Рисунок 1. Схема часов

    Рисунок 1. Схема Nixie-часов на МК

    На микросхеме U4 MC34063 собран повышающий «dc-dc» преобразователь с внешним ключом на IRF630M в полностью изолированном корпусе. Транзистор взят с платы монитора.
    R4+Q1+D1 являются простым драйвером для ключа, быстро разряжая затвор. Без такого драйвера ключ сильно грелся и не получалось получить необходимого напряжения.

    R5+R7+С8 — обратная связь, определяющая выходное напряжение на уровне 166 Вольт. Транзисторы Q3-Q10 совместно с резисторами R8-R23 составляют анодные ключи, позволяя организовать динамическую индикацию.

    Резисторы R8-R11 задают яркость свечения цифр индикатора, а резистор R35 – яркость разделительной точки.

    Одноименные выводы всех ламп за исключением анода соединены между собой и управляются транзисторами Q11-Q21.

    Микроконтроллер ATMEGA8 управляет ключами ламп, он же опрашивает микросхему часов реального времени (RTC) DS1307 и кнопки.

    Диоды D3 и D4 обеспечивают генерацию запроса внешнего прерывания по нажатию на любую из кнопок управления.

    Питание контроллера выполнено через линейный стабилизатор 78L05.

    Лампы ИН-14 — индикаторы тлеющего разряда.


    Так сказать э… калькулятор «Искра 122». Фото

    Индикаторы ИН-14 от монструозного калькулятора «Искра 122» 1978 года выпуска светят без проблем и достались мне за «спасибо, что освободил мой балкон».

    Питать конструкцию можно постоянным напряжением 6 — 15 Вольт от внешнего БП. Потребление менее одного Ватта (70 мА при 10 В).

    Для сохранения хода часов при сбоях питания, предусмотрена батарейка CR2032. Если верить даташиту, потребление у DS1307 всего 500nA при батарейном питании, так что этой батарейки хватит очень надолго.

    Этапы сборки часов

    Для начала надо понять принцип работы индикаторных элементов ИН-14, практически это неоновые лампочки с группой катодов в виде цифр. В зависимости от подачи питания светится тот или иной катод поочередно, применяется принцип лампы накаливания с газоразрядным процессом.

    Конструкция и основные параметры газоразрядного индикатора ИН-14

    Конструкция и основные параметры газоразрядного индикатора ИН-14

    Ресурс работы таких индикаторов огромный, потому что нет длительной и большой нагрузки на один катод. Для полноценной подсветки необходимо напряжение не менее 100 В, поэтому начнем проектирование с источника питания.

    Блок питания

    Вариант с трансформатором, на вторичной обмотке которого будет 170 или 180 В, исключаем сразу по причине больших габаритов и веса. Подбирать железо, провода и мотать самостоятельно – дело неблагодарное и утомительное. Практичнее применить преобразователь напряжения на микросхеме MC34063, имеющий малые габариты, вес и стабильные параметры.

    Схема блока питания на базе преобразователя напряжения MC34063

    Схема блока питания на базе преобразователя напряжения MC34063

    Все элементы монтируются на печатную плату, после сборки в большинстве случаев настройки не требуется, с 10–12 В преобразователь дает 175–180 В. Как видно, трансформатор в схеме присутствует, но очень маленький и легкодоступный для быстрого самостоятельного изготовления, такой можно купить в торговых сетях. На выходе вторичной обмотки 9–12 В переменного тока приходят на диодный мост (выпрямитель). Линейный стабилизатор LM7805 предназначен для питания электронных элементов часов.

    Схема для включения ламп

    Эта схема решает проблему согласования управляющего напряжения на микросхеме 5 В и управляемого напряжения питания анодов. Положительный потенциал 180 В подается на анод, а отрицательный – на катоды соответствующих цифр.

    Схема управления подключением анодов лампы

    Схема управления подключением анодов лампы

    Включение катодов производится схемой на базе старой микросхемы К155ИД1, которая запитывается от напряжения 5 В, что в нашем случае очень удачно. Микросхемы 155-й серии сняты с производства, но не являются дефицитом, их легко можно купить в торговых сетях и на радиорынках. Чтобы не паять микросхему к каждой лампе, схема управления катодами делается по динамическому принципу.

    Схема с элементами управления анодами и катодами ламп

    Схема с элементами управления анодами и катодами ламп

    Теперь блок питания, схему управления катодами и анодами надо подключить к процессору часов DS1307, для согласования идеально подходит микроконтроллер Mega8.

    ↑ Управление часами

    После подачи питания загорятся четыре нуля, и, если связь с микросхемой DS1307 установлена без ошибок, начнёт мигать разделительная точка.

    Установка времени выполняется с помощью трёх кнопок «+», «-» и «set». Нажатие на кнопку «set» погасит часовые разряды, далее, с помощью кнопок «+» и «-» настраиваются минуты. Следующее нажатие на кнопку «set» переведёт в режим настройки часов. Ещё одно нажатие на «set» сбросит в 0 секунды и переведёт часы в режим отображения времени «ЧЧ:ММ». Замигает разделительная точка.

    Удерживая кнопку «+» можно в любой момент посмотреть текущее время в режиме «ММ:СС».

    ↑ Схемы модулей на ЕВ-500 и MSTAR1316:

    Следует обратить внимание на конденсатор С3 в цепи антенны. При использовании пассивной антенны его надо поставить обязательно, а вот при использовании активной поставить перемычку. Здесь присутствует 2.5-2.8 Вольт для питания активной антенны, поэтому старайтесь избегать закорачивания этого вывода, есть вариант остаться без модуля!
    Часы могут работать и без GPS модуля, но об этом ниже.

    Часы с контроллером и кнопками управления

    В состав этой схемы входят:

    • часы DS1307;
    • контролер Mega8;
    • DS18B20 цифровой термометр;
    • транзисторы для светодиодной подсветки;
    • кнопки для управления настройками времени.

    При необходимости эту схему можно значительно упростить, убрать светодиодную подсветку, цифровой термометр и лампы для разряда секунд с элементами катодного и анодного управления.

    ПРОШИВКА

    Прошивки находятся в скачанном архиве в папке firmware:

    • lamp_test – прошивка для теста ламп, перебирает цифры на лампах по очереди (сначала 0–9 на первой, потом на второй…), пауза перебора задаётся в самом начале скетча
    • nixieClock_2_test_v1.1 – “минимальная” прошивка чисто для работы с лампами, на её основе можно написать свои часы. В сыром виде прошивка перебирает по очереди цифры на всех лампах одновременно
    • nixieClock_2_v2.5 – основная прошивка часов, со всеми эффектами, временем и прочим прочим

    В самом начале кода находятся настройки. Самая важная для вас – выбор типа платы, по умолчанию выбрана плата под ИН-12. Для ИН-14 нужно сменить цифру с нуля на на 2, получится BOARD_TYPE 2

    Прошивка микроконтроллера

    Программное обеспечение для часов из газоразрядных индикаторных ламп написано на Eclipse, без искажений транслируется в AVR Studio, коды с комментариями, что значительно упрощает процесс.

    Положение выставляемых фьюзов

    Положение выставляемых фьюзов

    В результате прошивки устанавливаются определенные режимы и процесс управления ими. При кратковременном нажатии кнопки «MENU» по кругу отображаются режимы:

    • режим №1 – времени (отображается постоянно);
    • режим №2 – 2 мин. время, 10 сек. дата;
    • режим №3 – 2 мин. время, 10 сек. температура;
    • режим №4 – 2 мин. время, 10 сек. дата и 10 сек. температура;
    • режим настройки времени и даты устанавливается удержанием кнопки «MENU»;
    • кратковременное нажатие на кнопку «UP» (2 сек.) отображает дату, удержание этой кнопки отключает или включает подсветку;
    • кратковременное нажатие «DOWN» (2 сек.) отображает температуру;
    • понижение яркости почасовой программой с 00.00 часов до 7 утра.

    ↑ Список деталей

    Таблица 1. Список деталей

    Таблица 1. Список деталей

    ↑ Итого

    Это часы, которые я сделал для сына, получились очень компактные и симпатичные. В этих часах стоит пассивная антенна, а сами часы стоят в 5 метрах от окна внутри комнаты, дом кирпичный, 7 этаж и несмотря на это спутник ловится всегда!

    Соединение основных элементов и особенности эксплуатации

    В конечном итоге вся система состоит из трех печатных плат:

    Блок питания, преобразователь напряжения на базе MC34063

    • Блок питания, преобразователь напряжения на базе MC34063

    Плата с лампами, элементами управления анодами и катодами

    • Плата с лампами, элементами управления анодами и катодами

    Плата с контролером Mega8 и часами DS1307

    • Плата с контролером Mega8 и часами DS1307

    Для компактности плата сделана с двухсторонним расположением элементов, такой вариант печатных плат не догма, есть другие. Когда часы, управление катодами и анодами монтируются на одной плате, а блок питания на другой, для разряда секунд используются лампы поменьше – ИН-8. Иногда лампы выносят вообще на отдельную панель и делают двухуровневую конструкцию, на первом уровне размещается плата с часовой микросхемой и элементами управлением катодами и анодами. На втором уровне – плата с панелями для ламп, все зависит от фантазии разработчика.

    Лампы ИН-14 сняты с производства, может возникнуть проблема с приобретением панелей для них. В этом случае можно использовать контакты разъемов D-SUB формата «мама» или цанговых линеек, подходящих по диаметру.

    Отрезок цанговой линейки и фабричная круглая панель для лампы

    Отрезок цанговой линейки и фабричная круглая панель для лампы

    Пластик линейки можно аккуратно раскрошить пассатижами и извлечь контакты, которые впаиваются в просверленные отверстия на печатной плате.

    Двухуровневая плата с встроенными контактами для лампДвухуровневая плата с встроенными контактами для ламп Монтажная конструкция блока питания и часовМонтажная конструкция блока питания и часов

    Теперь остается эту конструкцию упаковать в корпус (самый простой вариант – это прямоугольный короб). Материал может быть самый разнообразный: пластик, фанера, обклеенная кожей или другим декоративным материалом.

    Варианты корпуса для часов на газоразрядных лампах

    Варианты корпуса для часов на газоразрядных лампах

    Трансформатор блока питания нагревается не более чем на 40 ̊С, поэтому в корпусе рекомендуется делать вентиляционные отверстия для стабильного обеспечения тока в 200 мА. Точность хода часов зависит от стабильной работы кварца 32,768 КГц, который рекомендуется брать из материнских плат ПК или сотовых телефонов, так как в торговых сетях часто попадается некачественная продукция.

Рейтинг автора
5
Подборку подготовил
Максим Уваров
Наш эксперт
Написано статей
171
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации