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

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 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

  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

  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

  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

  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

  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

  ↑ 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

  

  • Плата с лампами, элементами управления анодами и катодами

  

  • 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

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

  Двухуровневая плата с встроенными контактами для ламп Монтажная 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

  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.