Андрей Смирнов
Время чтения: ~11 мин.
Просмотров: 0

Ламповые часы Nixie clock своими руками

«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.

Цифровые электронные часы на индикаторах ИН-12 или ИН-18 (К176ИЕ12, К561ИЕ8)

Схема и описание цифровых электронных часов на индикаторах ИН-12(ИН-18) и микросхемах К176ИЕ12, К561ИЕ8. В настоящее на просторах интернета можно встретить множество всевозможных схем и конструкций часов на микроконтроллерах и практически уже нет схем на обычной логической элементной базе.

Я нашел только три подробных схемы электронных часов на логических микросхемах. Схемы устройств на основе микроконтроллеров, можно сказать, по всем параметрам выигрывают у старых схем на обычной элементарной базе.

И тем не менее, не у всех есть навыки работы и программирования микроконтроллеров. Стоит заметить, что и далеко не у всех радиолюбителей есть возможность приобрести сами микроконтроллеры, в силу тех или иных причин.

Имея в наличии старые запасы микросхем серий к176 и к561, решил подарить им вторую жизнь, собрав часы по найденной в журнале радиоконструктор (№3,2013) схеме.

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.

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.

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.

↑ 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.

Принципиальная схема

Как видно из схемы отображение времени ведется на четырех индикаторах ИН-14.

Принципиальная схема самодельных цифровых часов на индикаторах ИН-14 (ИН-18) и К176ИЕ12, К561ИЕ8

Рис. 1. Принципиальная схема самодельных цифровых часов на индикаторах ИН-14 (ИН-18) и К176ИЕ12, К561ИЕ8.

Для добавления к часам секундных разрядов нужно собрать еще одну схему со счетчиком, как для счета минут (на D2 и D3), подключить эти два счетчика последовательно уже имеющимся: с 12-го вывода счетчика десятков секунд подать импульсы на вывод 14 D2.

Также, нужно на вход нового счетчика единиц секунд (вывод 14) подавать импульсы с периодом не в одну минуту, а в одну секунду (берем с вывода 4 D1). Получается что для добавления секундных сегментов понадобится еще две микросхемы К561ИЕ8, два индикатора и 16 высоковольтных транзисторов.

Содержание / Contents

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.

↑ Практическая реализация

Недостаток подобной реализации в габаритах, но с другой стороны присутствует и универсальность. Можно развести плату индикации под любые другие газоразрядные индикаторы, не трогая плату управления.

Детали и печатная плата

К сожалению, автор статьи не приложил печатной платы, поэтому пришлось делать ее самосточтельно. Фото печатной платы можно видеть на следующих рисунках.

Рисунок печатной платы для самодельных цифровых часов

Рис. 2. Рисунок печатной платы для самодельных цифровых часов.

Не стремился сделать ее идеальной, без навесных проводников, а поэтому получилась она довольно простой. Все остальные соединения электронных компонентов, которые отсутствуют на рисунке печатной платы, выполнил соединительными проводниками.

Фото готовой печатной платы

Рис. 3. Фото готовой печатной платы.

Благо дело схема весьма простая и не сложно разобраться что и куда. На бумаге печатка исправлена, без ошибок и в травленом виде тоже без ошибок.

Печатная плата с впаянными электронными компонентами и проволочными соединениями

Рис. 4. Печатная плата с впаянными электронными компонентами и проволочными соединениями.

Получилось, немножко корявенько и не очень аккуратно, тем не менее вполне работоспособно.

Мною сразу был сделан вариант часов с секундами. Секундные счетчики у меня обозначены D7 D8.

От себя добавлю: вывод 12 D8 нужно подсоединить к выводу 14 D2 через через резистор сопротивлением 2,2 КОм. Без использования резистора перестанет работать установка времени.

↑ Запуск и настройка часов

Собрал все элементы, вытравил платы и провёл монтаж. Настало время проверки и настройки блока питания. Сначала запустил БП на холостом ходу. Стабилизатор 78L05 работал, как положено.
Инвертор выставил на напряжение, близкое к нижней границе зажигания индикаторов – порядка 170-175 В при помощи подстроечного резистора 2кОм.

Поставил микросхемы в панельки и тут приключилось непредвиденное. По неустановленной причине пробился чип 78L05, погорели микросхемы от перенапряжения питания.
В результате тестов выяснил, что попадаются бракованные дешифраторы К155ИД1. Проверка сопротивления между пинами питания показывает значение около 10 Ом. Подобное могло стать причиной выхода из строя стабилизатора 78L05.

Поставил новый исправный дешифратор, сходил за новой микросхемой PIC16F628A в радиомагазин, запрограммировал с помощью PIC K150 ICSP USB Programmer .

Для наглядности предлагаю вашему вниманию короткий видеоролик. На видео показаны режимы коррекции времени: сброс секунд, установка минут, установка часов.

Держу кнопку более 1 секунды и вхожу в режим подстройки константы. Как вы видите, текущая константа у меня равна 1292 микросекунд. Весьма далеко от начальной величины в 1032 микросекунд.
Четыре дня мне потребовалось, чтобы внести коррекцию хода часов. Изначально часы отставали на 2 минуты за сутки. 2 дня ушло на внесение грубых настроек и так же 2 дня на точную подстройку. В конечном итоге я не заметил отставания или спешки часов ни на секунду в течение недели. Коррекция хода завершена.

Примерно через 3 недели разрядился элемент питания 2032 и часы перестали запоминать настройки и текущее время при пропадании питания. Отмечу, что установленная константа при этом не сбивается. Решил выйти из положения просто – ввёл более громоздкий элемент питания – две батарейки типа АА.

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.

↑ 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.

↑ Фото собранной платы часов

Фото 1. Плата снизу

Фото 1. Плата часов снизу

Фото 2. Плата часов сверху

Фото 2. Плата часов сверху

Фото 3. Часы в процессе сборки

Фото 3. Часы в процессе сборки

Фото 4. Готовые часы

Фото 4. Готовые часы

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.

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