Ламповые часы Nixie clock своими руками
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:
Для сравнения размеров рядом находится индикатор ИН-8-2 с высотой символа 18 мм.
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.
Так как я пока не умею самостоятельно писать прошивки для микроконтроллеров, следующим этапом был поиск подходящего проекта в открытом доступе. В этом мне в частности помог сайт Радиокот, где есть тема с огромным количеством различных устройств на ГРИ. В этом плане большой плюс — универсальность решений: без труда в схему часов на ИН-8-2 можно установить лампы ИН-16, например, и наоборот.
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.
Далее — экспорт в формат gerber, заказ на Jlcpcb.com и около месяца ожидания (расплата за самую дешёвую доставку).
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.
Финал
Корпус готов, лампы установлены — вот и всё:
Сравнение размеров с аналогичными часами на ИН-8-2:
При другом освещении:
А теперь самое время написать о возможностях часов. Помимо времени они могут показывать дату (в формате «день, месяц, номер дня недели») и температуру (в моём варианте датчик температуры не установлен, но место под него на плате предусмотрено) по нажатию кнопки или автоматически каждую минуту. Ещё одна полезная функция — наличие трёх режимов смены цифр: в первом цифры плавно гаснут, затем плавно загораются следующие; во втором при смене цифр происходит быстрый перебор всех цифр в лампе; в третьем цифры при смене накладываются друг на друга. Всё это показано на трёх видео ниже.
Работают часы от блока питания на 12В 0,5А (потребляют не более 200мА), при отключении от сети за счёт батарейки CR2032 ход времени будет поддерживаться много месяцев.
Перед видео хочу сказать о единственном существенном (на мой взгляд) недостатке динамической индикации — при съёмке на камеру телефона можно увидеть мерцание индикаторов, незаметное для глаз. И я заранее извиняюсь за качество видео, фото- и видеосъёмка — не совсем моё.
Источник
Часы на газоразрядных индикаторах
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.
Источник
