Nixie Time. Схемотехника часов на газоразрядных лампах⁠⁠

Это пост является продолжением предыдущего, в котором я рассказывал о создании часов на газоразрядных лампах. Меня попросили сделать рассказ о том, как разрабатывалось железо.

Традиционно решение какой-либо задачи в электронике начинается с поиска аналогов. В открытом доступе легко гуглятся несколько вариантов схем. Задача инженера рассмотреть все варианты, выбрать оптимальные решения, либо переработать неоптимальные, разработать недостающие части схемы. Стоит понимать, что в разных условиях разные решения могут быть оптимальными. Зависит от кучи факторов: цена компонентов, их доступность, требуемые характеристики устройства (массогабаритные, электрические, интерфейс пользователя).

Мне приглянулась одна из схем на geektimes, которую для перового варианта я содрал практически полностью, по сути заменив лишь микроконтроллер на имевшийся под рукой и отказавшись от ввода питания из розетки (использую блок питания). По той схеме собрал такой макет:

Прошивку писал сам с нуля.

Здесь вылезло несколько проблем:

- У автора была микросхема часов DS1307, использующая внешний кварц. Очень люто убегает время из-за неточного кварца. Заменил часы на DS3231, там кварц термпокомпенсированный внутри микросхемы (датчик измеряет температуру и подстраивает частоту).

- Свист. Свистел дроссель высоковольтного преобразователя (о нем позднее), пришлось менять.

- Круглые лампы выглядят круто, но непригодны для жесткой установки на плату, т.к. во всех цифры под разным углом, выглядит некрасиво. Лампы заменил на ИН-12.

Внимание! Относитесь осторожно к указанным в схеме номиналам элементов и перепроверяйте их, после наладки я актуализировал только перечень элементов, поэтому в схеме могут быть неточности.

Обкатав макет и прошивку начал рисовать свою схему:

Первоначально нужно сделать питание. На вход устройства подается 12 В, микроконтроллеру нужно 5. Для этого стоит U4, это стабилизатор питания на 5 вольт L7805.

U3 это импульсный преобразователь напряжения. Так как лампам нужно напряжение около 180 вольт, приходится 12 вольт подавать на дроссель, а потом резко снимать с него это напряжение. Так как дроссель стремится сохранить в себе ток, напряжение в нем растет и заряжает высоковольтный конденсатор C10. Диод D1 не дает высокому напряжению утекать обратно, подойдет любой, который выживает при таких напряжениях, но лучше Шоттки. Напряжение на дросселе коммутируется транзистором Q16, который в свою очередь управляется микросхемой через пару вспомогательных транзисторов Q14 и Q15, чтоб Q16 открывался и закрывался дико дерзко и не вздумал греться. С2 это частотозадающий конденсатор, с какой частотой наша микросхема будет дергать дроссель. Ну и чтобы напряжение не стало выше необходимого к микросхеме идет обратная связь через резисторы R7, R6 и R5. Так она анализирует сколько вольт уже есть на конденсаторе. Расчет всех номиналов довольно муторный, но в интернетах есть отличные автоматические считалки. Едем дальше:

Тут наш микроконтроллер ATMEGA16, в принципе с задачей справится и восьмая мега. Рядышком разъем для программатора JTAG и конденсаторы (у каждой питательной ноги должен рядом стоять конденсатор, иначе контроллер может нестабильно работать). Слева микросхема дешифратора, по-советски К155ИД1, она получает двоичный код цифры и зажигает нужный катод лампы, притягивая его к земле, а остальные оставляет болтаться в воздухе (не совсем, но не важно). Справа D2 - это микросхема часов, точнее маленькая платка с уже распаянной микросхемой и ее обвязом. Взята у китайских братьев. Почему-то плата с микросхемой стоит дешевле, чем купить микросхему. Батарейка резервного питания часов находится там же.

Внимательный читатель не знакомый с динамической индикацией конечно же спросит, как так, микросхема дешифратора одна, а ламп четыре? Все просто, динамическая индикация, это такая штука, когда единовременно горит только одна лампа, но они быстро-быстро переключаются и кажется, что горят все. Питание на лампы подает вот такой каскад транзисторов:

Тут все просто, транзисторы в ключевом режиме. Микроконтроллер подает напряжение на Q3, он открывается, напряжение между R12 и R13 просаживается и открывает Q2, который и подает ток на лампу. Ток лампы ограничивается R10. Такой каскад нужен для каждой лампы, на разделители между часами и минутами я задействовал два каскада, но потом подключил обе точки к одному. Ток маленькой неонки разделителя гораздо меньше, R10 будет что-то около 200кОм.

Соответственно вот так подключены лампы. Уже на плате я внес исправление и высвободившийся каскад от разделителей, точнее Q3 от него выделил для поджига запятой на левой лампе. Так указываю то, что будильник включен.

Здесь транзистор, который пропускает ток через спикер будильника, подключенный к разъему J5. J3 и J4 это разъемы кнопок, одна часть подтянута к питанию и идет на МК, другая на земле. Когда кнопка будет нажата - на обоих контактах будет земля и МК обработает изменение напряжения с высокого на низкое. Будьте аккуратны с выбором кнопок, нужны без сильного дребезга, хорошо замыкающиеся. Отлично подойдут тактовые кнопки, но я не видел таких с креплением на корпус. J1 и J2 дырки под запайку центральных неонок-разделителй.

Еще одна вещь которой нет на схеме - датчик яркости. Я использовал фоторезистор. Нужно сделать резисторный делитель из фоторезистора и обычного резистора (я взял 12 кОм), а их среднюю точку завести на АЦП микроконтроллера. Измеряя напряжение этой средней точки можно узнать насколько светло снаружи и регулировать яркость ламп во время динамической индикации, т.е. зажигать их на более короткий период времени, и выжидать некоторое время в состоянии когда ни одна лампа не светится.

Такая милота получается после сборки. Если не дружите с AVR C, все то же самое можно сбацать и на народном ардуино. Как рассмотреть вопросы тонкостей программирования в рамках статьи я к сожалению не знаю, там нужен довольно широкий пласт знаний, кто знает - тот и сам напишет, а кто нет - тому за раз не рассказать.

В процессе как всегда набиты некоторые шишки и в следующей версии следует исправить некоторые проблемы:

- К155ИД1 стоит дорого, купить сложно. Можно заменить на горсть транзисторов.

- Выводные элементы. Бесят, жалею что сразу не взял транзисторы поверхностного монтажа. Паять неудобно.

- От электролитов в схеме по возможности стоит отказаться, через десяток лет могут и подсохнуть, но взяты они с хорошим годным запасом, а в часах не жарко.

- Еще можно рассмотреть идею установки GPS для получения времени. Тогда нужно только часовой пояс настроить. Фишка клевая, но смысла нет, так как часы за год убегут не больше, чем на минуту.

- Часы с батарейкой хочется таки распаять на основной плате, но будет чуть сложнее растрассировать плату в тех же габаритах. Вообще почему-то большинство авторов подобных часов использует структуру из нескольких плат, вероятно не могут уместить все на одной.

P.S. если есть технические вопросы, пишите их по возможности в ВК в сообщения сообщества(ссылка есть на одной из фоток в предыдущей статье, текстом ее писать нельзя по правилам). Здесь в комментах не очень удобно отвечать. Только в сообщество, а не админу, а то у меня и так уже кавардак в личных сообщениях)

P.P.S исходники печатной платы не отдам, извиняйте. К тому же это хорошее упражнение для ума. Исходники схемы отдам без проблем, PDFку или для Proteus (вообще гадкая среда, пожалел, что стал в ней делать). Исходники прошивки отдам любому, кто продемонстрирует, что у него уже готово устройство по моей схеме. Куда обращаться указал выше :)