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
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.
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.
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.
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.
Полная схема часов на газоразрядных лампах ИН-14
При необходимости эту схему можно значительно упростить, убрать светодиодную подсветку, цифровой термометр и лампы для разряда секунд с элементами катодного и анодного управления.
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.
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.
Радиодетали, необходимые для сборки часов
Такой способ изготовления часов на газоразрядных лампах может осуществить человек, имеющий определенные знания в электронике и практические навыки. Начинающим можно воспользоваться услугами сайта http://vrtp.ru/index.php?showtopic=25695. Можно заказать за 800 рублей готовые печатные платы с подробными инструкциями, в которых прописано, что и куда паять. За 2 500 продается полный набор «Сделай сам», на лампах с прошитой микросхемой и остальными деталями. Можете за 3 500 рублей купить готовые часы, но это не интересно, если вы хотите что-то собрать своими руками.
Источник