Неоновые часы своими руками

Как выглядит большинство современных электронных часов? Легко представить пластмассовый корпус, сегментные цифры на сером жк — табло, или светящиеся на светодиодном. Без разницы все они очень обыденные и похожи друг на друга, как две капли воды. Для изготовления наших неоновых часов мы обратимся к эпохе кибернетики, и сделаем их по самым несовременным технологиям!

Неоновые индикаторы

Прототипы неоновых индикаторов, всемирно известных как NIXIE, были разработаны в небольшой лаборатории производителя электровакуумных приборов Haydu Brothers Laboratories, которую впоследствии выкупила фирма Burroughs Corporation вместе с принадлежащей ей торговой маркой NIXIE. А в 1954 году индикаторы были представлены на рынок. Название NIXIE было получено из аббревиатуры «NIXI» [Numeric Indicator experimental No. 1), и прочно укрепилось в обиходе для обозначения неоновых газоразрядных индикаторов. Надо заметить, что первые серийные индикаторы появились еще в 1930-х годах, но в то время их применение было сильно ограничено грубой конструкцией самих приборов и еще недостаточно развитой элементной базой. А самые первые приборы индикации, работающие на основе принципа тлеющего разряда, были запатентованы в 1920 году, когда после изобретения радиоламп началось мощное и интенсивное изучение электрических процессов в вакууме и сильноразреженных газах.

Принцип работы NIXIE

Неоновые индикаторы — это газоразрядные приборы низкого давления, работающие на основе процессов тлеющего разряда. Прежде чем приступить к объяснению принципа работы газоразрядных приборов, рассмотрим процесс прохождения электрического тока в газе. Под действием сильного электрического поля с атомов инертного газа срываются электроны, которые устремляются к аноду, а оставшиеся положительно заряженные ионы направляются к катоду. Этот процесс называется пробоем газового столба. Затем, в результате интенсивной бомбардировки катода положительными ионами, начинается вторичная электронная эмиссия, и возникает устойчивый тлеющий разряд. Одновременно с процессом ионизации газа происходит и обратное явление, при котором ионы превращаются в нейтральные атомы. Превращение ионов газа в нейтральные атомы называется рекомбинацией; при этом выделяется энергия, под действием которой происходит свечение ионизированного газа.

Непосредственно к катоду 1 примыкает тонкое, толщиной в доли миллиметра, астоново темное пространство 2. Здесь электроны, выбитые из катода, еще не успели приобрести скорости, достаточные для возбуждения атомов газа, поэтому в этой области свечения нет. Далее идет светящаяся пленка 3, в которой разогнанные электроны возбуждают, но еще не ионизируют атомы инертного газа. Возбужденные атомы испускают кванты света с характерным для этого газа цветом свечения. Так, тлеющий разряд в неоне сопровождается интенсивным красно-оранжевым светом.

Затем следует темное катодное пространство 4, в котором начинаются процессы ионизации атомов, а также нарастают электронные лавины. Образовавшиеся в этой области положительные ионы несутся назад, бомбардируя катод и вызывая вторичную электронную эмиссию. Большое количество быстрых лавинных электронов атакует следующий слой. Начинается он резкой светящейся границей и называется областью тлеющего свечения 5. Здесь происходит рекомбинация электронов с положительными ионами.

Тлеющее свечение постепенно переходит в фарадеево темное пространство 6, куда быстрые электроны, рожденные электронными лавинами, уже не долетают. За этим пространством следует положительный столб разряда 7, занимающий всю оставшуюся область до анода 8 и светящийся благодаря процессам рекомбинации. Напряжение, при котором образуется тлеющий разряд, называется напряжением зажигания. Зависит оно от множества факторов, таких как состав газа, давление, расстояние между электродами, их материал и форма. В основу работы газоразрядных индикаторов положено явление светящейся пленки около катода. Неоновый индикатор представляет собой стеклянную колбу с набором запаянных е нее электродов, наполненную разряженным неоном. Анод изготавливается в виде стакана, накрытого сеткой, и на него подается положительное потенциал. Катоды в виде проволоки сформированы в одну из десяти арабских цифр и помещены внутрь стакана. Если на один из катодов подать отрицательный потенциал, инертный газ начинает светиться вокруг проволоки. Технологически давление внутри баллона подобрано так, чтобы свечение получалось равномерным и ярким. Таким образом, подавая напряжение на один из катодов, можно «высвечивать» любую цифру от 0 до 9.

Схема преобразователя на NE555

Подключение индикатораин-1 к микросхеме К155ИД1

Источник питания для NIXIE

Для зажигания газа требуется высоковольтный источник питания. У разных типов ламп напряжение зажигания может быть разным, но для всех неоновых индикаторов оно лежит в пределах 150-200 В. Раньше такое напряжение снимали со вторичной обмотки габаритного и увесистого трансформатора, который одновременно питал и низковольтную часть прибора, но сейчас достать такой специфичный трансформатор становится весьма проблематично.

С помощью современной электронной базы можно создать малогабаритный преобразователь, с меньшей стоимостью и более высоким КПД, который элементарно разместится в плоскости основной платы. Все устройство может питаться от низковольтного источника питания, например, готового импульсного блока питания, а высокое напряжение для NIXIE будет получаться штатно непосредственно из низковольтного. Такой же принцип питания используется в ЖК-дисплеях и многих других современных бытовых приборах. Разберемся в принципе работы повышающего преобразователя.

Повышающий преобразователь состоит из источника питания В, дросселя L, ключа SW, диода VD, накопительного конденсатора С и нагрузочного сопротивления R.

При замыкании ключа SW [обозначено красным] дроссель L окажется напрямую подключенным к источнику питания. В силу инерционности дросселя (фундаментальное свойство индуктивности) ток не может увеличиться скачкообразно, а будет нарастать линейно, при этом будет происходить накопление энергии магнитного поля. Напряжение в точке соединения диода VD и дросселя L равно нулю, поэтому диод закрыт. Подачу тока в это время в нагрузку обеспечивает конденсатор С. При размыкании ключа SW (обозначено синим) ток не может мгновенно уменьшиться, опять же в силу инерционности дросселя, и поэтому продолжает течь. Напряжение на катушке мгновенно увеличивается до уровня, обеспечивающего протекание тока. В теории — хоть до бесконечности, в реальности же произойдет искровой разряд через воздух. Но дроссель слева подключен к источнику питания, а справа через диод к накопительному конденсатору с уже имеющимся некоторым зарядом. Таким образом, нарастание напряжения продолжится с напряжения, имеющегося на конденсаторе. Ток в дросселе при этом будет линейно уменьшаться, а напряжение на конденсаторе расти. Величина напряжения в пике зависит от нескольких факторов: индуктивности дросселя, длительности открытого, закрытого состояния ключа и скорости его выключения. Величина пульсаций этого напряжения как параметр качества питания, в свою очередь, зависит от: емкости конденсатора, частоты работы ключа и тока потребляемого нагрузкой. Важно, чтобы ни при каких обстоятельствах сердечник дросселя не переходил в насыщение. Если это происходит, то дроссель уже не в состоянии накапливать энергию магнитного поля, а сопротивление его по постоянному току становится крайне мало. Это означает, что в насыщении мощный дроссель превращается в простой проводник, который замыкает через ключ источник питания. В результате КПД устройства резко падает, а ключ и источник питания сильно разогреваются. В конечном счете, это приводит к выходу из строя ключа или источника питания. Чтобы этого не произошло, нужно правильно выбрать параметры преобразователя.

Итак, перед нами одна из тысяч схем повышающих преобразователей. Хочется сразу обратить внимание, что схема несколько нестандартна. Обычно для управления силовым ключом используется специальный ШИМ-контролер, например, МСЗД063. Здесь используется универсальный аналоговый таймер NE555, а управление и стабилизация реализована с помощью частотной модуляции [1]. Интересно заметить, что многие специализированные микросхемы ШИМ-контролеров в своем сердце имеют все тот же универсальный таймер. Разберемся, как работает преобразователь.

Таймер NE555 включен как мультивибратор по стандартной схеме. Цепочкой R5 R6 C4 определяется частота и скважность импульсов. Таймер обеспечивает работу повышающего преобразователя L1 VT1 VD1 СЗ. На резисторах R1R2R3 собран делитель напряжения, который вместе с VT2 и R4 образуют цепь обратной связи. Вывод CONTR-таймера позволяет получить доступ к опорному напряжению компаратора. Если транзистор VT2 начинает открываться, то это приведет к притягиванию внутреннего опорного напряжения к земле, вследствие чего увеличивается частота генерации. Увеличение частоты при неизменных остальных элементах приводит к уменьшению выходного напряжения. Это легко видно из уравнения баланса накопленной и расходуемой энергии [1]. В качестве ключе используется IRF830 с максимальным напряжением 500 В, максимальнымтоком4Аи сопротивлением канала 1,5 Ом. Диод высокочастотный FR04 с обратным напряжением 400 В, Дроссель— 100 мкГн, рассчитанный на ток не менее 4 А. Для IRF830требуется также небольшой радиатор, так как в пике через него проходит весьма солидный ток.

В цепи обратной связи используется высоковольтный транзистор ВF487, с максимальным напряжением коллектор-эмиттер 400 В. На самом деле, нет строгой необходимости использовать именно этот транзистор. Вместо него подойдет и любой другой низковольтный маломощный транзистор структуры n-p-n, например, ВС547. Но эта схема не имеет никаких цепей и средств защиты от коротких замыканий или перегрузок. В повышающих преобразователях без серьезного усложнения и вмешательства в основную цепь питания невозможно реализовать такую защиту. Как показала практика, нестандартные ситуации, имеющие место в основном на этапе макетирования и отладки, приводят к высоковольтному выбросу и выходу из строя именно этого транзистора, поэтому его применение оправдано.

В качестве повышающего преобразователя можно использовать и другую схему, скажем, на той же МС34063. но описанная выше— самая простая и неприхотливая. К тому же, трудностей с доставанием NE555 по определению быть не может, это очень распространенная микросхема. Подробнее о методике расчета импульсных источников питания читай в книге Раймонда Мэка «Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению».

Управление NIXIE

Итак, в нашем распоряжении — 4 газоразрядных индикатора ИН-1 и 2 неоновые лампочки ИН-З в качестве мигающих точек, а также источник питания для всего этого. Осталось на каждом индикаторе зажечь цифру в соответствии с текущим временем, то есть один из десяти электродов каждой лампы замыкать на землю. Можно использовать АС маломощных высоковольтных транзисторов, а можно сделать по-другому… В свое время, специально для работы с газоразрядными индикаторами, была разработана микросхема SN74141 (отечественный аналог К155ИД1). Она представляет собой дешифратор двоично-десятичного кода в десятичный, который позволяет преобразовать четырехразрядный код, поступающий на входы АО-АЗ, в напряжение низко го логического уровня, появляющееся на одном из десяти выходов 0-9. Каждый десятичный выход снабжен высоковольтным транзистором с открытым коллектором. Другими словами, катоды неоновых индикаторов можно напрямую подключать к одноименным выводам этой микросхемы. Управление самим индикатором сводится к подаче двоичного кода зажигаемой цифры на четыре адресные линии дешифратора. Несмотря на то, что это очень олдскульная микросхема, в бывшем СССР их, а также сами индикаторы серии ИН, выпускали вплоть до 87 года, в то время как за рубежом от них давно отказались. Поэтому во всем мире это «советское добро» сейчас достать легче, чем брендовые аналоги. Кроме того, стоимость таких четырех микросхем не сравнится со стоимостью четырех десятков высоковольтных транзисторов (40 руб. против 400).

В качестве управляющего контролера выбран AVR — микроконтроллер ATtiny26 фирмы ATMEL. Описание принципа работы и архитектуры этих микроконтроллеров не входит в рамки статьи — по теме есть огромное количество информации. Строго говоря, для наших целей лучше бы подошел ATmegaS. Но рассмотрим другой вариант, к тому же не уступающий в цене.

Для управления индикаторами нам нужно 16 выводов (4 индикатора по 4 линии), еще один вывод нужен для мигающих точек, два будут задействованы для кварца, и еще два вывода потребуется для кнопок. Итого — 21 вывод. Для наращивания недостающих выводов используем внешний 8-битный регистр-защелку SN74LS373 (отечественный аналог КР1533ИР22), и подключим его параллельно основному порту А, а один вывод с порта В используем для фиксации. Индикаторы подключаются парами — одна пара к регистру защелке, другая к контроллеру. Теперь для установки всех четырех цифр на неоновых индикаторах нужно выполнить следующую последовательность:

1. установить на выводе STB регистра-защелки лог. 1.;
2. записать в порт А коды единиц и коды десятков часов;
3. установить на выводе STB лог. 0, тем самым, зафиксировать данные в нем;
4. записать в порт А коды единиц и коды десятков минут.

Вся эта последовательность выполнится микроконтроллером за несколько микросекунд. Блок питания выполнен по классической схеме. В качестве сетевого трансформатора используется компактный 7-ватный ТТП-110. С выпрямителя BD1C1C2 нестабилизированное напряжение 12 В подается на повышающий преобразователь и линейный стабилизатор L7805, обеспечивающий питанием цифровую часть схемы. Все остальные блоки, за исключением самих индикаторов, установка которых планируется на переднюю панель, размещены на одной односторонней печатной плате. Кнопки настройки и установки часов будут расположены на задней панели вместе с разъемом питания и конструктивно объединены с ISP-разъемом программирования микроконтроллера.

Полный вариант схемы с рисунком печатной платы, фотошаблонами, исходниками и готовой прошивкой ищи на диске.

Корпус для NIXIE

Изготовив такие неоновые часы на старомодных неоновых индикаторах, несолидно было бы поместить их в какую-нибудь банальную пластиковую коробку. ИН-1 — это первые отечественные газоразрядные индикаторы из эпохи кибернетики. Почти все они кривые, косые и выполнены весьма брутально, поэтому требуют соответствующего корпуса… в идеале, из черного бакелита с палец толщиной, или из бетона, как, например, у часов NIXIE Concrete Clock. У Даниеля Курта это был всего лишь концепт, мы же превратим его в жизнь! Поскольку корпус претендует на право быть фундаментальным, то и делать мы его будем по всем правилам изготовления фундаментов.

Опалубка и отливка второй стенки

Настоящий бетон мы использовать, конечно, не будем. Это неразумно, ведь время его схватывания составляет несколько дней, а полную прочность он набирает только через месяц. Вместо бетона мы будем использовать строительный гипс (алебастр). Работать с ним гораздо проще, смесь отвердеет за 10 минут, и будет иметь ровную поверхность с шероховатой фактурой, приятной на ощупь. Отливка корпуса производится поэтапно — каждая сторона отдельно. Для этого требуется большой кусок стекла и несколько полос из жести. Стекло служит основой, а полосы опалубкой. Полосы, толщиной около 0,5 мм, скрепляются по углам плоскими магнитами с внешней стороны, таким образом, получается легко разборная конструкция многоразового применения. Сначала на листе бумаги размечается геометрия заготовки, после чего лист кладется под стекло. Затем по линиям будущих границ «крышки» подгоняется жестяная опалубка. После этого разводится гипс до консистенции жидкой сметаны и заливается в полученную форму. Время загустевания всего 2-3 минуты, поэтому работать нужно очень быстро и точно. С помощью шпателя смесь разравнивается по всей форме. Через 7-10 минут происходит отвердевание гипса. Заготовка становится теплой и прочной. Теперь опалубка разбирается и можно приступать к отделению заготовки от стекла. Так мы получили только одну стенку. Формирование остальных стенок корпуса проводится таким же образом. Первым делом необходимо примерить уже имеющуюся заготовку к вновь сформированной жестяной опалубке следующей стороны будущего корпуса, чтобы она легко туда вставлялась, а стенки опалубки прилегали плотно. Сначала заливается гипсовая смесь, а потом уже вставляется заготовка, причем заготовка должна отлежаться еще минут 10 — иначе ровных стыков не получить. Пока гипс теплый и мокрый, еще не набрал полную прочность и его легко соскребать, надо быстро удалить все излишки. Если между сторонами имеются «щели» или при заливке образовалась раковина, то после полного затвердевания корпуса их легко «залечить» с помощью шпателя, сухой смеси и небольшого количества воды. Дно делается в самую последнюю очередь, после проделывания отверстий под неоновые индикаторы.

Контур отверстий прорисовывается циркулем прямо на гипсе. Потом в центре просверливается несколько отверстий, и сердцевина аккуратно выдавливается. Только никаких ударов! До нужного диаметра все доводится с помощью тонкостенной трубки-скребка. Отверстия готовы и можно приступать к отливке дна. Гипс — пористый материал и ведет себя аналогично утеплителю, поэтому для нормальной работы электроники заднюю крышку делать не стоит.

Внутри гипс все еще остается влажным, и чтобы корпус не повело, перед установкой электроники нужно оставить его на неделю в теплом месте. В процессе сушки корпус меняет цвет с темного на светло-серый. Когда гипс полностью высохнет, можно приступать к фиксированию неоновых индикаторов в отверстиях с помощью клея. На нижнюю плоскость корпуса бетонных часов наклеиваются резиновые ножки, и часы готовы!

Источник: Хакер 12’2009