ИН-18 | zhevak
Ну вот и мне повезло словить птицу счастья — мне нахаляву свалились несколько штук ИН-18:
Старшее поколение наверняка помнит лозунг «Советское — значит отличное!». Знак качества. Лампочкам 32 года. Лампочки со знаком качества.
Это только сейчас мы понимаем, какую страну мы потеряли… Вообще-то, качество товаров в СССР было всякое — начиная от откровенного брака, заканчивая очень-очень качественными изделиями. Вот так получилось, что пытаясь избавиться от брака, который сами же и гнали, мы «выплеснули с водой и ребёнка». Да, вот эти лампочки — это есть «железный» (hardware) укор нам за то, что мы под сладкие речи запада чуть было совсем не просрали свою промышленность. Однако, оставим политику.
Индикаторы имеют 10 катодов и общий анод:
Для работы с индикатором нужно знать всего два параметра:
- Напряжение возникновения разряда 170 В.
- Ток индикации не более 4 мА.
Остальные параметры не существенны.
Схема включения индикатора предельно простая — проще не бывает! На анод подается напряжение Va, а катоды коммутируются на землю с помощью высоковольтных транзисторов.
Базы транзисторов подключаются к выходам цифровых схем — выводам микроконтроллера или к выводам регистров. Способ управления мы уточним чуть позже.
В нормальном состоянии на все транзисторы, кроме какого-то одного, подается «логический ноль». Таким образом, все транзисторы, кроме одного находятся в отключенном состоянии.
Тот транзистор, на базу которого подается «логическая единица», будет находится в открытом состоянии. Тем самым будет осуществлять замыкание соответствующего катода на землю.
Резистор R7 ограничивает ток анода, который равен току катода включенной цифры. Как выше уже отмечалось, напряжение, при котором происходит зажигание цифры (возникновение разряда), составляет примерно 170 В. При напряжении Va = 200 В, на резисторе упадёт около 30 В.
Зададимся значением тока анода равным 3 мА.
R7 = U / I = 30 В / 3 мА = 10 кОм.
Тот же ток, который протекает по цепи анод-катод, протекает через коллектор-эммитерный переход транзистора.
Я купил в Промэлектронике высоковольтные транзисторы MMBTA42LT1G (Uк-э = 300 В, Iк = 0.5 А). У этих транзисторов не очень высокий коэффицинт усиления — h31э = 25-40.
Таким образом, при токе коллектора равным 3.0 мА, базовый ток будет равен примерно
Iк / h31э = 3.0 мА / 30 = 0.1 мА.
Транзисторы в схеме работают в «цифровом» (или релейном) режиме, а не в режиме усиления. Этот режим характеризуется чётким включением транзистора и таким же чётким выключением. Транзистор не должен находится в промежуточном состоянии между включенным и выключенным состоянием. По крайней мере переход из одного состояния в другое транзистор должен осуществлять достаточно быстро потому как в это время на нем будет рассеиваться максимальная мощность.
Когда транзистор выключен, ток через него не течёт.
Поэтому на нём рассеивается нулевая мощность:
P = U * I = 200 В * 0 А = 0 Вт
Когда транзистор включен, он тоже рассеивает почти нулевую мощность. Я не производил измерений, но давайте примем наугад, что на транзисторе упадет 5 В. (Транзистор высоковольтный, поэтому сопротивление коллектора у него достаточно большое. Это у низковольтных транзисторов падение напряжения лежит в пределах от 0.1 до 1.0 В.)
P = U * I = 5.0 В * 3 мА = 15 мВт.
Однако, чтобы гарантированно транзистор находился в насыщении, мы должны задать базовый ток немного больший рассчитанного ранее. Зададимся коэффициентом насыщения равным 2. Тогда сопротивление базового резистора будет равно:
R1 = (U1 — Uбэ) / (Iб * Kнас) = (3.3 — 1.0) / (0.1 * 2) = 2.3 / 0.2 = примерно 10 кОм.
Здесь через U1 обозначено напряжение «логической единицы».
Если управляющие микросхемы будут не 3-вольтовые, а 5-вольтовые, то коэффициент насыщения будет еще больше. Но это почти никак не повлияет на работу схемы.
Далее нам нужно обсудить схему управления. Как мы будем управлять зажиганием катодов?
Один из вариантов — подключить транзисторы к микроконтроллеру без каких-либо дополнительных схем. (Разумеется, с учётом базовых резисторов!)
Если мы «лепим» часы, которые отображают часы-минуты-секунды, то нам для управления понадобится 45 выводов:
десятки часов (0, 1, 2) — 3 линий,
единицы часов (0, 1, 2 … 9) — 10 линий,
десятки минут(0, 1, 2 … 5) — 6 линий,
единицы минут (0, 1, 2 … 9) — 10 линий,
десятки секунд (0, 1, 2 … 5) — 6 линий,
единицы секунд (0, 1, 2 … 9) — 10 линий,
Итого: 3 + 10 + 6 + 10 + 6 + 10 = 45.
Даже если отказаться от секунд, все равно количество линий управления (ног микроконтроллера) будет внушительным — 29 линий. Хотелось бы как-то сократить это количество.
Динамическая индикация, которая изначально появилась с целью сократить количество дорогих дешифраторов в схеме, позволяет также сократить количество линий управления.
Сейчас дешифраторы стоят не сильно дороже других схем, поэтому динамическую индикацию применяю исключительно с целью сократить количество линий управления.
Давайте прикинем во что нам обойдется этот способ индикации. Поскольку так или иначе нам нужно выбирать один из катодов, то количество линий управления катодами будет равно количеству катодов — то есть 10. Если мы делаем часы с отображением секунд, то количество разрядов у нас будет равно 6. Таким образом, общее количество линий управления будет равно 16.
Если наши часы будут отображать только часы и минуты, то количество линий управления можно сократить до 14.
Так или иначе, 14 или 16 линий — это уже более менее приемлемый результат. К сожалению, для его достижения нам придётся усложнить схему — вместо одного токоограничивающего резистора в анодной цепи придется ворганить схему из двух транзисторов и четырех резисторов. А иначе как по другому управлять включением-выключением разрядов? Ну и разумеется программная часть вывода информации на индикаторы будет более сложной.
То есть реализовать идею можно, но получается всё-таки это как-то не очень. А хотелось бы красиво. Так ЧТО еще можно предложить?
Я предлагаю еще один способ. Я предлагаю использовать сдвигающие регистры 74HCT595. Эти регистры получают информацию в последовательном формате, а выдают в параллельном. Если конкретизировать, то вход — одна линия, а выход — восемь. Причем, регистры легко можно соединять «паровозиком». Таким образом, для часов, которые отображают часы-минуты-секунды понадобится всего
45 / 8 = 5 +1 = 6 микросхем.
На самом деле, регистры требуют еще две линии — линию строба и линию тактовых импульсов. Таким образом, от микроконтроллера потребуется всего три ножки.
Чем придется нам заплатить за это решение? Ну, во первых, стоимостью самих регистров. К счастью регистры стоят не так уж и дорого. Ну, будет ещё чуть-чуть посложнее программа вывода информации. Конечно, такая сложная, как в варианте динамической индикации, но и не такая простая, как в варианте с 45-ю линиями.
Зато мы получаем уникальную возможность клепать часы не взирая на количество разрядов. Теперь нам без разницы будут ли наши часы отображать секунды или не будут. Мы просто тупо выводим часы-минуты-секунды, и если схемы для отображения секунд отсутствуют, то это никак не скажется на индикации часов-минут. Просто информация о секундах «пролетит» через весь паровозик из регистров.
Второй положительный момент — мы можем сделать блоки для отображения единиц и десятков одинаковыми для всех — для часов, для минут и для секунд. Одинаковые — значит взаимозаменяемые!
И в самом деле — единицы всегда имеют диапазон цифр от 0 до 9. А вот десятки — либо от 0 до 2 (у часов), либо от 0 до 5 (у минут и секунд). Таким образом, самых худший вариант потребует для отображения единиц-десятков 16 линий (10 + 6). Эти 16 линий набираются как раз их двух регистров. Улавливаете, о чём я толкую?
Таким образом, я считаю, что последний вариант индикации — есть самый оптимальный вариант.
Если у вас есть какие-то соображения, я прошу вас озвучить их.
UPDATE 15.06.2016
Меня немного смущает факт относительно высокого энергопотребления ИН-18. Общий расход энергии на один разряд составляет P = U * I = 200 В * 4 мА = 800 мВт. Более чем полватта, во всяком случае — сотни милливатт. Не слабо так, да?
Для достижения такого же заметного изображения другим приборам, например светодиодам, а уж тем более ЖКИ, требуется куда меньшее количество энергии. По моему даже вакуумно-люминесцентные приборы выигрывают по этому показателю.
Иначе говоря, блок питания для часов на ИН-18 должен быть мощностью 5-10 Вт. Как-то слегка напрягает…
Второй неприятный момент — как подсоединяться к контактам ИН-18? Ламповых панелек нет. Можно ли их где-то приобрести и за сколько — не понятно. Подпаиваться непосредственно к контактам — есть риск нарушить герметизацию колбы. К тому же нужно применять какой-нибудь агрессивный флюс, что повлечёт за собой снижение надежности и долговечности часов. Колхозить из пружинистой латуни самопальные панельки — тоже не вариант.
В общем, «не было проблемы, купила баба порося».
Продолжение: Поведение ИН18 при разных токах
Понравилось это:
Нравится Загрузка…
Похожее
Часы на газоразрядных индикаторах | RadioLaba.ru
Часы на газоразрядных индикаторах в последнее время стали весьма популярными среди радиолюбителей, такие часы привлекают внимание теплым ламповым свечением, желто-оранжевого цвета. В сети можно найти множество различных вариантов и исполнений, вот и я решил разработать и собрать свой вариант часов, с возможностью синхронизации времени по спутникам GPS.
В последние годы появилось много желающих, которые хотят собрать или приобрести часы на газоразрядных индикаторах, это соответственно вызывает большой спрос на индикаторы, вследствие чего самые востребованные из них заметно подорожали, а крупные индикаторы вовсе имеют заоблачную цену.
Газоразрядный индикатор представляет собой лампу с электродами (катодами), наполненную инертным газом неоном.
Катоды могут быть выполнены в виде различных знаков, обычно цифр от 0 до 9, которые располагаются друг за другом стопкой, то есть на разной глубине. При подаче напряжения между анодом и катодом величиной примерно 180 В, вблизи катода по его периметру возникает оранжево-желтое свечение газа (тлеющий разряд). Обычно для поддержания свечения требуется меньшее напряжение, чем для зажигания разряда.
Пожалуй, самый популярный газоразрядный индикатор для сборки часов, это ИН-14. Для начала я решил собрать часы на индикаторах ИН-12, потому что мне удалось приобрести их относительно дешево. Часы без особого труда можно переделать под ИН-14, в дальнейшем я выложу печатную плату для них.
Схема часов на газоразрядных индикаторах
Часы собраны на микроконтроллере PIC16F876A, для которого я написал программу на языке СИ, ниже представлена схема часов на газоразрядных индикаторах:
Для питания индикаторов необходимо высокое напряжение порядка 180-200 В, на схеме имеется стандартный DC-DC преобразователь, собранный на полевом транзисторе VT3, диоде VD1, катушке индуктивности L1 и сглаживающем конденсаторе C3, ШИМ сигнал для транзистора формирует микроконтроллер.
Данный преобразователь выдает нестабилизированное напряжение, величина которого зависит от нагрузки. Этого вполне достаточно для питания индикаторов, стабилизированное напряжение не обязательно. Высокое напряжение подается на аноды индикаторов с помощью высоковольтных оптопар U1-U5, через балластный резистор R15, который ограничивает ток через катоды индикаторов. Управление катодами осуществляется при помощи отечественного высоковольтного дешифратора К155ИД1. Для отображения цифр используется метод динамической индикации, с частотой 70 Гц. Яркость индикаторов можно регулировать путем изменения длительности свечения. В общем, эта стандартная и устоявшаяся схема управления газоразрядными индикаторами.
Для отсчета времени используется модуль часов реального времени DS3231, о котором я писал отдельную статью. Светодиоды HL2-HL5 установлены для подсветки индикаторов. В качестве разделителя часов и минут установлен неоновый индикатор ИНС-1. Для возможности синхронизации времени, я добавил в схему GPS модуль GY-NEO6MV2 фирмы Ublox, на сайте имеется подробная статья про этот модуль.
Питание на модуль подается через полевой транзистор VT4, который управляется от микроконтроллера. Для воспроизведения звука будильника, установлен зуммер HA1 с встроенным генератором. Для настройки часов установлены 3 кнопки: SB1 “Ввод”, SB2 “+”и SB3 “-”.
Выходное напряжение DC-DC преобразователя зависит от многих факторов: это частота и коэффициент заполнения ШИМ сигнала, индуктивность катушки L1, ток нагрузки. По умолчанию частота равна 26,3 кГц, коэффициент заполнения 90%. Эти параметры можно изменить, записав другие значение в EEPROM память, перед программированием микроконтроллера (подробнее про настройку будет сказано ниже в статье). Увеличение частоты, а также уменьшение коэффициента заполнения снижают выходное напряжение. Уменьшать коэффициент заполнения менее 70% лучше не стоит, при этом наблюдается провал в выходном напряжении. Катушка L1 обладает индуктивностью 470 мкГн, уменьшение индуктивности увеличивает выходное напряжение. На холостом ходу без подключенных индикаторов преобразователь выдает около 250 В, при этом в качестве нагрузки выступает только резистор R2 сопротивлением 300 кОм.
При подключении газоразрядного индикатора напряжение уменьшается примерно до 153В. При этом балластный резистор R15 ограничивает ток через катод индикатора на уровне 1,7 мА.
Если потребуется настройка преобразователя, то коэффициент заполнения ШИМ сигнала лучше не менять, а регулировать выходное напряжение, изменяя частоту сигнала, или подобрать катушку с другой индуктивностью. В общем, настройка заключается в установке тока через катод индикатора на уровне 1,4 – 2 мА, при этом выходное напряжение преобразователя с подключенным индикатором, должно быть не менее 150В. Ток задается балластным резистором R15, также можно подбирать номинал нагрузочного резистора R13, он также влияет на выходное напряжение.
Все детали смонтированы на двух печатных платах, индикаторы на односторонней плате, остальные элементы на двухсторонней плате. Платы соединяются между собой при помощи разъемов. Разъем питания, кнопки, зуммер, модуль часов и модуль GPS (либо гнездо 3,5 мм) монтируются с задней стороны двухсторонней платы.
Из-за отсутствия металлизации, в отверстиях, где проводники подходят с обеих сторон, я прокладывал тонкий луженый провод и пропаивал совместно с выводами элементов. Перед монтажом модуля часов, из него необходимо выпаять резистор, подающий внешнее питание (5В) на батарейку (3В), иначе батарейка выйдет из-строя, также по желанию можно выпаять светодиод и микросхему памяти.
Зуммер HA1 должен быть с встроенным генератором. Отечественный дешифратор DD2 можно заменить зарубежным аналогом SN74141N, полевой транзистор VT4 можно заменить на IRLML2244, IRLML6402 и др., полевой транзистор VT3 на IRF840, высокочастотный диод VD1 на HER107, HER108, STTh210, UF4007. Транзисторы VT1, VT2 можно заменить на любые аналогичные.
Корпус для часов на газоразрядных индикаторах сделан из листового гетинакса толщиной 3мм. Я нарезал 6 прямоугольных пластин, из 4 пластин склеил каркас, с помощью быстросохнущего эпоксидного клея. В лицевой пластине сделал вырезы под индикаторы, с внутренней стороны приклеил 4 стойки с резьбой М4, соосно с отверстиями печатных плат.
Корпус соответственно закрывается задней крышкой болтами М4, которые проходят сквозь отверстия печатных плат и вворачиваются в стойки лицевой панели.
Настройка часов на газоразрядных индикаторах
Для питания часов я использовал блок питания на 5В, средний потребляемый ток 0,12А, в режиме синхронизации времени до 0,2А. При первом включении, индикатор разделитель часов и минут мигает с частотой 2Гц, это означает, что время не установлено или не синхронизировано. Время можно установить вручную или синхронизировать по спутникам GPS, после чего светодиод будет мигать с нормальной частотой 1Гц.
Во время отображения текущего времени, кнопки “+” и “–” регулируют яркость светодиодов HL2-HL5 (подсветка индикаторов) от 0 до 100%, всего 10 уровней.
Для входа в меню настройки параметров, нужно одновременно нажать кнопки “+” и “–”, на индикаторах высветятся цифры [10.01], первая цифра слева – номер параметра, последние две или одна мигающая цифра справа – значение параметра.
Первый параметр это часовой пояс, который нужен для корректировки значения часов во время синхронизации по GPS, так как модуль получает всемирное координированное время UTC. Значение часового пояса можно задать кнопками “+” и “–”, в пределах от –12 до +12 (по умолчанию –1 либо 0). Если разделитель светится, то число отрицательное, и наоборот. Для перехода к следующему параметру нужно нажать кнопку “Ввод” (короткое или длительное нажатие).
Второй параметр: режим синхронизации времени по GPS, по умолчанию синхронизация отключена, на индикаторах отображаются цифры [2000]. Кнопками “+” и “–” можно выбрать значение от 0 до 4. Цифре 1 соответствует период синхронизации каждый день, 2 – каждую неделю, 3 – каждые 2 недели, 4 – каждый месяц, 0 – автоматическая синхронизация отключена. По времени, синхронизация происходит в 15.00 по определенным числам месяца, для еженедельного периода это 1, 8, 15, 22 число. Для периода 1 раз в 2 недели это 1 и 15 число, если 1 раз в месяц то 1 число.
Третий параметр – регулировка яркости газоразрядных индикаторов, по умолчанию установлена максимальная яркость, на индикаторах отображаются цифры [3020]. Кнопками “+” и “–” можно задать требуемую яркость в пределах от 1 до 20. Также предусмотрен режим ночной яркости от 22:00 до 08:00, который можно задать через EEPROM память микроконтроллера.
Далее после нажатия кнопки “Ввод”, следует настройка даты и времени, сначала настройка года, на индикаторах отображаются цифры [2000]. Затем следует настройка даты, на индикаторах отображаются слева число месяца, справа номер месяца [07.05]. Короткое нажатие кнопки “Ввод” переключает редактирование между числом и номером месяца, длительное нажатие выполняет переход к очередному параметру. Следующий параметр – день недели, можно задать значения от 1 до 7, цифра 1 соответствует Понедельнику, 2 – Вторник и т.д. И наконец, в последнюю очередь выполняется настройка времени, часов и минут.
Из меню настройки параметров можно выйти в любой момент, для этого нужно удерживать кнопку “Ввод” и одновременно нажать кнопку “+” либо “–”, также имеется автоматический выход из любого меню по бездействию в течение 2-х минут.
Описанные в этой статье часы на газоразрядных индикаторах отличаются от остальных тем, что время можно не настраивать, эти данные можно получить по GPS. Кроме автоматической синхронизации, имеется возможность запуска синхронизации в любой момент, для этого нужно удерживать кнопку “+”. На индикаторах высветятся мигающие цифры [0000], по мере поиска спутников все цифры сменятся на [1111], после чего примерно через 20 секунд произойдет обновление времени, индикатор разделитель при этом начнет мигать с частотой 1Гц. Во время синхронизации дата не обновляется. Если в течение 15 минут GPS модуль не поймает сигнал от спутников, индикатор разделитель будет мигать с частотой 2Гц, индицируя неудачную синхронизацию времени. Удерживание кнопки “–” во время синхронизации, принудительно завершит процедуру обновления времени.
GPS модуль GY-NEO6MV2 выпускается в двух вариантах: это синяя плата с большой антенной и красная плата с маленькой антенной. С маленькой антенной модуль хуже ловит сигнал от спутников, нежели с большой антенной.
Я разработал печатные платы под оба варианта. Для улучшения приема и надежной синхронизации, GPS модуль можно отдельно закрепить на окне и соединить с часами при помощи кабеля. Для этого варианта на печатных платах предусмотрено место под гнездо PJ-358 (3,5 мм).
Для связи с микроконтроллером, GPS модуль должен иметь следующие настройки порта: скорость передачи 9600 бит в секунду, 8 бит данных, 1 стоповый бит. Обычно модуль поставляется с указанными настройками, если это не так, нужно изменить параметры порта через программу u-center, подключив модуль к компьютеру через USB-UART переходник.
Для настройки будильника нужно удерживать кнопку “Ввод”, на индикаторах высветится время будильника, по умолчанию 08:00. Редактирование значений часов и минут аналогично настройке времени. Далее после длительного нажатия кнопки “Ввод” следует настройка активации будильника по дням недели. На индикаторах высветятся цифры [1000], первая цифра слева – указывает на день недели, последняя мигающая цифра справа отображает состояние будильника: 0 – выключен, 1 –включен.
Кнопки “+” и “–” меняют значение. Короткое нажатие кнопки “Ввод” переключает дни недели. Соответственно можно выбрать дни недели, по которым будет срабатывать будильник. Для завершения настройки нужно удерживать кнопку “Ввод”. Из меню будильника можно выйти в любой момент, таким же способом, как и для меню настройки параметров. Сигнал будильника звучит 5 минут, его можно выключить нажатием любой кнопки.
Все настройки сохраняются в энергонезависимой памяти (EEPROM) микроконтроллера.
Короткими нажатиями кнопки “Ввод” можно посмотреть соответственно дату, год, и перейти к отображению текущего значения минут и секунд.
При потере связи с часами DS3231, на индикаторах высветится код ошибки 3231.
В следующей таблице представлены дополнительные настройки часов на газоразрядных индикаторах, если потребуется изменить параметр, то перед программированием микроконтроллера необходимо записать в соответствующую ячейку EEPROM новое значение параметра.
| Адрес ячейки EEPROM | Описание | Пределы значений | Значение по умолчанию |
| 0x01 | Частота ШИМ сигнала. Формула расчета Fшим = 1000/(X+1), кГц | 31<X<40 | X=37 (F=26,3кГц) |
| 0x02 | Коэффициент заполнения ШИМ | 1<X<99 | X=90 |
| 0x03 | Яркость в ночном режиме | 1<X<20 | X=яркость из меню настроек параметров |
| 0x04 | Функция “антиотравления” катодов. Период перебора цифр, минуты | 0<X<15 | X=2 (При X=0, функция отключена) |
Одним из недостатков газоразрядных индикаторов является то, что цифры укладываются стопкой, друг за другом. В случае редкого включения отдельных катодов (цифр), на них оседают частицы металла, распыляемого другими включенными катодами, что приводит к “отравлению” редко используемых катодов”. Со временем на таких катодах появляются тусклые области, и возникает неравномерное свечение, в дальнейшем такие области вовсе перестают светиться. Чтобы снизить скорость “отравления” катодов, обычно применяют различные эффекты перебора всех цифр, то есть быстрое последовательное переключение цифр по кругу.
Как видно из таблицы, в часах предусмотрена функция “антиотравления” индикаторов. При программировании можно задать период перебора цифр, или вовсе выключить данную функцию.
Я разместил GPS модуль отдельно от часов в небольшом корпусе (отсек от батареек 2xAAA), который закрепил на окне. С часами модуль соединяется при помощи кабеля. Все соединения на разъемах типа джек 3,5 мм.
Часы на газоразрядных индикаторах станут отличным дополнением к интерьеру комнаты, и будут радовать окружающих своим теплым ламповым свечением.
До этого я уже собирал не менее привлекательные часы на индикаторах ИВ-11, желающие могут ознакомиться со статьей на этом сайте.
Ниже представлены ссылки на модули и комплектующие для сборки часов на газоразрядных индикаторах:
Модуль часов реального времени DS323
GPS модуль u-blox NEO-6mv2
Микроконтроллер PIC16F876A
Полевой транзистор IRLML9301
Полевой транзистор IRF830
Дешифратор SN74141N
Оптопара TLP627
Печатная плата в формате Sprint Layout 6
Прошивка и исходник программы