Часы на газоразрядных индикаторах

Часы на газоразрядных индикаторах
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:
часы на газоразрядных индикаторах схема
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, STTH110, 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.
часы на газоразрядных индикаторах корпус

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 EEPROMОписаниеПределы значенийЗначение по умолчанию
0x01Частота ШИМ сигнала.
Формула расчета Fшим = 1000/(X+1), кГц
31<X<40X=37
(F=26,3кГц)
0x02Коэффициент заполнения ШИМ1<X<99X=90
0x03Яркость в ночном режиме1<X<20X=яркость из меню настроек параметров
0x04Функция “антиотравления” катодов. Период перебора цифр, минуты0<X<15X=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 с GPS модулем
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

Часы на газоразрядных индикаторах ИНЧасы на газоразрядных индикаторах ИН-12

Часы на индикаторах ИН-12 сборкаЧасы на индикаторах ИН-12Часы на ИН-12

Часы на индикаторах ИН-12 с GPS модулемЧасы на индикаторах ИН-12 с GPS модулемЧасы на ИН-12 внешний вид

Печатная плата в формате Sprint Layout 6
Прошивка и исходник программы

Последние записи:

Комментариев 15 на “Часы на газоразрядных индикаторах

  1. Часы собрал, всё отлично работает, вот только будильник на 5 минут, видимо мёртвых воскрешать. )

    • Отлично! Кстати там в программе ошибочка, будильник звучит неограниченное время, до того момента пока не нажата любая кнопка. У вас также? У меня еще не было времени исправлять эту ошибку.

  2. Честно говоря, не проверял сколько он звучит, коллеги в отделе не выдержат. ) Поэтому выключал кнопкой. Подождём, когда у Вас будет время. )

    • Вы имеете в виду мигание неонки? Мигание происходит с частотой 1Гц, то есть каждую секунду (при условии, что время синхронизировано по спутникам или установлено вручную). Мигание это индикация счета секунд.

  3. нет, я не это имел в виду, видимо у вас этого нет, в момент когда она светит заметно её мерцание, возможно это качество самой неонки, но это на двоих часах наблюдается

    • Я у себя в часах мерцания не наблюдал, что за неонка стоит, марка?
      Мерцание в принципе не должно быть, так как частота динамической индикации 70 Гц, а это практически не заметно для глаза.
      Думаю нужно увеличить ток через неонку, возможно не хватает тока для нормального свечения, для этого нужно уменьшить сопротивление резистора R14, например попробовать 200 кОм.

  4. Уважаемый автор!
    Помогите
    По вашей схеме у меня преобразователь напряжения выдает не больше 120 вольт
    в чем может быть затык? вторую ночь не сплю))))

    • В продолжение предыдущего сообщения
      грешу либо на катушку (сам мотал по расчетам из инета). подскажите что у вас за катушка.
      либо на глюк ардуины
      к сожалению у меня нет осциллографа чтоб померять что же там она на пин сигнальный выдает…
      я сигнал задаю так CCR1B=TCCR1B&0b11111000|0x01; analogWrite(9,ХХ);
      посмотрел ваш код – в си ничего не понимаю – пытаюсь выгрызть кусок кода который отвечает за настройку сигнального пина…

      • Преобразователь в моей схеме выдает 250В без нагрузки, и 150В под нагрузкой, параметры ШИМ, 26,3 кГц, коэффициент заполнения 90%. Катушка индуктивности стандартная на 470 мкГн, на фото все видно.

        Вот кусок кода, где настраивается ШИМ:

        В коде выполняется расчет длительности импульса ШИМ сигнала, в зависимости от коэффициента заполнения заданного в EEPROM памяти. Расчет нужен чтобы вычислить корректную длительность ШИМ сигнала, так как разрешение модуля ШИМ зависит от частоты, и загрузка длительности осуществляется в два регистра, то есть приходится загружать старшую часть в один регистр, а младшую в другой регистр, это особенность ШИМ PIC контроллеров.

        Как там в Arduino устроено я не знаю, так как не программирую это семейство. Вам нужно сначала почитать про настройку модуля ШИМ, чтобы правильно выставить частоту и скважность. Катушку лучше купить готовую с известной индуктивностью, а мотать без проверки бессмысленно, нужен прибор для измерения индуктивности.

        • спасибо за пояснение.
          Да, в ардуино с шим все обстоит несколько иначе, частоты там фиксированные.
          Оптимальная в нашем случае 31кгц. с коэффицентом заполнения игрался по разному где-то от 60 до 90 – разницы в производительности нет
          ниже 60 – падает. выше 90 – транзистор не закрывается.
          Щас забавы ради пытаюсь собрать генератор на 555 таймере, вот только без осцилографа его отладить с нужными параметрами затруднительно. Все эти онлайн калькуляторы дают очень приблизительный результат. К тому же походу на таймер с ноги транзистора идет обратка в виде разрядки самого транзистора, от чего таймер греется (как я полагаю). В общем щас на холостых имею 140в с лампой – 120в. ИН2 заживагется, но помоему он может гореть лучше.

  5. катушку мотал сам на гантельке, диод US1M, транзистор IRF840, электролит выдрал из экономичной лампочки.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *