Миниатюрные часы на вакуумно-люминисцентном индикаторе

Автор: *Trigger*

Лампа: ИВ-21, ИВ-18,SVE 9SS03

Схема: есть ( ATmega8)

Плата:есть (Sprint-Layout 6)  

Прошивка:есть

Исходник: eсть

Описание: eсть

Особенности: датчик температуры,будильник, миниатюрный индикатор, эффекты разделителей, эффекты смены цифр, датчик освещенности, есть платы для нескольких индикаторов.

 Схема:

Скачать схему

Предисловие

Толчком к созданию описанных ниже часов стала покупка на радиорынке по смешной цене одного из самых маленьких отечественных многоразрядных вакуумно-люминсцентных индикаторов (ВЛИ) - индикатора ИВ-21, имеющего 8 цифровых и один служебный разряд в колбе длиной всего лишь 70мм и диаметром 15мм.

Вообще говоря, мне не очень-то нравятся ВЛИ по сравнению с газоразрядными индикаторами (ГРИ, или иностранное NIXIE), однако, мимо этого индикатора я пройти не смог - уж больно красиво он выглядел. Смотрите сами: почти всю колбу занимает подложка из розовой керамики, на которой люминофором нанесены семисегментные разряды, причём сегменты эти имеют не совсем обычную форму, как, например, в светодиодных индикаторах. Поверх сегментов расположены ячеистые сетки, которые при взгляде под определённым углом выглядят золотистыми (к сожалению, фото ниже не может этого передать).

Однако, миниатюрность индикатора влечёт за собой множество проблем. Цель создания часов на ВЛИ и ГРИ - не просто сделать прибор для отображения времени. Для этого можно использовать и обычные светодиодные индикаторы, которые лучше по многим параметрам, да и не требуют, например, высоких напряжений и сложных схем управления. Тут важна эстетика, внешний вид готовой конструкции. На корпус часов в таком случае обычно тратится огромное количество времени, часто даже больше, чем на изготовление электроники.

Если поместить такой индикатор, как ИВ-21, в огромный корпус, ни о какой эстетике не может идти и речи. К тому же, индикатор должен быть на виду, а не стоять за зелёным стеклом, как в калькуляторе - какой тогда во всём этом смысл? За стеклом выглядят почти одинаково и ВЛИ, и светодиодные индикаторы. Не стоит забывать также и о надёжном креплении - нельзя просто так взять и припаять лампы за выводы с одной стороны, не закрепив никак вторую сторону. Поэтому в корпусе должны быть какие-нибудь подставки с обеих сторон, крепящие индикатор. Это сразу делает корпус весьма громоздким.

Наконец, было найдено компромиссное решение: сделать часы без корпуса в привычном понимании этого слова. Было решено в основании часов расположить две горизонтальные печатные платы, на которых разместить основную часть схемы часов, а индикатор закрепить с помощью двух вертикальных плат, подключающихся к верхней горизонтальной штыревыми разъёмами.

Итак, с внешним видом часов определились. Теперь перейдём к схеме.

Начнём с начала, то есть с питания.

От источника питания требуется сформировать 3 напряжения: +5В для питания логической части часов, -22В для катода ИВ-21 и ~2,4В для питания накала лампы (подогревателя). С первым и третьим напряжениями всё ясно. Объясню, зачем нужно именно отрицательное напряжение для катода. Существует два варианта управления ВЛИ, у которых напряжение на анодах-сегментах и сетках относительно катода превышает напряжение питания логической части - так называемые схемы с "нижним" и "верхним" питанием логической части.

Ниже немного теории, куда же без неё!

"Нижнее" питание подразумевает, что общий провод логической части имеет одинаковый потенциал с катодом индикатора. При этом на аноды следует подавать высокое (по отношению к напряжению питания логики) напряжение порядка +(20-30)В. Для этого необходимы преобразователи уровня на каждый анод и каждую сетку индикатора, которые преобразуют +5В с выхода логической части в +(20-30)В на анодах и сетках. Есть три варианта схемы таких преобразователей. Первый - самый простой - использовать специализированную микросхему для управления ВЛИ. Однако, такие микросхемы обычно дороги и труднодоставаемы. Второй - подключить все аноды и сетки к +(20-30)В через резисторы номиналом 10-30кОм и с помощью транзисторных ключей на одном NPN-транзисторе каждый замыкать эти аноды и сетки на общий провод. Этот вариант плох тем, что на резисторе неактивного анода или сетки падает всё анодное напряжение, что вызывает его (резистора) нагрев и даёт лишнюю нагрузку на источник анодного напряжения. Наконец, третий вариант - использовать двухтранзисторные ключи на паре транзисторов NPN+PNP. В этом варианте нет ничего плохого, кроме того, что на каждый ключ нужно 2 транзистора и минимум 3 резистора. Таких ключей нужно для ИВ-21 17 штук, 8 на сегменты и 9 на сетки. Это всё займёт очень много места на печатной плате, что никуда ни годится, если нужно сделать часы как можно меньше (индикатор-то маленький!).

Схема варианта с "нижним" питанием (упрощённая, многое не показано):

"Верхним" называется вариант питания, когда +5В питания логической части - это анодное напряжение, т.е. на активном аноде (сетке) присутствует напряжение +5В (относительно общего провода логической части). Для зажигания индикатора требуется напряжение порядка 20-30В на анодах относительно катода, а для этого на катод нужно подать отрицательный потенциал. Теперь для управления анодами и сетками достаточно всего лишь каскада с ОЭ на PNP-транзисторе.

Схема варианта с "верхним" питанием (также упрощённая):

Исходя из вышесказанного, было выбрано "верхнее" питание.

Казалось бы, на этом всё. Однако, есть ещё одна проблема при создании схемы подключения ВЛИ. Такой индикатор - слаботочный прибор, для свечения люминофора на сегментах достаточно очень маленьких токов. Все электроды в лампе обладают паразитной ёмкостью. Поэтому может возникнуть нежелательное свечение неактивных анодов-сегментов за счёт наведённого потенциала с соседних активных. Также причиной такого свечения могут стать утечки в закрытых транзисторах, взаимные ёмкости проводников на ПП. Для того, чтобы избавиться от этого эффекта подсветки неактивных сегментов, на неактивные аноды и сетки подают так называемое запирающее напряжение. Для надёжного подавления паразитной засветки это напряжение должно быть на 4-7В ниже катодного. Самый простой способ сформировать такое напряжение - "подпереть" с помощью стабилитрона накальную обмотку трансформатора относительно отрицательного полюса анодного источника и соединить резисторами все аноды-сегменты и сетки индикатора с анодом этого стабилитрона.

На схеме ниже упрощённо изображён узел получения запирающего напряжения на неактивных анодах и сетках:

На этом с теорией закончили. Переходим к практике.

Оригинальную статью вы можете прочитать по этой ссылке.

Сохраненный архив статьи.

Файлы проекта оригинальной статьи.

Форум для обсуждения.

Я же хочу поведать о своем опыте создания миниатюрных часов на ВЛИ или, как их еще называют, VFD.

Заинтересовал меня проект вот этими тремя изображениями на форуме:

Идея корпуса хороша, тем более что ИВ-18 у меня самого есть, для подобного проекта. Диаметр колец 22мм!

Конечно без трансформатора при такой миниатюризации обойтись сложно. В добавок ко всему, автор применил связку  КФ1211ЕУ1 + IRF7303.

КФ1211ЕУ1 в наших краях достать проблематично, что не обрадовало.

Но! Grey1975 (РадиоКот) позже нашел более изящное решение - мс SN6501, ценою меньше 1$ и купить которую не представляет проблем на Украине или в России. 

Сердечник для трансформатора стоит сущие копейки и , главное, его можно купить в магазине на Украине и в России  :).

Получается вот такой миниатюрный источник(диаметр колечка сердечника 1см):

С творением Grey1975 которые изображены на фото выше можно ознакомится по ссылке.

Надо попытаться проверить работу сего чуда!

Следующим этапом стал выбор индикатора. 

Самые распространенные у меня SVE 9SS03 (установлен в кассовом апарате Samsung 250), SVE 11MS21(установленный в кассе от Datecs) и SVE-10MS14(из кассы Samsung 350). Каждого шт по 10.  Второй и третий 11 и 10 разрядные отпали, т.к. схема для 9 разрядного индикатора и что либо менять в прошивке(окромя нумерации) не собирался, поэтому часы я собирал на SVE 9SS03.

Размер индикатора 9см на 2 см. Размер цифры 8мм.

В результате мы должны получить миниатюрные часы и питанием от USB под монитор персоналки. 

Специально под этот проект я заказал цифровые транзисторы DTA114 на али,
что позволило развести плату в одном слое.

В схеме переставлены под плату назначение выводов мк, использован другой источник.

Скачать схему.

Плата:

Плата односторонняя с несколькими перемычками под SMD.
Не сложная.

Сборка начинается с Источника питания и последующей проверкой оного.
Без накальной нагрузки, желательно, не включать. 

Провод для трансформатора взят из сгоревших экономок

Как видно, здесь и провод, и колечко под размер :).

Скрин расчета в ExcellentIT:

Реально:
Первичка 2х5 - 0.3
Вторичка 2х35 - 0.1
Накальная 2х1 - 0.3 + токограничительные резисторы 7,4 Ома.

Изготавливаем челнок, наматываем на него около 1-1.5м провода и виток к витку наматываем анодную обмотку. У меня дело занимает минут 15.

Силовую обмотку я размазал по всей длине колечка, а вот накальную обмотку у нужном для платы месте намотал 2 витка.

Индикатор нормально светился и с  накальной обмоткой 1х1 - 0.3 без резисторов, но я побоялся недонакала и мотнул еще один виток, выставив ток на глазок по цвету накала в темноте :) .

Похоже(мануал не штудировал), SN6501 имеет защиту от короткого замыкания, т.к. вторичку на недолго замыкал накоротко и ей "плохо" не стало. Хорошая микросхема.

Время распайки ключей.

Скажу честно, дело не легкое!  То ли я уже староват, то ли ключи действительно мелкие? :) Без, как минимум, увеличительного стекла браться не стоит.
Естественно, работу каждого ключа я проверил.

Теперь самое сложное - изменение прошивки под плату и прошивка МК.
На форуме есть инструкция как это сделать! Все прошло не то что бы "гладко", но виной всему моя лень и нежелание вникать в алгоритм. 

Огромная благодарность автору прошивки, *Trigger*, за помощь!

У часов есть несколько настроек при компиляции, в том числе работа с DS3231. Мной сознательно использована ds1307, т.к. их у меня с разброки шт. 10 скопилось. На плате я предусмотрел установку конденсаторов на кварц 32768, для корректировки её точности. 

Прошивка МК.

После прошивки, собираем часы  и вот что получается:

Цель - проверить работу источника, достигнута. Посмотрел прошивку от *Trigger*, определив для себя что я хочу от такого рода часов еще:

• хочу подключить их по USB  к РС для настройки;
• хочу FM радио внутри;
• хочу  хочу завести звук с PC, через часы, на колонки.

Акриловый корпус я вырежу позже. Часы будут стоять под монитором, но не у меня.

Видео от автора,где он рассказывает о настройке часов:

Файлы проекта:

плата(элементы подписаны),
прошивка, исходник вер: 1.14 , протеус.

Удачи!