Добрый день, уважаемые радиолюбители.
Последние годы в среде радиолюбителей наблюдается повышенный интерес как к самой ретро-технике, так и технике, выполненной в ретро-стиле. Не обошел этот интерес и настольные часы на газоразрядных индикаторах. Одной из достаточно известных конструкций таких часов являются часы от AlexGyver[1]. Именно о них мы сегодня и поговорим.
Итак, основу данных часов составляет микросхема часов реального времени (RTC) типа DS3231, основной обработкой данных занимается Arduino nano, а вывод информации осуществляется на газоразрядные индикаторы через дешифратор типа К155ИД1 [3-7].
Сразу следует отметить, что конструкция вполне работоспособная, многократно повторялась разными радиолюбителями (мной в т.ч. примерно два с половиной десятка раз) и при правильной сборке начинает работать сразу. Но, к большому сожалению, обладает рядом недостатков. Часть из них можно устранить ещё на этапе сборки, а с частью придется просто смириться. Но лучше о них знать заранее, чем не знать. Именно поэтому и появилась данная статья.
В подборке фото ниже представлен внешний вид печатной платы часов с обеих сторон.
Плата выполнена в заводских условиях т.к. собирался экземпляр часов в подарок. Хорошо видно, что на платах присутствует шелкография с обозначением компонентов и практически всех номиналов. Это ощутимо упрощает сборку часов. Конкретно в рассматриваемом исполнении в часах используются индикаторы ИН-12 [6]. Но присмотритесь к печатной плате повнимательнее…
На печатной плате присутствует достаточно много полигонов с металлизацией, которые никуда не подключены. Такие полигоны на платах оставлять нельзя.
Во-первых, при ручном изготовлении печатных плат вы будете очень долго потом разбираться это так изначально задумано автором или же вы что-то всё ещё не дотравили или перетравили лишнего.
Во-вторых, на радиочастотных и высокоскоростных платах такие полигоны — хороший источник паразитных связей, а заодно и паразитных излучений. Ко всему прочему могут возникать проблемы ещё и с целостностью сигнала.
Таким образом, если вы будете изготавливать печатные платы самостоятельно либо модифицировать существующие, то эту «проблему» лучше устранить, а на платах собственной разработки не допускать изначально.
Идём далее…
В качестве фильтрующего конденсатора напряжения питания автором предлагается использовать конденсатор 470 мкФ на напряжение 6.3 Вольта. При номинальном напряжении питания часов — 5 Вольт. На мой взгляд запас по напряжению маловат и для повышения надёжности лучше использовать конденсатор на напряжение 10 Вольт. Ёмкость конденсатора можно оставить той же либо увеличить до 1000 мкФ. При увеличении ёмкости фильтрующего конденсатора часы отлично переносят кратковременное отключение напряжения питания без перехода RTC на питание от резервного источника.
Стоит дополнительно отметить, что в качестве конденсатора желательно использовать конденсатор серии LOW ESR (с низким эквивалентным последовательным сопротивлением) и дополнительно зашунтировать его керамическим SMD конденсатором (конденсатором для поверхностного монтажа) ёмкостью 4.7-10 мкФ типоразмера 0805 прям между выводами с обратной стороны печатной платы [3, 4].
Отлично! Переходим к кнопкам…
К сожалению, автор не разместил в открытом доступе схему электрическую принципиальную часов, поэтому восстановим необходимые нам фрагменты по печатной плате т.к. она достаточно проста. Фактически кнопки S1-S3 включены между выводами D7, D8, D12 Arduino nano и общим проводом схемы. При этом борьба с дребезгом контактов осуществляется только программным способом (и не всегда эффективно). Для устранения этого недостатка необходимо между рабочими контактами кнопок установить керамические SMD конденсаторы ёмкостью 0.1 мкФ типоразмера 1206/1210. Вместе с внутренними подтягивающими «резисторами» 20-50 кОм микроконтроллера данные конденсаторы образуют классический RC-фильтр, дополнительно подавляющий дребезг контактов. Итоговая электрическая принципиальная схема кнопок с подключенными конденсаторами представлена на схеме ниже [3, 4].
Теперь переходим к самому интересному – повышающему DC-DC преобразователю для питания газоразрядных индикаторов. Схема электрическая принципиальная преобразователя представлена на рисунке далее.
Да, вот так всё просто и минималистично…
Первое что бросается в глаза – преобразователь управляется напрямую ШИМ микроконтроллера Arduino. Само по себе использование ШИМ микроконтроллера – это неплохое решение, но проблема в том, что нагрузочная способность выводов самого микроконтроллера достаточно низкая. Предельный ток одного вывода микроконтроллера равен 40 мА. Этого недостаточно для эффективного управления транзистором со входной ёмкостью 1300 пФ. Её быстрый перезаряд требует в разы больших токов. Кроме того, в цепи затвора отсутствует цепь разряда входной ёмкости транзистора т.е. и заряд и разряд входной ёмкости происходит выходным каскадом микроконтроллера Arduino. Такое управление приводит, как минимум, к затягиванию фронтов импульсов при переключении транзистора и повышению рассеиваемой на нём мощности т.е. транзистор нагревается сильнее.
А второе что бросается в глаза – отсутствие цепи стабилизации выходного напряжения преобразователя. В связи с этим включать преобразователь без нагрузки КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩЕНО! Выходное напряжение такого преобразователя без нагрузки ограничено только потерями в катушке индуктивности и сопротивлением переменного резистора R2, задающего минимальный ток нагрузки…
Именно этот факт и послужил первопричиной написания данной статьи: при испытании одного из собранных экземпляров часов я решил проверить работу преобразователя, включив его без платы индикаторов. И очень сильно удивился, когда измеренное выходное напряжение оказалось практически 400 вольт. Стало интересно почему на выходе такое высокое напряжение. До этого я особо не задумывался о реальной схемотехнике данных часов т.к. схема многократно повторялась радиолюбителями и имела множество положительных отзывов.
Вообще автор пишет, что старался разработать часы с минимальным количеством компонентов, доступные для повторения практически каждому. И у него это вполне получилось, но экономия пары резисторов ценой ощутимого снижения надежности – это плохое решение. Стабилизировать работу преобразователя в лоб можно было добавлением на выход резистивного делителя и подачей сигнала обратной связи с его выхода на вход АЦП микроконтроллера Arduino. В этом случае можно было бы отслеживать величину выходного напряжения и автоматически корректировать ширину управляющих импульсов – получился бы полноценный DC-DC преобразователь с ШИМ на Arduino.
Ещё одним следствием отсутствия стабилизации выходного напряжения является изменение яркости свечения газоразрядных индикаторов при некоторых эффектах переключения т.к. в это время изменяется количество одновременно горящих индикаторов, а значит и потребляемый суммарный ток. А изменение потребляемого тока приводит к изменению выходного напряжения преобразователя.
Частично сгладить изменение яркости газоразрядных индикаторов можно увеличением ёмкости конденсатора DC-DC преобразователя. Изначально автором предлагается установить конденсатор ёмкостью 4.7 мкФ на рабочее напряжение 350 вольт. Вместо данного конденсатора необходимо установить конденсатор ёмкостью 10 мкФ на рабочее напряжение 400 Вольт. Данный конденсатор также необходимо с обратной стороны платы между выводами зашунтировать плёночным либо керамическим конденсатором ёмкость 0.1-0.22 мкФ на рабочее напряжение не менее 400 Вольт.
При использовании выводного конденсатора в качестве шунтирующего, необходимо укоротить его выводы до максимально возможной длины. Места пайки конденсаторов DC-DC преобразователя дополнительно необходимо покрыть электроизоляционным лаком, компаундом либо эпоксидной (акриловой) смолой для исключения возможного пробоя изоляции.
Переменный же резистор R2 из схемы лучше исключить полностью и на его место установить постоянный резистор сопротивлением 220-270 кОм. Такая замена исключит случайное изменение минимального тока нагрузки на выходе преобразователя, а также возможное короткое замыкание в случае установки подвижного контакта в крайнее положение.
Дополнительно улучшить работу преобразователя можно заменой транзистора VT1 типа IRF840 на транзистор типа STP14NM50N и ему подобные. Транзистор STP14NM50N по сравнению с IRF840 имеет в 3 раза меньшее сопротивление сток-исток в открытом состоянии, что уменьшает его нагрев при работе. Кроме того, у транзистора STP14NM50N ощутимо ниже паразитные ёмкости, что при том же токе управления приводит к дополнительному снижению потерь за счёт меньшего затягивания фронтов импульсов при переключении [8, 9].
Катушка же индуктивности преобразователя должна быть рассчитана на ток не менее 200-250 мА, но при этом по габаритам помещаться на плату в вертикальном или горизонтальном положении. В качестве катушки индуктивности отлично подходят катушки типа RLB0712-221KL, RLB0812-221KL и им подобные.
Ну что же, с повышающим преобразователем разобрались – переходим к модулю часов на основе RTC типа DS3231. Внешний вид модуля часов представлен на фото далее.
Во-первых, данный модуль часов выпускается с микросхемами DS3231 двух типов: с буквой M на конце и с буквами SN т.е. с DS3231M и DS3231SN. Предпочтительнее использовать модуль с буквами SN как более точный. Впрочем, для домашнего применения можно использовать и модуль с буквой M – катастрофической разницы в точности хода часов не будет. По результатам наблюдения уход часов с «модулем M» за полгода составляет в среднем 20-40 секунд, что вполне допустимо.
Во-вторых, в полноразмерном варианте производитель указывает, что в модуль по умолчанию в качестве резервного источника питания устанавливается гальванический элемент (в обиходе батарейка) типа CR2032, что не верно. Почему? Если внимательно посмотреть, то на плату модуля смонтирована цепь заряда, состоящая из токоограничивающего резистора R4 и диода D2…. А гальванический элемент вообще-то штука не подзаряжаемая.
В связи с этим на плату должен устанавливаться аккумулятор типа LIR2032 и ему подобные, либо цепь заряда R4-D2 необходимо полностью демонтировать в случае установки гальванического элемента типа CR2032. В противном случае возможен выход гальванического элемента из строя вплоть до разрушения корпуса последнего.
Но и с использованием аккумулятора типа LIR2032 есть определённые проблемы. Так, например, всегда существует риск перезаряда аккумулятора при использовании такой примитивной цепи заряда из диода и резистора. Кроме того, режим «струйной подзарядки» для классических литий-ионных аккумуляторов неприменим, вреден и приводит к ускоренной деградации.
В связи с этим наилучшим решением будет всё же установка гальванического элемента типа CR2032 с полным удалением цепи заряда. Тем не менее аккумуляторы типа LIR2032 у меня работают исправно уже более 2-х лет в нескольких экземплярах часов. Для уменьшения возможного перезаряда и тока в режиме «струйной подзарядки» сопротивление резистора R4 было увеличено до 1 кОм.
В-третьих, необходимо в обязательно порядке установить керамический конденсатор по питанию модуля часов ёмкостью 1-10 мкФ. Место для его установки предусмотрено на плате возле микросхемы дешифратора D1.
Ну и в заключении данной статьи немного поговорим про сборку и компоновку часов в корпус.
Если вы, как и я, планируете изготавливать корпус в стиле стимпанк самостоятельно, то перед печатью на 3D-принтере рекомендую увеличить глубину задней крышки примерно на 5 мм, а передней на 3-5 мм. В общем-то и в исходные габариты корпуса часы обычно тоже входят… Но, как оказалось, высота батарейных отсеков на модуле часов бывает ощутимо разной. Несколько раз мне попадались модули, которые не входили в корпус по габаритам даже при максимально плотной компоновке.
Да и в чуть более просторный корпус намного проще производить сборку и компоновку. Кроме того газоразрядные индикаторы без проблем можно будет установить практически вровень передней стенке корпуса и избежать боковой засветки солнечным светом днем. А можно наоборот сделать немного утопленными в корпус или выступающими т.е. появляется дополнительная возможность регулировки высоты установки индикаторов.
Если планируется изготавливать корпус из относительно прозрачных пластиков типа PETG, то рекомендуется дополнительно демонтировать с платы Arduino nano и модуля часов индикаторные светодиоды либо их токоограничивающие резисторы во избежание посторонней засветки корпуса часов.
Ну и в завершение самое главное: после программирования и настройки параметров дневного и ночного режимов проверьте напряжение на выходе повышающего преобразователя с подключенными индикаторами — оно должно быть равно 190-195 вольт в ночном режиме работы.
В подборке фото ниже представлен процесс сборки и компоновки часов на разных этапах, а также один из вариантов полностью собранного экземпляра часов во время проведения испытаний.
На видео ниже [2] представлено видео работы часов в разных режимах во время проведения испытаний. По представленному видео хорошо видно, что часы работают исправно.
В архиве NixieClock_v2.zip представлен архив с файлами корпуса в формате .STL, исходным кодом программы, а также gerber-файлами для возможности самостоятельного изготовления часов. Самую последнюю и актуальную версию всех необходимых файлов можно скачать с официального сайта автора часов.
А на этом на сегодня всё. С уважением, Андрей.
Список использованной литературы:
3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах/ Пер. с англ.: Б. Н. Бронина, И. И. Короткевич, А. И. Коротова и др. — Изд. 4-е, переработанное и дополненное. — М.: Мир, 1993
4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Перевод с нем. под ред. д-ра техн. наук А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. — 512 с.
5. Сверхточный RTC модуль реального времени на базе чипа DS3231
6. ИН-12. Параметры и характеристики
7. К155ИД1, КБ155ИД1-4, КМ155ИД1
8. IRF840
9. STP14NM50N