14_18.pdf

Zegar Nixie dla oszczędnych

Zegar Nixie

dla oszczędnych

AVT−521

Dawno temu, na pocz¹tku

lat 70., gdy o†przenoúnych

komputerach osobistych moøna

by³o poczytaÊ w†powieúciach

fantastyczno-naukowych,

a†wúrÛd elektronikÛw

zaczyna³y kr¹øyÊ wieúci

o†tajemniczych diodach LED,

do wyúwietlania cyfr

powszechnie stosowano

wskaüniki jarzeniowe Nixie.

MinÍ³o parÍ lat i†dziú, na

kolejnej fali ìpowrotÛw do

przesz³oúciî, znÛw pojawi³y

siÍ urz¹dzenia elektroniczne

w†stylu retro, ze szklanymi

baÒkami. Moda ma swoje

prawa, wiÍc ulegamy jej

z nadziej¹, øe projekt ma³ego

zegara bÍdzie dla m³odszych

CzytelnikÛw interesuj¹cy,

a†starszym przypomni czasy,

gdy rozpoczynali swoj¹

przygodÍ z†elektronik¹.

Cyfrowe wskaüniki

jarzeniowe

Lampy tego rodzaju s¹ pod

wzglÍdem zasady dzia³ania bliski-

mi kuzynami niewielkich lampek

stosowanych chociaøby w†prÛbni-

kach napiÍcia - wskaünikach ja-

rzeniowych. åwiecenie wywo³uje

w†nich przep³yw pr¹du pomiÍdzy

dwiema elektrodami umieszczony-

mi w†specjalnej atmosferze rozrze-

dzonego gazu, np. neonu. NapiÍ-

cie zap³onu takich lamp zawiera

siÍ w†granicach od kilkudziesiÍ-

ciu do kilkuset woltÛw, a po

zap³onie (wy³adowaniu jarzenio-

wym) spadek napiÍcia na lampie

(napiÍcie robocze) wynosi kilka-

naúcie woltÛw. Pr¹d, przy ktÛrym

lampa zaczyna úwieciÊ po zap³o-

nie jest bardzo ma³y - rzÍdu

dziesi¹tek mikroamper. Szczelne

szklane baÒki lamp maj¹ za za-

danie utrzymanie odpowiedniego

sk³adu i†ciúnienia gazu wokÛ³

elektrod.

Lampy Nixie umoøliwiaj¹ naj-

czÍúciej wyúwietlanie cyfr dzie-

siÍtnych od 0†do 9, ale ich

budowa sprawia, øe mog¹ s³uøyÊ

takøe do wyúwietlania rÛønych

symboli. Jest to zaleøne od

ukszta³towania katody, wokÛ³ ktÛ-

rej zjonizowane cz¹steczki gazu,

wskutek p³yn¹cego pr¹du, jarz¹

siÍ czerwonawym úwiat³em.

W†lampach przystosowanych do

wyúwietlania cyfr dziesiÍtnych,

katod jest dziesiÍÊ, a kaøda ma

kszta³t odpowiedniej cyfry. Wy-

prowadzenia katod wtopione s¹

w†szklan¹ baÒkÍ i†wyprowadzone

na zewn¹trz oddzielnymi druta-

mi. Anoda dla wszystkich katod

jest wspÛlna i†ma postaÊ siatki

o†rzadkich oczkach, otaczaj¹c pÛ³-

koliúcie wszystkie katody. Cyfry

katod (patrz¹c od strony obser-

watora) s¹ montowane jedna za

drug¹ w†taki sposÛb, aby siÍ ze

sob¹ nie zwiera³y. W†momencie

podania napiÍcia pomiÍdzy ano-

dÍ lampy a†wybran¹ katodÍ, gaz

wokÛ³ niej zaczyna úwieciÊ. Po-

niewaø znajduj¹ce siÍ przed ni¹

katody innych wygaszonych

w†tym momencie cyfr s¹ wyko-

nane z†cienkiego drutu i†przys³a-

Elektronika Praktyczna 8/2003

P R O J E K T Y

Zegar Nixie dla oszczędnych

Rys. 1. Schemat elektryczny sterownika zegara

niaj¹ j¹ tylko nieznacznie, a†ocz-

ka siatki anody s¹ duøe, dla

obserwatora ìzapalonaî katoda

prezentuje siÍ jako jasna i†czytel-

na cyfra úwiec¹ca w†szklanej baÒ-

ce lampy.

i†pos³uøenie siÍ mikrokontrolerem

z†prostym programem steruj¹cym

wydawa³o siÍ najbardziej racjonal-

ne. Jednak jak wiadomo, mikro-

kontrolery zasilane s¹ niskim na-

piÍciem i†nie toleruj¹ poziomÛw

napiÍÊ potrzebnych do zapalenia

lamp Nixie. Dzisiaj bez trudu

moøna zdobyÊ elementy spe³nia-

j¹ce rolÍ poúrednikÛw pomiÍdzy

niskonapiÍciowym úwiatem proce-

sorÛw a†wysokonapiÍciowymi

wskaünikami jarzeniowymi. Gra-

niczne napiÍcie U CE tranzystorÛw

n-p-n typu MPSA42 i†p-n-p typu

MPSA92 wynosi bowiem 300†V

i†elementy te mog¹ pe³niÊ rolÍ

interfejsu pomiÍdzy nisko- i†wy-

sokonapiÍciowymi obwodami ze-

gara. Maksymalny pr¹d kolekto-

rÛw†tranzystorÛw wynosi 0,5 A,

co znacznie przewyøsza potrzeby

opisywanego uk³adu. Dok³adne in-

formacje na temat tych i†podob-

nych tranzystorÛw moøna uzyskaÊ

na stronie internetowej firmy ON

Semiconductor ( http://www.onse-

mi.com ).

Mikrokontroler w†úwiecie

wysokich napiÍÊ

Do budowy czÍúci steruj¹cej

zegara wykorzystany zosta³ mik-

rokontroler jednouk³adowy i†uk³ad

scalony zegara czasu rzeczywiste-

go. Z†punktu widzenia elektronika

budowa czasomierza jest prosta:

jest to zestaw po³¹czonych ze

sob¹ licznikÛw taktowanych pre-

cyzyjnym generatorem. Jednak zro-

bienie tego w†starym stylu, cho-

ciaøby z†uøyciem scalonych licz-

nikÛw cyfrowych, by³oby przesad-

nym utrudnianiem sobie zadania

Budowa zegara i†sposÛb

dzia³ania

Schemat elektryczny sterowni-

ka zegara pokazano na rys. 1 .

Pomiarem czasu w†opisywanym

zegarze zajmuje siÍ uk³ad U4,

czyli scalony zegar czasu rzeczy-

wistego (RTC) 8583. Nie jest to

nowy uk³ad, ale bardzo rozpo-

wszechniony, poniewaø dobrze

siÍ sprawdza w†rÛønych zastoso-

waniach. Moøe on spe³niaÊ takøe

rolÍ kalendarza automatycznie

ustalaj¹cego dni tygodnia, mie-

si¹ce, a†nawet lata przestÍpne,

Elektronika Praktyczna 8/2003

Zegar Nixie dla oszczędnych

Rys. 2. Schemat elektryczny wyświetlacza

matora TR2 pojawia siÍ wysokie

napiÍcie ktÛre jest prostowane

i†filtrowane w obwodzie z ele-

mentami B1 i†C3.

Na marginesie naleøy dodaÊ,

øe takie po³¹czenie dwÛch trans-

formatorÛw dobrze uzmys³awia,

jak wielkie s¹ straty energii

powsta³e podczas jej przesy³ania,

gdy pozornie nie jest wyko-

nywana øadna praca. Poniewaø

oba transformatory s¹ takie same,

wiÍc napiÍcie na wyjúciu TR2

powinno byÊ takie samo, jak na

wejúciu TR1, ale - jak pokaza³y

doúwiadczenia - nie jest. Nawet

bez obci¹øenia innymi uk³adami

czÍúÊ energii zostaje tracona

w†rdzeniach obydwu transforma-

torÛw na skutek dzia³ania pr¹-

dÛw†wirowych i†ich opornoúci

magnetycznej. Ta czÍúÊ straconej

energii jest wyczuwalna jako na-

grzewanie siÍ rdzeni transforma-

torÛw.

Dzia³anie zegara jest bardzo

proste i†program steruj¹cy mikro-

kontrolerem moøe napisaÊ nawet

ma³o doúwiadczony programista.

Mikrokontroler odczytuje z†uk³adu

RTC za pomoc¹ magistrali I 2 C

informacje o†aktualnym czasie. Na-

stÍpnie przekszta³ca j¹ na sygna³y

steruj¹ce zapalaniem odpowied-

nich katod lampek Nixie w†trybie

multipleksowania: odpowiednio

cyfr dziesi¹tek godzin, jednostek

godzin, dziesi¹tek minut i†jednos-

tek minut.

ale w†prezentowanym zastosowa-

niu te funkcje nie bÍd¹ wyko-

rzystane. Najwaøniejsze, øe uk³ad

podczas normalnej pracy pobiera

bardzo ma³o pr¹du (jakie to waø-

ne, powiemy za chwilÍ) oraz, øe

komunikuje siÍ z†mikrokontrole-

rem za pomoc¹ magistrali I 2 C, co

oznacza, øe wymaga po³¹czenia

jedynie z†dwiema liniami I/O

mikrokontrolera. Pozosta³e wy-

prowadzenia mikrokontrolera wy-

korzystano do sterowania wy-

úwietlaczy Nixie i†obs³ugi przy-

cisku S1.

Z†uwagi na liczbÍ dostÍpnych

portÛw uk³adu U1, a†takøe dla

przed³uøenia øycia wyúwietlaczy,

nie úwiec¹ siÍ one w†sposÛb

ci¹g³y, lecz s¹ multipleksowane

czyli naprzemiennie zapalane. Po-

niewaø dzieje siÍ to z†czÍstotli-

woúci¹ wiÍksz¹ niø 50 Hz, oko

ludzkie odnosi wraøenie, øe obie

lampki úwiec¹ siÍ ca³y czas. Za

obs³ugÍ multipleksu odpowiada

linia P3.4, ktÛrej stan co 0,5 ms

zmienia siÍ na przeciwny. Uk³ad

zbudowany z†tranzystorÛw

T12...T16 formuje dwa sygna³y

w†przeciwfazie, steruj¹ce anodami

dwÛch lamp naprzemiennie za³¹-

czane jest napiÍcie anodowe na

jedn¹ z lamp. Tranzystory T1...T11

pe³ni¹ rolÍ interfejsÛw pomiÍdzy

portami mikrokontrolera, a†stero-

wanymi 10 wyprowadzeniami ka-

tod-cyfr i†kropki - do³¹czaj¹ te

elektrody do masy. Dla przyk³adu:

jeøeli bÍd¹ przewodziÊ tranzysto-

ry T12 i†T4 zapalona zostanie

cyfra 3 lampy L1.

Uk³ad zegara potrzebuje dwÛch

napiÍÊ zasilaj¹cych: +5 V†dla

mikrokontrolera i†wysokiego na-

piÍcia potrzebnego do zaúwiece-

nia lamp Nixie. NapiÍÊ dostar-

czaj¹ dwa transformatory TR1

i†TR2 po³¹czone kaskadowo. Prob-

lem podwÛjnego zasilania moøna

by³o jeszcze rozwi¹zaÊ na dwa

co najmniej sposoby: zamiast dru-

giego transformatora moøna zasto-

sowaÊ przetwornicÍ lub zasilaÊ

lampy bezpoúrednio z†sieci po-

przez oporniki ograniczaj¹ce

pr¹d. Pierwszy sposÛb jest dobry,

ale ci¹gle cena przetwornic z

napiÍÊ bezpiecznych 5/12†V na

napiÍcie 150/200†V jest duøo wy-

øsza niø cena ma³ego transforma-

tora. Drugiego sposobu nie pole-

cam, poniewaø pojawia siÍ wtedy

groüba poraøenia uøytkownika

pr¹dem. M³odsi elektronicy maj¹

zwyczaj bagatelizowaÊ to niebez-

pieczeÒstwo, jednak kaødy, kto

przeøy³ takie wydarzenie wie ja-

kie niesie ze sob¹ nieprzyjemne

doznania i†groüne skutki. Stosu-

j¹c transformator separuj¹cy uni-

kamy nieúwiadomego zamkniÍcia

poprzez w³asne cia³o obwodu

pomiÍdzy zasilaniem z†sieci

a†uziemieniem (kaloryfery, uzie-

mione obudowy urz¹dzeÒ itp.).

Transformator TR1 dostarcza

wiÍc napiÍcia zmiennego, z†ktÛre-

go poprzez mostek B2 i†stabiliza-

tor U3 wytwarzane jest napiÍcie

+5 V. Uzwojenia wtÛrne obydwu

transformatorÛw s¹ ze sob¹ po³¹-

czone dziÍki czemu na uzwojeniu

(normalnie pierwotnym) transfor-

Obs³uga zegara

Poniewaø s¹ tylko 2†lampki,

a†trzeba wyúwietliÊ 4†cyfry, infor-

macje o†aktualnej godzinie i†mi-

nucie pojawiaj¹ siÍ kolejno w†od-

powiedniej sekwencji. Najpierw

na ok. 2†s†zapalaj¹ siÍ cyfry go-

dzin, dla ³atwiejszej orientacji

pali siÍ takøe kropka dziesiÍtna

przy cyfrze jednostek godzin. Na-

stÍpnie cyfry godzin zostaj¹ wy-

gaszone i†po 0,3 s†pojawiaj¹ siÍ

cyfry minut tym razem bez krop-

ki dziesiÍtnej. Po 2†s†cyfry minut

zostaj¹ ³agodnie wygaszone, co

sygnalizuje zakoÒczenie sekwen-

cji wyúwietlania czasu. Po sekun-

dzie ca³y proces wraz z†odczytem

aktualnego czasu z†zegara RTC

zostaje powtÛrzony w†kolejnym

cyklu.

Ustawienie b¹dü skorygowa-

nie bieø¹cego czasu jest bardzo

proste, chociaø wykorzystywany

Elektronika Praktyczna 8/2003

Zegar Nixie dla oszczędnych

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1...R10, R15, R16, R19, R22: 10k

Ω

SMD 1206

R12, R14, R17: 2,2k

Ω

SMD1206

R13, R18: 220k

Ω

SMD 1206

Ω

Kondensatory

CE1: 0,22F/5,5V

CE2: 220

F/16V

C1, C2: 18pF SMD 1206

C3: 680nF/350

C5: 100nF SMD 1206

C13: 6/40pF

Półprzewodniki

D1: dioda Schottky’ego (np.

BAT85)

T1...T11, T13, T14, T16: MPSA42

w obudowach SMD

T12, T15: MPSA92 w obudowach

SMD

U1: 89C2051

U2: MCP101

U3: 78L05

U4: 8583

Różne

X1: 3,579MHz

X2: 32,768kHz

B1, B2: mostki prostownicze 250V/0,5A

JP3: ARK2

Lampy Nixie np. LC−531 lub

podobne (2 szt.)

S1: przycisk astabilny

TR1, TR2: transformatory TEZ 0,5D/6V

Rys. 3. Schemat montażowy płytki sterownika

jest do tego tylko 1†przycisk

SW1. Jeøeli w†czasie normalnej

pracy zegara przycisk bÍdzie na-

ciskany nieprzerwanie przez

2†sekundy, zegar przechodzi do

trybu ustawiania. Na obu lam-

pkach bez przerwy bÍdzie wy-

úwietlana aktualna godzina. KrÛt-

kie naciúniÍcia przycisku spowo-

duj¹ doliczenie kolejnej godziny

aø do 23, nastÍpnie jest wy-

úwietlana oczywiúcie godzina 00.

NaciúniÍcie przycisku d³uøej niø

2†s†powoduje przejúcie do usta-

wiania minut, w†sposÛb iden-

tyczny jak opisano wyøej. Kolej-

ne d³ugie naciúniÍcie przycisku

koÒczy ustawianie zegara i†spra-

wia, øe wraca do trybu normal-

nej pracy.

roku, czyli w†minionym wieku.

Moøna w†ich miejsce uøyÊ dowol-

nych innych. Trzeba tylko zasto-

sowaÊ przejúciÛwkÍ pomiÍdzy ot-

worami dla zdobytych lamp, a†co-

ko³ami dostosowanymi do typu

lamp uøytych w†projekcie. Innym

wyjúciem jest zrobienie nowej

p³ytki drukowanej z†zachowaniem

rozstawu i†kolejnoúci stykÛw

gniazda JP1 ³¹cz¹cego p³ytki lamp

i†mikrokontrolera. Lampy LC-531

mia³y 5†milimetrowej d³ugoúci wy-

prowadzenia, ktÛre z†pewnym tru-

dem i†z pomoc¹ kalafonii moøna

lutowaÊ. Uzna³em jednak, øe ³ad-

niej i†wygodniej bÍdzie je umieú-

ciÊ w†podstawkach. Podstawki do

lamp jeszcze trudniej zdobyÊ niø

same lampy wiÍc swoje wykona-

³em wykorzystuj¹c gniazda precy-

zyjne do uk³adÛw†scalonych. Trze-

ba je poci¹Ê na oddzielne piny,

øeby da³y siÍ zamontowaÊ na

obwodzie ko³a odpowiadaj¹cemu

úrednicy coko³u lampy. Jest z†tym

sporo pracy, ale potem lampÍ bez

Montaø zegara

Przyznam, øe pomys³ skon-

struowania takiego zegara, podpo-

wiedziany przez redaktora naczel-

nego, pocz¹tkowo nie wzbudzi³

mojego entuzjazmu - kolejny ze-

gar! Jednak ìzabytkoweî lampki

maj¹ swÛj urok i†mog¹ zabawnie

prezentowaÊ siÍ we wspÛ³czes-

nych wnÍtrzach, wiÍc pewnie wie-

lu CzytelnikÛw rozwaøy pomys³

budowy takiego czasomierza. Naj-

wiÍkszy problem moøe byÊ z†ja-

rzeniowymi wskaünikami cyfro-

wymi. Zapobiegliwi mog¹ je od-

naleüÊ w†swoich szufladach. Nie-

kiedy moøna takie elementy kupiÊ

na wyprzedaøach, pojawiaj¹ siÍ

takøe na aukcjach internetowych,

np. www.allegro.pl . Ja uøy³em lam-

pek LC-531 wyprodukowanych

przez Dolnoúl¹skie Zak³ady Elek-

tronowe UNITRA-Dolam w†1982

Rys. 4. Schemat montażowy płytki wyświetlacza

Elektronika Praktyczna 8/2003

SMD1206

R11: 4,7k

Ω

R20: 47k

Zegar Nixie dla oszczędnych

wiÍkszego trudu moøna w†razie

potrzeby wyj¹Ê i†powtÛrnie za-

montowaÊ.

Na p³ytce sterownika (schemat

montaøowy pokazano na rys. 3 )

najwiÍcej trudnoúci sprawia przy-

lutowanie niewielkich tranzysto-

rÛw przystosowanych do monta-

øu powierzchniowego i†kilkunas-

tu opornikÛw SMD w†obudowach

typu 1206. Procesor i†uk³ad ze-

gara najlepiej umieúciÊ w pod-

stawkach. Opornik ograniczaj¹cy

pr¹d katodowy R20 (do maksy-

malnie 1,5...2 mA) jako jedyny

jest rezystorem przewlekanym.

Opornik R21 typu SMD s³uøy do

dodatkowego ograniczenia pr¹du

kropki, ktÛry moøe maksymalnie

osi¹gn¹Ê wartoúÊ 0,5 mA. Ogra-

niczenie pr¹dÛw do wartoúci za-

lecanych przez producenta jest

konieczne, jeúli nie chce siÍ

doprowadziÊ do drastycznego

skrÛcenia czasu øycia lampy.

Z†uwagi na to, øe w†opisywanym

zegarze nie úwiec¹ one w†sposÛb

ci¹g³y, ich trwa³oúÊ powinna zo-

staÊ wyd³uøona.

Zegar wyposaøony zosta³

w†obwÛd podtrzymania zasilania

uk³adu RTC na wypadek zaniku

napiÍcia zasilania. ObwÛd ten

sk³ada siÍ z†diody D1 i†konden-

satora CE1 o†duøej pojemnoúci

0,1...0,22F. Poniewaø U4 bardzo

oszczÍdnie zuøywa energiÍ w†try-

bie normalnej pracy, czas bÍdzie

normalnie zliczany nawet w†ci¹-

gu kilkugodzinnego zaniku na-

piÍcia sieciowego - oczywiúcie

bez zasilania zegar niczego nie

wyúwietli.

Po wlutowaniu (jako ostat-

nich) transformatorÛw moøna

przyst¹piÊ do uruchamiania zega-

ra. Ca³a praca sprowadza siÍ do

sprawdzenia jeszcze raz popra-

wnoúci montaøu i†poziomu na-

piÍÊ: +5V i†napiÍcia dla lamp

Nixie. Po w³oøeniu do podstawek

uk³adÛw scalonych i†po³¹czeniu

ze sob¹ obydwu p³ytek (z³¹cza

p³ytek powinny zostaÊ po³¹czone

tak, aby styk 1†p³ytki lamp ³¹czy³

siÍ ze stykiem 1†p³ytki mikrokon-

trolera itd.) zegar powinien za-

dzia³aÊ, tzn. prze³¹czaÊ siÍ po-

miÍdzy wskazaniami godzin i†mi-

nut. Brak wyúwietlania lub sta³e

úwiecenie ktÛregoú segmentu mo-

øe oznaczaÊ nieprawid³owe zero-

wanie procesora (sprawdziÊ U2),

k³opoty z†procesorem lub pomy³-

kÍ w†po³¹czeniu ze sob¹ obydwu

p³ytek.

Zegar wymaga jeszcze obudo-

wy, najlepiej takiej, aby baÒki

lamp by³y dobrze widoczne. To

jednak pozostawiam inwencji

i†wyczuciu estetycznemu Czytel-

nikÛw, ktÛrzy zechc¹ sobie zmon-

towaÊ ma³y, lampowy zegar.

Ryszard Szymaniak, AVT

ryszard.szymaniak@ep.com.pl

Wzory p³ytek drukowanych w for-

macie PDF s¹ dostÍpne w Internecie

pod adresem: http://www.ep.com.pl/

?pdf/sierpien03.htm oraz na p³ycie

CD-EP8/2003B w katalogu PCB .

Elektronika Praktyczna 8/2003

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: