Вакуумно-люминесцентный индикатор ИВ-18. Собираем ледяные часы.

Приветствую! Обзор будет посвящен вакуумно-люминесцентному индикатору ИВ-18 и сборке часов на его основе. Расскажу про каждый функциональный узел в схеме, будет много фото, картинок, текста и, конечно же, DIY. Если интересно, заходим под cut.

Совсем чуть-чуть лирики
У меня давно была идея собрать часы на газоразрядных или люминесцентных индикаторах. Согласитесь — выглядит это винтажно, тепло и лампово. Такие часы, например, в деревянном корпусе, смогут занять достойное место в интерьере или на столе радиолюбителя. Реализовать свою идею все как-то не получалось. Сначала хотел собрать на ИВ-12. Такие лампы нашлись дома в куче «хлама».
(Картинка для примера из интернета).


Потом на ИН-18. Это одна из самых больших индикаторных ламп, но узнав цену одной штуки, от этой затеи отказался. (Картинка для примера из интернета).


Затем захотел повторить схему на ИН-14. (Картинка для примера из интернета).


Уже развел печатную плату, но заминка случилась из-за ламп. Найти их в Норильске не удалось. Потом нашел комплект из 6 штук на ebay. Пока раздумывал, энтузиазм поугас, появились другие проекты. Идея снова не была реализована.
На одном из тематических сайтов для радиолюбителей, увидел вот такие часы.

Нашел информацию, это оказались Ice Tube Clock от Adafruit. Мне они очень понравились, однако цена за комплект для самостоятельной сборки составляет $85, без учета стоимости доставки. Тут же пришло решение — буду собирать сам! Индикатором в таких часах является ИВ-18. Купить такой же в русских интернет-магазинах я не смог, то не было доставки до Норильска, то продажа только оптом. В общем, в порыве энтузиазма заказал его на ebay. Продавец оказался из Нижнего Тагила (доставляет по всему миру). После оплаты продавец вернул стоимость международной доставки $5. Через 3 недели посылка была у меня в руках. На всякий случай заказал 2 шт, так как переживал, что в дороге могут разбиться.

Упаковка
В качестве упаковки — обычный конверт с пупырками, индикаторы находились в пластиковых трубках с дополнительной оберткой внутри. Такая форма упаковки оказалась вполне надежной.



Внешний вид






Назначение и устройство
Индикатор цифровой многоразрядный вакуумный люминесцентный (ВЛИ) предназначен для отображения информации в виде цифр от 0 до 9 и десятичного знака в каждом из 8 цифровых разрядов, и вспомогательной информации на одном служебном разряде.
ВЛИ представляет собой электровакуумный триод прямого накала с множеством покрытых люминофором анодов. Параметры лампы подобраны таким образом, чтобы она могла работать при низких анодных напряжениях — от 27 до 50 В.
Катод представляет собой катод прямого накала из вольфрама с добавлением 2 % тория для облегчения эмиссии при сравнительно небольшой температуре.
В индикаторе две параллельно соединённых нитей накала диаметром меньше человеческого волоса. Для их натяжения применены небольшие плоские пружины. Напряжение накала составляет от 4,3 до 5,5 В.
Сетки ВЛИ — плоские. Количество сеток равно количеству знакомест индикатора. Назначение сеток — двоякое: во-первых, они уменьшают напряжение, достаточное для того, чтобы индикатор светился ярко, а во-вторых, обеспечивают возможность коммутации разрядов при динамической индикации.
Аноды покрыты люминофором с небольшой энергией возбуждения, составляющей всего несколько электрон-вольт. Именно этот факт и позволяет лампе работать при низком анодном напряжении.

Технические характеристики
Цвет свечения: Зеленый
Номинальная яркость индикатора одного цифрового разряда – 900 кд/м2, служебного разряда – 200 кд/м2.
Напряжение накала: 4,3–5,5 В
Ток накала: 85 ± 10 мА
Напряжение анода–сегмента импульсное: 50 В
Наибольшее напряжение анодов–сегментов: 70 В
Наибольший ток анода-сегмента: 1,3 мА
Ток анодов–сегментов импульсный суммарный ИВ–18: 40 мА
Напряжение сетки импульсное: 50 В
Наибольшее напряжение сетки импульсное: 70 В
Минимальная наработка: 10 000 ч
Яркость индикатора, изменяющаяся в течение минимальной наработки, не менее: 100 кд/м2

Габаритные размеры


Распиновка ИВ-18 (тип-2)


1– Катод, проводящий слой внутренней поверхности баллона;
2– dp1...dp8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
3 – d1...d8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
4 – c1...c8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
5 – e1...e8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
6 – Не подключать (свободный);
7 – Не подключать (свободный);
8– Не подключать (свободный);
9 – g1...g8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
10 – b1...b8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
11 – f1...f8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
12 – a1...a8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
13 – Катод;
14 – Сетка 9го разряда;
15 – Сетка 1го разряда;
16 – Сетка 3го разряда;
17 – Сетка 5го разряда;
18 – Сетка 8го разряда;
19 – Сетка 7го разряда;
20 – Сетка 6го разряда;
21 – Сетка 4го разряда;
22 – Сетка 2го разряда.

Сведения о назначении выводов справедливы только для индикатора тип-2. Существует и тип-1, а как понять, какой «тип» индикатора окажется у вас?! Все просто! Исходя из описания, выводы 6, 7, 8 никуда не подключены, т.е. висят в воздухе в самом баллоне! Это очень хорошо видно.

Дабы не томить читателя, сразу приведу электрическую схему.


Схему в большом разрешении и прошивку для МК можно скачать в конце обзора.

Дальше для новичков я подробно расскажу, как работает схема, а бывалые меня поправят, если что.
1. Микроконтроллер

За работу схемы отвечает микроконтроллер Atmega328P-PU в DIP корпусе, он управляет драйвером индикатора и блоком анодного напряжения, получает данные от «часовой» микросхемы, а также к нему подключен энкодер для управления часами. Будьте внимательны, при использовании в корпусе TQFP распиновка будет другой. При желании, можно Atmega328P-PU заменить на Atmega168PA, памяти хватит, но я взял с запасом, для будущих прошивок (на текущий момент она составляет 11,8 Кб). Также вместо «голой» атмеги можно приметить Arduino, в этом случае надо смотреть пин маппинг (какой цифровой вход/выход соответствует выводу на мк). В данной схеме включение контроллера типовое, он работает на частоте 16 МГц от внешнего кварцевого резонатора. Соответственно фьюзы равны:
Low Fuse 0xFF, High Fuse 0xDE, Extended Fuse 0x05. Reset подтянут к плюсу питания через резистор. После правильной установки фьюзов прошивку загружал через колодку ICSP (SCK, MOSI, MISO, RESET, GND, Vcc).

2. Питание

Входное напряжение 9В поступает на линейный стабилизатор L7805 и понижается до 5В. Это напряжение необходимо для питания «цифровой логики», оно поступает на микроконтроллер и драйвер MAX6921. Т.к. наш мк работает на частоте 16 МГц, то рекомендованное напряжение (исходя из даташит) 5В. Схема включения стабилизатора типовая, вместо L7805 можно применить любой другой, хоть КР142ЕН5.


В схеме также необходимо питание 3,3 В, для этого я применил стабилизатор AS1117. Этим напряжением питаются «часовая» микросхема DS3231 и накал для индикатора. Схема включения — исходя из даташит стабилизатора.
Тут хочу обратить ваше внимание на пару моментов:
1. Из описания ИВ-18 следует, что напряжение накала от 4,7 до 5,5 В, и во многих схемах подают 5 В, например, как в Ice Tube Clock. На самом деле видимое свечение наступает уже при 2,7 В, поэтому 3,3 В считаю оптимальным. При настройке часов на максимальную яркость уровень свечения очень приличный. Подозреваю, что питая индикатор этим напряжением, вы значительно продлите срок его службы.
2. Для равномерного свечения на накал подают либо переменное напряжение, либо источник прямоугольного сигнала. В общем-то работа показала, что при питании «постоянкой» эффекта неравномерности нет (я не увидел), поэтому заморачиваться не стал.


Для получения анодного напряжения использована схема простейшего step up преобразователя, которая состоит из дросселя L1, полевого транзистора IRL510S, диода Шоттки 10BQ100 и конденсатора С8. Попробую объяснить, как это работает, для этого представим схему в виде:
Первый этап

Второй этап

Работа преобразователя проходит в два этапа. Представим себе, что транзистор VT1 выступает в роли ключа S1. На первом этапе транзистор открыт (ключ замкнут), ток от источника проходит через дроссель L, в сердечнике которого энергия накапливается в виде магнитного поля. На втором этапе транзистор закрыт (ключ разомкнут), запасенная энергия в катушке начинает высвобождаться, и ток стремится поддерживаться на том же уровне, что и был в момент размыкания ключа. В результате напряжение в катушке резко подскакивает, проходит через диод VD и накапливается в конденсаторе С. Затем ключ снова замыкается, и катушка снова начинает получать энергию, в то время как нагрузка «питается» от конденсатора С, а диод VD не дает току уйти обратно в источник питания. Этапы повторяются друг за другом, не давая конденсатору «опустошиться».
Транзистор управляется прямоугольными импульсами с регулированием от ШИМ микроконтроллера, тем самым можно менять время заряда конденсатора С. Чем больше время заряда, тем выше напряжение на нагрузке. В интернете есть калькулятор для расчета выходного напряжения в зависимости от частоты ШИМ, индуктивности и емкости.

Резисторы R3 и R4 представляют собой делитель, напряжение с которого поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микроконтроллера. Это необходимо для контроля напряжения на анодах (допускается не более 70 В) и регулировки яркости. Информация об анодном напряжении выводится на индикатор в одном из режимов работы. Например, при 30 В напряжение на делителе будет около 0,3 В. Почему именно такое отношение делителя, спросите вы?! Тут все дело в принципе работы АЦП, который заключается в постоянном сравнении поступившего напряжения с «эталонным» источником опорного напряжения (ИОН), при этом входное напряжение на АЦП не может быть больше ИОН. В качестве источника опорного напряжения могут выступать: напряжение питания микроконтроллера, напряжение, поданное на пин Aref или внутренний. В данной схеме применяется внутренний ИОН, который равен 1,1 В. Вот с ним и будет происходить сравнение напряжения, полученного с делителя.

3. Часовая микросхема

В качестве часов реального времени используется микросхема DS3231 фирмы Dallas Semiconductor. Это высокоточные часы реального времени (RTC) со встроенными I2C интерфейсом, термокомпенсированным кварцевым генератором (TCXO) и кварцевым резонатором в одном корпусе. По сравнению с традиционными решениями на базе кварцевых резонаторов, DS3231 имеет до пяти раз большую точность хронометрирования в диапазоне температур от -40 С до +85 С. Подключение типовое, осуществляется по шине I2C, которая подтянута резисторами к плюсу питания. Данная микросхема имеет встроенный датчик температуры, информацию с которого будем брать для комнатного термометра. Батарея CR2032 служит источником резервного питания, чтобы часы не сбрасывались при отключении.

4. Энкодер

В этой схеме применяется инкрементный энкодер для настройки часов и выбора режима работы. Желательно использовать со встроенной тактовой кнопкой. Принцип работы заключается в том, что энкодер выдает импульсы («тики») при повороте ручки. Наша задача посредством микроконтроллера вылавливать эти «тики». В данном случае, происходит кратковременное замыкание на землю. Для подавления дребезга контактов используются внутренние подтягивающие резисторы мк, а также конденсаторы 0,1 мкФ. Также обратите внимание, что подключение энкодера сделано на выводы мк внешнего прерывания (INT), это важно.

5. Индикатор и драйвер
Индикатор ИВ-18 представляет собой радиолампу — триод с катодом прямого накала, управляющими сетками (работающих от «плюса» питания) и кучей анодов с люминесцентным покрытием. Над каждой группой анодных сегментов (a, b, c, d, e, f, g) находится отдельная сетка.
Принцип индикации цифры одного из разрядов таков: электрическое поле управляющей сетки ускоряет электроны, которые, пролетая через редкую сетку, достигают тех анодов-сегментов, на которые подано анодное напряжение. Электроны, попадая на люминофор, вызывают его свечение.
Для вывода цифры одного разряда достаточно подать напряжение на соответствующие аноды-сегменты и сетку. Это будет статичная индикация. Чтобы зажечь все цифры в каждом разряде, необходимо использовать динамическую индикацию, т.к. аноды-сегменты во всех одноименных разрядах соединены между собой и имеют общие выводы. Сетка для каждого разряда имеет свой отдельный вывод.
Управлять анодами-сегментами и сетками можно сборкой из транзисторных ключей, а можно специальной микросхемой-драйвером MAX6921AWI.

Микросхема является высоковольтным сдвиговым регистром, которая имеет 20 выходов с допустимым напряжением 76 В и током до 45 мА. Ввод данных осуществляется через последовательный интерфейс. CLK — вход тактирования, DIN — последовательный ввод данных, LOAD — загрузка данных, BLANK — выключение выходов, DOUT — предназначен для каскадного соединения таких же микросхем. BLANK подтягиваем к земле, т.е. драйвер будет постоянно включен.
Принцип работы MAX6921 схож с работой сдвигового регистра 74HC595. Когда на тактовом входе CLK появляется логическая единица, регистр считывает бит со входа данных Din и записывает его в самый младший разряд. При поступлении на тактовый вход следующего импульса, всё повторяется, только бит, записанный ранее, сдвигается на один разряд (начиная с OUT19 до OUT0), а его место занимает вновь пришедший бит. Когда все 20 бит заполнились и приходит двадцать первый тактовый импульс, то регистр снова начинает заполнятся с младшего разряда и всё повторяется вновь. Что бы данные появились на выходах OUT0…OUT19 нужно подать логическую единицу на вход LOAD.
Есть один нюанс с микросхемой MAX6921AWI, существует аналогичная MAX6921AUI — у неё совершенно другая цоколевка!!!
Приведу таблицу соответствия выводов драйвера и индикатора, так проще и понятней собирать, чем отслеживать электрические связи на схеме.

С теорией закончили, переходим к практике. Прежде чем делать печатную плату, сначала собираю на макетке. Ведь всегда приходится что-то добавлять, модифицировать, проверять режимы работы и т.д.

Вид сверху

Вид снизу. Тут картинка не для слабонервных, знатная «джигурда» получилась.

Надеваем кембрики и устанавливаем индикатор в отдельную плату.


Собираем в кучу.




В работе выглядят так. Фотал без внешнего освещения, виден шум матрицы.


Под спойлером будет информация о всех режимах работы.

Электрические тесты
При минимальной яркости: анодное напряжение 21,9 В, на затворе VT1 1,33 В.

При максимальной яркости: анодное напряжение 44,7 В, на затворе VT1 3,11 В.

Ток накала индикатора 56,8 мА, общий ток потребления часов 110,8 мА.

Заключение и мысли на будущее
Что хочу сделать:
— Развести печатную плату
— Придумать и сделать дизайнерский корпус
— Добавить уличный датчик температуры
— Добавить часам интерактивности, т.к. у мк свободный uart, можно подключить блютуз и передавать любую информацию, можно подключить esp`шку и парсить сайты с погодой, курсами валют и т.д. Потенциал к модернизации очень большой.

Скачать прошивку для микроконтроллера и схему, можно Тут