Мешок транзисторов, сдвиговые регистры, Ардуина — делаем ламповые часы

Мультиобзор рассыпных деталей, из которых соберем часы на газоразрядных индикаторах.
Отличие от большинства схем в интернете — доступность всех элементов (кроме самих индикаторов-ламп, увы) на Алиэкспресс и максимальная простота конструкции.
Пост — обещанное продолжение статьи про повышающий преобразователь 12->180 вольт на микросхеме MAX1771.
Под катом длинное DIY. Добро пожаловать!

Интро

Итак, сессия сдана, можно и заняться творчеством.
Я уже собирал ламповые часы, но основой схемы были прямо предназначенные для управления лампами микросхемы SN74141 (конкретно у меня были чехословацкие клоны Tesla MH74141, также в ходу советские К155ИД1). Залежи подошли к концу, возникла идея исключить раритетную детальку.
В целом, вышло.

Немного истории и теории о газоразрядных индикаторах

Выпускалось эта радость с 50-х аж по 90-е большинством стран, но особо отличился СССР-Россия, навыпускав столько лампочек ИН, что процентов так 95 современных поделок по всему миру собраны на ИН-14, которые доступны в любых количествах прямо со складского хранения. Вот тут можно посмотреть на немаленькую коллекцию всевозможных ламп производства разных стран.
К слову, именно часы на ГРИ промышленно не выпускались никогда, они шли в оборонку и измерительные приборы за сотни денег своего времени. Если не прав — поправьте, но в интернете мнение такое, и никаких достоверных сведений о бытовых приборах не осталось.
Итак.
Газоразрядный индикатор, aka nixie tube, по сути, представляет собой обычную неоновую лампу.

Анод (плюс) это сетка, катоды (минус) — изображения символов из штампованной стали. Всё это дело находится в стеклянной колбе с неоном, парами ртути (и прочими примесями для повышения срока службы). Кстати, пары ртути неплохо излучают жестким ультрафиолетом, поэтому в Европе лампы обычно покрывали оранжевым контрастным фильтром. В СССР не парились. Ну да ладно, мы ж в упор облучаться не собираемся.
При разности потенциалов между катодом и анодом примерно от 145 вольт, слой газа вокруг анода зажигается в тлеющий разряд красно-оранжевого цвета.
Соответственно, для управления такими штуками нам придется рулить высоким напряжением.
Тут варианты такие:

1) Упомянутая специализированная микросхема SN74141 и её клоны — дюже удобно. Напрямую коммутирует лампы с низковольтной логической частью схемы. Можно втыкать прямо в Ардуину. Но несколько раритетна и потому доступна рандомно по рандомной цене.

2) Мультиплексирование — все «одинаковые» катоды подключены в шину, лампы быстро включаются по одной со стороны анода. Тут хватит всего одной SN74141 или малого количества транзисторов. Минусы — нужны драйверы («выключатели») анода для каждой лампы, для той же воспринимаемой яркости нужно мучить лампу до 10 раз большим импульсным током.
Возможно видимое мерцание:

Мне не по нраву данный вариант.

3) Управление без мультиплексирования. Каждый катод индивидуально включается своим высоковольтным транзистором.
Недостатком варианта является только то, что транзисторов нужно несколько… много: от 10 штук на лампу. Но они же братьями-китайцами продаются чуть за более, чем один бакс / 100 штук! Решено, так и будем делать.

Закупка на AliExpress

1) Высоковольтные транзисторы MPSA42 A42
Смешные $1.19 за 100 штук. Маркировка «A42», аналог MPSA42. Datasheet.

2) Сдвиговые регистры 74HC595
Не менее смешные $0.64 за 10 штук.

3) Arduino Pro Mini
$1.60

4) Часы реального времени DS3231
$ 0.53 за часы с изумительной точностью.

5) Неоновые лампочки
$2.42 за 10 штук. NE-2 в оффлайне может стоить и дешевле.

6) Понижающий преобразователь KIS-3R33S
$1.20, как оказалось впоследствии, несколько избыточен. Можно заменить линейным преобразователем на 5 вольт.

В оффлайне было куплено:
7) Резисторы, конденсаторы — поясню по ходу
8) Текстолит, разъемы

От теории к практике, придумываем схему

Включение катода осуществляется единственным транзистором:

Это хорошо, но как нам подключить 60+ таких транзисторов к микроконтроллеру?
Можно группировать их логическими элементами, но проще всего сделать «паровозик» из сдвиговых регистров 74HC595. Каждый такой дает нам 8 полноценных, индивидуально управляемых выходов. Сдвиговые регистры можно каскадировать в любых вменяемых количествах, подключая последовательно. Также данные микросхемы очень дешевые и широко доступные.

Тут можно почитать подробнее.
Собственно, вот и вся логическая часть схемы. Итого 3 пина Ардуины на любое число катодов.

Сначала я думал собрать всю логику на одной плате вместе с индикаторами:

Но вышло не очень. Лампы у меня с индикацией «сверху», а не «сбоку». Плата бы была слишком высокой в нормальном положении.

Соответственно, решил её «распополамить», вынеся индикаторы на вертикальную плату, а всё остальное уложить горизонтально:


Ну, другое дело!
Скачать платы, открывать в SprintLayout 6.0:
Плата с индикаторами
Плата логики под KIS-3R33S
Плата логики под линейный стабилизатор на 5 вольт
«Зеленый» слой предполагается сделать сверху (прямо как видим), «синий» снизу — в зеркальном отображении.
Также разведено +5 вольт для светодиодной подсветки под лампами, но я еще не получил RGB-светодиоды с Али. Так что пока это не трогал.
Рассмотрим подробнее:

8 однотипных паттернов. Здесь устанавливаем регистры с транзисторами. Отмечен первая ножка регистра (она с той стороны, где выемка в корпусе) и положение транзистора.
В базу каждого транзистора паяем SMD резистор 10 кОм.

В бирюзовых кружках делаем переход с одной стороны на другую, запаяв туда проволочку.
Сюда паяем Ардуину. Неправильно не выйдет, пины A4 и A5 образуют защиту от дурака. =)
К пяти пинам паяем на площадки такие же SMD резисторы 10 кОм — это будут кнопки, резисторы у нас подтягивающие.
Также выведен разъем ICSP для программатора.

Сюда — часы. Батарейкой вниз. В плате делаем под неё отверстие.
SMD контакты под керамические конденсаторы — чтобы часы не сбивали возможные помехи по питанию. Однажды я проигнорировал керамику, и часы бодро убежали за сутки на 10 секунд вперед. Паяем парочку 10мкФ.

Место под KIS-3R33S.
У меня он нечаянно стал «настраиваемым» после обламывания некоторых элементов:

Если Вы будете использовать линейный стабилизатор напряжения, то часть выглядит так:

Используйте стабилизатор LM7805 на 5 вольт, возможно, с небольшим радиатором.
В любом случае:
C1 электролит 25В что-то около 470мкФ
C2 электролит 10В что-то около 1000мкФ
C3-C4 керамика 22мкФ на соответствующее напряжение
Ну а тут располагаем "повышайку", на штырьках прямо поверх платы:

На плате индикаторов ничего интересного.
Резисторы на дорожках, идущих к лампам, выбираем из расчета тока для своих ламп. Калькулятор.
Резисторы к мигающим «точкам» из маленьких неонок — около 100К.

Совсем практика, паяем

Платки делал фоторезистом, технологию описывал в предыдущей статье про «повышайку».
Для экономии тонера в принтере и раствора хлорного железа сделал заливку свободного места на плате общей шиной, она ни к чему не подключена.

Паяем KIS и подстроечный резистор:

После выставления 5 вольт заливаем его лаком, от греха подальше.
Паяем резисторы. 61 их! Вот Вам практика по SMD.

Заполняем плату дальше. Не забываем про резисторы под Ардуиной.
Синие конденсаторы паять не нужно.
Подстроечный резистор совсем-совсем от греха подальше залил и моднейшим черным термоклеем.

Должно выйти как-то так. Обратите внимание, что пропаять ножки нужно с обоих сторон платы, у нас нет металлизации в отверстиях.


Проверяем, всё ли в порядке.
Припаиваем плату с индикаторами.

В качестве сокетов для ламп я использовал вот такие 1мм кабельные разъемы:

У обычных ламп ножки тоньше, можно распотрошить цанговый разъем — подходит идеально.

Расположение повышайки:

После включения оказалось, что часть катодов отравлена:

Цифра горит неравномерно. Это происходит от того, что на редко используемых цифрах оседает металл с горящих. Поэтому лампам нужен скринсейвер.
Если уже имеем не новую лампу с проблемой, то починить просто: часок-другой пропекаем отравленный катод сильным током. Подключаем к источнику напряжения через потенциометр и крутим.

На картинке перебор. Если пропечь так, то потом и ножка будет светиться в нормальном режиме. Укручиваем ток, чтобы горело только то, что нужно, и оставляем. До готовности.
Потом всё работает нормально и на штатном токе.

Кстати, покрытие пришлось смыть. Оно было потертое жизнью. Жаль, но и оставлять не комильфо.
Хотя бы снимается оно просто: отмачиваем лампочки в теплой воде с Фейри, потом пленка облазит или сама, или с легкой помощью какого-нибудь скребка.

Поздравляю, Вы собрали железо. Осталось только написать скетч для Ардуины (ну и сделать винтажный деревянный корпус, конечно же).

Кодинг

Сразу пардон, погромист я еще в меньшей степени, чем железячник.
Возможно, в коде будут костыли и велосипеды.

Я нашел удобную библиотеку для Arduino: bildr.org/2011/08/74hc595-breakout-arduino/
Скачать
Суть в том, что она упрощает работу со сдвиговыми регистрами совсем до безобразия, позволяя управлять каждым выводом так, будто это цифровой пин Ардуины.

Кнопки настройки часов нужно защитить от дребезга. Вот описание проблемы: greenoakst.blogspot.cz/2012/06/arduino-bounce.html
Будем делать, как советует автор, с библиотекой Bounce. Скачать
Ну и наконец, мой скетч: скачать



Ну, готово!
Часики вышли здоровые, мои предыдущие раза в полтора меньше их смотрятся.
Конечно, работы еще много: подсветка, корпус, кнопки, но уже можно поставить на подоконник в ожидании доделки.



Всем спасибо за внимание, с радостью отвечу на вопросы.

Upd. март 2016:

Часы доделаны окончательно, включая корпус.
Блок питания на 12 вольт решил встроить.