Как сделать часы на индикаторных лампах своими руками?

Категория: Светодизайн

Настольные часы на газоразрядных лампах являются украшением интерьера, а их мягкий теплый свет не оказывает негативного влияния на глаза. Для изготовления потребуются специальные индикаторы, которые использовались вплоть до конца 80-х гг. прошлого века в различном оборудовании. Электронные компоненты и блок питания устанавливают на деревянном основании будущих часов, материал корпуса пропитывают декоративными составами и покрывают несколькими слоями лака.

Часы на газоразрядных лампах

Конструктивные элементы и принцип работы часов на газоразрядных индикаторах

Основой часов является микросхема счетчика времени, от характеристик которой зависит точность хода. Питание для ламп и электроники подается от трансформатора, подключенного к бытовой сети переменного тока. В конструкции предусматривается система светодиодной подсветки с отдельным контроллером, позволяющим менять оттенок и интенсивность свечения. Мощность оборудования не превышает нескольких ватт, что положительно сказывается на энергопотреблении.

При подаче питания счетчик времени транслирует информацию через электронный модуль к газоразрядным лампам. Контроллер обеспечивает включение требуемого регистра, в ряде моделей ретро-часов имеются точечные светодиоды для разделения полей часов и минут. Подсветка обеспечивает красивый фон, вписывающийся в интерьер помещения. Все детали расположены на основании из пластика или дерева, оснащенном резиновыми опорами для защиты от скольжения по поверхности стола.

Блок высокого напряжения

Для обеспечения работы ламп необходимо подать напряжение около 180 В (сила тока в цепи не превышает нескольких мА). Классический вариант с трансформатором используют редко, поскольку блок питания имеет большие размеры и массу. Альтернативой является преобразователь напряжения на основе микросхемы (например, МС34063) с малогабаритным трансформатором и диодным мостом. В схеме присутствует плавкий предохранитель, защищающий оборудование от необратимых повреждений при коротком замыкании или скачке напряжения во внешней сети.

Блок высокого напряжения

Поскольку газоразрядные лампы чувствительны к перепадам напряжения, то в блоке предусматривают линейный стабилизатор (например, на базе микросхемы LM7805). Оборудование создает на выходе напряжение от 175 до 180 В. Представленная схема позволяет собрать блок питания своими руками, для установки компонентов потребуется отдельная печатная плата.

Блок индикации

Для отображения чисел используются лампы Nixie tube, состоящие из цоколя и стеклянной колбы, заполненной инертным газом. В конструкции изделия предусмотрены катоды для индикации чисел от 0 до 9 и общий анод.

При подаче питания на соответствующие контакты возникает тлеющий разряд, сигналы от счетчика времени позволяют переключать индикаторы.

Для изготовления часов используют советские лампы поколения ИН (изделия периодически встречаются в продаже) либо продукцию компаний Millclock или Daliborfarny, отличающуюся повышенной ценой (около 100 $ за 1 шт.).

Счетчик времени

Для расчета времени в схеме часов предусмотрена отдельная микросхема (оригинальная или позаимствованная из материнских плат компьютеров). Распространенным вариантом является чип DS1307 от Maxim Integrated Products, поддерживающий 12- и 24-часовой форматы и рассчитанный на подачу питания от батарейки или внешнего блока (сила тока до 200 мкА). Микросхема может работать при температуре воздуха 0...+70°С.

Счетчик времени

Блок подсветки

Система светодиодной подсветки ставится мастером по желанию и не оказывает влияния на работоспособность или точность хода электронных часов. Элементы устанавливают в основании каждой газоразрядной ламы, что позволяет создать слабое фоновое освещение. При использовании светодиодов RGB появляется возможность программирования оттенка или непрерывного изменения цвета. Для управления фоновой подсветкой рекомендуется установить отдельный микропроцессор (например, 8-битный PIC12F692 от компании Microchip Technology).

Схема часов

Для сборки оборудования можно использовать готовые схемы. Например, конструктор Тимофей Носов предложил часы на базе микропроцессора PIC16F628A и высоковольтного дешифратора на базе микросхемы К155ИД1. Для питания использован повышающий импульсный преобразователь, предусмотрена резервная подпитка на основе сменного элемента CR2032. При отключении от розетки индикация гаснет, но счетчик времени продолжает работать. Срок годности батарейки составляет 2-3 года.

Для разделения регистров использован цилиндрический индикатор ИНС-1. Лампа оборудована плоской колбой, при включении видна точка ярко-оранжевого цвета, близкого по оттенку к основным лампам. В часах с отображением даты применяют 2 разделительных индикатора ИНС-1.

Схема часов

В схему можно ввести датчик температуры, отключающий оборудование при обнаружении перегрева. Недостатком индикаторов в лампах является оседание частиц металла на цифрах, которые редко используются или не применяются для отображения времени. Существуют схемы с поддержкой перебора цифр в каждой лампе с интервалом в 1 минуту. Технология позволяет убрать налет металла и повысить ресурс газоразрядных ламп.

Изготовление своими руками

Процедура сборки часов на газоразрядных лампах состоит из таких этапов:

  1. Выбора и приобретения комплектующих.
  2. Разработки чертежа и травления печатной платы.
  3. Установки компонентов.
  4. Изготовления корпуса и монтажа компонентов для окончательной проверки.

Подготовка

На начальном этапе требуется приобрести 6 одинаковых газоразрядных ламп (производитель и дата изготовления не учитываются). Изделия должны относиться к одной серии и иметь одинаковое покрытие колб (некоторые мастера удаляют лакокрасочный слой со стеклянной поверхности). Примерами ламп являются индикаторы ZM1042 или ZM1040 от чехословацкой компании Tesla либо ИН-18, выпускавшиеся на территории СССР.

Подготовка

Для работы оборудования потребуется программное обеспечение, разработанное самостоятельно или написанное другими авторами. Прошивку необходимо загрузить в память микропроцессора с помощью программатора. Затем следует определить модель преобразователя напряжения и выбрать транзисторы для цепи управления анодами.

В качестве микросхемы для часов рекомендуется чип с автономным питанием, позволяющим сохранить работоспособность при отключении часов от розетки.

Печатная плата

Для изготовления печатной платы необходимо:

  1. Разработать макет с использованием компьютерной программы (например, Sprint Layout), учитывая тип применяемых ламп и электронных компонентов. Зазор между дорожками не следует делать шире 1 мм, иначе увеличивается время травления и происходит быстрая деградация раствора хлорного железа из-за насыщения медью.
  2. Распечатать проект на лазерном принтере в масштабе 1:1. При создании и печати макета следует помнить о необходимости зеркального отображения будущего изделия. Для печати рекомендуется использовать глянцевую бумагу для журналов (типографский текст или рисунки не оказывают влияния на работу лазерного принтера). Печатать следует в максимальном разрешении с отключенной функцией сохранения тонера, для повышения качества оттиска необходимо использовать новый или заправленный картридж.
  3. Перенести рисунок на лист текстолита с помощью утюга, имеющего температуру в пределах +140...+160°С. Лист бумаги следует приложить к заготовке, предварительно нагретой утюгом.
  4. После охлаждения опустить текстолит в теплую воду и удалить остатки бумаги. Использовать щетки не следует из-за риска повреждения дорожек из тонера. Обнаруженные дефекты восстановить перманентным маркером на спиртовой основе.
  5. Опустить пластину в раствор хлорного железа, предварительно нагретый до +50°С. Процедура травления занимает 4-5 минут, в ходе обработки рекомендуется поддерживать степень нагрева реагента. Для ускорения процесса и улучшения качества следует непрерывно перемещать заготовку в растворе.
  6. Вынуть плату из емкости, просушить и протереть поверхность тампоном из ваты, смоченной растворителем или ацетоном (для удаления остатков тонера).

Альтернативная методика предусматривает заказ печатной платы в Китае по готовой схеме. Заводское производство позволяет повысить качество продукта, на заготовке присутствуют переходные отверстия, упрощающие сборку. Срок выполнения заявки с доставкой составляет около 30 суток. Начинающим конструкторам рекомендуется сделать пробный экземпляр самостоятельно для последующего устранения недочетов. Цена монтажной платы варьируется в пределах 2-4 долларов США (при ускорении доставки тариф увеличивается).

Часы в сборе

Сборка платы

Для пайки деталей потребуется паяльная станция с возможностью регулировки температуры. Рекомендуется использовать в качестве флюса канифоль с последующим удалением остатков материала спиртом, допускается наносить препарат, не требующий финишной промывки. Применять флюсы на основе кислоты не следует из-за риска коррозии металлических контактов электронных компонентов. На первом этапе собирают преобразователь напряжения, а затем устанавливают прочие элементы и направляющие для фиксации газоразрядных ламп.

После окончания пайки необходимо подать питание и проверить цифровым вольтметром напряжение на выходе. Значение будет варьироваться в диапазоне от 170 до 180 В из-за погрешности номинала сопротивлений. Элементы не должны качаться в посадочных отверстиях, но не следует наносить лишнюю массу припоя, ухудшающую работу электроники.

Капли металла не должны образовывать мосты, проводящие ток. От качества монтажа платы зависит корректность работы самодельных часов.

Изготовление корпуса

Для изготовления корпуса можно использовать древесину, металл, искусственный камень или полимеры (при наличии доступа к 3-мерному принтеру). Наиболее бюджетным вариантом является деревянный брусок, габариты заготовки подбирают с учетом размеров печатной платы с электронными компонентами. Для изготовления потребуется фрезерный станок, вырезать оболочку с помощью стамесок и напильников не получится.

Общий алгоритм изготовления корпуса часов:

  1. Разработать чертеж (на бумаге или с использованием компьютерных программ).
  2. Установить заготовку на рабочий стол станка и вырезать полости в соответствии с габаритами печатной платы. На боковой части предусмотреть отверстие для штекера кабеля питания.
  3. Просверлить отверстия для газоразрядных ламп и каналы для крепления нижней крышки.
  4. Провести финишную шлифовку и пропитать изделие воском или залить слоем яхтного лака.
  5. Вырезать нижнюю крышку из листа нержавеющей стали или толстого пластика. Предусмотреть отверстия для доступа к кнопкам, чтобы можно было корректировать время.
  6. Собрать часы и проверить работоспособность оборудования.

Альтернативный вариант корпуса предусматривает установку электронных компонентов и индикаторов в центральной части. Переднюю поверхность кожуха закрывают толстым стеклом. В задней панели, выполненной из нержавеющей стали, делают отверстия для регулировки и ввода кабеля питания. На основание приклеивают резиновые демпфирующие опоры. Устойчивость часов зависит от веса компонентов и корпуса.

Особенности эксплуатации

Часы на индикаторных лампах оснащены блоком питания, который прогревается при работе до +40°...+50°С. В корпусе необходимо предусмотреть вентиляционные отверстия, которые должны быть постоянно открытыми. Точность хода зависит от модификации и характеристик кварца, при использовании узлов от мобильных телефонов или материнских плат погрешность не превышает нескольких секунд в год. Корректировка времени потребуется только в случае отключения питания в квартире (например, из-за аварии на линиях электроснабжения).