Для защиты блока питания при конструировании различных схем рекомендуется на выход БП добавить узел защиты от перегрузки по току. Простая схема устройства построена с применением тиристора в качестве управляющего элемента защиты по напряжению.
Пока напряжение питания на входе находится в пределах нормы, стабилитрон и тиристор закрыты, ток протекает в нагрузку. При превышении напряжения питания свыше 15,2В, открывается стабилитрон, и вслед за ним тиристор, так как между его катодом и управляющим электродом присутствует разность потенциалов, достаточная для его отпирания. Подключенный параллельно выходу источника питания тиристор VS1 при перегрузке обрывает плавкий предохранитель в течение нескольких микросекунд, если выходное напряжение окажется свыше допустимого. Порог открывания тиристора, а именно, срабатывания защиты, зависит от технических данных стабилитрона. При перегорании предохранителя включится пьезоизлучатель звука со встроенным генератором, который просигнализирует о внешней неисправности, который, так же, индицирует о возможном коротком замыкании в нагрузке. Сигнализатор будет звучать до тех пор, пока не будет отключено общее питание или устройство нагрузки.
Видео работы схемы защиты источника питания
Вызвала множество вопросов от желающих собрать ее, либо от уже собравших, да и сама схема часов претерпела некоторые изменения, я решил написать еще одну статью, посвященную часам на газоразрядных индикаторах. Здесь я опишу улучшения/исправления как схемы, так и прошивки.
Итак, самым первым неудобством при использовании данных часов в квартире, явилась яркость. Если днем она совершенно не мешала, то ночью неплохо освещала комнату, мешая спать. Особенно это стало заметно после переделки платы и установки синих светодиодов в подсветку (красная подсветка оказалась неудачным вариантом, т.к. красный свет заглушал свечение ламп). Уменьшение яркости по времени большого эффекта не давало, т.к. спать я ложусь в разное время, а часы уменьшают яркость в одно и то же. Или же я еще бодрствую, а яркость снизилась и времени не видно. Поэтому я решил добавить датчик освещенности, а проще говоря фоторезистор. Благо выводов АЦП для подключения было предостаточно. Делать прямую зависимость яркости от уровня освещенности я не стал, а просто задал пять градаций яркости. Диапазон значений АЦП был поделен на пять промежутков и каждому промежутку задано свое значение яркости. Измерение производится каждую секунду. Выглядит новый узел схемы - вот так:
В роли датчика освещенности выступает обычный фоторезистор.
Следующее изменение коснулось схемы питания часов. Дело в том, что использование линейного стабилизатора накладывало ограничения на диапазон питающего напряжения, плюс сам стабилизатор грелся во время работы, особенно при полной яркости светодиодов. Нагрев был слабый, но хотелось избавиться от него полностью. Поэтому в схему добавился еще один импульсный стабилизатор, на это раз понижающий (Step-Down). Микросхема осталась та же, что и в Step-Up преобразователе, изменилась лишь схема.
Тут все стандартно, из даташита. Ток, требуемый схеме для работы, меньше 500мА и внешний транзистор не нужен, хватает внутреннего ключа микросхемы . В итоге всякий нагрев питающей части схемы прекратился. Кроме этого данный преобразователь не боится КЗ на выходе и перегрузок. А так же занимает меньше места на плате и от случайной переполюсовки питаюещего напряжения защитит. В общем сплошные плюсы. Правда, должны были возрасти пульсации по питанию, но на работу схемы это никакого влияния не оказывает.
Помимо электронной части изменился и внешний вид устройства. Больше в нем нет огромной кучи проводов. Все собрано на двух платах, которые сложены “бутербродом” и соединены через разъемы типа PLS/PBS. Сами платы скреплены при помощи винтов. На верхней плате находятся лампы, анодные транзисторные ключи и светодиоды подсветки. Сами светодиоды установлены за лампами, а не под ними. А на нижней расположились схемы питания, а также МК с обвязкой (на фото более старая версия часов, в которых еще не было датчика освещенности). Размер плат 128х38мм.
Лампы ИН-17 были заменены на ИН-16. Размер символа у них одинаковый, а вот форм-фактор отличается: После того, как все лампы стали “вертикальными”, упростилась разводка платы и улучшился внешний вид.
Как видно на фото, все лампы установлены в своеобразные панельки. Панельки для ИН-8 изготовлены из контактов разъема D-SUB формата “мама”. После снятия металлической оправы, он легко и непринужденно расстается с этими самыми контактами. Сам разъем выглядит вот так:
А для ИН-16 из контактов обычной цанговой линейки:
Думаю, что надо сразу положить конец возможным вопросам о необходимости такого решения. Во-первых, всегда присутствует риск разбить лампу (может кошка залезет или за провод дернут, в общем всякое бывает). А во-вторых, толщина вывода разъема гораздо меньше толщины вывода лампы, что сильно упрощает разводку платы. Плюс при запайке ламы в плату, существует опасность нарушения герметичности лампы в связи с перегревом вывода.
Ну и как обычно схема всего устройства:
И видео работы:
Работают стабильно, за полгода работы багов не выявлено. Летом стояли больше месяца без питания, пока был в отъезде. Приехал, включил – время никуда не убежало и режим работы не сбился.
Управление часами осуществляется следующим образом. При кратковременном нажатии кнопки BUTTON1 переключается режим работы (ЧАСЫ, ЧАСЫ+ДАТА, ЧАСЫ+ТЕМПЕРАТУРА, ЧАСЫ+ДАТА+ТЕМПЕРАТУРА). При удержании этой же кнопки, включается режим настройки времени и даты. Изменение показаний осуществляется кнопками BUTTON2 и BUTTON3, а переход по настройкам - кратковременным нажатием BUTTON1. Включение/отключение подсветки осуществляется удержанием кнопки BUTTON3.
Теперь можно перейти к следующей версии схемы. Она выполнена всего на четырех лампах ИН-14. Маленькие лампы для секунд просто негде взять, как, в прочем и ИН-8. Зато купить ИН-14 по приемлемой цене никаких проблем не составляет.
В схеме отличий почти нет, те же два импульсных преобразователя по питанию, тот же микроконтроллер AtMega8, те же анодные ключи. Та же RGB подсветка… Хотя стоп, никакой RGB подсветки не было. Значит отличия все-таки есть! Теперь часы умеют светиться разными цветами. Причем программа предусматривает возможность перебирать перебора цветов по кругу, а также возможность фиксации понравившегося цвета. Естественно, с сохранением самого цвета и режима работы в энергонезависимую память МК. Долго думал, как бы поинтереснее задействовать точки (их две в каждой лампе) и в конце концов вывел на них секунды в двоичном формате. На лампах часов идут десятки секунд, а на лампах минут – единицы. Соответственно, если у нас к примеру 32 секунды, то из точек левых ламп будет составлено число 3, а правых – 2.
Форм-фактор остался “бутербродным”. На нижней плате расположились два преобразователя для питания схемы, МК, К155ИД1, DS1307 с батарейкой, фоторезистор, датчик температуры (теперь он только один) и транзисторные ключи точек ламп, и RGB подсветки.
А на верхней анодные ключи (они, кстати, теперь в SMD исполнении), лампы и светодиоды подсветки.
В сборе все выглядит вполне прилично.
Ну и видео работы:
Управление часами осуществляется следующим образом. При кратковременном нажатии кнопки BUTTON 1 переключается режим работы (ЧАСЫ, ЧАСЫ+ДАТА, ЧАСЫ+ТЕМПЕРАТУРА, ЧАСЫ+ДАТА+ТЕМПЕРАТУРА). При удержании этой же кнопки, включается режим настройки времени и даты. Изменение показаний осуществляется кнопками BUTTON2 и BUTTON3, а переход по настройкам - кратковременным нажатием BUTTON1. Изменение режимов подсветки подсветки осуществляется кратковременным нажатием кнопки BUTTON3.
Фьюзы остались такими же, как и в первой статье. МК работает от внутреннего генератора 8 МГц. В шестнадцатеричном виде: HIGH: D9 , LOW: D4 и картинкой:
Прошивки МК, исходники и печатные платы в формате прилагаются.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| С RGB-подсветкой | |||||||
| U1 | Микросхема | К155ИД1 | 1 | В блокнот | |||
| U2 | МК AVR 8-бит | ATmega8A-AU | 1 | В блокнот | |||
| U3 | Часы реального времени (RTC) | DS1307 | 1 | В блокнот | |||
| U4, U5 | DC/DC импульсный конвертер | MC34063A | 2 | В блокнот | |||
| P9 | Датчик температуры | DS18B20 | 1 | В блокнот | |||
| Q1, Q2, Q7-Q10 | Биполярный транзистор | MPSA42 | 6 | MMBTA42 | В блокнот | ||
| Q2, Q4-Q6 | Биполярный транзистор | MPSA92 | 4 | MMBTA92 | В блокнот | ||
| Q11-Q13, Q16 | Биполярный транзистор | BC857 | 4 | В блокнот | |||
| Q14 | Биполярный транзистор | BC847 | 1 | В блокнот | |||
| Q15 | MOSFET-транзистор | IRF840 | 1 | В блокнот | |||
| D1 | Выпрямительный диод | HER106 | 1 | В блокнот | |||
| D2 | Диод Шоттки | 1N5819 | 1 | В блокнот | |||
| L1, L2 | Катушка индуктивности | 220мкГн | 2 | В блокнот | |||
| Z1 | Кварц | 32.768 кГц | 1 | В блокнот | |||
| BT1 | Батарея | Батарея 3В | 1 | В блокнот | |||
| HL1-HL4 | Светодиод | RGB | 4 | В блокнот | |||
| R1-R4 | Резистор | 12 кОм | 4 | В блокнот | |||
| R5, R7, R9, R11, R34, R35 | Резистор | 10 кОм | 6 | В блокнот | |||
| R8, R10, R12, R14 | Резистор | 1 MОм | 4 | В блокнот | |||
| R13-R18, R37, R38, R40 | Резистор | 1 кОм | 9 | В блокнот | |||
| R19, R20, R33, R39, R41-R43, R46, R47, R51, R53 | Резистор | 4.7 кОм | 11 | В блокнот | |||
| R21, R24, R27, R30 | Резистор | 68 Ом | 4 | В блокнот | |||
| R22, R23, R25, R26, R28, R29, R31, R32 | Резистор | 100 Ом | 8 | В блокнот | |||
| R36 | Резистор | 20 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R44 | Резистор | ||||||
В данной статье речь пойдет об изготовлении оригинальных и необычных часов. Их необыкновенность заключается в том, что индикация времени осуществляется при помощи цифровых индикаторных ламп. Таких ламп когда-то было выпущено огромное количество, как у нас, так и за рубежом. Использовались они во многих устройствах начиная от часов и заканчивая измерительной техникой. Но после появления светодиодных индикаторов лампы постепенно вышли из употребления. И вот, благодаря развитию микропроцессорной техники стало возможным создание часов с относительно простой схемой на цифровых индикаторных лампах. Думаю, не лишним будет сказать, что в основном использовались лампы двух типов люминесцентные и газоразрядные. К преимуществам люминесцентных индикаторов следует отнести низкое рабочее напряжение и наличие нескольких разрядов в одной лампе (хотя среди газоразрядных тоже встречаются такие экземпляры, но найти их значительно сложнее). Но все плюсы данного типа ламп перекрывает один огромный минус – наличие люминофора, который со временем выгорает, и свечение тускнеет или прекращается. По этой причине нельзя использовать б/у лампы.
Газоразрядные индикаторы избавлены от этого недостатка, т.к. в них светится газовый разряд. По сути, этот тип ламп представляет собой неоновую лампу с несколькими катодами. Благодаря этому срок службы у газоразрядных индикаторов гораздо выше. Кроме этого одинаково хорошо работают и новые и б/у лампы (а часто б/у работают лучше). Без недостатков все же не обошлось, рабочее напряжение газоразрядных индикаторов больше 100 В. Но решить вопрос с напряжение гораздо проще, чем с выгорающим люминофором. В интернете такие часы распространены под названием NIXIE CLOCK.
Сами индикаторы выглядят вот так:
Итак, на счет конструктивных особенностей вроде все понятно, теперь приступим к проектированию схемы наших часов. Начнем с проектирования высоковольтного источника напряжения. Тут есть два пути. Первый – применить трансформатор со вторичной обмоткой на 110-120 В. Но такой трансформатор будет либо слишком громоздкий, либо его придется мотать самому, перспектива так себе. Да и напряжение регулировать проблематично. Второй путь – собрать step up преобразователь. Ну тут уж плюсов побольше будет, во-первых он займет мало места, во-вторых в нем присутствует защита от КЗ и в-третьих можно легко регулировать напряжение на выходе. В общем, есть все, что для счастья надо. Я выбрал второй путь, т.к. искать трансформатор и обмоточный провод никакого желания не было, да и миниатюрности хотелось. Преобразователь решено было собирать на MC34063, т.к. был опыт работы с ней. Получилась вот такая схема:
Сначала она была собрана на макетной плате и показала отличные результаты. Все запустилось сразу и никакой настройки не потребовалось. При питании от 12В. на выходе получилось 175В. В собранном виде блок питания часов выглядит следующим образом:
На плату сразу был установлен линейный стабилизатор LM7805 для питания электроники часов и трансформатор.
Следующим этапом разработки было проектирование схемы включения ламп. В принципе управление лампами ничем не отличается от управления семисегментными индикаторами за исключением высокого напряжения. Т.е. достаточно подать положительное напряжение на анод, и соединить с минусом питания соответствующий катод. На этом этапе требуется решить две задачи: согласование уровней МК (5В) и ламп (170В), и переключение катодов ламп (именно они являются цифрами). После некоторого времени размышлений и экспериментов была создана вот такая схема для управления анодами ламп:
А управление катодами осуществляется очень легко, для этого придумали специальную микросхему К155ИД1. Правда, они давно сняты с производства, как и лампы, но купить их не составляет проблем. Т.е. для управления катодами требуется всего лишь подключить их к соответствующим выводам микросхемы и подать на вход данные в двоичном формате. Да, чуть не забыл, питается она от 5В., ну очень удобная штуковина. Индикацию было решено сделать динамической т.к. в противном случае пришлось бы ставить К155ИД1 на каждую лампу, а их будет 6 штук. Общая схема получилась такой:
Под каждой лампой я установил яркий светодиод красного цвета свечения, так красивее. В собранном виде плата выглядит вот так:
Панельки под лампы найти не удалось, поэтому пришлось импровизировать. В итоге были разобраны старые разъемы, похожие на современные COM, из них были извлечены контакты и после некоторых манипуляций с кусачками и надфелем они были впаяны в плату. Для ИН-17 панельки делать не стал, сделал только для ИН-8.
Самое сложное позади, осталось разработать схему “мозга” часов. Для этого я выбрал микроконтроллер Mega8. Ну а дальше все совсем легко, просто берем и подключаем к нему все так, как нам удобно. В итоге в схеме часов появились 3 кнопки для управления, микросхема часов реального времени DS1307, цифровой термометр DS18B20, и пара транзисторов для управления подсветкой. Для удобства анодные ключи подключаем на один порт, в данном случае это порт С. В собранном виде это выглядит вот так:
На плате есть небольшая ошибка, но в приложенных файлах плат она исправлена. Проводами подпаян разъем для прошивки МК, после прошивки устройства его следует отпаять.
Ну а теперь неплохо было бы нарисовать общую схему, сказано – сделано, вот она:
А вот так все это выглядит целиком в собранном виде:
Теперь осталось всего лишь написать прошивку для микроконтроллера, что и было сделано. Функционал получился следующий:
Отображение времени, даты и температуры. При кратковременном нажатии кнопки MENU происходит смена режима отображения.
1 режим - только время.
2 режим - время 2 мин. дата 10 сек.
3 режим - время 2 мин. температура 10 сек.
4 режим - время 2 мин. дата 10 сек. температура 10 сек.
При удержании включается настройка времени и даты, переход по настройкам по нажатию кнопки MENU
Максимальное количество датчиков DS18B20 – 2 . Если температура не нужна, можно их вообще не ставить, на работу часов это никак не повлияет. Горячего подключения датчико не предусмотрено.
При кратковременном нажатии на кнопку UP включается дата на 2 сек. При удержании включается/выключается подсветка.
При кратковременном нажатии на кнопку DOWN включается температура на 2 сек.
С 00:00 до 7:00 яркость понижена.
Работает все это дело вот так:
К проекту прилагаются исходники прошивки. Код содержит комментарии так что изменить функционал будет не трудно. Программа написана в Eclipse, но код без каких-либо изменений компилируется в AVR Studio. МК работает от внутреннего генератора на частоте 8МГц. Фьюзы выставляются вот так:
А в шестнадцатеричном виде вот так: HIGH: D9 , LOW: D4
Также прилагаются платы с исправленными ошибками.
Данные часы работают в течение месяца. Никаких проблем в работе выявлено не было. Стабилизатор LM7805 и транзистор преобразователя едва теплые. Трансформатор нагревается градусов до 40, поэтому если планируется установка часов в корпус без вентиляционных отверстий, трансформатор придется взять большей мощности. В моих часах он обеспечивает ток в районе 200мА. Точность хода сильно зависит от примененного кварца на 32,768 КГц. Кварц, купленный в магазине, ставить не желательно. Наилучшие результаты показали кварцы из материнских плат и мобильных телефонов.
Кроме ламп, использованных в моей схеме, можно устанавливать любые другие газоразрядные индикаторы. Для этого придется изменить разводку платы, а для некоторых ламп напряжение повышающего преобразователя и резисторы на анодах.
Внимание: устройство содержит источник высокого напряжения!!! Ток небольшой, но достаточно ощутимый!!! Поэтому при работе с устройством следует соблюдать осторожность!
Один из вариантов сборки данного проекта:
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Газоразрядный индикатор | ИН-8 | 4 | В блокнот | |||
| Газоразрядный индикатор | ИН-17 | 2 | В блокнот | |||
| CPU | МК AVR 8-бит | ATmega8 | 1 | В блокнот | ||
| Часы реального времени (RTC) | DS1307 | 1 | В блокнот | |||
| Датчик температуры | DS18B20 | 2 | В блокнот | |||
| DD1 | Микросхема | К155ИД1 | 1 | В блокнот | ||
| IC1 | DC/DC импульсный конвертер | MC34063A | 1 | В блокнот | ||
| VR1 | Линейный регулятор | LM7805 | 1 | В блокнот | ||
| VT1-VT6 | Биполярный транзистор | MPSA92 | 6 | В блокнот | ||
| VT7-VT12 | Биполярный транзистор | MPSA42 | 6 | В блокнот | ||
| VT13, VT14 | Биполярный транзистор | BC847 | 2 | В блокнот | ||
| VT15 | Биполярный транзистор | КТ3102 | 1 | В блокнот | ||
| VT16 | Биполярный транзистор | КТ3107А | 1 | В блокнот | ||
| VT17 | MOSFET-транзистор | IRF840 | 1 | В блокнот | ||
| VDS1 | Диодный мост | 1 | В блокнот | |||
| VD1 | Выпрямительный диод | HER106 | 1 | В блокнот | ||
| HL1-HL6 | Светодиод | 6 | В блокнот | |||
| C1 | 100 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| C2, C3-C5, C7, C9, C11 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 7 | В блокнот | ||
| C6, C8 | Электролитический конденсатор | 1000 мкФ | 2 | В блокнот | ||
| C10 | Конденсатор | 510 пФ | 1 | В блокнот | ||
| C12 | Электролитический конденсатор | 4.7 мкФ 400В | 1 | В блокнот | ||
| R1-R4, R6-R8 | Резистор | 4.7 кОм | 7 | В блокнот | ||
| R5, R9-R14, R27-R32, R42 | Резистор | 10 кОм | 14 | В блокнот | ||
| R15, R17, R19, R21, R23, R25, R45 | Резистор | 1 МОм | 7 | В блокнот | ||
| R16, R18, R20, R22, R24, R26 | Резистор | 13 кОм | 6 | В блокнот | ||
| R33, R34 | Резистор |