ВНИМАНИЕ! Конструкция питается от 5В, но она содержит повышающий преобразователь напряжения, из-за чего некоторые элементы схемы находятся под высоким напряжением порядка 170В. Данное напряжение требуется для питания лаповых индикаторов и сохраняется в течение примерно 10 секунд после выключения схемы. Будьте внимательны, не касайтесь элементов схемы при её работе!
В настоящее время очень популярны так называемые ламповые часы, сегменты которых выполнены на газоразрядных индикаторах, выпускавшихся в СССР в 60…80 годы. Пользователи в восторге от таких часов, называют их свечение «приятным, тёплым, живым». Кроме того, всегда интересно собрать конструкцию на стыке двух технологий: ламповой из 1970-х и современной микропроцессорной.
Однако есть определённые сложности. Во-первых, газоразрядные лампы не выпускаются с 80-х годов. Для управления лампами используется специальная разработанная в СССР микросхема, которую тоже найти непросто. Лампы зажигаются при напряжении около 170 Вольт, что требует построения повышающего преобразователя напряжения. И, наконец, для обеспечения работы часов необходимо написать программу для микроконтроллера.
Для решения всех вышеописанных проблем Мастер Кит выпускает набор для сборки часов на лампах ИН-4, содержащий всё необходимое для сборки «ламповых часов»: лампы ИН-4, микроконтроллер с записанной программой управления, преобразователь питания, печатные платы и вспомогательные компоненты.
Рис.1. Общий вид конструктора
Проверка комплекта поставки
Сначала проверьте комплект поставки (см. рис. 2. и перечень компонентов из инструкции пользователя). Внимательно проверьте лампы на отсутствие видимых повреждений. Лампы, конечно, не новые, так как их выпуск давно прекращён. Но, как показывает практика, при длительном хранении лампы никак не деградируют. В данном комплекте все четыре лампы выпущены в августе 1979 года. Это наводит на мысль, что с большой вероятностью эти лампы с хранения, они не были в эксплуатации.
Резисторы маркируются не явно, а цветными полосами. Это сделано не для того, чтобы усложнить Вам жизнь: дело в том, что на производстве монтаж плат осуществляют автоматы, и кодовая цветовая маркировка удобнее для систем машинного зрения. Расшифровать номинал резистора помогут таблицы из справочной литературы или сети Интернет, либо можно воспользоваться мультиметром, что гораздо удобнее.
В набор входят два керамических конденсатор ёмкостью 15 пФ, но на их корпусах нанесён код «150». Это не ошибка комплектации: первые две цифры кода - значащие, а третья – множитель (количество нулей), то есть код «150» как раз соответствует ёмкости 15 пФ. Если бы на конденсаторе был нанесён код «151», его ёмкость была бы 150 пФ.
Рис.2. Комплект поставки
Монтаж основной платы
После проверки комплекта поставки приступим к сборке. Конструктор рассчитан на радиолюбителей, уже имеющих начальный опыт монтажа и пайки, но на всякий случай напомню основные моменты, которые помогут в сборке.
Рассмотрим основные этапы монтажа на примере резистора 4.7 кОм:
– сгибаем выводы компонента и устанавливаем его с лицевой стороны платы, корпусом впритык к плате (рис. 3.1);
– с обратной стороны платы разгибаем выводы резистора в противоположные стороны – теперь компонент не выпадет при последующих операциях. Бокорезами откусываем выводы резистора, оставляя около 1…2 мм (рис. 3.2);
– припаиваем выводы резистора к контактным площадкам. Для пайки предпочтительно использовать припой с каналом канифоли типа ПОС-61 или его аналоги. Можно работать обычным припоем и канифолью/неактивным флюсом, но это не так удобно. Паять можно как классическим паяльником с медным жалом, так и современными – с никелевыми наконечниками. Разница в технологии пайки: на медное жало расплавленный припой набирается и как лопатой переносится в точку пайки; при работе никелевым жалом пруток припоя подаётся непосредственно в зону пайки и расплавляется на месте. Обе технологии позволяют достичь одинаково хорошего качества пайки. На рис.3.3 показан процесс пайки никелевым жалом с непосредственной подачей припоя в зону пайки;
– качественная пайка гладкая, блестящая, она полностью покрывает вывод компонента. Признаки некачественной пайки: рыхлая, матовая, непрочная; такой результат бывает в случае использования некачественного припоя или при неправильной температуре жала паяльника. В случае пайки классическим паяльником, не имеющим регулировки температуры, его жало часто перегревается. Попробуйте периодически выключать паяльник и паять немного остывшим жалом. На рис.3.4 показан результат качественной пайки.
Рис.3. Методика монтажа и пайки
Проверить качество паяльного соединения можно следующим способом: немного покачайте компонент, внимательно наблюдая за его выводами со стороны пайки. Если наблюдается подвижность вывода, его надо перепаять заново.
Печатная плата двусторонняя (токоведущие дорожки расположены на обеих сторонах платы), но отверстия металлизированы изнутри. Это значит, что пайку компонента можно производить только с одной стороны платы (не имеет значения, с какой), электрический контакт между слоями платы обеспечивается за счёт металлизации отверстий.
Сначала удобнее установить все малогабаритные компоненты: резисторы, конденсаторы, диоды, кварц, катушку индуктивности, панельку микросхемы. Затем припаяйте держатель батареи, пьезоизлучатель, две линейки гнездовых разъёмов. Обратите внимание: кнопки и гнездо питания припаиваются с обратной стороны платы! В последнюю очередь установите активные компоненты: транзисторы, оптопары и микросхему К155ИД1.
При монтаже компонентов необходимо соблюдать полярность установки:
– диоды маркируются полосой, расположенной ближе к выводу катода. Для справки: возле кварца расположены два диода, полосы на них должны быть направлены в сторону кварца; другие диоды устанавливаются по аналогии;
– электролитические конденсаторы 100 мкФ и 4.7 мкФ маркируются полосой на корпусе у вывода «-». Кроме того, их вывод «+» до обрезки длиннее. На печатной плате контактная площадка плюсового вывода имеет квадратную форму;
– на корпусах оптопар нанесена точка возле первого вывода; на печатной плате контактные площадки первых выводов квадратные;
– микросхемы имеют на одном из торцов ключи в виде полукруглых выемок, ближайшие выводы слева от ключей – первые. На печатной плате имеется такое же обозначение ключа. Кроме того, контактные площадки первых выводов микросхем квадратные;
– резисторы, керамические конденсаторы, пьезоизлучатель, катушка индуктивности, кварц и кнопки полярности не имеют и могут устанавливаться в любом положении.
После сборки и пайки внимательно проверьте свою работу. Особое внимание обратите на полярность установки компонентов и качество пайки. Если найдёте случайное замыкание припоем двух соседних точек пайки, устраните эту ошибку: разогрейте точку пайки и уберите лишний припой оловоотсосом, либо проведите между точками пайки иглой.
После сборки плату желательно отмыть от остатков флюса, лучше всего сделать это при помощи спирта, щётки, ватных палочек и салфеток. Современные флюсы допускается не смывать, но уважающие себя радиолюбители (к которым мы, разумеется, относимся) отмывку производят.
Заключительным этапом установите в панельку микроконтроллер (соблюдайте полярность!) и батарею резервного питания. На рис. 4 и 5 показано, как должна выглядеть смонтированная плата электроники с обеих сторон.
Рис. 4. Плата в сборе (сторона 1)
Рис. 5. Плата в сборе (сторона 2)
Монтаж платы ламп
Теперь приступите к монтажу платы ламп. Запаяйте две линейки штыревых разъёмов. Припаяйте неоновый индикатор, полярность его установки не имеет значения. Сначала лучше припаяйте индикатор на всю длину выводов, при необходимости впоследствии их можно будет укоротить. Установите лампы в плату. Диаметр отверстий платы почти идентичен диаметру выводов ламп, поэтому лампы устанавливаются в плату плотно. Не применяйте чрезмерных усилий при установке ламп, так как это может привести к их повреждению! До проверки работы схемы не припаивайте лампы: электрический контакт обеспечивается за счёт металлизированных отверстий и плотной посадки в плату.
После проверки работы схемы (см. ниже) лампы можно припаять, но есть небольшая сложность. Дело в том, что лампы разрабатывались для установки в панели; выводы ламп облуживаются и паяются очень тяжело.
Некоторые мастера предлагают использовать кислоту. Можно попробовать раскрошить таблетку аспирина (ацетилсалициловой кислоты), внести порошок в зону вывода и припаять его. Только обязательно тщательно удалите остатки кислоты после окончания работы, иначе со временем кислота может разъесть плату, что приведёт к потере работоспособности! Другой способ: механически зачистить выводы ламп до чистого металла и попробовать паять.
Есть и другое решение: каждый вывод лампы обматывается тонким гибким проводком, который и припаивается к плате в одной точке.
Можно вообще ничего не делать: как показывает практика, электрический контакт обеспечивается за счёт плотной посадки ламп в плату. Только выровняйте лампы по высоте и углу наклона и зафиксируйте их несколькими каплями клея.
Рис.6. Плата ламп в сборе
Блок питания схемы
Электронная схема часов не содержит стабилизатор напряжения, поэтому блок питания должен выдавать стабильное напряжение 5В с точностью не хуже 5% (4.75…5.25В), в противном случае часы могут выйти из строя!
Некоторые некачественные блоки питания могут выдавать вместо заявленных 5В что угодно, поэтому проверьте значения напряжения мультиметром. Особых требований к мощности адаптера нет: часы потребляют ток не более 200 мА, а сейчас сложно найти адаптер, который не обеспечил бы такой небольшой ток. С другой стороны, часы не возьмут ток больше, чем им требуется, поэтому можно использовать сколь угодно мощный адаптер.
В качестве блока питания удобно использовать сетевой адаптер питания для мобильных телефонов с USB-выходом: он наверняка есть в каждом доме, либо его легко можно приобрести. Кабелем можно служить ненужный или вышедший из строя стандартный microUSB кабель, от него необходимо отрезать microUSB разъём и припаять два провода к входящему в комплект набора разъёму питания. Как правило, это провода красного («плюс») и чёрного цветов, но лучше уточнить это мультиметром. «Плюс» питания должен подаваться на центральный контакт разъёма.
Рис.7. Распайка разъёма питания
Проверка работы часов
Соберите обе платы в единую конструкцию. Платы симметричные, их можно соединить неправильно, поэтому проследите за маркировкой контактов.
Теперь можно включить часы. Если всё в порядке, раздастся звуковой сигнал, на каждом из индикаторов последовательно пробегут все символы от «0» до «8», затем часы начнут работать, а неоновый индикатор будет мигать каждую секунду. Раз в минуту происходит перебор всех знаков в каждом индикаторе. Это сделано не только для эффектности работы, таким образом решается проблема деградации при длительном горении одних и тех же сегментов лампы.
Если какая-то лампа не светится, слегка покачайте её в плате (напоминаю, что мы пока не припаяли контакты ламп). Если это не поможет, выключите питание и поменяйте лампы местами, затем включите питание снова. Если и другая лампа на этой же позиции не будет работать нормально, отключайте питание и проверяйте правильность монтажа и пайки. В случае, когда какая-то одна лампа не горит при перестановке в любую позицию – вероятно, проблема заключается в лампе. Хотя каждая лампа проверяется при комплектации, она могла повредиться при доставке или при неаккуратном монтаже (например, в случае чрезмерного нажима при установке в плату). Заменить отдельно лампы в рамках гарантии Мастер Кит пока нельзя, но эта беда легко поправима: ламп ИН-4 было выпущено в СССР так много, что их и сейчас легко найти на барахолках по всей России, цена обычно не превышает 200 рублей.
Рис.8. Часы в работе
Обзор режимов работы часов
Теперь разберём режимы работы часов. Всё управление осуществляется тремя кнопками: «меньше», «больше» и «функция/ввод» (центральная кнопка). С помощью центральной кнопки «функция» происходит перебор режимов, а с помощью двух боковых кнопок производится смена значений в ту или иную сторону. Если остаться в каком-либо режиме и не нажимать никакие кнопки, то в течение примерно 15 секунд часы автоматически выйдут из режима настройки.
Список режимов:
– настройка часов текущего времени (ЧЧ _ _);
– настройка минут текущего времени (_ _ ММ);
– настройка часов будильника (ЧЧ _ _);
– настройка минут будильника (_ _ ММ);
– настройка текущего дня недели от 1 до 7 (крайняя левая лампа индицирует номер режима – 0, кнопками выбирается значение от 1 до 7);
– срабатывание будильника в определённый день недели (режимы последовательно 1-7, значение в каждом режиме «0» - будильник выключен или «1» - будильник активен);
– яркость свечения ламп от 0 до 20 (режим 8, значение от 0 до 20). Эта настройка меняет напряжение, подаваемое на лампы. На практике выбирайте такое значение яркости, при котором обеспечивается стабильное зажигание всех сегментов ламповых индикаторов и не наблюдается эффекта засветки соседних сегментов;
– почасовой сигнал с 9:00 до 21:00 (режим 9, значение «0» - выключен или «1» - включен).
Идеи для доработки часов
Самым весомым недостатком ламповых часов является ограниченный ресурс работы ламп, который составляет несколько тысяч часов. Это значит, что при непрерывной работе лампы начнут деградировать уже через год, и их потребуется менять на новые. Поэтому желательно выключать часы, когда они не используются (например, когда дома никого нет или ночью). Но это не очень удобно, поэтому можно дополнить часы таймером, который будет выключать питание схемы в заранее заданные часы. Также можно приспособить датчик движения, выключающий лампы в случае отсутствия движения в комнате дольше нескольких минут. Благодаря батарее резервного питания CR2032 текущее время и другие настройки часов в случае отключения основного питания не сбросятся. Наборы и готовые модули для реализации этих идей Вы можете найти на сайте Мастер Кит.
Варианты оформления готовой конструкции
В комплекте присутствует простой крепёж в виде двух прозрачных пластиковых ножек, монтируемых на винты с гайками. Способ крепежа иллюстрируется на рис. 9.
Рис.9. Крепёж подставки
Но если дополнительно поработать над дизайном готовой конструкции, часы станут смотреться гораздо выигрышнее. Например, можно собрать корпус из дерева, как это сделал один из разработчиков.
Рис.10. Вариант оформления часов (фото из свободного доступа Интернет)
