Часы на газоразрядных индикаторах



В данной статье представлен обзор разработки устройства «Часы на газоразрядных индикаторах». В работе представлено краткое схемотехническое, конструкторское и технологическое проектирование данного устройства. Представлены следующие разработанные схемы: схема электрическая структурная, схема электрическая принципиальная, чертежи печатных плат, схема сборки устройства с описаниями к каждой схеме. По результатам проектирования представлен внешний вид часов на газоразрядных индикаторах.

Введение

Электронные часы основаны на подсчете периодов колебаний от задающего генератора с помощью электронной схемы и выводе на индикатор. [1] Газоразрядный индикатор (далее ГРИ) — ионный прибор для отображения информации, использующий тлеющий разряд.

За последние годы популярность газоразрядных индикаторов возросла из-за их необычного антикварного вида. В отличие от ЖК, они излучают мягкий неоновый оранжевый или фиолетовый свет. Как правило, часы на газоразрядных индикаторах обладают небольшим функционалом и несут чисто эстетическую функцию.

Актуальность темыобусловлена тем, что такие часы являются хорошей альтернативой обычным цифровым часам с дисплеем или стрелками из-за их внешнего вида. Часы обладают светодиодной подсветкой, что делает их более оригинальными. Также питание часов осуществляется от напряжения 5 В с использованием разъема micro-USB, что позволяет использовать в качестве источника питания часов любой современный адаптер для телефона. Возможно питание от порта компьютера USB 2.0.

1 Схемотехническое проектирование часов на газоразрядных индикаторах

Разработанная схема электрическая структурная часов на газоразрядных индикаторах представлена на рисунке 1. Схема электрическая структурная была разработана согласно требованиям ГОСТ 2.702–75 [2].

Рис. 1. Схема электрическая структурная часов

В качестве управления часами на ГРИ был выбран микроконтроллер, поскольку управление только на логических элементах занимало бы много места на плате. Для настройки времени и включения декоративной подсветки светодиодами используются кнопки управления. Комбинация цифр на газоразрядных индикаторах устанавливается микроконтроллером. Для отображения цифр и работы микроконтроллера, следует обеспечить необходимое питание как микроконтроллеру, так и ГРИ.

Разработанная схема электрическая принципиальная часов на газоразрядных индикаторах представлена на рисунке 2, схема блока питания — на рисунке 3. Схема электрическая принципиальная была разработана согласно требованиям ГОСТ 2.702–75 [2], ГОСТ 2.701–84 [3], ГОСТ 2.708–81 [4], ГОСТ 2.728–74 [5], ГОСТ 2.730–73 [6].

Рис. 2. Схема электрическая принципиальная часов

Исходя из данных, полученных от производителя газоразрядных индикаторов, максимальная долговечность ГРИ достигается при постоянном токе меньшим или равным 2,5 мА. Однако отображение цифр на ГРИ на данном устройстве осуществляется со скважностью 6, и производитель при заданной скважности и частоте 200 Гц гарантирует максимальную долговечность при токе не большим 10 мА. Чтобы человеческий глаз не замечал переменное отображение цифр, была выбрана частота индикации каждого индикатора в 1000 Гц. Опытным путем было установлено, что при напряжении между анодом и катодом ГРИ при напряжении в 160 В ток, протекающий через него равен 4,5 мА. Данное напряжение подходит для обеспечения питания ГРИ. На рисунке 2.3 — схема электрическая принципиальная блока питания, который обеспечивает данное напряжение. Для того чтобы управлять напряжением на анодах ГРИ, был разработан транзисторный ключ, состоящий из 2 транзисторов. Если на базу подать такое напряжение, чтобы открылся npn транзистор, откроется и pnp транзистор, через него пройдет ток на ГРИ. При закрытом состоянии pnp транзистора напряжение коллектор — эмиттер равен 160 В, следовательно, подберем транзистор MPSA92, у которого максимальное падение напряжения коллектор — эмиттер равно 300 В. Максимальная рассеиваемая мощность 625 мВт.

За управление катодами ГРИ отвечает дешифратор, который в зависимости от двоичного кода на входе притягивает к земле десятичный вывод. Резисторы R26, R27, R28, подключенные параллельно к кнопкам, ограничивают ток, протекающий на землю. Если их не будет, при замыкании цепи произойдет короткое замыкание источника питания. Резисторы R20… R25, подключенные последовательно светодиодам, тоже ограничивают ток, протекающий через них. Конденсаторы С1, С2 стабилизируют работу часового кварцевого резонатора. В качестве микроконтроллера был выбран STM32F1, у которого есть регистр резервных данных, с помощью которого можно хранить данные времени даже с отключенным питанием. Имеет низкое энергопотребление.

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная блока питания

Для разработки повышающего преобразователя напряжения была взята за основу микросхема MC34063, генерирующая сигналы с определенной частотой, задаваемой конденсатором C3. Максимальное напряжение, которое может быть на выходе микросхемы 40 В. Для достижения 160 В на выходе была разработана схема, у которой на выходе напряжение достигает 160 В. Во время генерации импульсов микросхемы транзистор VT14 то открывается, то закрывается. В момент закрытия транзистора VT14 ток, протекающий через катушки L1 и L2, резко падает, и катушка генерирует мощный скачок напряжения. В момент открытия транзистора, ток снова протекает через катушку, и напряжение стабилизируется. Чтобы сгладить это напряжение, следует добавить в схему конденсатор C4. Чтобы напряжение держалось на одном уровне, в схему следует добавить диод VD7. При его отсутствии ток с конденсатора, при открытом транзисторе VT14 потечет на землю. Чтобы ограничить выходное напряжение, нужно прекратить подачу импульсов микросхемы MC34063. Чтобы это осуществить, вводится обратная связь с помощью резисторов R33 и R30, образующие делитель напряжение. Если на делителе напряжение превышает 1,25В, микросхема прекращает подачу импульсов на транзистор VT14. Частота импульсов задается конденсатором C3. Стабилизатор напряжения L78L33 обеспечивает напряжение в 3,3 В, после 5 В. Данный стабилизатор напряжения нужен для питания микроконтроллера STM32F1.

2 Разработка конструкции часов на газоразрядных индикаторах

Для часов на газоразрядных индикаторах были разработаны три печатные платы. Разработанные печатные платы реализуют коммутацию электрических компонентов согласно схеме электрической принципиальной (рисунок 2,3). Проводящие слои разработанных печатных плат, согласно требованиям ГОСТ 2.417–91 [7], представлены на рисунках 4–6.

Рис. 4. Проводящие слои печатной платы с газоразрядными индикаторами

Рис. 5. Проводящие слои печатной платы управления индикаторами

Разработанные печатные платы для часов на газоразрядных индикаторах выполнены двухсторонними в целях уменьшения их габаритов. Плата управления индикаторами (рисунок 5) имеет четвертый класс точности, две другие — второй (рисунок 4, 6).

Четвертый класс точности имеет следующие характеристики:

‒ ширина печатного проводника: не менее 0.15 мм;

‒ расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка: не менее 0.15 мм;

‒ ширина гарантийного пояска: не менее 0.05 мм;

‒ отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине ПП: не менее 0.25.

Второй класс точности имеет следующие характеристики:

‒ ширина печатного проводника: не менее 0.45 мм;

‒ расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка: не менее 0.45 мм;

‒ ширина гарантийного пояска: не менее 0.2 мм;

‒ отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине ПП: не менее 0.4.

Рис. 6. Проводящие слои печатной платы блока питания

Для изготовления печатных плат используется стеклотекстолит марки FR4. Выбранный материал для печатных плат обладает следующими характеристиками:

‒ толщина фольги: 35 мкм;

‒ толщина основания: 1.5 мм;

‒ поверхностное электрическое сопротивление: 1010 Ом;

‒ удельное объемное электрическое сопротивление: 1012 Ом∙м;

‒ время устойчивости к воздействию теплового удара при t= 260 ˚С: 60 с.

Данный материал широко применяется в производстве печатных плат и имеет стоимость ниже, чем у аналогов.

Для прочного закрепления платы изделия в корпусе используются стойки и винтовые соединения. Части корпуса также соединяются между собой при помощи винтовых соединений, которые обеспечивают достаточную точность и надежность. Применение винтов обусловлено простотой организации быстрого доступа к плате для замены деталей или ремонта изделия в случае отказа.

Элементы монтируются на плату с обеих сторон с помощью пайки паяльником для КМО и пайки в печи для КМП. Для пайки паяльником используется припой и флюс, изготовленный на основе. Для пайки в печи используется паяльная паста.

Было решено разработать корпус, пропускающий через себя часть света, чтобы синяя подсветка внутри корпуса освещала не только ГРИ, но и сам корпус. АБС-пластик является для этого хорошим решением. Также его легко распечатать на 3D-принтере. Корпус в собранном виде представлен на рисунке 7.

Рис. 7. 3D-модель корпуса в собранном виде

3 Технологическое проектирование часов на газоразрядных индикаторах

Схема сборки необходима для описания последовательности основных сборочных операций и служит источником данных для разработки маршрутного ТП.

Для сборки и монтажа устройства используется общая схема сборки с базовой деталью. В качестве базовой детали для сборки устройства выбирается нижняя часть корпуса, на которую устанавливаются ячейки электронные. Схема сборки разработана согласно требованиям ГОСТ 23887–79 [8]. Общая схема сборки часов на газоразрядных индикаторах представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Общая схема сборки часов на газоразрядных индикаторах

4 Внешний вид часов на газоразрядных индикаторах

На рисунках 9–12 представлен внешний вид устройства

Рис. 9. Вид спереди

Рис. 10. Вид спереди с диодной подсветкой

Рис. 11. Вид сзади

Рис. 12. Вид спереди без задней крышки и верхней части корпуса

Заключение

На сегодняшний день довольно легко достать материалы, требующиеся для создания подобного устройства в домашних условиях. В данном устройстве исключением являются основные элементы — газоразрядные индикаторы, которые уже давно не выпускаются, и купить их можно по завышенной цене или б/у по низкой цене.

Данное устройство возможно усовершенствовать, добавив аккумулятор в левую часть корпуса и повысив КПД источника питания хотя бы на тот случай, если прекратиться электроснабжение помещения, где часы подключены в сеть.

Часы на газоразрядных индикаторах, на мой взгляд, будут смотреться хорошо независимо от того, какой интерьер в помещении и где они стоят.

Литература:

1. История часов: С древнейших времен до наших дней / В. Н. Пипуныров — М.: Наука, 1982. — 496 с.
2. ГОСТ 2.702–75 «Правила выполнения электрических схем».
3. ГОСТ 2.701–84 «Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению».
4. ГОСТ 2.708–81 «Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники».
5. ГОСТ 2.728–74 «Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы».
6. ГОСТ 2.730–73 «Приборы полупроводниковые».
7. ГОСТ 2.417–91 «Платы печатные. Правила выполнения чертежей».
8. ГОСТ 23887–79 «Сборка. Термины и определения».
9. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры/ А. И. Власов, Л. В. Журавлева и др.; Под общ ред. В. А. Шахнова, Изд-во МГТУ им. Н. Э.Баумана, 2005
10. Компьютерная инженерная графика/ В.Н Аверин, учебное пособие, 2012
11. AltiumDesigner. Проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах/ В. Ю. Суходольский
12. RM0008 Reference manual / STMicroelectronics Electronic Components Datasheet, November, 2015. — 1136 с.
13. Современные 32-разрядные ARM-микроконтроллеры серии STM32: часы реального времени RTC / О. Вальпа — Современная электроника № 2, 2014. — 84 с.