Речь пойдет о моих новых часах на газоразрядных индикаторах ИН-8-2. Эти часы я хотел сделать, так сказать, идеальными с моей субъективной точки зрения. А именно — чтобы они были на статике, имели индикаторы с правильной пятеркой, относительно безупречный корпус, ну и соответственно, более-менее добротную конструкцию.

Получилось, как говориться, то что получилось.

В общем-то, вполне неплохо. Корпус сделан из стеклотекстолита и покрашен аэрозольной краской с последующим легким напылением для придания характерной матовости. Защитная трубка стальная. Сначала была мысль ее отполировать чтобы была как хромированная, но потом все таки решил что белая как-то поинтереснее.

Перечислим функции и возможности часов:

•  Отображение времени
•  Отображение даты по нажатию кнопки
•  RGB подсветка индикаторов. Она имеет 2 режима.

Первый — ручной выбор цвета, каждый канал настраивается отдельно, можно присвоить значение ШИМ от 0 до 255 с шагом 5 единиц. Таким образом, можно настроить практически любой цвет.

Второй режим — автоматический. Цвет меняется в зависимости от времени суток по следующему закону:

По оси Х отложены часы. То есть в восемь часов утра у нас зеленый свет, в 16 часов синий, а в полночь красный. В промежутках цвета сменяются. Выглядит очень интересно, можно даже навскидку определять время по цвету. Для вычисления значений ШИМ используются не только часы, но и минуты, поэтому цвет изменяется плавно.

•  Светодиодная подсветка под корпусом — светящиеся ножки. Обычные белые светодиоды. Подсветка может использоваться в качестве ночника, или просто для эстетики.
•  Возможность регулировать яркость свечения индикаторов. Реализуется за счет простого программного ШИМа, поскольку три канала уже заняты под RGB подсветку. 

Устройство довольно простое — схема на 74HC595 и К155ИД1 (все подключено строго по даташитам, никаких «перепутанных» катодов), управляет всем этим ATMEGA 8. Часы реального времени DS1307. Ключи ULN2803 для RGB и обычных светодиодов. Преобразователя нет, питание от трансформатора ТА1-127. У него 4 обмотки по 28 вольт. Одна из обмоток подключена к удвоителю напряжения, затем последовательно с другими к диодному мосту. На конденсаторе при этом около 200 вольт.

Смотрим схему в начале поста.

Как видно по схеме, там имеются 7 кнопок.

При нажатии на любую из этих кнопок, происходит прерывание INT0, и программа реагирует на нажатую кнопку. Для этого и нужна развязка на диодах.

Первая кнопка — режим отображения — время или дата.

Вторая и третья кнопки — установка минут и часов соответственно (если часы показывают время), или установка дня, месяца и года (если часы показывают дату). При установке минут секунды обнуляются. Год устанавливается через месяцы.

Четвертая кнопка (в режиме отображения времени) перебирает режимы подсветки. Всего режимов четыре. 1 — ручная RGB подсветка, нижний свет выключен. 2 —  автоматическая RGB подсветка, нижний свет выключен. 3 — ручная RGB, нижний свет включен. 4 — автоматическая RGB, нижний свет включен. В режиме отображения даты данной кнопкой можно регулировать яркость индикаторов. Всего 10 градаций яркости.

Пятая, шестая и седьмая кнопки — настройка ручной подсветки RGB. Каждый канал регулируется соответствующей кнопкой. Можно присваивать значения ШИМ от 0 до 255 с шагом 5. При этом само значение ШИМ выводится на индикаторы, и красуется там до тех пор, пока не закончится настройка, после нее нужно нажать на первую кнопку, и часы вернутся в режим отображения времени.

Естественно, можно полностью выключить подсветку — для этого нужно выбрать режим ручной подсветки и выставить нули по всем каналам.

RGB светодиоды питаются от 12 вольт через резисторы и ключи на ULN2803. Само собой, яркость каналов внутри у светодиода разная, поэтому необходимо откалибровать систему. Для этого нужно выставить одинаковые коэффициенты ШИМ и подбором резисторов или специальных констант в программе добиться белого света, без перекосов в какую либо сторону спектра. У моих светодиодов красный канал светил значительно слабее чем синий и зеленый, поэтому в программе введены соответствующие коэффициенты поправки.

Микроконтроллер работает на частоте 14 МГц, хотя это несущественно, можно запустить и внутренний генератор на 8 МГц.

Регистры и дешифраторы подключены по типовым схемам.

Индикаторы питаются через резисторы 33 кОм. Далее на них подается питание 200 вольт через управляющий элемент. В качестве него можно использовать подходящую высоковольтную оптопару, твердотельное реле, ключ с опторазвязкой и тд. Если, конечно, необходима регулировка яркости.

Теперь немного о процессе изготовления. 

Вся конструкция размещается на двух платах. Одна с регистрами и дешифраторами, другая с микроконтроллером, ключами и прочим.

Итак, платы вытравлены, одна уже запаяна. Маленькие платки для индикаторов.

Это плата с RGB подсветкой. на нее также напаяны крепежи из стеклотекстолита. К ним непосредственно мощным паяльником припаиваются платки с индикаторами. Так проще менять лампы в случае чего, а также выравнивать их.

 Вот индикаторы уже припаяны к общей плате с подсветкой. 

Это основная плата. В принципе тут сказать особо нечего. В качестве кнопок используются кнопки от мышей. Маленькая макетная платка — это удвоитель напряжения для одной обмотки (про который я уже писал ранее).

 Начинаем делать корпус — вырезаем детали из стеклотекстолита, спаиваем их между собой.

Примерка плат и деталей в корпусе.

Это уже почти готовый корпус. Точнее, его первая версия. Здесь панель с отверстиями для ламп — отдельная, и прикручивается винтами к корпусу. Верхняя крышка тоже отдельная, крепится также винтами. 

Местами зашпаклеван холодной сваркой и зачищен шкуркой.

 Плата с дешифраторами и регистрами в корпусе. Припаяна непосредственно к стенке и к одной стойке.

Теперь стоит обратить внимание на кнопки. Я вырезал маленькие рычыжки из стеклотекстолита, просверлил в них отверстия и надел на ось. Сама ось припаяна к стойкам на плате. Между ними также надеты отрезки от стержня шариковой ручки.

Как видно, при нажатии на рычажок последний давит на кнопку.

Теперь ставим плату в корпус. В нем предварительно вырезаны продолговатые отверстия для рычажков.

 Вот так это выглядит снаружи.\

Теперь электронную часть можно считать собранной. Опять появилась макетная платка над микроконтроллером — на ней кварц 14 МГц и разъем для программатора. Контроллер теперь работает от этого кварца, плюс можно програмировать не вытаскивая контроллер из панельки.

Также здесь можно видеть, как выглядел корпус первой версии, как именно крепится панелька с отверстиями. Не все тут идеально — можно и получше сделать.

Этот же корпус общим планом. Защитная трубка стальная, ничем не покрыта. К тому же, несмотря на плотную подгонку частей, все равно видны щели. Опять же, винты эти — тоже бросаются в глаза.

Далее я пришел к выводу, что такие часы мне не нравятся и не доставляют эстетического наслаждения, поэтому я решил все таки довести корпус до ума. 

Сначала я отделил дно, которое было припаяно ко всему корпусу, и закрепил на нем платы и все остальное. Таким образом, конструкция стала более ремонтопригодной и независимой от корпуса.

Далее началась эпопея с корпусом.

Естественно, прежде всего была смыта краска растворителем.

Стравил всю лишнюю медь, так как оказалось что краска плохо держится на меди.

Затем, отдельные части корпуса были намертво припаяны к последнему.

Все щели, все лишние дырки и трещины были зашпаклеваны холодной сваркой  — кстати, очень прочный материал. И адгезия к стеклотекстолиту отличная. Одним словом, она становится чуть ли не единым целым с исходным материалом. Слишком плавные углы также нарощены холодной сваркой и зашкурены.

Под конец я настолько идеально его обработал, что наощупь пальцами было совершенно невозможно определить стыки. Как будто он всегда и был таким цельным. 

Итак, новый корпус окрашен заново. 

Теперь, на мой взгляд, все идеально.

Незнающий человек даже ни за что в жизни не поверит что он когда-то состоял из отдельных частей.

На защитной трубке появились декоративные стопорные кольца — вырезаны также из стеклотекстолита.

Покраска тоже безупречная, с приятным полуматовым рельефом. Он получается после основной покраски — ждешь когда все высохнет, потом держишь баллончик на большом расстоянии и чуть-чуть обдаешь изделие краской. Чтобы только мельчайшие брызги долетали.

Лучше конечно для таких целей использовать автомобильную эмаль.

Я когда красил трубку, сначала купил баллончик бытовой белой эмали. Покрасить-то покрасил, но она ложится сразу слишком толстым слоем, и потом долго сохнет. В процессе высыхания я ее решил слегка подогреть над батареей, и в одном месте пузырь выскочил. Потом перекрасил конечно.

С автомобильной эмалью таким проблем не возникало.

Теперь пришло время обратить внимание на нижнюю подсветку.

Для этого используются прозрачные кнопки от стационарного телефона. В ней просверливается паз, и в него вкладывается светодиод, смазанный герметиком. Светодиод требуется именно с рассеивающей линзой, такие ставят в гирлянды.

 Вот так он и светится — в разные стороны.

На последнем фото днище крупным планом. Оно также закрашено черной краской. В нем же имеется и отверстие для питающего провода.

В темноте подсветка выглядит достаточно эффектно, и даже способна осветить комнату ночью.

Теперь продемонстрирую RGB подсветку. Ну здесь все довольно предсказуемо, такую подсветку уже все видели. Вот голубой,зеленый,красный:

 И всеми любимый Малиновый. Тут в режиме показа времени.

Можно посмотреть на некоторые детали корпуса:

Напоследок несколько общих видов:

Как работают никсидные трубки — Объясните, что вещи

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 10 мая 2021 г.

Ночь раскрашена неоном: если вы хотите, чтобы жизни, вы не ошибетесь с неоновыми лампами. Эти мигающие цветные трубки похожи на световые мечи, рассекающие наши атавистические страхи темноты и заставляя наши городские пространства оживать.Но это почти все, для чего они годны. Если вы хотите создать что-то более сложное, чем цветные линии света, например часы, калькулятор или обратный отсчет в системе управления полетом, вам понадобятся лампы, которые подходят для работы. Современные числовые дисплеи основаны на светодиодах, ЖК-дисплеях и VFD. Но еще в 1950-х годах, до того, как эти изящные технологии стали доступны, электронные коробки, которые должны были отображать числа, делали это с удивительными светящимися лампами под названием никси-трубками ; совсем недавно они вернулись к часам в стиле ретро (у изобретателя Apple Стива Возняка даже есть часы, сделанные из трубок никси).Какие они и как работают? Давайте посмотрим внимательнее!

Анимация: в большинстве электронных дисплеев цифры состоят из подсветки. различные шаблоны одних и тех же семи сегментов, поэтому вы можете видеть только одно горящее число. В газоразрядной лампе каждая цифра имеет отдельный металлический катод. Вы можете видеть все десять цифр в трубке сразу, но только одна из них будет когда-либо быть зажженным.

Что такое никси-трубка?

Снимок экрана: Если вам нравятся никси, но вы не хотите тратить деньги на создание собственного ретро счетчик или часы, ознакомьтесь с виджетами и приложениями nixie, которые вы можете загрузить на свой смартфон.Вот я тестирую два разные виджеты часов nixie бок о бок на телефоне Android. Вы найдете похожие приложения в iTunes для устройств Apple.

Если у вас есть цифровой будильник (или таймер на микроволновой печи, видеомагнитофоне или DVD-плеере), скорее всего, он имеет сине-зеленые числа (в этом случае используется вакуумный флуоресцентный дисплей, VFD) или красный единицы (то есть из светодиодов, светодиодов). В любом случае, вы заметите, что он отображает каждую цифру времени (10:30 или что-то еще), подсвечивая узор из семи совершенно отдельных полос, обычно называемых «сегментами».«Вы можете написать все числа от 0 до 9 с помощью семисегментного дисплея, а также довольно много букв и слов.

Фото: три трубки никси рядом. Вы можете почти увидеть сеткообразные аноды перед числами и заметить, сколько проводных соединений они имеют, выходя из нижней части. Фотография Адама Грейга опубликована на Flickr под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike.

Nixie также отображаются цифры 0–9, но совершенно по-другому.Присмотритесь к газовой трубке, и вы увидите, что десять десятичных цифр сделаны из согнутой проволоки и расположены стопкой, одна перед другой, внутри герметичной стеклянной колбы. Под лампочкой находится множество электрических контактов. Подключите их к соответствующей электронной схеме, и вы сможете последовательно подсчитывать числа, определять время или делать другие полезные вещи. В отличие от частотно-регулируемых дисплеев и светодиодов, одна из необычных особенностей никси-ламп заключается в том, что разные числа загораются друг перед другом или позади друг друга (в разных «плоскостях»), поэтому некоторые цифры кажутся ярче, чем другие, и ближе к глазу или дальше от него.Вы можете увидеть это на этом Фотография счетной никси-трубки на Викимедиа.

Как работает никси-трубка?

работают во многом как неоновые лампы (хотя и не совсем как неоновые лампы, как мы увидим чуть позже). Почему все металлические номера должны быть запечатаны внутри стеклянной колбы ? Что ж, вы не можете увидеть, просто посмотрев, но стеклянная колба заполнена смесью невидимых газов (обычно неона, ртути и аргона), и ее цель — не дать этим газам улетучиться (ртуть токсична, поэтому вы не должны Не хочу, чтобы это плавало где-нибудь рядом с вами).Изогнутые металлические провода, на которых отображается каждое число, не являются нитями нити, как те, что в лампа накаливания. Каждый из них работает как отдельная отрицательная клемма (катод) в газоразрядной трубке , так что одна газоразрядная трубка имеет десять катодов. Катоды на самом деле не касаются друг друга, а разделены крошечными керамическими прокладками. Также есть один положительный вывод (анод), имеющий форму сетки или решетки, который обернут вокруг стопки цифровых катодов и обслуживает все 10 из них.

Фотография: на этой фантастической фотографии неосвещенной никси-трубки вы можете ясно видеть десять уложенных друг за другом катодов в форме цифр, расположенных один перед другим. Вы также можете увидеть решетчатую анодную «клетку», которая их окружает, и соединения, выходящие из верхней части трубки. Это одна из фотографий из отличной трубки Никси от Evil Mad Scientist в разобранном виде. Автор: Ленор М. Эдман, www.evilmadscientist.com, опубликовано на Flickr под лицензией Creative Commons Attribution License.

Разные лампы по-разному излучают свет.Использование электрических фонарей и фонарей (фонариков) старого образца лампы накаливания, которые светятся, потому что металлическая нить накаливания внутри них нагревается, когда через нее проходит электричество. Если эти лампы раскалены докрасна, горят люминесцентные лампы. «белый холод»: они превращают электричество в невидимый ультрафиолетовый свет, который преобразуется в видимый свет благодаря белому покрытию, покрывающему внутреннюю часть их трубок. Неоновые лампы похожи на люминесцентные, за исключением того, что они напрямую излучают видимый (красный) свет. Когда вы включаете питание, атомы неонового газа расщепляются внутри трубки, заставляя электроны и ионы сталкиваться и испускать красный свет (как мы полностью объясняем в нашей статье о неоновых лампах).

Лампы Nixie очень похожи на неоновые лампы. Обе немного похожи на электронно-лучевые трубки (старого образца). телевизоры), в которых электроны выкипают из горячего металлического катода на одном конце и устремляются вниз по трубке к положительно заряженному аноду на другом. Но в неоновых лампах и никсайтах катоды остаются относительно холодными (лампы, подобные этой, описываются как «холодный катод», , хотя они, как правило, теплые — примерно с температурой человеческого тела), но газовая смесь, которая их окружает, является при очень низком давлении (возможно, 1/100 нормального атмосферного давления или даже меньше — обычно менее 1000 Па или 0.01 атмосфера). Когда между анодом и одним из катодов подается напряжение около 170–180 вольт, газ низкого давления становится ионизированным (его атомы или молекулы превращаются в положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны). Когда электроны, ионы и атомы сталкиваются друг с другом (и с атомами металла, выброшенными или «разбрызгиваемыми» из катода), мы получаем светящееся нечеткое «покрытие» света, формирующееся вокруг катода, очень близко к нему, что следует за точная форма — создается впечатление, будто подсвечивается одно из чисел 0–9.При подаче напряжения на другой катод «загорается» другая цифра.

Если вы хотите получить более подробное объяснение, прочтите рамку ниже; если вам этого достаточно, вы можете смело пропустить поле и перейти к тексту под ним.

Что заставляет это призрачное сияние?

В лампе накаливания спиральная нить накаливания светится, потому что она раскалена красным или белым. Но в газоразрядной трубке происходит нечто совсем иное: во-первых, катод холодный, поэтому свечение создается не за счет тепла; во-вторых, свечение происходит на некотором расстоянии от катода, который его производит — это своего рода «призрак свечения», удаленный на некотором расстоянии от самого катода.То, что мы видим здесь, называется тлеющим разрядом с холодным катодом . Почему это происходит … и почему на некотором расстоянии от катода?

Фото: На этом превосходном крупном плане вы можете очень ясно увидеть, как красный тлеющий разряд в газовой трубе происходит снаружи и сразу за металлическим катодом, точно следуя его форме. Хотя здесь вы этого не видите, на самом деле между катодом и свечением есть тонкая, полностью темная область (темное пространство Aston). Фото Георга-Иоганна Лэя (под редакцией Ричарда Барца) любезно предоставлено Wikimedia Commons, опубликовано под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike.

Когда между анодом из проволочной сетки и одним из цифровых катодов подается достаточно высокое напряжение, молекулы или атомы газа низкого давления внутри стеклянной трубки расщепляются на положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны, создавая своего рода «суп» из горячей плазмы. Положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженному катоду (номер контура проволоки), а отрицательные электроны направляются к положительно заряженной анодной сетке. Когда ионы ударяются о катод, они ударяются дальше (вторично) электроны из него, которые также направляются в плазму.Это двойное движение заряженных частиц позволяет электрическому току течь через трубку. Большая часть света, излучаемого газовой трубкой, создается столкновениями между атомами, ионами и электронами газа, как в неоновой трубке. Но некоторые из них производятся и другим способом.

Некоторые из положительных ионов попадают прямо на катод, в то время как другие ударяются об атомы газа и вместо этого выталкивают их в катод. Подобно крошечным атомным пулям, выпущенным в стену, эти маленькие атомы и ионы газа отщепляют более крупные атомы металла от катода, так что они выбрасываются в основную часть трубки — процесс, известный как распыление .Эти распыленные атомы затем подвергаются собственным столкновениям в плазме, поглощая энергию, становясь «возбужденными» и нестабильными, а затем снова теряют свою энергию, испуская фотоны света и внося свой вклад в общее свечение, которое мы видим.

Короче говоря, свечение внутри никси-трубки создается комбинацией ионизации и распыления.

Такие тлеющие разряды сложны и в некоторых лампах создают целую серию светлых и темных полос между анодом и катодом (посмотрите это аккуратное видео эксперимента с лампой тлеющего разряда).Трубки Никси тщательно спроектированы так, что все, что мы действительно можем видеть, — это единственное свечение, окружающее катод. Но если вы наблюдательны, вы также увидите, что между свечением и катодом есть тонкая, полностью темная область (называемая Aston dark space ). Кроме того, мы видим призрачное «катодное свечение», образующее загорелое число. Так почему же пространство между катодом и свечением? Свечение возникает, когда электроны, вылетающие из катода и направляющиеся к аноду, сталкиваются с атомами и ионами в основной части трубки.Электроны ускоряются от катода к аноду, набирая скорость и энергию по мере продвижения. Когда они находятся очень близко к катоду, электронов намного больше, чем ионов и атомов, и у них не так много энергии. Таким образом, вероятность столкновения электрона с атомом относительно мала, и даже если это произойдет, у электрона недостаточно энергии, чтобы заставить атом испускать свет. Вот почему эта область темная. Немного дальше от катода электроны набирают больше скорости и больше энергии, и у них появляется больше атомов, с которыми они могут столкнуться.Когда электроны сталкиваются с атомами и ионами в этой области, они могут возбудить их достаточно, чтобы заставить их испускать фотоны видимого света — отсюда и «катодное свечение».

Итого

Давайте быстро резюмируем все это диаграммой:

1. Атомы газа в трубке находятся под низким давлением. Когда между анодом и катодом прикладывается достаточно высокое напряжение («потенциал ионизации»), атомы расщепляются на плазму из ионов и электронов.
2. Положительно заряженные ионы притягиваются к отрицательно заряженному катоду.Когда они ударяются о катод, некоторые из них выбивают энергичные электроны.
3. Эти выброшенные отрицательно заряженные электроны (известные как вторичные электроны) притягиваются к положительно заряженному аноду. Столкновения между этими электронами и ионами, с которыми они сталкиваются, производят большую часть света в трубке, как и в неоновая лампа.
4. Рядом с катодом ионы выталкивают атомы газа в сам катод.
5. Атомы металла выбрасываются («разбрызгиваются») с поверхности катода.
6. Электроны, покидающие катод, притягиваются к положительно заряженному аноду. Вблизи катода электронов больше, чем ионов, но электроны имеют относительно низкую скорость и энергию. Столкновения между электронами и атомами или ионами не возбуждают их достаточно, чтобы произвести свет, поэтому эта область темная (темное пространство Aston).
7. На определенном расстоянии от катода электроны набрали больше скорости и энергии. Когда они сталкиваются здесь с атомами или ионами, они производят фотоны видимого света, давая знакомое свечение сразу за катодом.

Преимущества и недостатки никси-трубок

яркие и легко читаемые, с правильно округленными цифрами (в отличие от квадратичных «компромиссных» цифр, сделанных светодиодами, ЖК-дисплеями и VFD, которые могут сбивать с толку, если вы к ним не привыкли), поэтому они являются популярным выбором для инструментов, которые нужно читать при плохом освещении или темноте. Хотя они по существу устарели, они по-прежнему широко доступны и относительно недороги, в основном потому, что они производились в очень больших количествах в Советском Союзе (России и его бывших республиках).Они также чрезвычайно надежны и, поскольку каждая цифра подсвечивается отдельно, могут продолжать работать (в определенном смысле), даже если один или несколько их катодов выйдут из строя. По словам Берроуза, одного из самых известных производителей, большие («гигантские») заслонки видны с расстояния до 45 м (150 футов), обычно длятся от 20 000 до 100 000 часов (в зависимости от от того, как они используются), работают при температурах от -65 ° C до 70 ° C и выдерживают удары 55G.

Фотография: Типичное использование газовых трубок — в дисплее электронного частотомера (Hewlett Packard 5321B).Здесь вы можете увидеть, как разные цифры отображаются в разных плоскостях (поэтому некоторые числа кажутся немного более продвинутыми, чем другие), что дает немного шаткий вид, который делает ретро-никсы такими привлекательными! Фото Винделла Х. Оскея, www.evilmadscientist.com, опубликовано на Flickr под лицензией Creative Commons Attribution License.

С другой стороны, по сравнению с более современными дисплеями, они питаются от неудобно высоких напряжений (что затрудняет их использование с компьютерными микросхемами с низковольтными интегральными схемами) и относительно большого количества энергии, и они могут выйти из строя по множеству причин.Поскольку они сделаны из стекла и содержат ртуть, они могут представлять опасность для здоровья, если и когда ломаются (хотя это довольно редко, поскольку они обычно строятся внутри прочных электронных устройств). Расположение катодов друг над другом означает, что никси-лампы можно четко видеть только спереди (в отличие от других дисплеев, которые можно увидеть под более широким углом с обеих сторон). И миксы также довольно большие по сравнению с крошечными современными дисплеями, поэтому их трудно использовать в виде компактных гаджетов, где мы теперь в основном использовали бы ЖК-дисплеи (представьте себе что-то вроде MP3-плеера с огромным дисплеем, сделанным из миксеров!) .

Кто изобрел никси-лампы?

Вы часто будете читать, что первопроходцами в разработке миксеров выступила Burroughs Corporation (ведущий производитель мэйнфреймов в середине 20-го века), но это только часть истории.

Изображение: Патент США № 2 142 106: Сигнальная система и лампы накаливания для нее — два рисунка из патента Ганса Босвау 1930-х годов на электрический индикатор числа, который очень похож на газовую трубку. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Burroughs продавал эту технологию в середине 1950-х годов под торговыми марками «Haydu» и «HB». (Haydu Brothers), а затем передал его по лицензии многим другим электронным фирмам. Haydu была небольшой электронной компанией в Нью-Джерси, которой управляли два брата-венгера по имени Джордж и Золтан Хайду, которую Берроуз купил для производства ламп. Как возникло название «nixie» — это что-то вроде шутки. История гласит, что рисовальщик, набросавший эскизы для одной из этих трубок, отметил свою работу «NIX1» (экспериментальный числовой индикатор №1), прозвище прижилось, и Берроуз был достаточно мудр, чтобы зарегистрировать товарный знак «nixie» («электронные индикаторные трубки») в Декабрь 1956 г. (это использование товарного знака теперь помечено как «мертвый / просроченный»).Лампы Никси были чрезвычайно популярны и оставались таковыми до тех пор, пока светодиоды не стали дешевле в производстве в 1970-х гг. — разработка, которая, казалось, обошла Берроуза: в интересной небольшой новости от New Scientist (13 января 1972 г.) сообщалось, что: «Берроуз утверждает, что не впечатлен. из-за угрозы, исходящей от светодиодов, утверждающих, что они были перепроданы в последние месяцы … «Плохой ответ.

Однако основная идея газоразрядной лампы, которая может указывать числа, кажется несколько устаревшей. Первоначальный патент США на этот тип устройства, по-видимому, был подан инженером-электриком по имени Ханс Пол Босвау в мае 1934 года (выдан в январе 1939 года), который называл свое изобретение «лампой накаливания» для использования в сигнальная система.»Вот краткое изложение ключевой идеи его собственными словами, взятой из этого патента:

«Тот факт, что открытые части катода лампы накаливания полностью окружены тонкой пленкой светового разряда. может использоваться для отображения любого желаемого символа с помощью катодов правильной формы. Катод, состоящий из проволоки в виде цифры 1 при воспламенении образует светящийся контур цифры 1 и, аналогично, любой другой желаемый персонаж может быть сформирован «.

Узнать больше

На этом сайте

Вам могут понравиться эти другие статьи на нашем сайте по смежным темам:

На других сайтах

• Разобрать трубку-никси: поскольку трубка-никси содержит ртуть, ее разбить на части опасно.К счастью, эти добрые люди из Evil Mad Scientist Labs сделали за нас всю грязную работу в этой аккуратной маленькой статье.
Газоразрядные дисплеи
• : несколько отличных фотографий газоразрядных трубок и связанных с ними дисплеев с веб-сайта Vintage Technology Association.
• Glow Discharge: веб-сайт, основанный на работе покойного доктора Ричарда Пейлинга, который объясняет некоторые сложные физические аспекты тлеющих разрядов и распыления. [Архивировано через Wayback Machine.]

Статьи

• История Nixie Tube: Технология неоновых дисплеев, которую инженеры не могут бросить, Дженс Боос.IEEE Spectrum. 25 июня 2018 года. Более длинная история никси.
• Создайте часы с Lixies, двойником Nixie-⁠Tube Дэвида Шнайдера. IEEE Spectrum. 26 января 2018 г. Как сделать что-то похожее на часы-никси, используя светодиоды, пластиковые листы и полное внутреннее отражение.
• Наручные часы Nixie Tube. Самый крутой. Смотреть. Когда-либо Чарли Соррел. Проводной. 23 июля 2007 г. Как сделать практичные часы-никси?
• «Новая жизнь для Nixies» Гленна Зорпетта. IEEE Spectrum, 3 июня 2002 г.Обзор некоторых с любовью сделанных часов nixie.
• Масс-спектрометрия в тлеющем разряде, методы Аннеми Богертс. Энциклопедия спектроскопии и спектрометрии 1999, страницы 669–676. Хорошее простое введение в два основных процесса тлеющего разряда (ионизация и распыление).
• Электронные номера от Алан Собел, Scientific American, Vol. 228, № 6 (июнь 1973 г.), стр. 64–73. Устаревшее, но все же очень четкое и интересное сравнение светодиодов, светодиодов, ЖК-дисплеев и других технологий отображения.
• Рон Браун «Изменение паттернов на визуальном дисплее». Эта увлекательная (а теперь уже историческая) статья New Scientist от 13 января 1972 года знаменует появление светодиодов и предвосхищает исчезновение никси-ламп.

Патенты

Книги

Сами по себе они не относятся к никсидам, но в них подробно рассказывается о процессах тлеющего разряда, таких как распыление:

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2011, 2021. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2011/2021) Nixie Tubes. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-nixie-tubes-work.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Nixie-clock с использованием триггерных ламп в качестве логических элементов

На картинке показаны мои самодельные цифровые часы, для считывания которых используются трубки Никси. В отличие от большинства других часов nixie, которые строятся в наши дни, в этих часах не используются транзисторы или микросхемы для управления лампами и управления ими.Вместо этого логика управления построена на триггерных трубках, вместе с резисторами, конденсаторами и кремниевыми диодами. Видео есть на YouTube.

Этот проект является продолжением аналогичных часов, которые я построил между 2002 и 2007 годами. задокументировано на отдельной странице. В этих часах в качестве логических элементов использовались обычные неоновые лампы в стиле NE-2. К сожалению, через некоторое время, поскольку эти лампы устарели, часы стали ненадежными и непригодными для использования.

В новых часах используются триггерные трубки типа МТХ-90 (кириллицей; транслитерированный на латиницу это MTH-90), которые широко доступны как «новые старый сток »на Ebay.Пусковые трубки — это, по сути, обычные неоновые лампы с дополнительным «пусковым» электродом, которые можно использовать для их воспламенения. Однако в этой схеме я не использую пусковой электрод. Когда пусковой электрод отсоединен, эти трубки обычно имеют напряжение зажигания от 230 до 270 В, при их поддерживающем напряжении около 60 В. Эта большая разница делает схему менее критичной, чем у ламп NE-2, а я надеюсь, что это даст часам долгий срок службы.

Обновление 2 мая 2021 г. : пока все хорошо! Примерно через неделю после завершения часов, один кольцевой счетчик стал ненадежным в темноте.Помогло добавление двух синих светодиодов временно (окружающий свет помогает запустить процесс зажигания ламп), но мне нужно было заменить одну трубку, чтобы она снова стала надежной. С тех пор это работает нормально. Схема была обновлена, теперь на ней отображаются синие светодиоды, а на фотографиях нет (пока).

Как работают часы

Каскадом таких счетчиков мы можем начать с частоты сети 50 Гц, и разделите это на 2, на 5, еще раз на 5 (тогда у нас 1 импульс в секунду), на 2, на 5 и, наконец, на 6, чтобы получить 1 импульс в минуту.Наконец, четыре счетчика с 10, 6, 10 и 3 позициями соответственно, считать минуты, десять минут, часы и десять часов; каждый из этих счетчиков подключен к трубке Nixie для числового отображения.

Дополнительная схема гарантирует, что всякий раз, когда «недопустимый» час появляется счетчик, т.е. между 24 и 29 в час подаются дополнительные импульсы счетчик, чтобы перейти на позицию 00.
Для настройки часов предусмотрено несколько герконов, которые могут быть активированы. удерживая рядом с ними магнит (но безопасно за пределами стеклянного корпуса): это подключает сигнал с частотой 1 импульс в секунду к одному из более поздних счетчиков для продвижения это быстро.

Всю схему можно найти здесь, с пояснительным текстом. Сами счетчики с неоновыми кольцами — это хорошо известный дизайн 1950-х или 1960-х годов; можно найти гораздо больше объяснений и анализа того, как они работают на сайте Рональда Деккера. Я разработал способ каскадирования счетчиков и управления ими Никси.

Имейте в виду, что эта схема такая, как я ее построил, а не так, как я ее построил. если бы я сделал еще такие часы. Например, создавая его, я постепенно понимал, как лучше всего каскадировать счетчики, поэтому не везде одинаково.
В соответствии с этим, я подчеркиваю, что диаграмма , а не , предназначена как рецепт для создания собственных часов. Может сработать, может и не сработать. Сказав это, они, вероятно, более воспроизводимы, чем мои предыдущие часы. Но не пытайтесь, если у вас нет достаточного понимания схемы и испытательного оборудования, чтобы самостоятельно отлаживать проблемы. и умеют безопасно работать с высоким напряжением!

Механическая конструкция

Корпус представляет собой готовую стеклянную крышку с деревянным основанием: это один, купил здесь. Внутри находится пять моделей белых бабочек, которые было нелегко снять. Из-за высокого напряжения в часах необходимо было прочно прикрепить стеклянную крышку к опорной плите: для этого я напечатал на 3D-принтере три зажима, которые подходят к краю стеклянной крышки и принимают винт M3. через опорную плиту.

Еще фото:

Физика

Рассмотрим стеклянную трубку, заполненную неоновым газом и содержащую два металлических электрода. между которыми приложено напряжение.
Предположим, что один электрон высвобождается из катода, например из-за окружающего света. Этот (отрицательно заряженный) электрод будет притягиваться (положительно заряженным) анодом, и, таким образом, получить ускорение. По пути к аноду он может столкнуться с атомом неона. Если это произойдет с достаточной скоростью, электрон может оторваться от атома неона. Тогда у нас есть не 1, а 2 свободных электрона и один положительно заряженный ион неона.Два свободных электрона снова ускоряются к аноду, могут снова столкнуться с атомами неона и так далее: лавина, в результате которой некоторое количество электронов достигает анода. O.t.o.h., ионы неона притягиваются катодом, и когда они натыкаются на катоде, они могут освободить там электрон. Если описанный выше процесс достаточно «эффективен», а именно так, что для каждого свободного электрона с чего мы начинаем, в среднем снова как минимум 1 новый электрон выбрасывается из катода, процесс может поддерживаться сам по себе: тогда через газ протекает электрический ток.

Какое напряжение для этого нужно? Что ж, электрону нужно набрать достаточную скорость, прежде чем он ударится об атом неона, иначе он не сможет сбить электрон. Сколько времени пройдет, прежде чем электрон столкнется с атомом неона, зависит от давления газа. Если давление выше, вокруг больше атомов неона, поэтому большее напряжение необходим для достаточно быстрого ускорения электрона, прежде чем он столкнется с атомом неона. И наоборот, при более низком давлении достаточно более низкого напряжения. Но есть еще одна проблема, если давление слишком низкое: значит, неоновых так мало. атомов вокруг, что происходит всего несколько столкновений, прежде чем электрон достигнет анод.Как следствие, может быть произведено слишком мало ионов неона, чтобы высвободить достаточно новые электроны с катода, необходимые для поддержания разряда.

Результатом является так называемая кривая Пашена, показанная справа. Этот график показывает (на вертикальная ось) напряжение, необходимое для начала газового разряда, как функция (на горизонтальной оси) давление газа, умноженное на расстояние между электроды. Этот продукт в основном показывает, сколько в нем атомов неона. между катодом и анодом.
Кривые имеют четкий, но широкий минимум, представляет комбинацию давления и расстояния между электродами, которая дает наименьшее поражающее напряжение. Обратите внимание, как добавление 0,1% аргона к неону значительно снижает напряжение зажигания: это называется смесью Пеннинга.

Вышеупомянутое — это только половина дела: здесь описываются так называемые разряды Таунсенда, обычно при токах менее 1 мкА. Если позволить течь достаточный ток, разряд Таунсенда изменится на так называемый тлеющий разряд (по-голландски «glimontlading»), что мы видим в трубках Nixie и неоновых лампах при текущих уровнях в несколько мА.

Там происходит следующее. Как отмечалось ранее, положительно заряженные ионы неона будут плавать в трубке, особенно возле анода. Их притягивает катод, но они движутся туда медленно, потому что они такие тяжелые. Итак, возле анода много бесплатного положительного заряда. Фактически это приближает положительно заряженный анод к катоду. Как следствие, электроны, высвобождающиеся из катода, ускоряются быстрее, поэтому для достаточного ускорения требуется меньшее напряжение.Или, на графике Пашена, меньшее расстояние катод / анод означает, что мы перемещаемся влево, где необходимое напряжение ниже. Фактически, положительный пространственный заряд будет расти, пока мы в минимуме кривой Пашена.
Вот почему поддерживающее напряжение такого газового разряда ниже напряжения зажигания!

Часть 1 — 100 парсеков

Цели проектирования

После тестирования ламп и блока питания мне потребовалась конструкция часов. Один популярный дизайн, Arduinix, представляет собой экран Arduino, который мультиплексирует выходные контакты Arduino для управления достаточным количеством ламп Nixie для отображения часов.У меня уже есть Arduino, и просто написание программы часов и мультиплексирование вывода на дисплей Nixie было бы хорошим способом получить функциональные ламповые часы Nixie. Но мне нравится мучить себя, поэтому я решил попробовать сделать часы, используя всего лишь набор двоичных счетчиков и несколько логических вентилей. Черт, если Дэйв Джонс мог сделать это еще в 80-х, я тоже смогу.

Итак, что нужно делать часам? Что ж, очевидно, нужно сказать время. Помимо этого, было несколько дополнительных функций, которые я хотел, чтобы мои часы имели:

• Переключение между 12-часовым и 24-часовым форматом
• Независимые кнопки установки часов / минут (кнопки установки времени, которые просто переводят часы вперед. быстрее раздражает меня)
• Переключатель «пустой дисплей» для выключения дисплея Nixie, если я не хочу, чтобы он работал по какой-либо причине
• Режим резервного питания от батареи, в котором будет работать только логика, но не дисплей
• Блокировка отключения дисплея, чтобы вы по-прежнему могли считывать время по запросу, когда часы находятся в режиме резервного питания от батареи.

И мне нужно было выяснить, как делать все это с помощью переключателей и логических микросхем. Некоторые из них просты. Переключатель «пустой дисплей» может быть просто переключателем, отключающим цепь повышающего преобразователя, поэтому нет высокого напряжения для работы ламп. Режим резервного питания от батареи может быть достигнут с помощью некоторых правильно расположенных диодов, а блокировка отключения дисплея резервного питания от батареи может быть просто переключателем, который закорачивает диод, изолирующий источник высокого напряжения от резервного аккумулятора. Но я также не знал в первую очередь о выборе типов логических микросхем, которые мне нужны, или даже о том, какие типы доступны.

Единственный критерий, который, как я знал, мне нужно было выполнить, заключался в том, что микросхемы должны быть совместимы с напряжением питания 9 В, потому что это напряжение, необходимое для управления повышающим преобразователем для работы Nixies, и я не хотел иметь больше, чем два уровня напряжения в моей цепи. Быстрый поиск в Mouser показал две вещи: во-первых, я понятия не имел, что существует так много разных типов логических элементов И, и, во-вторых, что подавляющее большинство логических ИС, отвечающих моему критерию напряжения, принадлежат к некоторому семейству микросхем, все номера деталей которых равны CD4xxx.Небольшое исследование в Интернете привело меня к странице, объясняющей, как работают логические ИС, и я узнал, что эти чипы представляют собой чипы CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon), а не традиционные чипы TTL (Transitor-Transistor Logic), что означает, что они используют другой тип транзистора. (MOSFET, а не биполярный переход). Помимо того, что чипы CMOS совместимы с напряжением питания, которое я хотел использовать, они также имеют гораздо более низкое энергопотребление, что хорошо для резервного аккумулятора. Итак, это CMOS-чипы!

Наконец, моим часам нужна была база времени, некий источник регулярных импульсов, которые моя логическая схема могла бы считать, чтобы отсчитывать время.Существует множество вариантов источника импульсов, некоторые из них подходят для хранения времени только в течение коротких периодов времени, прежде чем они смещаются, а некоторые могут сохранять время в течение нескольких дней, недель, лет или даже тысячелетий. Часы с цезиевым фонтаном могут быть фантастически точными, но, честно говоря, у меня нет таких денег. К счастью, есть что-то, что всего на одну десятимиллиардную меньше, чем одна десятимиллиардная цена: кварцевые генераторы.

Кристалл кварца пьезоэлектрический, что означает, что он меняет форму, когда на него подается напряжение, и прикладывает напряжение, когда его форма изменяется.На практике это означает, что вы можете настроить кристалл кварца (изменяя его размер) так, чтобы он вибрировал с определенной частотой , очень , а собственная частота механической вибрации кристалла заставит электрическую цепь, в которую он помещен, колебаться при этом. частота, предполагая, что ваша схема настроена на колебания с частотой, близкой к собственной частоте кристалла. Как правило, кристаллы кварца могут иметь точность до 1 части на миллион, что означает, что часы, работающие на указанном кристалле, могут увеличивать или уменьшать секунду в течение 11 дней, что определенно достаточно для проекта какого-то случайного парня-любителя.

С источником питания, связкой ламп Nixie, семейством логических микросхем и (достаточно) точной временной разверткой, пора построить часы! Настройтесь на часть 2 этого проекта, где мы разрабатываем логическую схему, которая превращает колебания нашего кварцевого кристалла в удобный, удобочитаемый формат времени 12/24 часов.

Часы Нуми — Garbz Electronics

После создания Nixie Tube она привлекла внимание семьи и друзей, особенно моей сестры. К счастью, приближался ее день рождения, и в этом году было легко делать покупки, но я хотела попробовать что-то другое.Нумитроны.

Нуми-часы

Нумитроны

Numitron — недолговечный преемник семисегментного дисплея, быстро замененного светодиодами. Наличие 7 сегментов давало ему преимущества по сравнению с никси-трубкой, так как имелся более широкий диапазон шаблонов, которые могла отображать трубка, а там, где никси-лампам требовался один катод на нить накала, что затрудняло чтение самых задних цифр, нумитрон был настоящим семисегментным дисплеем. . Лампы Никси полагались на газовый разряд и требовали очень высоких напряжений и низкого тока, тогда как нумитроны работали за счет нагрева нити, обычно работающего от 5 В постоянного тока, но с несколькими мА на нить, что делало их довольно энергоемкими при отображении числа 8.
Один из наиболее распространенных нумитронов, IV-9 также примерно вдвое меньше обычной газовой трубки IN-8.

Схема

К сожалению, черновик схемы был утерян в результате компьютерной аварии. Все, что осталось, — это набросок от руки, основанный на печатной плате, которая во время аварии находилась в середине производства. Схема была воссоздана из негативного изображения, вытравленного на печатной плате. Сканирование прилагается ниже.

Схема нуми-часов

Схема намного проще, чем схема nixie clock из-за отсутствия источников питания высокого напряжения и схем переключения.Схема принимает регулируемый вход 5 В постоянного тока, поэтому блок питания на плате не требуется, ATMEGA88 — это тот же микроконтроллер, а источником синхронизации также является DS1344 и кристалл 32,768 кГц, подключенный через двухпроводной интерфейс. Что нового, так это метод управления дисплеем.

TLC59025 — это 16-канальный драйвер светодиода с постоянным током. Поглотители постоянного тока позволяют управлять каждой нитью независимо. Требуется последовательный ввод в переполняющийся буфер. Два используются для подачи 21 сигнала, необходимого для всех разрядов часов.Линии включения и синхронизации драйверов подключены параллельно, а линии последовательных данных — последовательно.

Корпус подключается к контакту на микроконтроллере, что позволяет создать умную сенсорную систему на основе программного обеспечения.

Программное обеспечение

Программное обеспечение почти идентично программному обеспечению часов nixie, поэтому для получения подробной информации об интерфейсе DS1344, конечном автомате или причудливом сенсорном датчике посетите страницу часов nixie. Единственная разница для этих часов заключается в способе расчета выходного сигнала.

TLC59025 — это, по сути, преобразователи из последовательного в параллельный, использующие 16-битные регистры сдвига. Любое переполнение данных, поступающих через вывод SDI, выталкивается через SDO. Это позволяет нам управлять обоими TLC59025 и, следовательно, всеми 4-мя нумитронами одновременно, просто записывая 32 бита в последовательную линию перед импульсным включением линии обоих чипов. Выходные данные передаются через PortB посредством простого процесса сдвига правильного бита на PB0 и последующего включения и выключения PB1. После того, как записаны 32 бита, PC0 получает импульс для фиксации новых данных из регистров сдвига, и соответствующие номера загораются.

Чтобы упростить разводку печатной платы numitron, которая была перфорированной платой, программное обеспечение использует таблицу поиска. Перед записью вывода в TLC59025 программное обеспечение сравнивает текущую цифру с таблицей шестнадцатеричных значений на основе текущего числа, которое оно пытается запустить. Затем 8-битное число из справочной таблицы записывается с использованием логических сдвигов через PortB, а затем выполняется обращение к следующему номеру и справочной таблице для поиска новых данных. Это гарантировало, что независимо от того, какой сегмент каждого numitron был подключен к какому выводу, при условии, что все выводы numitron были подключены к одной и той же стороне TLC59025 (биты 0-7 или 8-15), правильная цифра могла быть получена программно .

Результат

Часы numitron работают отлично, как и ожидалось. IV-9 было очень трудно припаять к печатной плате из-за его крошечных размеров, но, поскольку основной корпус часов меньше, он выглядит довольно неплохо. Одна проблема, которая действительно возникла, заключается в том, что когда часы установлены в режиме калибровки для сенсорного датчика, текущий сенсорный выход отображается слева двумя цифрами, и они меняются довольно быстро. Оказалось, что Numitrons довольно медленно обновляют свое значение, поэтому быстро меняющиеся числа совершенно нечитаемы.Это не проблема для нормальной работы часов.

Циферблат завершился в июне 2012 года

Варианты счетчика звонков

Введение

В поисках экзотических часов в Интернете я наткнулся на фантастические часы, сделанные Питером-Тьерк де Бур из Голландии [1]. В этих удивительных часах в качестве логических элементов используется только неоновая лампочка (рис. 1). Неоновые лампочки используются в так называемых кольцевых счетчиках. Увлечение Питера-Тьеркса неоновыми кольцевыми счетчиками было вызвано книгой Дж.B. Танец [2], который был исключен библиотекой Технического университета Твенте. К счастью, в библиотеке Делфтского технического университета до сих пор хранится книга «Танцы». Это действительно фантастическое и исчерпывающее описание всех видов счетных схем, известных в 1967 году. Недавно я обнаружил, что полную книгу можно скачать на сайте Dieters Nixie World. Щелкните здесь, чтобы загрузить zip-архив с полной книгой с его сайта (36Мб!). Спасибо, Дитер!

Фигура 1.Часы-никси на основе счетчиков с неоновой трубкой, изготовленные голландским радиолюбителем
Питером-Тьерком де Буром (PA3FWM). Щелкните здесь или на картинке, чтобы увидеть его фантастический проект.

Глава 3 (Счетные трубки, заполненные газом с одним катодом и их схемы) содержит раздел, озаглавленный «Простые трубки с холодным катодом». Это объясняет работу счетчика неоновых колец, и я должен признать, что никогда не слышал о счетчиках неоновых колец. Это очень увлекательные простые схемы. Их работа основана на том факте, что эти лампы демонстрируют гистерезис при включении и выключении.Представьте, что к неоновой трубке приложен потенциал, который находится между напряжением тушения и напряжением зажигания. Теперь трубку можно включить, подав короткий импульс, который поднимает потенциал над трубкой выше его напряжения зажигания. Точно так же трубку можно выключить коротким импульсом, который понижает потенциал ниже напряжения тушения. Таким образом, неоновая трубка эквивалентна элементу логической схемы с памятью. Поэтому в технических данных эти лампы часто называют переключающими диодами.

Рис. 2. Две иллюстрации из ноябрьского номера журнала Electronics Illustrated за 1966 год, на котором изображен десятичный компьютер космической эры
[4]. Щелкните здесь или на картинке, чтобы загрузить полную версию статьи. Взгляните на этот замечательный сайт Альберта Бредекампа, который на самом деле создал этот неоновый калькулятор!

Цифровые схемы, в которых использовались эти неоновые лампы, были популярны в течение относительно очень короткого времени, скажем, между 1950 и 1970 годами. С одной стороны, цифровые схемы стали популярными только после войны, а с другой стороны, изобретение и разработка транзистора быстро сделали эти неоновые коммутационные лампы устарели.В 1958 г. компания Electronics опубликовала статью под названием «Элементарный компьютер», действующий как безмолвный противник человеческого противника в древней игре [19]. В статье описывалась схема, в которой тиратроны, реле и цифровые неоновые вентили использовались для создания машины, которая могла играть в Tick-Tack_Toe. Восемь лет спустя эти цифровые неоновые схемы, по-видимому, все еще были популярны, так как Electronics Illustrated в ноябре 1966 года представила обширный проект, в котором описывался электронный калькулятор на основе кольцевых счетчиков неоновой трубки (рис.2) [4]. Хотя это была грубая и неуклюжая машина, в которой в качестве входных данных использовался телефонный набор, она была объявлена ​​десятичным компьютером космической эры. В общем, я обнаружил, что эти лампы и схемы достаточно увлекательны, чтобы провести небольшое исследование и посмотреть, смогу ли я сам построить часы на основе кольцевых счетчиков. Вместо того, чтобы сначала закончить весь проект, а затем написать на нем полную страницу, я решил — как и в моем проекте часов Decatron — написать эту страницу в форме веб-журнала, так что я буду добавлять главы по мере продвижения проекта.Так что проверяйте эту страницу время от времени, если вас интересуют счетчики с неоновыми кольцами.

Счетчики звонков для чайников

Схема счетчика неоновых колец была первоначально предложена Джоном Мэнли и Элли Бакли из Массачусетского технологического института. В своей статье «Неоновый кольцевой счетчик в электронике», январь 1950 года, они обсуждали трехдесятилетный кольцевой счетчик, полностью состоящий из неоновых трубок и германиевых диодов, способный увеличивать, уменьшать, сбрасывать и предварительно настраивать. Счетчик будет считать до 30.000 импульсов в секунду (рис. 2а). В 1950 году надежные германиевые диоды были очень новыми и передовыми компонентами (первое сообщение прессы о германиевых диодах в Голландии было в 1946 году). Глядя на принципиальную схему на рис. 2а, мы видим, что схема кольцевого счетчика устроена несколько иначе, чем мы привыкли сегодня. Также обратите внимание, что символ схемы для диода еще не превратился в символ, который мы используем сегодня, но на самом деле все еще очень напоминал конструкцию точечного диода.

Рисунок 2а. Две иллюстрации из январского номера журнала «Электроника» за 1950 год, которые показывают изображение оригинального трехдесятилетнего неонового счетчика
, предложенного Мэнли и Бакли, и принципиальную схему их основной счетной ячейки.
Щелкните здесь или на картинке, чтобы загрузить статью полностью.

Логические схемы, такие как кольцевые счетчики, сделанные из неоновых трубок, основаны на том факте, что для газоразрядной трубки, такой как неоновая трубка, напряжение зажигания может быть выше, чем напряжение тушения.Это своеобразное поведение проиллюстрировано на рис. 3, где мы находим неоновую трубку, подключенную через токоограничивающий последовательный резистор, подключенный к источнику переменного напряжения. Вымышленная неоновая трубка в этом примере имеет напряжение зажигания , (Вс) 140 В. Напряжение зажигания также называется напряжением зажигания или напряжением зажигания . Поддерживающее напряжение (Вм), рабочее или напряжение тушения трубки предполагается равным 100 В.

Рис. 3. Простая схема неоновой трубки при различных условиях смещения, объясняющая
последствия разницы в напряжении зажигания (Vs) и поддерживающем напряжении (Vm) газоразрядной трубки.
В этом примере Vs = 140 В и Vm = 100 В

На рис. 3A напряжение питания увеличено с нуля до 80 В. Поскольку оно все еще значительно ниже напряжения зажигания, лампа не загорится, и ток будет равен нулю. Поскольку при нулевом токе на последовательном резисторе нет падения напряжения, напряжение на лампе будет идентично напряжению питания.Затем напряжение питания медленно увеличивают до 120 В (рис. 3B и C). Поскольку оно все еще ниже напряжения зажигания, трубка не ударяется. Однако, когда напряжение питания теперь повышается до 140 В, трубка воспламеняется (рис. 3D). После зажигания напряжение на трубке упадет до поддерживающего напряжения 100 В, и начнет течь ток. Ток, протекающий через трубку, ограничен резистором и может быть рассчитан как напряжение питания минус поддерживающее напряжение, деленное на номинал резистора.Дальнейшее увеличение напряжения питания будет линейно увеличивать ток, поскольку напряжение на трубке в основном ограничено до Vm = 100 В. В качестве альтернативы, когда напряжение питания теперь снижается до, скажем, 120 В, что все еще выше поддерживаемого напряжения 100 В (рис. 3E), ток будет уменьшен, но трубка все равно останется зажженной. Только когда напряжение питания окончательно упадет ниже поддерживающего напряжения, трубка погаснет, и ток вернется к нулю (рис. 3F).

Рисунок 4.Двухступенчатый кольцевой счетчик на разных этапах своей работы.

Обладая этими знаниями, теперь легко понять, как работает счетчик неоновых колец. На рис. 4 изображен двухступенчатый кольцевой счетчик на разных этапах своей работы. Основной строительный блок счетчика состоит из последовательно соединенных неоновой трубки, диода и резистора, подключенных к следующему каскаду посредством конденсатора. Предположим, что неоновые трубки, используемые в этом примере, также имеют напряжение зажигания 140 В и поддерживающее напряжение 100 В.Кроме того, предположим, что в исходной ситуации неоновая трубка V1 включена, а V2 выключена (рис. 4A). Поскольку V1 включен, напряжение на V1 будет его поддерживающим напряжением 100 В. Оставшееся напряжение будет делиться между R1 и общим анодным резистором, что приведет к падению напряжения на R1 на 20 В. Поскольку V2 выключен, падение напряжения на R1 будет нулевым. В результате C2 будет заряжен до 20 В, как показано на рис. 4A. На этой странице я назову напряжение на C2 катодным переносом смещения.

Затем на вход счетчика C1 (рис.4Б). Этот отрицательный фронт на короткий момент (напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно) снизит анодный потенциал обеих ламп до 80 В. Поскольку это напряжение значительно ниже поддерживаемого напряжения 100 В, V1 погаснет. Обе лампы выключены. Поскольку в настоящее время ни в одной из ветвей не течет ток, падение напряжения на R1 будет равно нулю. Однако C1 был заряжен до 20 В, так что катод V2 будет иметь потенциал -20 В (смещение катодного переноса) по отношению к земле.Обратите внимание, что C2 останется заряженным, потому что D2 заблокирован, а V2 выключен.

Потенциал анода не останется равным 80 В, поскольку общий анодный резистор начнет заряжать C1, вызывая повышение потенциала общих анодов (рис. 4C). Если ничего не произойдет, это приведет к увеличению анодного напряжения до 200 В. Этого никогда не произойдет, потому что, когда потенциал анода достигает 120 В, напряжение на V2 (чей катод был смещен как -20 В) достигает напряжения зажигания 140 В, и зажигается V2 (рис.4D). Свечение теперь передается счетным импульсом от трубки V1 к трубке V2.

Рисунок 5. Пример семиступенчатого неонового кольцевого счетчика.

Посредством каскадирования любого произвольного количества секций и передачи последней секции первой секции получается кольцевой счетчик (рис. 5). Отрицательный импульс на входе, который достаточно велик, чтобы снизить напряжение на светящейся трубке ниже его поддерживающего напряжения (Vm), переключит свечение на следующую трубку в кольце. Если длительность импульса короче времени деионизации, трубка снова воспламенится при повторном приложении поддерживающего напряжения.Время деионизации обычно составляет порядка нескольких миллисекунд. Это ограничивает скорость кольцевых цепей диодов с холодным катодом до прибл. 1 кГц [2, стр.41].

Дополнительная информация о включении и поддержании напряжения

В предыдущем разделе мы видели, как работа счетчика неоновых колец основана на том факте, что поддерживающее напряжение неоновой трубки значительно ниже, чем напряжение зажигания. В идеальном мире, где все неоновые трубки были бы абсолютно одинаковыми с нулевыми допусками на технологический процесс, потребовалась бы разница всего в несколько вольт между зажигающим и поддерживающим напряжением.Однако на самом деле никакая лампа не будет такой же, что приведет к тому, что разница в напряжении включения и поддержания напряжения будет все меньше и больше. Кроме того, эти напряжения могут со временем изменяться из-за старения. Интуитивно мы чувствуем, что желательно, чтобы разница между напряжением зажигания и поддержанием была как можно большей, а смещение катодного переноса должно составлять примерно половину разницы между ними. В следующих нескольких абзацах мы попытаемся прийти к более научным выводам.

Рисунок 6. Упрощенная схема базового кольцевого счетчика.

На рис. 6 показана упрощенная принципиальная схема основной секции кольцевого счетчика, изображенного на рис. 4. Для простоты диоды и конденсаторы не показаны. Мы предполагаем, что V1 загорелся, так что напряжение на V1 является поддерживающим напряжением. Ток, протекающий через V1, вызывает падение напряжения на Rcat (смещение катодного переноса для следующей секции) I * Rcat. Сумма Vm и I * Rcat, очевидно, должна быть меньше напряжения зажигания V2.

Рис. 7. Графическое представление последствий изменения процесса для смещения катодного переноса.

На рис. 7 это проиллюстрировано графически. Дополнительно были включены вариации от трубки к трубке с помощью двух полугауссовых распределений. Среднее значение поддерживающего напряжения, например обозначается как Vm, а минимальное и максимальное поддерживающие напряжения в кольце представлены как Vm, min и Vm, max соответственно. Теперь очевидно, что наихудшая ситуация возникает, когда V1 — это трубка с самым высоким поддерживающим напряжением кольца Vm, max, а V2 — это трубка с самым низким напряжением зажигания Vs, min.Для обеспечения правильной работы даже в этом случае I * Rcat должно быть меньше Vs, min Vm, max.

Рисунок 8. Схема, используемая для оценки нижнего предельного значения I * Rcat.

В то время как предыдущий анализ устанавливал значение верхней границы для I * Rcat, схему на рис. 8 можно использовать для получения значения нижней границы. Он изображает трехступенчатый кольцевой счетчик на стадии, когда V1 только что погас отрицательным импульсом на общем анодном узле, так что конденсатор был заряжен до катодного переключающего смещения I * Rcat.Напряжение на аноде снова растет, так что V2 должен ударить первым.

Рис. 9. Графическое представление вывода нижнего предельного значения катодного переходного напряжения.

В схеме на рис. 8 возникает худшая ситуация, когда неоновая трубка V2 имеет самое высокое напряжение зажигания кольца. Когда разница между напряжением зажигания этой трубки и минимальным напряжением зажигания в кольце меньше, чем I * Rcat, последняя трубка ударит вместо V2.Другими словами: Vs, max — Vs, min Если предположить, что все трубы одинаковы, без изменений процесса:

После всех этих размышлений правильная процедура установки значений компонентов в кольцевом счетчике теперь становится немного яснее. Если у вас достаточно трубок, рекомендуется сначала отсортировать их таким образом, чтобы в итоге получилось десять трубок с минимальными вариациями Vm и Vs.Наилучшим подходом сейчас является усреднение I * Rcat между полученными нами значениями нижней и верхней границ. В техническом описании лампы указан номинальный ток (обычно порядка 1 мА). Теперь мы можем рассчитать Rcat из:

Подробнее о неоновых трубках

Неоновые лампы, или переключающие диоды, как их иногда называют, бывают двух видов: лампы с катодами, покрытыми барием, и лампы с металлическими катодами с напылением (см. Также раздел «Переключающие лампы серии ZA100X от Philips»).Чтобы понять, почему катоды должны быть подготовлены в любом случае, мы должны понимать, что из-за остаточных молекул кислорода в газе трубки катод всегда будет покрыт монослоем оксида. Этот слой имеет очень высокую работу выхода, а это означает, что для освобождения электрона от поверхности катода потребуется большое количество энергии. Теперь, когда небольшое количество материала с очень низкой функцией, такого как барий или цезий, осаждается на этом оксидном слое, материал с низкой работой выхода обменивается электроном с кислородом, что приводит к образованию дипольного слоя.Дипольный слой эффективно снижает рабочую функцию катода до очень низкого значения.

В подавляющем большинстве неоновых трубок используется катод, покрытый барием. Катоды, покрытые барием, имеют два преимущества. Прежде всего, металлические катоды необходимо очистить на месте — распылением. Во время распыления катода на оболочку трубки также будет осаждаться непрозрачная металлическая пленка, так что свечение будет видно только на концах трубки, где осаждено меньше материала [3].Второе преимущество состоит в том, что из-за низкой работы выхода бариевого покрытия нормальный видимый свет можно использовать для фотоэлектрической грунтовки трубки. Вероятно, это требует небольшого объяснения. Для надежного зажигания неоновой трубки необходимо присутствие определенного количества ионов. Несколько ионов в минуту образуются в трубке космическими лучами и излучением случайных радиоактивных атомов, которые присутствуют во всех материалах, но требуется больше ионов, если разряд всегда должен инициироваться быстро [2].Искусственные методы увеличения количества ионов в лампах с холодным катодом известны как грунтовка. Помимо фотоэлектрического затравки, иногда используется дополнительный электрод затравки или в газовую смесь добавляется немного радиоактивного газообразного трития, чтобы обеспечить надежное и быстрое поражение покрытых барием трубок даже в темноте.

Подавляющее большинство неоновых трубок, особенно те, которые представлены сегодня на рынке, не предназначены для коммутации. Следовательно, при разработке этих трубок не было предпринято никаких усилий, чтобы максимизировать разницу между зажигающим и поддерживающим напряжениями.Обычно эти неоновые трубки имеют напряжение зажигания около 80 В и поддерживающее напряжение порядка 60 В. Вдобавок ко всему эти параметры имеют тенденцию к довольно большому изменению от трубы к трубе из-за механических допусков в их конструкциях и вариаций процесса покрытия барием, а также газовой смеси и давления. В целом, использование обычных неоновых трубок для коммутации приводит к возникновению критических цепей, требующих компонентов с низким допуском.

Рисунок 10.A Схема, используемая для старения неоновых трубок, B испытательная схема для измерения Vs и Vm.

Один из способов справиться с этим — собрать пробирки перед использованием. Это означает, что и Vs, и Vm измеряются для каждого отдельного устройства, а затем они разбиваются на группы с более или менее похожими характеристиками. И Питер-Тьерк де Бур с его часами с кольцевым счетчиком [1], а также авторы калькулятора счетчика с кольцевым счетчиком в Electronics Illustrated [4] придерживаются этого подхода. Поскольку характеристики пробирок имеют тенденцию изменяться при первом включении, рекомендуется выдержать пробирки перед сборкой.В «Иллюстрированной электронике» предлагается процедура старения ламп с использованием переменного напряжения [4 с.44]. Я использовал переменный трансформатор, чтобы получить напряжение изолированной сети от нуля до 180 В (рис. 10А). Многие неоновые лампы можно состаривать параллельно, каждая из которых имеет собственный последовательный резистор.

Рисунок 11. Неоновые пробирки на стойке для выдержки.

Рис. 12. Распределение напряжения зажигания и поддержания напряжения для набора из 21 неоновой трубки
до (вверху) и после (внизу) старения.

Мой первый счетчик неоновых колец

К счастью, «Radio Service Twente» все еще имеет запас старых добрых неоновых ламп в форме капли [5], и при количестве сотен ламп они стоят всего 15 евроцентов за штуку! Помимо этого, у них есть большой запас излишков и «снятых с производства компонентов», и если вы когда-нибудь окажетесь в Ден Хааг (Гаага) [6], вам обязательно стоит навестить их.Еще лучше, совместите это с посещением Stuut en Bruin, которые находятся прямо за углом (см. Следующий раздел).

Рисунок 13. Десятиступенчатая тестовая схема счетчика неоновых колец.

Быстрое измерение на десяти лампах показало, что напряжение зажигания ламп варьировалось от 93,7 В до 101,4 В со средним значением 97,5 В, в то время как поддерживающее напряжение варьировалось от 66,4 В до 72,0 В со средним значением 68,6 В, средним значением. разница 28,9В! Согласно теории, рассмотренной в предыдущем разделе, я должен был сначала состарить трубки, а затем снова измерить их.Однако на этот раз мне не хватило терпения. Идеальный катодный резистор для этих ламп, при условии, что ток 1 мА должен был быть 7 кОм. Из-за отсутствия резисторов с таким номиналом я использовал резисторы 12 кОм (рис. 13). Большинство кольцевых счетчиков имеют счетный импульс, емкостно связанный с общим анодным узлом. Я решил использовать высоковольтный транзистор, чтобы снизить анодное напряжение практически до нуля во время фактического счетного импульса. Это сработало отлично, но оказалось абсолютно необходимым включить C0 для увеличения времени нарастания анодного напряжения.Без C0 схема вообще не работала бы. Для подсчета входных импульсов я использовал TTL-совместимый сигнал с скважностью 10%.

Хотя характеристики компонентов не были идеальными, а лампы не подвергались старению, счетчик надежно работал при напряжениях питания от 185 В до 250 В вплоть до частоты приблизительно 500 кГц. При напряжении питания ниже 185 В счетчик начинал пропускать определенные лампы таким образом, что эта лампа пропускала один цикл, но ударяла в следующий. При напряжении питания выше 250 В счетчик начинает отсчет с удвоенной тактовой частотой.

Рис 14.Для определения электрических характеристик длина кольцевого счетчика была уменьшена до двух ступеней.

Чтобы включить электрические характеристики форм сигналов внутри кольцевого счетчика, количество ступеней было сокращено до двух, схема также известна как триггер с переключателем. Верхняя кривая на изображении осциллографа на рис. 14 показывает общее анодное напряжение, а нижняя кривая отображает катодное напряжение неоновой трубки V2. Оба сигнала измерялись датчиком 10: 1. В точке A транзистор T1 является проводящим, так что анодное напряжение снижается практически до нуля, тем самым гася обе лампы.Когда T1 выключен, конденсатор Со заряжается через анодный резистор Ra, что приводит к логарифмическому увеличению анодного напряжения (постоянная времени τ = 82 кОм * 27 нФ = 2,2 мс). В точке B анодное напряжение достигло такого значения, что пробивает V1, что немедленно приводит к снижению анодного напряжения до поддерживающего напряжения (примерно 75 В). В цикле, предшествующем этому циклу, зажигался V2. Ток, протекающий через V2, приводил к падению напряжения на R2, который заряжал C2 примерно до 10 В. Во время импульса счета (точка A), C2 быстро разряжается посредством R2 (точка C) с постоянной времени τ = 12k * 10nF = 120 & micro.В точке B конденсатор Со заряжается до прим. 105V. Однако, как только V1 поражает, Co выводится через R1 на Vm + I * 12k. Этот резкий переходный процесс усиливается дифференцирующим фильтром, образованным C1 и R2, что приводит к резкому пику D.

Пока V1 включен, падение напряжения на R1 заряжает C1 примерно до 1 мА * 12 кОм = 12 В. Когда в следующий раз во время следующего счетного импульса (точка E) падение напряжения на R1 уменьшится до нуля, катод V2 будет смещен до -12 В: смещение катодного переноса (точка F).Когда в следующий раз анодное напряжение снова возрастет, V2 ударит (точка G) перед V1 из-за отрицательного смещения переноса, присутствующего на его катоде. Обратите внимание, что согласно рисунку 14 напряжение зажигания в динамических условиях оказывается немного выше, чем в статических условиях (105 + 12 = 117 В против 97,5 В). Резкий пик H 30 В снова объясняется быстрым разрядом C0 от напряжения зажигания 105 В до поддерживающего напряжения 75 В.

Рисунок 15. Щелкните здесь или на картинке, чтобы просмотреть видеоролик YouTube о кольцевом счетчике.

Коммутационные лампы серии ZA100X от Philips

В разделе «Подробнее о неоновых трубках» мы уже видели, что существует два типа неоновых трубок: -покрытые барием трубки , составляющие, возможно, более 99,99% всех неоновых трубок, и гораздо более редкие -катодные трубки с напылением. Трубки, покрытые барием, имеют два преимущества; во-первых, колба не покрыта металлом — как это было бы в случае трубки с распыленным катодом — так что свечение хорошо видно, а во-вторых, при нормальном окружающем освещении задержка пробоя незначительна из-за фотоэлектрической затравки низкоуровневой лампы. катод с покрытием из бария.

Обычные индикаторные трубки с покрытием из бария, такие как NE2 в NT2, обычно имеют напряжение пробоя порядка 80-90 В и поддерживающее напряжение около 60 В. Таким образом, средняя разница между этими двумя параметрами составляет порядка 20–30 В. В предыдущем разделе мы видели, что этого достаточно для создания логической схемы, такой как кольцевой счетчик, но, безусловно, недостаточно большого размера, чтобы создать надежную конструкцию, которая может быть произведена. на промышленном уровне и надежно работают в течение многих лет, несмотря на старение трубок с течением времени.Поэтому для коммутационных устройств были разработаны специальные неоновые трубки. Путем оптимизации газовой смеси и давления и / или увеличения расстояния между электродами были разработаны такие трубки, как XC25 и XC26, которые давали напряжения пробоя 130–160 В и 150–175 В соответственно при одинаковом поддерживающем напряжении ок. 60В. Однако проблема старения, вызванная диффузионными процессами в слое бария, осталась.

Потребность в трубках с более жесткими допусками без явлений старения побудила Philips разработать серию неоновых переключающих трубок с катодами, очищаемыми напылением металла.Катодное распыление — это явление, которое происходит во всех газоразрядных трубках. Атомы ионизированного газа (например, неона) ускоряются к катоду электрическим полем. Попадая на катод, они иногда выбивают атом металла с поверхности катода. Затем этот атом диффундирует через оболочку трубки и, наконец, оседает на аноде или на стенке трубки. Во время очистки распылением трубка нагревается до прим. 400C, при этом трубка работает при очень высоком уровне тока.На этом заключительном этапе производства неизбежный оксидный слой на катоде удаляется распылением с катода. В то же время распыленные атомы никеля или молибдена, которые диффундируют через трубку, будут связываться с любыми оставшимися атомами кислорода, которые присутствуют в газе. Наконец, нанесенный металлический слой на стеклянную оболочку предотвратит дальнейшую диффузию загрязняющих веществ из стекла. Эта элегантная процедура была разработана Пеннингом и Мубисом в 1946 году в Philips Research. Их методика впервые позволила изготовить очень стабильные лампы сравнения напряжения, такие как 85A1 [3, стр. 197].В двух статьях в Philips Research Reports 1946 года они объясняют принципы катодного распыления [10] и геттерирования металлов [11]. Документы дают очень приятное впечатление о прекрасных экспериментах, которые проводились в те дни.

Рисунок 16. Трубка переключения ZA1002 (шкала миллиметровая).

В неоновых трубках серии ZA100x используется особая конструкция электродов, чтобы предотвратить полное покрытие внутренней части трубки металлом, что сделало бы свечение невидимым.Трубки состоят из центрального катодного стержня из молибдена, окруженного цилиндрическим анодом в виде сетки. Когда катод распыляется, материал осаждается на стенке трубки, чтобы действовать как газопоглотитель, в форме, соответствующей отверстиям в сетке. В результате стенка трубки не полностью покрывается металлом, и свечение остается отчетливо видимым. Дополнительным преимуществом концентрического расположения является то, что небольшие отклонения от концентричности существенно не влияют на поле на катоде, что приводит к уменьшению колебаний от трубки к трубке.

ZA1000 и ZA1002 — это переключающие диоды, ZA1001 — это релаксационные диоды, подходящие для схем синхронизации, а ZA1003 и ZA1004 — индикаторные трубки, подходящие в качестве считывающих диодов для транзисторных схем [3.p227]. Статистический пробой трубок сокращается до менее 1 мс при перенапряжении 10-20 В за счет включения небольшого количества трития. Однако задержка не уменьшается в достаточной степени для схем синхронизации, где лампа действует как релаксирующий генератор на относительно низких частотах, и где важно, чтобы трубка подавала одинаковое напряжение на каждый импульс.На более высоких частотах проблем нет, поскольку у лампы недостаточно времени для полной демонстрации между импульсами, а остаточного заряда достаточно, чтобы перекрыть зазор. Для преодоления проблемы низких частот в лампе, разработанной для схем синхронизации, ZA1001, к основному газу добавлено небольшое количество тяжелого газа (Kr или Xe), который имеет длительное время деионизации. Таким образом, комбинируя быстрый и медленный процесс деионизации в одном разряде, трубка может колебаться в сравнительно подключенном частотном диапазоне.

Рисунок 17. Некоторые члены семейства ZA100x и их оригинальные коробки.

Для применений в качестве считывающей трубки для транзисторных схем наполнение газом выбирается так, чтобы обеспечить меньший разброс напряжения пробоя, чем значение сигнала, подаваемого транзистором. Исследование напряжения пробоя газовых смесей показывает, что характеристика пробоя неона плюс небольшой процент аргона (например, 0,1%) имеет плоскую характеристику на минимуме Пашена. Это означает, что неизбежно небольшие различия в давлении и расстоянии между электродами отдельных трубок практически не влияют на потенциал пробоя.Используя такую ​​смесь, разброс напряжения зажигания был достаточно низким, чтобы ламповый тип ZA1003 мог надежно управляться транзистором 12 В, а тип ZA1004 — транзистором 6 В. Разница между пробивным и поддерживающим напряжением для этих ламп невелика. Для трубок типов ZA1000 и ZA1002, используемых в дифференциальных схемах, где требуется большая разница между Vs и Vm, используется чистый неон с давлением наполнения, превышающим давление, соответствующее минимуму кривой Пашена. При таком заполнении газом Vs-Vm составляет примерно 60 В.Для семи трубок ZA1002 у меня есть значения (Vs, Vm): (169,1,105,0), (171,0,105,2), (170,5,105,0), (170,0,104,8), (171,0,104,9), (170,0,104,9). ), (171,0,105,2). Таким образом, максимальное изменение Vs составляет 2 В и 0,5 В в Vm! Для этих трубок светоотдача значительно выше, чем для трубок, заполненных неон-аргоном.

Рис. 18. Техническое описание серии ZA100x взято из [9]
Щелкните здесь или на картинке, чтобы увеличить изображение.

Коммутационные лампы серии ZA100x предположительно были разработаны примерно в 1961/1962 годах, но вскоре устарели из-за транзисторных переключающих схем, а через несколько лет — снова из-за ИС.Они очень редкие. Поиск в Google дал лишь несколько совпадений. Мне посчастливилось найти несколько ZA1002 в давно забытой коробке старых вещей в исследовательской лаборатории Philips. Я уже потерял всякую надежду когда-нибудь найти другие лампы из серии ZA100x, когда мне довелось побывать в магазине Стюут и Брюин [7] в (снова) Ден Хааг (Гаага) [6]. К сожалению, Стуут и Бруин мне совсем не мешают, так что, должно быть, я посетил их более десяти лет назад. Это старый магазин, который работает более 60 лет.Придя в магазин, я очень удивился, увидев на витрине индикатор настройки 6AL7 (волшебный глаз)! Эта лампа имеет прямоугольный флуоресцентный экран с видом сверху и встречается в Голландии довольно редко. Это был единственный 6AL7, который имелся в наличии у управляющего магазином, потому что ему приходилось брать его из витрины, которая, по его словам, не открывалась уже двадцать лет (я уверен, что он немного преувеличил). Я был так увлечен этой трубкой, что он дал ее мне бесплатно! Я решил, что это, должно быть, мой счастливый день, поэтому спросил менеджера, слышал ли он когда-нибудь о серии неоновых ламп ZA100x.Посмотрев на меня несколько секунд, как будто на него ударила молния, он поманил меня зайти за прилавок в темный угол своего магазина, где у него была стена, полная трубок NOS, большинство из которых от Philips, и все еще в своих оригинальных картонных коробках, большинство из которых немного поражены плесенью в этом предположительно влажном углу. К моему удивлению, он произвел почти полную серию ZA100x из этой чудесной коллекции (рис. 17). На картинке на коробках по-прежнему стоит первоначальная цена (в гульденах) — 15 фл.00. Сегодня это около 6,50 евро, а 30 лет назад было 25 евро [8].

Срок хранения

Как счастливый обладатель семи ламп ZA1002, я, очевидно, хотел создать и протестировать кольцевой счетчик на этих лампах. Я использовал схему на рис. 13 с некоторыми изменениями в значениях компонентов. Вместо того, чтобы использовать номинальный анодный ток и затем получить нестандартные значения резистора, я использовал стандартное значение 47 кОм для катодного резистора и рассчитал ток из I = (VsVm) / 2 * Rcat = (170-105) / 2 * 47к = 690 мкА.С анодным резистором 100 кОм номинальное напряжение питания тогда составляет Vsupl = I * (Ra + Rcat) + Vm = 690 мкА * (100 кОм + 47 кОм) +105 = 206 В. Поскольку уже было очень легко получить надежный счетчик с использованием дешевых неоновых трубок с катодом с барием, я ожидал, что счетчик с ZA1002 будет работать очень надежно в широком диапазоне питания. Однако я был полностью ошеломлен и озадачен, обнаружив, что с этими лампами было абсолютно невозможно получить что-либо, близкое к надежной!

Рисунок 19. Урезанный кольцевой счетчик ZA1002 и осциллограмма анодного напряжения.

Я пробовал разные комбинации катодных резисторов и напряжений питания, но счетчик работал почти беспорядочно, почти случайно. После того, как я некоторое время возился со схемой, причина странного поведения счетчика стала ясна, когда я сократил счетчик до одной лампы. На рисунке 19 показана схема без изоляции и форма волны анодного напряжения. Из осциллограммы выяснилось, что лампа случайным образом зажигает при напряжениях от 170 (как и должно быть) до 220В.На фотографии рис. 19 за время одной экспозиции камеры зафиксировано четыре следа. Обратите внимание, что после зажигания трубки напряжение падает до постоянного значения, определяемого поддерживающим напряжением и падением напряжения на катодном резисторе.

Рис. 20. ZA1002 во время распылительной очистки катода. На фотографии катод кажется ярче, чем был на самом деле.

Первое объяснение, которое я мог придумать для этого странного поведения, заключалось в том, что так или иначе за эти годы катод снова был загрязнен.В книге Вестона о лампах с холодным катодом объясняется, что лампы с холодным катодом обычно распыляются при токе, примерно в десять раз превышающем номинальный анодный ток, пока катод не станет докрасна [3]. На рисунке 20 показан ZA1002 при катодном токе 10 мА. Через несколько минут тюбик настолько горячий, что я буквально обжег пальцы, прикоснувшись к нему. Никакого эффекта процедура не дала.

Наконец, меня осенило, что проблема также может быть связана с заливкой трубки. Напомним, что для того, чтобы сократить время включения трубки до менее 1 мс, в газообразный неон было добавлено небольшое количество трития.Эффект радиоактивного трития заключается в том, что он ионизирует некоторые молекулы газа, так что всегда присутствует достаточно ионов, чтобы обеспечить быстрое поражение плазмы. Быстрый поиск в Интернете показал, что период полураспада трития составляет около 12,3 года! Это означает, что каждые 12,3 года половина трития распадается на гелий-3. Другими словами, через шестьдесят лет после их производства (1/2) ** (60 / 12,5) = 1/64 остается только одна 64-я часть трития. Другими словами, трубка с трудом заполняется, что приводит к переменному удару трубки.Странно то, что, хотя почти каждая трубка, независимо от ее возраста, будет оставаться более или менее функциональной, пока нить накала не повреждена, имеет некоторое излучение и нет утечки, эти трубки по своей природе имеют ограниченный срок хранения. Очевидно, сотрудники Philips не могли представить, что какой-то дурак будет играть с этими лампами через шестьдесят лет после их производства, иначе они наверняка добавили бы лучшее, прежде чем предупреждать!

Разное

В группах новостей в Интернете постоянно ходят слухи о том, что можно построить счетчик никси, просто используя руку, полную диодов и резисторов.Несомненно, эти слухи берут свое начало в представлении о том, что никси-трубка — это не что иное, как десять отдельных неоновых трубок, объединенных в одну оболочку с общим анодом. Глядя на базовую схему неонового кольцевого счетчика, показанную на рис. 13, действительно возникает соблазн подумать, что можно заменить десять отдельных неоновых трубок одной газовой трубкой (рис. 21).

Рисунок 21. Замена десяти неоновых трубок одной газовой трубкой не работает.

Я должен признать, что изначально я не видел причин, по которым это не должно работать! Однако быстрая попытка не дала результата.Одно из объяснений состоит в том, что разница между напряжением зажигания и поддержанием напряжения газовых трубок оказалась очень маленькой. Для нескольких трубок nixie измеренные значения (Vs, Vm) были: ZM 1020 = (133,123), IN12 = (132,125), XN12 = (128,124), ZM1080 = (131,125), ZM1040 = (127,125), CD83P = (122,119). . Кроме того, оказалось, что как только одна из цифр зажигается, другие цифры становятся настолько полностью заполненными, что их напряжение зажигания снижается до поддерживающего напряжения уже включенной цифры. На самом деле сложно говорить о поразительном, поскольку новые цифры включаются очень постепенно, когда потенциал катода приближается к поддерживающему напряжению.Итак, на первый взгляд, напряжения всех цифр становятся более-менее равными. Это подсказало схему фиг. 22A.

Рисунок 22. Еще одна нефункциональная схема кольцевого счетчика.

В схеме на фиг. 22A предполагается, что после зажигания газовой трубки падение напряжения для каждой из цифр будет одинаковым и, как таковое, будет представлять только постоянное падение напряжения, так что газовая трубка может быть включена последовательно. со стандартным неоновым кольцевым счетчиком. Увы, эта схема тоже не заработала.В трехступенчатом тестовом варианте все три цифры загорались одновременно. Простая тестовая схема на рис. 22B показывает причину. Если бы мои предположения были правильными, и действительно, зажженная газовая трубка представляла бы постоянное падение напряжения для каждой из цифр, было бы невозможно зажечь V2, нажав S1. Однако это было не так. Зажженная газовая трубка, очевидно, представляет собой очень сложную нагрузку, где неподключенная цифра принимает потенциал где-то между потенциалом анода и потенциалом уже воспламененного катода.

p.s .: Основываясь на опыте с кольцевым счетчиком на диодах Шокли (рис. 30), я думаю, что сделаю последний шаг, чтобы заставить эту схему работать, связав катоды нейтрализатора с постоянным потенциалом через резистор. Факт остаётся фактом: ток в открытом состоянии для большинства ламп слишком велик для большинства неоновых индикаторных трубок.

Рисунок 23. Трубка регистра GR10A от ETL (Ericsson Telephone Limited), Англия.

Рисунок 24. Российская трубка Регистра А-101.

Индикатор кривой Пурмана

Во время экспериментов, описанных в следующем разделе, я почувствовал потребность в трассировщике кривой. Измеритель кривой — это часть испытательного оборудования, которая отображает соотношение тока и напряжения компонента на экране ЭЛТ.Таким образом, вы можете, например, одним взглядом найти поразительное и поддерживающее напряжение неоновой лампы. У нас в работе есть прекрасный измеритель кривой Tektronix 370A, но во время написания этих страниц рождественские каникулы мне мало помогли. Однако с несколькими компонентами, которые почти у всех валяются, кажется возможным создать действительно очень полезный индикатор кривой poormans менее чем за десять минут!

Рис. 25. Принципиальная схема прибора для отслеживания кривой Пурмана.

На рисунке 25 изображена принципиальная схема измерителя кривой Пурмана. Variac (T1) и фиксированный трансформатор используются для получения переменного источника переменного напряжения 0250 В (250 = sgrt (2) * 180). Напряжение переменного тока двусторонне выпрямляется мостом B1, в результате чего получается синусоидальное напряжение с регулируемой амплитудой 0250 В. Последовательный резистор R1 измеряет ток через тестируемое устройство (DUT). Мой осциллограф позволяет отключать временную развертку таким образом, чтобы вход канала 2 был подключен к пластинам отклонения оси x.При подключении заземления осциллографа к узлу, соединяющему ИУ с R1, а Y-образные пластины (канал 1) к R1 и x-образные пластины (канал 2) к ИУ, становится возможным измерять ВАХ исследуемого устройства. DUT. Единственным недостатком этой схемы является то, что ось x отображается перевернутой, что означает, что положительные напряжения отображаются в отрицательном направлении оси x. Небольшое неудобство, к которому быстро привыкаешь.

Рис. 26. Три примера ВАХ, измеренных с помощью измерителя кривой Пурмана.DIAC был BR100 / 03 от Philips.

На рис. 26 в качестве примера показаны три ВАХ трех устройств: BR100 / 03 DIAC от Philips, очень распространенная неоновая трубка с покрытием из бария и переключающая трубка ZA1002. Начало сюжета было положено в один квадрат из правого нижнего угла участка. Начиная с начала координат, напряжение на ИУ увеличивается без протекания тока. При напряжении около 33 В срабатывает DIAC, в результате чего протекает ток, а напряжение падает до прибл.27В. Очень небольшая разница между включение и поддержание напряжений этого ЦИАП показывает, что, к сожалению, он бесполезен в качестве активного элемента в кольцевом счетчике. Неоновая трубка имеет напряжение зажигания 115 В с поддерживающим напряжением 65 В. Лампа ZA1002 имеет напряжение зажигания 175 В с поддерживающим напряжением 105 В.

Обратите внимание, что большинство вариаков являются автотрансформаторами, что означает, что они не имеют отдельных первичной и вторичной обмоток, а имеют только одну обмотку с регулируемым отводом.В таком трансформаторе вторичная обмотка не изолирована от сети и может быть смертельно опасной для прикосновения даже при небольшом выходном напряжении. Несмотря на то, что вариак на рис. 25 показывает две обмотки, мой вариак также является автотрансформатором (у меня не было правильного символа). Вот почему был добавлен Т2, чтобы изолировать цепь от сети. Если вы не знакомы или не знакомы со схемами, которые подключаются напрямую к сети, пожалуйста, прочтите мое введение в эту тему на моей странице с часами Tube-in-a-Tube.Если у вас нет вариака, вы можете также использовать одиночный трансформатор с фиксированным выходным напряжением, которое достаточно велико. Высокое значение R1 ограничивает ток через ИУ и, следовательно, рассеивание. На всякий случай сделайте R1 типом 1W.

Для моего удобства вот процедура настройки прицела:

1. каналы 2 и 3 постоянного тока
2. Ch3 выкл.
3. Ch2 & Ch3 2 В / дел. Это означает, что одно деление на осциллографе соответствует 2 В на входе осциллографа или 20 В на наконечнике пробника 10: 1 или 20/100000 = 200 мкА на ИУ.
4. нажмите TB-mode для меню TB, выберите источник Ch3, включите x-defl.
5. начало координат в правом нижнем делении, кроме одного.

Счетчики кольцевых шокли-диодов

Еще за четыре года до войны, в 1936 году, дальновидный директор по исследованиям Bell Labs — Мервин Келли — нанял молодого и блестящего физика Уильяма Шокли для исследования возможности создания прочного твердотельного устройства, которое могло бы заменить ненадежные переключатели и лампы, которые были использовались в то время в телефонных системах [12].Недавние достижения в квантовой механике и физике твердого тела подсказали Шокли несколько концепций устройства, но все эти устройства не работали так, как он надеялся. Оглядываясь назад, можно сказать, что в основном это было связано с тем, что в довоенный период не было доступных хороших и чистых полупроводниковых материалов, кроме того, было еще мало понимания физики полупроводниковых поверхностей.

Вторая мировая война прервала усилия Шокли, когда он ушел из Bell Labs и стал директором по исследованиям в Группе операций по борьбе с подводными лодками Колумбийского университета.Однако огромные исследовательские усилия во время войны с радаром привели к огромным успехам в понимании, производстве и очистке как германия, так и кремния, поскольку эти материалы были необходимы для изготовления надежных и чувствительных точечных радарных детекторов.

Сразу после войны Шокли вернулся в Bell Labs, чтобы возглавить группу по физике твердого тела, задачей которой было разработать твердотельную альтернативу электронным лампам. И снова у Шокли возникла идея полупроводникового усилителя, но она снова не сработала.Никто не мог понять почему, и обескураженный, он обратился к другим проектам, оставив головоломку Бардину и Браттейну. В ходе своих исследований они обнаружили, что причина отказа устройств Шокли была связана с наличием интерфейсных состояний на поверхности полупроводника. В ходе своих исследований они впоследствии более или менее наткнулись на точечный транзистор! Следовательно, при оформлении патентов единственными изобретателями были Бардин и Браттейн.

Шокли был возмущен тем фактом, что, несмотря на то, что он так долго искал твердотельный усилитель, он не был одним из изобретателей точечного транзистора.Он заперся почти на месяц, пытаясь создать еще лучшее устройство. В обзорной статье 1976 года сам Шокли резюмировал процесс мышления, имевший место в то время, в разделе, озаглавленном «Воля к мысли». [17] Ближе к концу того же месяца Шокли выяснил важные детали устройства собственной конструкции — переходного транзистора. В переходном транзисторе не использовались необычные точечные контакты, а требовалась только небольшая полоска кремния или германия с различными легированными областями.Хотя потребовались годы, прежде чем технология достигла такого уровня, когда действительно можно было создать переходной транзистор, Шокли был полностью уверен в превосходстве своего устройства, о чем он никогда не забывал рассказывать Бардину и Браттейну. Очевидно, отношения между тремя мужчинами испортились, и в 1951 году Бардин и Браттейн ушли, чтобы преследовать другие интересы. В 1956 году Бардин, Браттейн и Шокли снова воссоединились, когда они получили Нобелевскую премию за свою работу.

Его репутация позволила Шокли собрать средства для открытия собственного бизнеса.В 1956 году Шокли арендовал здание в малоизвестной долине к югу от Сан-Франциско, затем заполненное абрикосовыми садами, и основал первую компанию в том, что сейчас называется Силиконовой долиной: Shockley Semiconductor Laboratory. Его первоначальный план состоял в разработке кремниевых транзисторов в то время, когда почти все транзисторы были сделаны из германия [13,14]. Однако через некоторое время его интерес к транзисторам угас, и Шокли стал одержим четырехслойным диодом, устройством, которое он изобрел, еще работая в Bell Labs.Вместо того, чтобы сосредоточиться на транзисторах, чтобы иметь хотя бы один продукт, приносящий доход, огромное количество усилий было потрачено на разработку четырехслойного диода, изготовление которого оказалось очень сложным.

Четырехслойный диод, также известный как диод Шокли, был переключающим устройством, которое могло заменить по крайней мере два транзистора и два резистора [15]. Таким образом, это действительно была первая интегральная схема. Это двухконтактное устройство, которое не проводит ток до тех пор, пока напряжение на диоде не превысит определенное значение.В этот момент диод резко начинает проводить, и он остается проводящим до тех пор, пока напряжение на устройстве не упадет ниже напряжения выключения. Таким образом, устройство представляет собой однобитовую память, а также оказалось полезным в кольцевых счетчиках и генераторах. Устройство имеет собственный символ схемы, напоминающий цифру 4. Однако для того времени это было слишком сложно [16]. Для этого потребовались аккуратно отполированные с двух сторон кремниевые пластины с диффузными переходами с обеих сторон. Конечное меза-устройство дополнительно было чрезвычайно чувствительным к влаге.Шокли надеялся, что в конечном итоге он заменит миллионы механических точек переключения в телефонных системах. Однако разброс параметров устройства оказался слишком большим, чтобы быть приемлемым для AT&T. В конце концов выяснилось, что Шокли был гораздо лучшим ученым, чем бизнесменом. Его стиль управления был властным и все более параноидальным, что в конечном итоге привело к тому, что восемь ключевых сотрудников (восемь предателей) покинули компанию, чтобы основать свою собственную компанию: Fairchild Semiconductor.Несколько лет спустя Fairchild была одной из первых компаний, производящих интегральные схемы, сделав четырехслойные диоды Shockleys устаревшими. В апреле 1960 года Clevite Transistor Company приобрела компанию Shockley Transistor.

Рисунок 27. Обозначение A) и четырехслойная структура B) диода Шокли. Четырехслойную структуру можно рассматривать как структуру npn и pnp C) и D).

На рисунке 27A показан символ схемы, который использовался для диода Шокли. Если символ повернуть на 180 градусов, как в рекламе выше, мы увидим, что символ напоминает число 4.Лучший способ объяснить, как работает четырехслойный диод (рис. 27B), — это представить его как структуру npn и pnp, соединенную, как на рис. 27C, или транзиторы npn и pnp с базой каждого транзистора, подключенной к коллектор другой (рис. 27D).

Чтобы объяснить, как работает устройство, мы на мгновение предположим, что у нас есть внешнее соединение с базой T1. Предположим, что T1 имеет коэффициент усиления по постоянному току hFE1 (рис. 28A). Приложение небольшого внешнего тока базы Ib приведет к усилению тока коллектора Ib * hFE1.Если мы затем подключим коллектор T1 к базе pnp-транзистора T2, то ток коллектора T1 будет током базы T2 (рис. 28B). Этот базовый ток усиливается фактором hFE2 на T2, в результате чего ток коллектора T2 равен hFE1 * hFE2 * Ib. Когда, наконец, коллектор T2 снова подключен к базе T1, ток коллектора T2 будет управлять T1 и т. Д. Через эту положительную обратную связь ток будет продолжать течь через T1 и T2 — даже после удаления внешнего тока базы — при условии что выполняется условие hFE1 * hFE2> 1.

Рисунок 28. Работа диода Шокли, объясненная с использованием двухтранзисторной эквивалентной схемы.

Устройство с подключением к внешней базе, конечно, также известно как тиристор! Убрав внешний контакт базы, мы получим диод Шокли. Это устройство остается в выключенном состоянии до тех пор, пока напряжение питания не приблизится к пробою коллектор-эмиттер одного из транзисторов. Приближаясь к пробою, небольшое лавинное течение запустит течение. Этот ток немедленно усиливается, и из-за петли положительной обратной связи схема немедленно фиксируется, при этом напряжение на двух клеммах падает практически до нуля.Цепь можно сбросить, только отключив ток.

Рис. 29. Влияние различных значений резистора шунтирующего эмиттер-база.

Диоды Шокли больше не производятся, но, к счастью, мы можем эмулировать их функциональность с помощью двух транзисторов. С обычными дискретными транзисторами hFE1 * hfE2> 1 легко удовлетворяется, на самом деле коэффициент усиления обычно настолько велик, что практически невозможно предотвратить нежелательное запирание схемы. Схема может быть изменена путем шунтирования переходов эмиттер-база транзисторов с помощью резисторов.Как мы увидим в следующем разделе, это уменьшит усиление транзисторов при малых токах. На рис.29 мы видим действие этого резистора при разных значениях. При R = 150k схема ведет себя как почти идеальный переключатель. Кривая начинается в начале координат (нижний правый угол) с V = 0. От начала координат мы перемещаемся влево по горизонтальной линии, поскольку напряжение в цепи увеличивается, а ток все еще остается нулевым. Когда напряжение достигает ок. 73 В, цепь фиксируется, и кривая перескакивает из нижней левой точки в верхнюю правую точку, представляя ток, равный 1.3 мА при незначительном падении напряжения. С уменьшением напряжения питания ток пропорционально уменьшается, пока мы не вернемся в начало координат. Для R = 12k кривая почти идентична, только около самой последней части кривой, когда ток падает ниже ок. 100 мкА, петлевое усиление падает ниже единицы, так что схема выпадает из защелкивания. Чем ниже сопротивление, тем выше ток, при котором цепь отключается.

Рис. 30. Схема кольцевого счетчика с эмулированными диодами Шокли, которая напрямую управляет газовой трубкой.

Наш эмулированный диод Шокли, конечно, является идеальным элементом для замены неоновой трубки в кольцевом счетчике. Огромная разница между напряжением зажигания и падением напряжения в открытом состоянии позволяет получить очень прочную конструкцию. На рисунке 30 изображена трехступенчатая схема кольцевого счетчика, которая напрямую управляет газовой трубкой. За исключением газовой трубки, схема в точности повторяет классическую схему кольцевого счетчика, в которой неоновая трубка заменена эмулированным диодом Шокли. В качестве шунта эмиттер-база в диоде Шокли использовался резистор 12 кОм, поскольку это значение давало хороший компромисс между чувствительностью и надежностью (рис.29). Значения R1, R2 и Ra определяют условия статического смещения.

Рисунок 31. Определение R1, R2 и Ra.

На рисунке 31 изображена схема кольцевого счетчика, показанная на рисунке 30, без всех компонентов, которые не имеют отношения к выбору значений для R1, R2 и Ra. Диод Шокли был заменен переключателем, который может быть разомкнутым или замкнутым, что довольно хорошо отражает реальность. Прежде чем мы сможем определить значения для R1, R2 и Ra, нам нужно указать несколько величин:

• Поскольку для большинства nixie разница между напряжением зажигания и поддерживающим напряжением составляет всего несколько вольт, мы будем использовать Vnixie для среднего значения между двумя значениями.Для лампы CD83P, которую я использовал в этом примере, Vnixie = 120V.
• Ia — рабочий ток газовой трубки. В этом примере Ia = 1 мА.
• Хотя говорить о поразительном напряжении не совсем правильно, мы будем использовать Vs в качестве напряжения, при котором наши два транзисторных диода Шокли будут включаться. Как видно из рис.29, Vs = 70V.
• Наконец, нам нужно будет выбрать ток, при котором работает диод Шокли. Хотя выбор довольно произвольный, я подумал, что лучше взять I1 того же порядка, что и Ia, поэтому I1 = 1 мА.

Рисунок 32. Динамическое поведение кольцевого счетчика с эмулированными диодами Шокли.

Рис. 33. Щелкните здесь или на изображении, чтобы просмотреть видеоролик на YouTube о кольцевом счетчике с эмулированными диодами Шокли.

Замечательная схема счетчика звонков

Хотя кольцевые счетчики с эмулированными диодами Шокли работают очень удовлетворительно, у меня возник вопрос, можно ли создать схему, которая показывала бы подходящий гистерезис, используя только один транзистор вместо двух.Поразмыслив, я вспомнил явление, которое часто наблюдал при измерении высокочастотных биполярных транзисторов. С 1988 по 2000 год я провел большую часть своего времени в Philips Research, занимаясь разработкой и производством высокопроизводительных высокочастотных биполярных транзисторов, в основном для мобильной связи. Одним из стандартных измерений, которые мы использовали для недавно изготовленного транзистора, было измерение набора кривых Ic-Vce на кривых-кривых. Это быстрое измерение дает хорошее первое впечатление о некоторых основных параметрах транзистора постоянного тока, таких как: hFE, Veaf, BVceo, линейность, сопротивление коллектора и т. Д.

Рисунок 34. Набор кривых Ic-Vce для BF771, измеренных на 370A Tektronix. Crve-следы.
На транзисторе наблюдается падение hFE для токов менее 1 мА.

На рисунке 34 показан набор кривых Ic-Vce высокочастотного транзистора BF771. Во время измерения напряжение коллектор-эмиттер (горизонтальная ось) изменяется от нуля до регулируемого максимального значения, в то время как ток коллектора измеряется (вертикальная ось). Базовый ток увеличивается при каждой развертке на постоянное значение (в данном случае 20 мкА), начиная с Ib = 0 для первой развертки.Поскольку приращение Ib является постоянным для каждой развертки, коэффициент усиления постоянного тока (или hFE, или бета) на вертикальное деление известен (в данном случае 50 на деление). Подсчитав количество делений по вертикальной оси между двумя последовательными линиями, можно определить hFE в этой точке смещения. Для идеального транзистора hFE должен быть постоянным от уровней тока в диапазоне пА до режима, когда последовательное сопротивление и начинают играть роль высокие эффекты инжекции (порядка 10–100 мА для обычных дискретных транзисторов).Однако для этого транзистора мы наблюдаем, что при Ic = 5 мА hFE = 80, в то время как для Ic оно падает ниже 50. Еще один важный параметр, который легко определить, — это BVceo. Это пробой коллектор-эмиттер с открытой базой (Ib = 0). На рис. 34 эта точка обозначена стрелкой с текстом BVceo snap-back. Это именно то явление, о котором я имел в виду! После пробоя транзистора примерно при 18 В напряжение пробоя снова падает до 15 В для увеличения тока коллектора. Это отрицательное сопротивление или поведение гистерезиса напоминает поведение неоновых трубок и в принципе может быть использовано для создания кольцевого счетчика.Однако разница между напряжением зажигания и напряжением поддержания слишком мала для обеспечения надежной работы.

Чтобы понять феномен BVceo snapback, важно понимать разницу между BVcbo (пробой коллекторно-базового диода с неподключенным эмиттером) и BVceo (пробой между коллектором и эмиттером с открытой базой). На одной из моих других страниц я очень подробно объяснил связь между этими двумя нарушениями.Здесь достаточно знать, что BVceo относится к BVcbo согласно:

Рис. 35. График Гаммеля и кривая hFE-Ic для BC550C (A и B),
и BC550C с разными шунтирующими резисторами эмиттер-база (C и D).

Как упоминалось ранее, эффект обычно слишком мал, чтобы использовать его для создания кольцевого счетчика.К счастью, можно вызвать эффект отдачи в каждом исправном линейном транзисторе с помощью простого резистора. На рис. 35A изображены так называемый график Гаммеля и кривая hFE-Ic (рис. 35B) обычного низковольтного BC550C общего назначения. График Гаммеля — это измерение, при котором токи коллектора и базы измеряются как функция напряжения эмиттер-база для постоянного напряжения коллектор-база. Это измерение, при котором транзистор используется в конфигурации с общей базой, дает много информации о конструкции эмиттер-база транзистора и в основном используется технологами для оценки комплекса эмиттер-база транзистора (кривые Ic-Vce дают больше информации о конструкции коллектора).Расстояние по вертикали между током коллектора и базы точно соответствует hFE, когда оба тока нанесены на график в логарифмическом масштабе. Из рисунков видно, что BC550C имеет максимальное значение hFE ок. 500, в то время как hFE все еще значительно превышает 100 для Ic = 1pA. Другими словами, совершенный высоколинейный транзистор! Линейность можно полностью нарушить, зашунтировав базу эмиттера с помощью резистора (рис. 35 C и D). Резистор имитирует ток утечки эмиттер-база, который в зависимости от значения сопротивления будет полностью доминировать над усилением тока при низких значениях тока (рис.35D).

Рисунок 36. Влияние шунтирующего резистора эмиттер-база на искусственно вызванный отклик.

Из вышеизложенного будет ясно, что обычный BC550C не демонстрирует поведения возврата в исходное положение (Рис. 37 No R). Однако, добавив шунтирующий резистор эмиттер-база большого номинала, можно вызвать обратное замыкание. Различные графики на рис. 36 показывают индуцированный эффект мгновенного отклика для разных значений шунтирующего резистора. Для R = 1M у нас есть хороший резкий откат, при котором транзистор выходит из строя при BVcbo 125 В, а затем быстро возвращается к BVceo 65 В.Разницы в 60 В более чем достаточно, чтобы сделать очень надежный счетчик звонков!

BC550C — типичный европейский транзистор. Это очень дешево, Фарнелл стоит меньше шести евроцентов! Вместо BC550C можно использовать и другие транзисторы. Наиболее важные критерии выбора — это, во-первых, не слишком высокий BVcbo (скажем, 80–130 В). Во-вторых, транзистор должен иметь как можно более высокое hFE, чтобы получить большую разницу между BVcbo и BVceo. Для транзисторов BCxxxC последняя буква указывает группу биннинга hFE.Группа C имеет самый высокий hFE (400-600). Наконец, транзистор должен иметь разумную линейность, чтобы не мешать нашему трюку.

Рисунок 37. Определение R1, R2 и Ra.

Принципиальная схема кольцевого счетчика с возвратными транзисторами очень напоминает кольцевой счетчик на диоде Шокли (рис. 38). Прежде чем подробно обсуждать схему и формы ее сигналов, мы сначала вычислим значения сопротивления, которые определят условия смещения.На рисунке 37 показана схема кольцевого счетчика без всех компонентов, не имеющих отношения к определению резисторов смещения. Обратные транзисторы были заменены переключателями S1 и S2 и двумя стабилитронами со значением Vm. Vm в дальнейшем представляет собой BVceo (65V), а Vs представляет BVcbo (125V). Подобно процедуре, использованной в предыдущем разделе, нам сначала нужно установить некоторые важные параметры:

• Поскольку для большинства nixie разница между напряжением зажигания и поддерживающим напряжением составляет всего несколько вольт, мы будем использовать Vnixie для среднего значения между двумя значениями.Для CD83P, используемого в этом примере, Vs = Vx = Vnixie = 120V
• Ia — рабочий ток газовой трубки. В этом примере Ia = 1 мА.
• Напряжение включения и поддерживающее напряжение возвратного транзистора составляют Vs = 125 В и Vm = 65 В (Рис. 36 R = 1M).
• Наконец, нам нужно будет выбрать ток, при котором работает возвратный транзистор. С одной стороны, нужно, чтобы этот ток был того же порядка или даже больше, чем ток никси. С другой стороны, ток не может быть слишком большим, иначе рассеивание в транзисторе (Vm * I1) превысит максимальное указанное значение.В этом случае I1 был установлен на 1 мА, так что рассеиваемая мощность ограничена 65 мВт, что находится в пределах максимального номинала транзисторов.

Рис. 38. Тестовая схема трехкаскадного кольцевого счетчика на транзисторах с защелкой.

На рисунке 38 изображена принципиальная схема трехступенчатого тестового кольцевого счетчика, использующего транзисторы с обратным замыканием (слева) и связанные с ним формы сигналов (справа). На первый взгляд, все сигналы имеют очень хорошее поведение, без особых всплесков и переходных процессов.Верхний график сигнала показывает сигнал в точке Vx (рис. 37). При каждом счетном импульсе транзистор T0 приводится в состояние насыщения, подтягивая Vx к земле. Между счетными импульсами Vx возвращается к 95V, как и должно. Стрелки над верхней кривой показывают, какая цифра nixie включается в течение трех последовательных импульсов счета. В точке A T2 включен, так что C2 будет заряжен до 30 В. Во время следующего счетного импульса (точка B) C2 остается заряженным, обеспечивая T3 предварительное смещение, так что он ударит первым, когда Vx вернется к 95 В (точка C).После срабатывания T3 напряжение снова падает до поддерживающего значения 65 В (точка D).

Рис. 39. Щелкните здесь или на картинке, чтобы просмотреть видеоролик YouTube о кольцевом счетчике.

Если вы внимательно посмотрите демо-ролик счетчика обратных звонков на YouTube, вы увидите, что у схемы есть один недостаток: во время фактического счетного импульса, когда T0 проводит, все цифры загораются. Очевидно, это вызвано тем фактом, что, когда Vx подтягивается к земле, чтобы вывести T1 T3 из лавины, также заземляются катоды никси-лампы.Лично я считаю, что это довольно очаровательный артефакт, но мне он не нравится, его легко исправить, добавив дополнительный транзистор параллельно T0, но с коллектором, подключенным к аноду газовой трубки. Обратите внимание, что в этом случае это должен быть транзистор с напряжением BVcbo не менее 185 В!

Рисунок 40. Трехкаскадная схема кольцевого счетчика на транзисторных транзисторах со схемой переноса для каскадных счетных каскадов.

Очень просто добавить к кольцевому счетчику схему переноса для каскадирования счетных каскадов (рис.40). Когда происходит переход с цифры 2 на цифру 0 (перенос в этом трехступенчатом примере), ток начинает течь через T1. Это приведет к падению напряжения на резисторе R9 примерно на 2 В. Это падение напряжения настолько мало, что не повлияет на работу счетчика звонков. После дифференцирования этого импульса на C5 и R11 этот импульс на короткое время приведет к насыщению T4 — который является частью следующей секции счета -, тем самым продвинув следующую секцию счета.

Лично я считаю, что счетчик с защелкивающимся кольцом — это очень элегантное решение для счетчика / драйвера nixie.Он не требует устаревших энергоемких схем TTL, а также не требует специальных высоковольтных транзисторов. Диапазон счета можно легко изменить, просто уменьшив (или увеличив) количество этапов счета. Я сам не пытался построить часы на основе этих схем, но уверен, что однажды сделаю это.

Управление nixie непосредственно из ворот HEF CMOS

Для меня это своего рода хобби — находить неортодоксальные способы вождения никси-ламп.С помощью своих часов Tube-in-Tube я попытался продемонстрировать, что в некоторых случаях низковольтные транзисторы могут использоваться для управления лампой-никси, и на этой странице также обсуждались несколько замечательных схем счетчика-драйвера-никси. Схема драйвера, обсуждаемая в этом разделе, без сомнения, также может считаться замечательной. Идея пришла ко мне, когда я работал над схемой с лампой ZM1050. Мне пришло в голову, что тот же основной принцип, что лежит в основе лампы ZM1050, также может быть использован для безопасного и надежного управления nixie от затвора HEF4xxx или CD4xxx, при условии, что они работают от напряжения питания 15 В.Хотя схема не имеет большого практического значения, она служит хорошим введением в разделы, посвященные ZM1050. В оставшейся части этой страницы, когда я пишу ZM1050, это также означает ZM550, а когда я пишу HEF4xxx, вы также можете заменить CD4xxx.

Рис. 41. Самый простой, но не самый элегантный способ сопряжения HEF IC с импульсной трубкой.

Самый простой способ привязать импульсную лампу к затвору HEF4xxx показан на рис. 41. Принцип работы схемы основан на том факте, что напряжение зажигания и поддерживающее напряжение большинства газовых трубок практически совпадают.Похоже, что размах выходного напряжения 15 В затвора HEF достаточно велик, чтобы включать и выключать цифру. Когда, например, на выходе инвертора N1 низкий уровень, а на выходе других вентилей высокий уровень, загорается только нулевая цифра. Многие люди не решатся привязать выход затвора HEF напрямую к устройству, подключенному к источнику высокого напряжения. На самом деле вреда в этом нет. Основная причина в том, что ток ограничен максимум 2 мА. В случае, если на выходе затвора низкий уровень, транзистор NMOS на выходе затвора просто отводит этот ток на землю.Когда выход высокий, диод защиты выхода будет пропускать ток на шину положительного напряжения питания HEF IC. Даже если бы у ИС не было выходного защитного диода, диод сток-колодец выходного PMOS стал бы смещенным в прямом направлении, снова передавая ток на шину Vdd.

Рисунок 42. Управляющие неоновые лампы с приводом от затвора HEF4xxx.

Если бы мы попытались сделать это с неоновыми трубками, которые использовались в предыдущих разделах, это не сработало бы.Неоновые трубки имеют гистерезис около 40 В (рис. 26), что делает невозможным их включение и выключение. Однако есть очень умный способ заставить его работать. Хитрость заключается в том, чтобы использовать в качестве источника питания полуволновое или двухполупериодное выпрямленное переменное напряжение. Рисунок 42 иллюстрирует эту идею, и работа на самом деле очень проста. Запускаем в момент, когда напряжение в сети пересекает ноль вольт (точка A). Неоновые лампы теперь явно выключены. Далее напряжение питания начинает расти. Обратите внимание, что, поскольку неоновые лампы не зажигаются, ток равен нулю и, следовательно, нет падения напряжения на R3, так что напряжение на общем анодном узле (верхняя кривая) равно напряжению питания (нижняя кривая).Теперь предположим, что на выходе инвертора N1 низкий уровень, а на выходе других инверторов высокий уровень. В этом случае при увеличении напряжения питания, очевидно, первой ударит неоновая трубка V1 (точка B). Напряжение на V1 сразу же падает до поддерживающего потенциала 65 В, так что ни одна из других неоновых трубок не может ударить, даже если напряжение питания возрастет еще больше. Таким образом, V1 остается включенным в течение всей этой половины фазы сетевой частоты (C), даже если один из других инверторов становится низким.При следующем переходе через ноль V1 сбрасывается (точка D), и весь цикл начинается заново.

Рис. 43. Трубка Никси, управляемая затвором HEF4xxx и пульсирующим источником высокого напряжения.

Тот же трюк можно также использовать в сочетании с газовой трубкой. Как упоминалось ранее, большинство газовых трубок не показывают какой-либо значительной разницы между напряжением зажигания и поддержанием напряжения. Однако можно добавить требуемую величину гистерезиса, разместив один из наших возвратных транзисторов последовательно с анодом нейтрализатора (рис.43). В точке перехода через нуль (точка A) импульсная лампа и возвратный транзистор гаснут. Поэтому, когда напряжение питания начинает расти, напряжение на нейтрализаторе будет равно напряжению питания. Из предыдущего раздела мы знаем, что возвратный транзистор срабатывает при Vs = 125 В и что Vnixie = 120 В. Таким образом, примерно при Vs + Vnixie = 125 + 120 = 245V зажигание зажигается (точка B). Напряжение на nixie теперь падает на ΔV = Vs-Vm, примерно на 65 В.

Рис. 44. Щелкните здесь или на изображении, чтобы просмотреть видеоролик на YouTube, в котором Nixie приводится в действие HEF4049 с пульсирующим постоянным напряжением.

Z550M / ZM1050, Десятилетняя индикаторная трубка для транзисторных скалеров

В этом разделе мы обсудим технические аспекты Z550M, в следующих разделах мы рассмотрим людей, которые изобрели его и превратили в продукт.Z550M лучше всего представить, процитировав вводный абзац раздела 10.3 из книги «Индикаторная трубка Z550M» Дж. Б. Дэнса [2]:

Рисунок 45. ZM1050 / Z550M с этикетками Philips и VALVO.
Фактически, все ZM1050 были произведены на заводе Philips
на заводе Emmasingel в Эйндховене, Нидерланды (см. Epiloque).

Работа ZM1050 напоминает работу схемы, описанной на моей странице счетчика звонков. Основная идея состоит в том, что десять трубок тлеющего разряда с очень согласованными характеристиками объединены в одну оболочку. На лампу подается полусинусоидальное напряжение таким образом, что небольшое дополнительное напряжение от транзистора предпочтительно зажигает один из десяти тлеющих разрядов.Затем общее анодное напряжение падает так, что ни один из других тлеющих разрядов не возникает. Специально предусмотрено, что зажигание каждого разряда инициируется отдельным стартерным анодом, который приводится в действие транзистором и требует очень небольшого тока. Этот вспомогательный разряд затем передается в основной разряд с гораздо более высоким уровнем тока. Более точное и полное объяснение работы можно найти в статье одного из изобретателей, Тео Ботдена, в Electronic Applications [3]:

Создание Z550M / ZM1050

Я планировал написать здесь раздел об изобретении и разработке индикаторной трубки Z550M / ZM1050.Однако при исследовании трубки я наткнулся на столько интересного материала, что решил написать о нем отдельную страницу. Нажмите на картинку ниже, чтобы узнать больше об этой очаровательной трубке и людях, которые ее изобрели и разработали!

Щелкните здесь или на изображении, чтобы перейти непосредственно на страницу
The Making of Z550M / ZM1050.

В ближайшее время

ZM550 используется как счетчик звонков.
Часы с кольцевыми счетчиками ZM550.

Так что следите за обновлениями!

Благодарности

Я хотел бы поблагодарить следующих людей за их вклад: Мистер.Филип Ленц, г-жа C.A.M.Th. ван Влодроп-Гоедмейкерс, Вил Граат, Энгель Хёфгест и Корри Панкен, а также Ад Гаст из Philips Research,

Литература и веб-ссылки

http: // www.electricstuff.co.uk/oldbooks.html

От холодной войны к современному мастерству

Nuvitron, компания из Хьюстона, основанная Хуаном Камило Арельяно, использует винтажную электронику и вневременной дизайн для создания «самых крутых ретро-гаджетов». В ее ассортимент входит звуковая машина с Bluetooth, которая сочетает в себе «волновод» старой школы и стальную рупорную трубку 19-го века с технологией Bluetooth, а также светящиеся электронные часы с гистограммой, которые объединяют газоразрядные трубки эпохи холодной войны с современной электроникой. .«Многие компании производят электронику в винтажном стиле, но мы стремимся использовать настоящие ретро-компоненты в качестве основы наших собственных разработок», — объясняет он. «Чтобы быть настоящим и подлинным, нужны время и практика, но наши клиенты это ценят. И если это важно для наших клиентов, это жизненно важно для нас ».

Камило влюбился в винтажную электронику, когда изучал электронную инженерию в Университете Лос-Андес в Боготе, Колумбия. «Начало 20-го века было прекрасным временем, потому что технический прогресс и особенно область электроники, которая была новорожденной наукой, поразили всех.Это было время, когда все было в новинку, и люди с удивлением наблюдали, как мир стремительно модернизируется ».

Он стал особенно одержим так называемыми трубками-никси, устаревшей технологией, отображающей числа и символы, которая была произведена десятилетиями спустя в бывшем Советском Союзе. «Когда-то они были повсеместно распространены во многих странах, и многие компании стремились их производить, — объясняет он, — но теперь этого не произошло. Значительное количество газовых трубок было оставлено в подвалах как пережиток не очень приятного периода времени, руководимого военными.Мы не имеем ничего общего с коммунизмом, но это определенно была эпоха непрерывных экспериментов и достойных восхищения достижений ».

Затем Камило приступил к разработке схемы, которая могла бы работать в новых потребительских товарах, и после нескольких попыток и помощи двух опытных плотников в 2014 году он представил часы Vintage Nixie Tube Clock. Начало электронной эры, — говорит он, — когда бытовая техника была декоративным элементом, вызывающим удивление.”

Винтажные ламповые часы Nixie по-прежнему являются бестселлером компании, и легко понять, почему: часы показывают время через теплое оранжевое свечение трубок-никси, которые размещены внутри деревянного корпуса в стиле ар-деко, сделанного квалифицированные мастера. Корпус часов, на создание которого уходит более 30 часов, изготовлен из тикового дерева с богатой текстурой из возобновляемых лесов, которое гладко отшлифовано и пропитано льняным маслом. «Конечный результат, — описывает Камило, — это часы, которые гармонируют с окружающей средой и выделяются своим очарованием.”

Но самая важная особенность Vintage Nixie Tube Clock — как и всех продуктов Nuvitron — это то, что они рассказывают историю. «Чтобы быть энтузиастом Nuvitron, необходимо проявлять любопытство», — говорит Камило. «Используя любопытство как своего лучшего союзника, мы рассказываем неожиданные истории через каждый дизайн». Для этого Камило и его команда исследуют прошлое и черпают вдохновение в нем, исследуя фильмы, музыку, искусство, старинные записи, рекламу, архитектуру и литературу каждого временного периода.«За каждым продуктом Nuvitron стоит образ жизни, к которому люди стремятся», — объясняет Камило. «Основываясь на этом чувстве, мы можем уважать старое и возвращать его, чтобы исполнить желания таких мечтателей, как мы».

Как и в колледже, Камило все еще одержим винтажной электроникой. Он наполнил свой дом ретро-гаджетами, приобретенными на базарах и блошиных рынках — «местах, где спрятаны сокровища», — описывает он. Он коллекционирует старые радиоприемники с электронными лампами и любит возиться с динамо-машиной 910, генерирующей статическое электричество.Но его любимая вещь — фонограф Эдисона 1904 года, который он восстановил до идеального рабочего состояния. «Удивительно слушать аудиозаписи в восковых цилиндрах, которым больше века», — говорит он. «Это окно в эпоху, когда технологические достижения изменили мир».

74hc595 / Panaplex-Clock: Код / схема для часов, использующих дисплей Panaplex (планарный газоразряд)

Это цифровые часы, в которых используются планарные газоразрядные дисплеи Panaplex.Дисплеи Panaplex — это в основном лампы Nixie с семисегментным катодом вместо одного катода на цифру. И выглядят они офигенно . Равномерное оранжевое свечение и отсутствие промежутков между сегментами делают их визуально более привлекательными, чем светодиодные дисплеи.

Видеообзор

Характеристики

• 10-значный дисплей
• Элегантный корпус без кнопок из лиственной древесины грецкого ореха и акрила, подвергнутой лазерной резке.
• Питание от зарядного устройства USB 5 В
• Резервная батарея типа «таблетка» сохраняет время при отключении от сети
• Два емкостных сенсорных датчика для ввода данных пользователем
• Высокоточный осциллятор; сохраняет время в пределах ± 2 частей на миллион (около 1 минуты в год)
• 12-часовой или 24-часовой дисплей времени с секундами
• Отображение дня недели, месяца, даты и года
• Автоматический расчет дня недели из месяца / дня / года
• Автоматическая коррекция високосного года до 2099
• Автоматическая коррекция летнего времени (США) до 2099
• Спящий режим: дисплей обычно не горит, а при касании в течение 10 секунд отображается время, прежде чем оно исчезнет
• Спящий режим по расписанию: для каждого дня недели часы можно настроить так, чтобы они работали непрерывно, в спящем режиме или в течение одного из двух настраиваемых диапазонов времени.

Фон

«Panaplex» был товарным знаком Burroughs Corporation, но в Интернете этот термин теперь используется в общем для описания плоских газоразрядных дисплеев, изготовленных другими производителями.

Конкретные модули, используемые в моих часах (серия SP-35x), были представлены Отделом информационных дисплеев Sperry в начале 1970-х годов. Я не нашел точной даты введения, но они перечислены в этом великолепном Каталоге информационных дисплеев Sperry за февраль 1973 года (pdf), что означает, что они были представлены в 1972 году или ранее. Подразделение дисплеев Sperry было приобретено компанией Beckman позже в 1973 году. Бэбкок приобрел дисплейное подразделение у Beckman в 1984 году. Babcock был приобретен Microsemi в 2008 году.

Эти газоразрядные дисплеи (также называемые «плазменными дисплеями», хотя в настоящее время этот термин относится к телевизорам) широко использовались в авиации (поскольку они читаются при ярком солнечном свете) и во многих автоматах для игры в пинбол, начиная с середины 1970-х годов. Vishay до сих пор продает их по непомерным ценам.

Оборудование

Я построил часы преимущественно из частей, которые у меня были под рукой. Электроника построена на четырех односторонних печатных платах, которые я фрезеровал на настольном станке с ЧПУ. Вот вид сверху:

  Доска дисплея
     ────────────────────────────────
 Влево│ │Вправо
 Крыло│ ┌───────────┐ │Крыло
Доска│ │Доска логики│ │Доска
     │ └───────────┘ │
  

• Плата дисплея содержит дисплеи Panaplex и транзисторы управления анодом
• Каждая «крыловая доска» установлена ​​под прямым углом к ​​плате дисплея и содержит микросхему катодного драйвера.
• Плата логики содержит микроконтроллер, часы реального времени, резервную батарею и источник питания высокого напряжения

Дэйв Джонс из EEVblog имеет отличную серию видеороликов (часть 1, часть 2, часть 3), в которых он описывает, как лампы Nixie могут управляться с помощью недорогих регистров сдвига с открытым стоком TPIC6B595 вместо более дорогих / экзотических деталей, разработанных специально для высоких частот. приложения отображения напряжения.TPIC6B595 — двоюродный брат сдвигового регистра 74HC595 (а также тезка моей онлайн-ручки) с фиксирующими диодами 50 В на его восьми выходах.

Как и лампы Nixie, дисплеи Panaplex требуют для работы анодного напряжения постоянного тока около 160–180 вольт. Я использую модуль питания высокого напряжения Taylor Electronics 1363, чтобы повысить входное напряжение 5 В примерно до 165–170 В.

Помимо питания 5 В, TPIC6B595 также требует, чтобы на входах высокого логического уровня было не менее 4,2 В. Это означало, что мне придется либо

• использовать микроконтроллер и часы реального времени, которые могут работать от источника питания 5 В, или
• добавить 3.Регулятор 3 В и схема преобразования уровней между микроконтроллером и TPIC6B595s

Я решил использовать первое, чтобы минимизировать количество деталей. Просматривая микроконтроллеры, которые у меня были под рукой, я выбрал PIC16F1508 с 256 байтами RAM, 4K ROM и 18 выводами ввода / вывода. ATtiny461A занял второе место, но у него было всего 15 контактов ввода / вывода, а перекрестное расположение контактов VCC и GND затруднило бы одностороннюю компоновку платы. Все микросхемы ARM, которые у меня были под рукой, были на 3,3 В, поэтому 8-битный микроконтроллер был единственным вариантом.

Чтобы добиться хорошего баланса между использованием штифтов и количеством деталей, я объединил аноды с цифрами попарно:

  ┌─────────────┐
   │ ┌───── │
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
│5│4│3│2│1│1│2│3│4│5│
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘
 │ │ └─┘ │ │
 │ └──────────┘ │
 └─────────────────
  

Для этой схемы требуется только 5 схем управления анодом (всего 10 транзисторов и 5 линий ввода / вывода). Дисплей мультиплексируется микроконтроллером; одновременно горят только 2 цифры, поэтому нам нужно иметь возможность управлять 16 сегментами одновременно.Для этого я использовал два TPIC6B595; один для управления катодами цифр на каждой половине дисплея. Это привело к компактному форм-фактору, в котором печатная плата дисплея была не больше, чем сами дисплеи, с каждым TPIC6B595 на плате-крыле, установленной под прямым углом к ​​плате дисплея.

Моя любимая микросхема часов реального времени, PCF2129AT, имеет рекомендованное максимальное напряжение питания 4,2 В. Вместо того, чтобы выходить за рамки его спецификаций, я, Amazon, подготовил коммутационную плату SparkFun DeadOn RTC. DS3234 — часы с высокой точностью (± 2 ppm), но, черт возьми, это дорого.Но, поскольку это был разовый заказ, а Amazon Prime был единственным способом получить DS3234 в течение 2 дней, я решил, что можно тратить деньги.

Дизайн корпуса — дань уважения часам Heathkit с деревянным рисунком 1970-х годов, таким как GC-1005. Обыскав коробки с запчастями в поисках хороших кнопок и обнаружив с пустыми руками, я решил использовать емкостные сенсорные панели для ввода данных пользователем, что привело к очень чистому дизайну без выступов.

Программное обеспечение

PIC16F1508 не имеет специального сенсорного оборудования, но я наткнулся на примечание по применению Microchip AN1298, в котором описывается метод, использующий встроенный аналого-цифровой преобразователь и не требующий внешних компонентов.Я до сих пор не совсем понимаю, как это работает (емкостное сенсорное распознавание — серьезная черная магия), но оно выполняет свою работу!

Microchip есть еще одно примечание к приложению, AN1334, в котором описывается множество отличных аппаратных и программных технологий для реализации емкостного касания. Измеряя сенсорный датчик каждые 64 микросекунды и используя алгоритм ограничения скорости нарастания, описанный в этом документе, я смог добиться значительного снижения шума.

При первом включении питания с двух сенсорных датчиков снимается несколько показаний, чтобы установить базовый уровень.Требуется 512 выборок сенсорного датчика, чтобы установить, «нажата» она или нет. Если определенное количество этих выборок существенно отклоняется от базового значения, датчик считается «нажатым». Поскольку сенсорные датчики считываются по одному, полное состояние ввода обновляется с частотой 15,26 Гц. Хотя эта цифра кажется низкой, я не обнаружил никаких проблем с отзывчивостью.

Timer2 управляет мультиплексированием дисплея с частотой 4 кГц. (Каждая пара цифр включена в течение 250 микросекунд).Однако я столкнулся с проблемой.

Сначала я думал, что буду стробировать цифры последовательно попарно:

 . . . . 1 1. . . .
. . . 2. . 2. . .
. . 3. . . . 3. .
. 4. . . . . . 4.
5. . . . . . . . 5
. . . . 1 1. . . .
и т.п.
  

Но заметил странный синий разряд между соседними цифрами. Эти синие «полосы» могут появиться, если между двумя соседними цифрами недостаточно времени гашения; анод с более низким потенциалом будет действовать как катод, что приведет к появлению видимого синего свечения между анодами.

(Интересно в сторону: где именно — аноды ? В отличие от трубок Nixie, у которых есть видимые анодные решетки перед цифрами, в дисплеях Panaplex ничего подобного нет. Ну, оказывается, что аноды — это перед цифрами, но они сделаны из оксида индия и олова, который представляет собой прозрачный проводник ! Как это круто?)

Итак, чтобы увеличить время гашения между соседними цифрами без вставки дополнительных интервалов гашения, я стробирую цифры в шахматной последовательности:

 .. . . 1 1. . . .
. . 3. . . . 3. .
5. . . . . . . . 5
. . . 2. . 2. . .
. 4. . . . . . 4.
. . . . 1 1. . . .
и т.п.
  

(Между двумя центральными цифрами нет лент, потому что их аноды связаны вместе и всегда включены одновременно.)

Timer0 срабатывает каждые 64 микросекунды, вызывая выборку сенсорного датчика. После 1024 тиков Timer0 состояние ввода обновляется и выполняется одна итерация основного цикла. Как упоминалось ранее, это дает основному циклу частоту обновления 15.26 Гц, чего достаточно для простой анимации.

Прямоугольный выходной сигнал часов реального времени с частотой 1 Гц используется для того, чтобы сообщить PIC, когда нужно получить новое время.

Я не хотел, чтобы мне приходилось вручную устанавливать день недели при изменении даты на часах. Итак, метод Сакамото используется для определения дня недели для данной даты. Ограничивая год диапазоном 2000-2099, я исключаю деления на 100 и 400, что было бы дорого, поскольку PIC не имеет делителя. Операция по модулю 7 все еще требуется, но я решил реализовать ее с повторным вычитанием, а не использовать оператор % и извлекать подпрограммы большого деления.Кроме того, расчет дня недели должен происходить только тогда, когда пользователь меняет дату. Часы реального времени заботятся об увеличении дня недели в полночь, но не имеют представления о том, как дни недели соотносятся с датами.

Для таблицы автоматической корректировки летнего времени (только для США) требуется только 1 байт данных в год. Для диапазона лет с 2000 по 1999 год весенний переход может происходить только в одну из 14 дат, а осенний переход может происходить только в одну из 13 дат. Таким образом, все, что вам нужно для кодирования данных о переходе на летнее время за год, — это два 4-битных индекса в таблицу пар месяц / дата.

Поскольку часы реального времени хранят свои данные в двоично-десятичном формате, я стараюсь выполнять как можно больше внутренних вычислений и сравнений в BCD. Преобразование из BCD в двоичное представление (т. Е. Для поиска в таблице) очень просто; (младший полубайт) + 10 * (старший полубайт) . Умножение на 10 можно свести к операциям сдвига влево и сложения. Преобразование из двоичного в двоично-десятичный требует деления на 10, но код на самом деле этого не делает.

Что касается самого кода, то он написан на C, и я не особо этим горжусь.Я не нашел времени, чтобы разделить функции на логические группы или добавить комментарии. PIC — кошмар для C из-за схемы переключения банков и отсутствия универсального стека. Это приводит к тому, что операции с указателями (, особенно с указателями функций ) занимают значительное пространство в ПЗУ. Усовершенствованная архитектура среднего уровня 1508 добавляет схему линейной адресации и новые инструкции для непрямого доступа / переходов, но не-FOSS XC8 от Microchip — единственный компилятор, который их использует.Бэкэнд PIC для компилятора SDCC с открытым исходным кодом, похоже, не находится в активной разработке.

Эксплуатация

Назовем два сенсорных датчика на верхней части часов L и R . (при условии, что вы смотрите на циферблат.)

Отображение времени

Обычно часы показывают время в виде HH-MM-SS (в 24-часовом режиме) или HH-MM-SS A / HH-MM-SS P (в 12-часовом режиме). )

На 26-й секунде четных минут дисплей циклически отображает день недели, месяц и день в течение трех секунд, затем циклически переходит к полной дате в формате ММ-ДД-ГГГГ на три секунды, а затем возвращается к времени. отображать.

Нажмите L или R , чтобы переключаться между дисплеями вручную.

Удерживайте L , чтобы войти в меню (см. Ниже).

Удерживайте R , чтобы выключить дисплей. Дисплей погаснет. Коснитесь L или R , чтобы возобновить нормальную работу. Все часы работают нормально, когда дисплей выключен.

Меню

В меню можно попасть, удерживая L на индикаторе времени. Нажатие L позволяет переключаться между различными пунктами меню (которые будут объяснены в отдельных разделах ниже):

• Спящий режим вкл. / Выкл. / По расписанию
• Установить время
• Установить дату
• Установить год
• Выбор 12-часовой или 24-часовой индикации
• Включение / выключение автоматической коррекции летнего времени
• Разделители времени выкл. / Горит / мигает
• Изменить внешний вид разделителя времени
• Изменить внешний вид разделителя даты
• Установить график сна
• Готово (нажмите R , чтобы выйти из меню)

Удерживайте L в любой момент, чтобы вернуться к отображению времени.Нажатие на R либо изменяет мигающее значение, либо входит в подменю.

Установка времени и даты

На дисплее времени удерживайте L , чтобы войти в меню. Нажмите L еще раз, чтобы перейти к подсказке «Установить время»:

Слово SET будет мигать. Нажмите R , и часы начнут мигать. Нажмите или удерживайте R , чтобы изменить часы. Нажмите L , и минуты начнут мигать. Нажмите или удерживайте R , чтобы увеличить минуты.Наконец, нажмите L в последний раз, чтобы сохранить новое время и сбросить секунды на 00 .

На этом этапе SET должен снова мигать. Нажмите L , чтобы перейти к подсказке «установить дату»:

Нажмите R , и месяц начнет мигать. Нажмите или удерживайте R , чтобы перейти на месяц вперед. Нажмите L , и дата начнет мигать. Нажмите или удерживайте R , чтобы переместить дату вперед. Нажав L в последний раз, вы перейдете к подсказке «установить год»:

Год должен мигать.Нажмите или удерживайте R , чтобы перейти на год вперед. Действительные годы: 2000-2099.

Выбор 12-часового или 24-часового режима

На дисплее времени удерживайте L , чтобы войти в меню. Нажимайте L , пока не дойдете до 12/24-часовой подсказки:

  ДИСП. 12 часов (или) DISP. 24 часа
  

Нажмите R для переключения между 12-часовым и 24-часовым режимами.

Включение / отключение коррекции перехода на летнее время

На дисплее времени удерживайте L , чтобы войти в меню.Нажимайте L , пока не дойдете до подсказки летнего времени:

  D.S.T. АВТО (или) D.S.T. ВЫКЛЮЧЕННЫЙ
  

Если для летнего времени установлено значение AUTO , а текущая дата находится в переходе на летнее время, в левой части дисплея загорится + .

Поддерживается только летнее время в США. В день весеннего перехода часы переведутся на 01:59:59 -> 03:00:00 . В день осеннего перехода часы переведутся на 01:59:59 -> 01:00:00 .

Примечание: существует неоднозначная ситуация при попытке установить время 01: 00-01: 59 в день осеннего перехода на летнее время. Часы не знают, имеете ли вы в виду «час 01: xx до перехода» или «час 01: xx после перехода». В этой ситуации часы всегда принимают первое.

Изменение внешнего вида дисплея

Разделители («двоеточия») между часами, минутами и секундами можно настроить так, чтобы они светились постоянно, мигали один раз в секунду или были полностью выключены.

На дисплее времени удерживайте L , чтобы войти в меню. Нажимайте L , пока не дойдете до подсказки разделителя времени:

  СЕН. ТВЕРДЫЙ (или) SEP. FLASH (или) SEP. ВЫКЛЮЧЕННЫЙ
  

Нажмите R для переключения между опциями.

Нажмите L еще раз, чтобы перейти к подсказке стиля разделителя времени:

У вас есть четыре варианта разделителя времени:

• дефис -
• точка .
• псевдо-двоеточие (выглядит как = )
• высокий псевдодвошник (верхний и нижний горизонтальные сегменты освещены)

Нажмите R для переключения между опциями.

Нажмите L еще раз, чтобы перейти к подсказке стиля разделителя даты:

  ДАТА СЕР. - (или) DATESEP. .
  

Нажмите R , чтобы выбрать дефис или точку в качестве разделителя между месяцем, днем ​​и годом.

Сон и по расписанию

На дисплее времени удерживайте L , чтобы войти в меню. Первый пункт позволяет выбрать один из трех режимов:

• SLEEP OFF : дисплей всегда включен 24 часа в сутки
• SLEEP ON : обычно дисплей выключен; прикоснитесь, чтобы проснуться на 10 секунд
• SLEEP SCH.: сон по расписанию (настраиваемые дневные интервалы сна / бодрствования)

Нажмите R для переключения между опциями. Кроме того, + загорится, если часы в настоящий момент не спят, а - загорится, если часы в настоящее время находятся в спящем режиме.

Чтобы изменить график сна, нажимайте L , пока не дойдете до

Нажмите R , чтобы войти в подменю расписания:

Будет мигать выделение ДНЕЙ .Коснитесь L для переключения между тремя вариантами выбора:

• ДНЕЙ — выбор режима сна для каждого дня недели
• 1 — изменить диапазон 1 (см. Ниже)
• 2 — изменить диапазон 2

Настройка дневного поведения

Если мигает ДНЕЙ , нажмите R , чтобы ввести

Каждый символ представляет день недели с воскресенья по субботу. Нажмите L для перехода между днями и нажмите R , чтобы выбрать вариант для каждого дня:

• _ — отображение 24 часа в сутки
• 1 — дисплей включен в течение часов диапазона 1 и в спящем режиме в противном случае
• 2 — дисплей включен в часы диапазона 2 и в спящем режиме в противном случае
• Ξ — в спящем режиме 24 часа в сутки

Удерживайте L , чтобы вернуться в подменю расписания.

Редактирование временных диапазонов

При выборе диапазона 1 или диапазона 2 для данного дня часы могут автоматически включать дисплей и переходить в спящий режим в определенное время.

В подменю расписания нажимайте L , пока не начнет мигать 1 или 2 , затем нажмите R , чтобы войти в редактор диапазона.

В 24-часовом режиме дисплей редактора диапазона выглядит как

В 12-часовом режиме дисплей редактора диапазона выглядит как

Должен мигать первый час.В это время должен включиться дисплей. Нажмите или удерживайте R , чтобы увеличить время включения.

Нажмите L , и второй час должен мигать. Это время, когда часы должны перейти в режим сна. Нажмите или удерживайте R , чтобы увеличить нерабочее время.

Если рабочее время позже или равно нерабочее, рядом с нерабочее время появится апостроф ':

Это означает «включить в 20:00 (20:00) и засыпать в 3:00 (03:00)» следующего дня .«

Потребляемая мощность

Когда дисплей активен, часы потребляют около 500 мА (2,5 Вт). Однако при включении источника высокого напряжения кажется, что есть большой бросок тока; если источник питания не может справиться с этим, напряжение питания может упасть достаточно низко, чтобы вызвать отключение цепи сброса PIC. Это проявляется как задержка около секунды при касании для пробуждения ото сна. PIC сбрасывается, и часы всегда проходят цикл калибровки сенсорного датчика после сброса, который занимает около одной секунды.

Высококачественный адаптер питания USB, способный выдерживать ток не менее 1 А, предотвратит это. Адаптер питания Apple 5 Вт (модель A1385) работает очень хорошо. Я видел, как это происходило с более дешевыми USB-адаптерами, которые утверждают, что выдерживают ток 1А.

Я не измерял ток в режиме ожидания, но моя оценка составляет несколько миллиампер.

Заключение

Общее время до завершения проекта составило около полутора месяцев.