Рукожопим часы., На газоразрядных лампах

Добрый день, уважаемые!

Я хотел рассказать о процессе изготовлении часов на газоразрядных лампах, начиная с самого начала и до конечного результата.
Часы будут не совсем простые, а с преферансом и поэтессами разными датчиками, включая GPS и USB порт.

Я родился в СССР, если точнее, в 1981 году, и хорошо помню Советскую электронику. Понемногу начинал заниматься радиолюбительством тоже еще в СССР, причем именно с ламп. Интерес к технике у меня возник не на пустом месте, этому вовсю поспособствовал мой дед, за что ему огромное спасибо, так как это в конечном итоге повлияло на мою взрослую жизнь и выбор профессии!
Конечно, в 80-е уже вовсю применялись транзисторы и микросхемы, но у деда было большое количество разных ламп и старых радиодеталей, а также книги 50-70-х годов.

Часы на газоразрядных лампах я задумывал собрать давно. Газоразрядные лампы невероятно красивы и очаровывают взгляд. Ни один ЖК или OLED дисплей Самсунгов и Айфонов не сравнится с обаянием и магией газоразрядной лампы.

Итак, я постараюсь сильно не вдаваться в технические детали, чтобы было интересно всем людям, включая малознакомых с темой электроники.

Просьба не ломать, когда закончу, сообщу.

Для начала нужно определиться, что же мы хотим получить в итоге.
Во-первых, я хочу, чтобы часы всегда показывали правильное время, желательно вообще вручную время не задавать. Подобное можно сделать разными способами, самые доступные - получить время через интернет, либо получить время от спутников навигации GPS/Glonass. Интернет — это зависимость от провайдера, к тому же не везде он бывает доступен, поэтому, выбираем второй способ.

Во-вторых, было бы неплохо, если бы часы кроме времени показывали какую-то другую важную информацию, например, влажность воздуха и атмосферное давление, ну и температуру до кучи.

В-третьих, надо сделать так, чтобы часы не мешали ночью спать, освещая комнату, но при этом цифры оставались видимыми. Значит, надо добавить датчик освещенности, чтобы приглушать яркость в темноте.

Еще мне очень нравится, как выглядят лампы с дополнительной внешней цветной подсветкой. Некоторые люди считают, что подсветка мешает, портит вид лампы и снижает контрастность цифр. Но мне нравится, поэтому подсветке быть! Еще надо сделать так, чтобы можно было выбирать цвет и яркость подсветки.

Когда происходит смена цифр, надо бы придумать какие-нибудь эффекты, типа плавного зажигания и гашения, пробега цифр.

И последнее, все это надо как-то удобно настраивать. Ламп всего 6 и ничего кроме цифр они показывать не могут, поэтому выводить многоуровневое «меню» на такие лампы будет просто издевательством. Вспомните телефоны с АОН'ами , которые появились в 90-х годах, какое же сложное там было меню — «нажмите 2, затем 9, затем 4...., а вот тут на дисплее черточка загорится» и так до бесконечности. Даже с инструкцией, бывало, сложно разобраться. Поэтому мы пойдем современным путем — скажем, да будет USB и программа на компьютере для настройки!

Вот, уже готово что-то типа тех. задания.

Добавлено в 18:49
Теперь надо выбрать лампы.

Типов и видов газоразрядных ламп в мире существует великое множество, их в свое время выпускали все промышленно развитые страны в огромном количестве. В СССР их «навыпускали» так много, что даже сейчас без проблем можно найти абсолютно новые лампы.
Трудно сказать, какая лампа самая красивая, это дело вкуса. Поэтому я заказал на ebay ИН-12, ИН-4 и ИН-1. Выбрал я именно их в основном из-за цены, на пробу. По большому счету электрические параметры ламп не сильно отличаются друг от друга, поэтому в будущем я смогу использовать и другие лампы, например очень красивую и большую ИН-18, которая одна стоит около 1000 Российских рублей.

Когда пришли лампы, случилось первое разочарование — некоторые лампы подсунули б/у, а две вообще не работали. С горя я стал жаловаться на жизнь на форуме Radiokot и добрые люди помогли мне с лампами из своих запасов. В том числе удалось достать немецкие лампы Z570M. На фотографии они красные.

1 — Z570M, Германия
2 — ИН-4, СССР (завод Газотрон, г. Ровно, Украина)
3 — ИН-12, СССР (завод Газотрон, г. Ровно, Украина)
4 — ИН-1, СССР (завод Анод, Россия)

даты производства разные — 70-е и 80-е годы.

Немецкие лампы крашенные, что мне абсолютно не понравилось. Этот красный лак портит всю красоту свечения неона. Пойдя по пути истинного рукожопа, я взял китайский очиститель карбюратора и стал смывать лак и.... Китай с позором проиграл. А на самом деле снять лак было очень просто, надо всего лишь положить лампу в обычную воду на минут 5-10, а потом лак снимался как носок.

Это сообщение отредактировал Ape - 27.09.2014 - 18:51

Теперь у нас есть вся информация для разработки часов.
Перед тем как начать работать над схемой, я прикидываю, из каких узлов должно состоять устройство, а исходя из требуемых характеристик и возможностей, подбираю детали.

На самом деле, это достаточно сложная задача, в том плане, что если устройство будет выпускаться массово, то выбор должен быть оптимален не только исходя из требуемых функций, но и быть сбалансированным по стоимости, удобству монтажа, простоте и скорости сборки, а также по энергопотреблению.
Представьте на минуту, что Дядя Ляо в Китае выпускает миллион Айфонов, лишний сэкономленный тут да там цент, в результате выливается в миллионы долларов, а лишний потребляемый милливатт в киловатты электроэнергии.

К сожалению, до Дяди Ляо нам далеко, поэтому выбор сводится к тому, что есть в наличии, или к тому, что можно легко купить или заказать, желательно в одном месте, чтобы дешевле!

Для проектирования принципиальных схем и разводки печатных плат, естественно, существует свой софт. В данном случае я пользуюсь CadSoft Eagle 6, но понемногу перехожу на профессиональный пакет Altium Designer.

Вот скриншот окна, где производится рисование схемы.

А вот тут — разводка печатной платы.

Некоторые элементы уже есть в библиотеке, а некоторые приходится создавать самому. Для этого скачивается техническая документация, в которой указан рекомендуемый размер площадок на печатной плате, куда будет припаиваться элемент, и по ней создается новый элемент. Вот, например, я добавил датчик давления в библиотеку:

Плату можно изготовить вручную различными методами. Но в этот раз я буду заказывать печатную плату на заводе, а паять буду сам.

Кстати, как будет выглядеть плата можно посмотреть уже на этом этапе, софт это позволяет.

Для изготовления на заводе, для Дяди Ляо надо подготовить несколько файлов определенного формата, в соответствии с его требованиями. Формат называется Gerber.

Причем для каждого этапа производства нужен свой файл-слой.
Для примера, если вы посмотрите на образец платы, который показан выше, то там можно увидеть: дорожки — это слой металла (меди), белые надписи — слой шелкографии.
Все, что на плате зеленого цвета называется паяльная маска, это лак который защищает плату и здорово помогает при последующей пайке, маска нанесена на всю поверхность платы кроме тех мест (площадок), куда будут припаиваться элементы. Паяльная маска — это еще один слой.
Еще на плате есть отверстия, с металлизацией внутри и без. Это тоже слой — слой сверловки.
Плату надо вырезать по размеру, а вообще, она может быть любой формы, не только прямоугольной, поэтому последний слой — слой фрезеровки.

Плата у меня двусторонняя, поэтому для каждой стороны экспортируются свои файлы-слои.

Все это дело упаковывается в zip-архив и с «парой баксов» отправляется Дядюшке. С этого момента, если на плате есть ошибки, ничего изменить уже нельзя.

Еще при заказе нужно указать некоторые параметры, например, покрытие площадок — обычное горячее лужение (называется HASL) оловянно-свинцовым припоем, либо иммерсионное покрытие золотом (ENIG). Цвет паяльной маски и шелкографии и другие параметры. Я указал покрытие золотом.

Две недели ожидания и приезжает подарок от Дядюшки

Одновременно с платами были заказаны недостающие радиодетали

1 - Программируемая микросхема ПЛИС (о ней ниже), она будет управлять лампами
2 — Высоковольтные транзисторы (они нужны, т. к. напряжение на лампах высокое, поэтому ПЛИС не может подключаться к лампам напрямую).
3 — датчик освещенности с цифровым интерфейсом
4 — Модуль GPS для получения времени
5 — датчик атмосферного давления
6 — Еще транзисторы (эти — для управления цветной подсветкой ламп)
7 — Можно сказать, самая главная радиодеталь — микроконтроллер. Именно он будет отсчитывать время, обслуживать датчики и USB.
8 — Контроллер для организации питания ламп
9 — Преобразователь напряжения (для понижения напряжения 12В до 5-и)
10 — Это транзисторы, но они не для часов, я просто хотел показать варианты упаковки.

Еще

Тут дроссели, конденсаторы, предохранители, и «пины» в которые будут вставляться лампы.

Еще!

Тут всякие разъемы, кнопки и «кроватка» для элемента питания. Внизу справа — разъемы и кабель для антенны GPS. Элемент питания нужен, чтобы часы помнили время и настройки при отключении внешнего питания.

И еще!

На фотографиях выше вы могли заметить, что некоторые компоненты находятся в лентах, смотанных в рулоны. На самом деле эти ленты поставляются вот на таких катушках, похожих на катушки от старых магнитофонов.

Вот фотография ленты поближе.
Тут вы видите керамические конденсаторы. Их размер 1 на 0.5 мм (этот типоразмер называется 0402). Вон один вытащен из ленты, рядом со спичечной головкой.
На одной катушке, в зависимости от размера элемента, находится до 10 000 штук.

Добавлено в 18:56
Все эти катушки и перфорация на ленте нужны для автоматических машин (Pick and place machine), которые производят пайку на заводе. Машины работают с огромной скоростью, устанавливая сотни компонентов в минуту!

На Youtube много видео подобных машин в работе

Упаковка в виде трубки, как на одном из фото выше — тоже для машины. Только ставятся они на виброподатчик и компоненты сами сползают по трубке к зоне, где из заберет устанавливающая машина.

Немного расскажу про пайку компонентов. Неосвещенному человеку может показаться, что паять такие мелкие компоненты, а также компоненты с сотнями выводов сложно. На самом деле это не совсем так.

Для пайки потребуется:
Флюс (синяя банка), который защитит зону пайки от окисления, а также активирует спаиваемые поверхности, удаляя и разрушая оксиды. В шприце он же, для удобства нанесения. Флюс, точнее его пары, ядовиты, поэтому паять желательно с вытяжкой.

Припой в виде проволоки (катушка по центру). Он бывает разного диаметра, разного состава. Раньше в основном применялись оловянно свинцовые припои, как понятно из названия, его основные составляющие это свинец и олово с небольшим добавлением других элементов типа висмута, который сильно снижает температуру плавления.
Но потом зеленые стали кричать, что свинец в электронных изделиях загрязняет окружающую среду и теперь оловянно-свинцовые припои выводятся из оборота и заменены на бессвинцовые аналоги. Их состав бывает разным, есть варианты с серебром, индием, цинком, но основной компонент все равно олово. Хорошее начинание обернулось головной болью для радиолюбителей, ремонтников и индустрии в целом. У бессвинцового припоя выше температура плавления, поэтому выше риск перегреть компоненты при пайке, требуется точнее выдерживать температуру. Компоненты должны производится с учетом более жестких требований. А надежность в целом ухудшилась. Зато зеленые технологии!

Паяльная паста (белая баночка). Паяльная паста — это, если можно так выразится тоже припой, только в виде мельчайших шариков, настолько мелких, что их трудно различить на глаз. Они перемешаны с флюсом и по консистенции напоминают зубную пасту. Чуть ниже будет фото ее использования.

Ну и, конечно, разные пинцеты.

Да, совсем забыл. Если где-то что-то нужно очистить от припоя, есть такая штука как промокашка (на фото слева в пакете). Это просто медная оплетка, пропитанная флюсом, а работает она реально как обычная промокашка — прогрел до плавления припоя и он весь впитался в оплетку.

Для пайки компонентов с использованием проволочного припоя (и не только) используется обычный паяльник (паяльная станция) с поддержанием температуры.

А для работы с паяльной пастой нужна штука, которая работает как фен для волос, только что температура выше. Еще бывают инфракрасные станции, которые нагревают компоненты ИК излучением, и печи для пайки.

На фотографии типичная китайская термовоздушная паяльная станция. Кстати, это подделка продукции Японской компании HAKKO (паяльник на фото выше), китайцы выпускают клоны под десятками разных имен. Да, хреновенькая, но работает.

Покажу процесс пайки с помощью паяльной пасты. Припаяем конденсатор и микросхемку.
Обезжириваем место пайки.

Затем на сами площадки наносится паяльная паста.

В промышленных масштабах для этого используют металлические шаблоны (Stencil), толщиной с фотобумагу, в которых сделаны отверстия под каждую контактную площадку. Шаблон автоматически накладывается на плату, затем сверху штукой по типу шпателя размазывается паста, шаблон убирается и собственно все, плата едет далее по конвейеру на установку компонентов.

Устанавливаем компоненты

Кстати, особо трудится и ставить идеально ровно вовсе не обязательно. Когда паста расплавится, благодаря паяльной маске (жидкий припой ее не смачивает, а скатывается в шарики) и действию сил поверхностного натяжения жидкого припоя, компоненты выровняются сами и будут стоять идеально!

Видите на фотографии едва заметную зернистую структуру пасты — это шарики, о которых я говорил выше.

Берем фен паяльной станции и разогреваем это место на плате прямо вместе с корпусами компонентов до плавления пасты.

Все, элементы припаяны!

В условиях домашней мастерской можно использовать печь для пайки. Люди делают их из тостеров и микроволновок с грилем! (Кому Айфон зарядить?)

В этом случае нужно установить сразу все компоненты, после чего плата отправляется в печь, где производится постепенный нагрев, а по правилам нужно выдерживать профили скоростей нагрева и охлаждения, тогда будет качественный результат.

Я паяю не много, поэтому печи у меня нет, приходится париться вручную:

Вот

Датчик давления воздуха (микросхема с металлической крышкой и отверстием в центре) и модуль GPS (на котором написано u-blox) поближе.

Добавлено в 18:59
Кстати, чуть выше датчика давления вы видите четырехвыводной прямоугольный черный компонент — это часовой кварцевый резонатор. Он задает частоту и от него зависит точность хода часов. Когда говорят выражение «кварцевые часы» имеется ввиду он.