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製作世界線變動率觀測儀 | 用Arduino與電晶體打造的獨特輝光管時鐘

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Habonroof
作者
Habonroof
一位漂流在軟體與硬體之間的邊緣行者，COVID期間被觸發想做技術部落格，目前還是剛出社會的新鮮人，除了工作也希望能在閒暇之餘撰寫教學文章與製作影片。現在正努力豐富網站內容中



Github : https://github.com/HabonRoof/Divergence-Meter

EasyEDA 電路圖 : https://easyeda.com/Johnson35762/divergence-meter

本作品又稱"輝光管時鐘"，輝光管首次問世事在1955年的"Haydu Brothers Laboratories"，輝光管猶如今日"七段顯示器"的用途，廣泛被運用在波型產生器、溫度計、計算機、電梯指示器等等有關數字的顯示上，此外也有帶有特殊符號的輝光管可以顯示如"%"、“Ω “、“Hz"等等。

輝光管最大的特色是其沒有菱角的圓潤數字以及由惰性氣體放電所產生的溫暖的光澤，想要讓惰性氣體放電發光必定需要高電壓，因此輝光管是由直流約170~180伏特來驅動(依照輝光管型號不同而有所不同)。

此電壓範圍屬於危險的高壓，在自行操作時務必小心謹慎，作者這裡無法保證您的安全。

我就不小心被電過一次，那種麻感跟一般的110交流電不一樣，會痛很久。

由於現今輝光管已經停產多時，一個輝光管(以IN14為例)在台灣的價格大約是500~600台幣，要價不斐。

我想這也是勸退許多沒有電力電子基礎的朋友想要踏入這一坑的原因之一吧。

第二應該就是直流高電壓電路的製作，在大學學過電力電子後對切換式升壓電路也有一定的了解，也因此不再像高中時一樣陌生，我的網站另一部分有關於直流升降壓電路的知識，歡迎點閱。

那麼我們就來看一下這次的作品的功能吧!

功能
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從右方的GIF可以看到輝光管時鐘由四層主要部分構成，功能有"時 分 秒” 時間顯示、“年 月 日” 日期顯示、以及亂數顯示(世界線變動率顯示)
主要電路由下到上分別是:

  1. 高壓驅動電路與5V穩壓電路
  2. 微處理機、RTC實時時鐘與RTC的備用電源
  3. 高壓驅動電晶體電路與多工器
  4. 位在最上層的輝光管顯示器與裝飾板
    第一次製作發現的已知問題 :
  5. RTC時鐘不準確，約每天快五秒鐘
    改善方法 :
  6. 加入ESP8266進行網路校準

硬體
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首先我們需要將整個作品所需的電源想清楚，分別需要 5V 以供給微處理機與邏輯電路運作，以及 180V驅動輝光管顯示。在這裡我們選擇直流12伏特作為我們的輸入電壓。原因是，12V的變壓器相比於24V、36V是較為常見，而不選5V的原因是對升壓電路來說，升壓比太高會造成升壓損失更大，因此折衷選擇12V。#### 5V 直流電源

首先第一步就是建立5V直流電源。我使用最常見的直流線性穩壓器 7805 作為5V電源供給，因為我們所需要消耗的功率並不會很大，因此5V部分就不使用切換式電源。7805的腳位以及電路圖如下:

常見的7805包裝
7805經典應用電路

電路圖中，左邊DC1 接頭是12V直流輸入，右邊為5V直流輸出，再輸入端與輸出端各加一顆濾波電容就完成了。下一步驟來製作180V 直流高電壓電源。若搜尋"輝光管電源”，網路會出現許多利用MC34063所製作的升壓電路，我參考網路資源並做出自己的版本，以下是參考資料:
笨鳥慢飛-令人著迷的 Nixie Clock 製作 (一)
Sadudu-世界線變動率探測儀設計
[文長多圖注意]自製真空管(輝光管)時鐘
MC34063是一個歷史悠久的升降壓驅動IC，生產商為ON Semiconductor，其資料手冊(Datasheet)連結如下:
ON Semiconductor MC34063 datasheet
這顆IC的特色第一是價格便宜，在光華商場的良昌電子一個只要10元台幣，而今華比較貴一點，另一個特色就是網路上的文章很多，方便快速入門。
我做的電路圖如下:

MC34063 12v to 180v 非隔離升壓電路

從圖中可以看出來，它就是一個標準的Boost Converter電路，Q29是整個電路的切換開關，L1負責儲存能量，D1為快速切換二極體，C7為輸出濾波電容，耐壓為250V。Q30 的功能是驅動Q29的FET驅動電晶體，D2也是為了驅動Q29而增加的元件。C4為調整切換頻率的電容，容值越高頻率越低，在高電壓升壓下，請不要用低於2.2n的值，以免燒毀驅動開關。輸出端有一個分壓電路來回授輸出電壓給MC34063，以確保輸出電壓不會因為負載變大而改變。MC34063的方塊圖以及腳位說明如下，會在下面一一介紹。
2020/06/18 更新 : 我想用MC34963做一個 5 轉 12 升壓電路讓時鐘可以用行動電源驅動，但是輝光管時鐘的啟動電流經過測量高達6安培，相關紀錄可以參見紀錄可以參見我當時在All About Circuit 的問題串 ，要解決問題可以在R51旁邊並聯一個 1u/250v 電容就可以降低瞬間啟動電流，後來知道這就是透過調整回授電路來達成softstart的目的。

MC34063是8隻腳位的DIP封裝，由第一隻腳位到第八支的敘述如下:* Pin1 : Switch Collector為內部電晶體的集極，外接到輸入電源。

  • Pin2 : Switch Emitter為內部電晶體射極，向外部連接到切換開關的閘極，即PWM輸出訊號。
  • Pin3 : Timming Capacitor為切換開關頻率電容，改變此值可改變切換開關頻率。
  • Pin4 : GND 接地腳。
  • Pin5 : Comparator Inverting Input為輸出電壓回授腳，外接到輸出電壓分壓電路，控制此腳位電壓即可改變輸出電壓。
  • Pin6 : Vcc為輸入電源電壓。
  • Pin7 : Ipk Sense為輸出電流感測腳，在正規應用中，此腳位需有一顆低電阻跨於Pin6 與 此腳之間，測量輸出電流。本次專案的負載較小，此腳位不加電阻也不影響輸出。
  • Pin8 : Drive Collector為IC中驅動Q1的驅動電源，因此亦接到Vcc即可
  • MC34063最方便的地方在於只需要調整Pin5 的電壓就可以調整輸出電壓，即電路中的R51、R52與RP1。 要達到輸出電壓為180V，帶入下圖公式180=1.25(1+R2/R1)，取 R2為330kΩ 為基礎(因為阻值大，消耗電流較小，且數字大一點比較容易找到合適的R2)
    計算出R1大約為2.2kΩ ，但是電阻在至製造過程中都會存在誤差，因此我選用2kΩ 電阻串連1k精密電阻以達到精準輸出的需求。

IN-14 輝光管資料
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IN-14是20世紀初各種輝光管型號的其中一種，其外觀高度約為5.4公分，直徑為2公分，因為每個輝光管都是手工製作，因此會有一定的誤差。也因為是手工製作的關系，所以會讓人更想收藏它。

輝光管點燈測試

以下是我在網路找到的有關IN-14輝光管的資料，在其他國家也有很多愛好者建立各式各樣的網站來說明關於各類輝光管的知識:IN-14 (ИН-14) Nixie Röhre/Nixie TubeGas discharge indicator type IN-14 (ИН-14) Datasheet translated by TubeHobby

上圖是TubeHobby的網站資料，可以看到輝光管是由10片不同數字與2個小數點組成，包含09以及左小數點與右小數點。另外由輝光管底下可看到玻璃管身有刻一個箭頭，箭頭所指的腳位即為陽極，連接到180直流電壓。
從上圖TubeHobby提供的資料中，IN-14的點亮電壓為170V，電流為2.5mA。而小數點因為面積更小，容許電流只有0.3mA，因此在電路設計的時候，小數點的電路需要有比普通字節更大的限流電阻。而下面則說，IN-14最大耐壓為200V，最大電流是23.5mA。雖然我使用180V作為輝光管驅動電壓，因此限流電阻使用180V / 3.5mA  = 51 kΩ，選用47kΩ 作為實際值 ，小數點的限流電阻則是在另外接30kΩ，也就是總共77kΩ 。讀者亦可使用自己認為亮度妥當的電壓作為驅動電壓，當然，限流電阻也要重新計算。#### 掃描電路

掃描電路是利用人眼視覺暫留的原理，快速的閃爍顯示器，在短時間一次只點亮一個，但看起來會是全部同時點亮。這種技術也可應用在PWM調光，或大型顯示器節省能源的方法。我們這次要一次驅動8顆輝光管顯示器，因此也採用掃描的原理來實現。但是究竟該如何讓輝光管一次只點亮一顆，但又要快速切換呢?我們可以使用多工器來達成。

只需要給多工器一個二進制的數字，它就會產生對應腳位的輸出，進而達到控制輝光管開關的效果。我使用 74238 這個3對8解碼器來控制輝光管的陽極，來開關整個輝光管的亮滅。
數字的部分使用 CB4028B BCD對十進制解碼器 作為控制陰極的控制器，另外的小數點則分別引出獨立的兩個腳位來直接控制。#### DS1302 RTC 時鐘

DS1302是一款常見的RTC模組，我將現成的RTC模組上的晶片以及32.768kHz的石英晶體震盪器連接如下圖。

其中Vcc1腳位連接到備用電池電源，以便在主電源斷電的情況下可以記憶時間。#### 模組化設計

上述介紹這麼多不同的硬體部分，要將其全部整和再一起最好的方法就是分層、模組化。拿桌上型PC來說，一台電腦有分電源供應器、主機I put 板、CPU、顯示卡、RAM等等的部分，分別都由不同廠商合作完成，但是卻能夠簡單的混和用再一起。因此，我將輝光管、控制器、高壓電路分層設計

首先就是電源的部分，左上角我使用常見的2.1mm DC Power Jack 作為電源輸入接頭，右方有一個小的濾波電容與電源開關。
開關下方可以看到MC34063這個升壓IC與周邊的零件。MC34063左方的IC是7805 5V 穩壓器，圓形電感右邊有散熱片TO-92包裝的電晶體是IRF 840 MOSFET，最右邊的則是1k精密可變電阻。上方的排母連接器將參考電位、直流5V與180V連結到上層。
第二層的5V電源從下層引入後，分給Atmega328P與DS1302，並裝設三個按鈕，功能分別為Reset、Button_1與Button_2，右下角則是DS1302的備用電池，讓晶片在主電源斷電後還可以維持時間記憶功能。按鈕左方四個腳位讓未來能夠透過USB to TTL 傳輸線燒錄與編輯Atmega328P的程式碼。下方黑色的排母再將Arduino的控制訊號傳送給下一層的高壓驅動電路。
下一層是輝光管的驅動電路，由於輝光管所使用的電壓為180V，因此需要採用耐高壓的電晶體如 KSP92 與 KSP42 或其他耐高壓電晶體，這樣才不會燒毀電晶體或衝穿絕緣。下方的排針將下層Arduino控制訊號引到多工器控制BJT，再利用上方排針控制八顆輝光管。
輝光管顯示板將八顆輝光管焊接再一起，把數字引腳與八顆輝光管的陽極分出來，連接到排母，以利下方的驅動電路控制。特別的是，板子上有裝飾用的電容與電阻，其實實際上是沒有功能的，為了要和命運石之門的世界線變動率觀測儀相同。#### 韌體

這次的韌體主要有兩個部分，一個是程式主體，另一個是顯示更新輝光管的副程式。讀者可直接將程式碼複製，並將兩個檔案放在同一個資料夾內即可。#### 成品