/Đồng hồ dùng bóng đèn điện tử – Nixie clock

Đồng hồ dùng bóng đèn điện tử – Nixie clock

Vào những thập niên 60 , khi kỹ thuật điện tử và bán dẫn còn ở thời kỳ sơ khai. Công nghệ hiển thị led 7 đoạn và LCD còn chưa hình thành trong giấc mơ của nhân loại thì bóng đèn điện tử chân không đã ra đời .Bên cạnh các bóng đèn khuếch đại được sử dụng trong các mạch âm thanh , mạch điều khiển các thiết bị quân sự… nhằm đáp ứng cho nhu cầu hiển thị số liệu trong các máy đo thì người ta đã sản xuất ra bóng đèn chân không hiển thị số và các ký tự đặc biệt có tên gọi là nixie tube
Trong những nỗ lực tìm kiếm các thiết bị hiển thị thay cho led 7 đoạn đã quá nhàm chán tình cờ tôi đã có các bóng nixie tube và trong một lần tìm kiếm datasheets cho bóng IN14 trên internet tôi thật sự bất ngờ trước hàng ngàn thiết kế của giới moder trên khắp thế giới dành cho loại bóng nixie tube này…
Lại một lần nữa niềm đam mê trong tôi trỗi dậy , lại nhiều đêm nữa mất ngủ …
Bài viết này là sự tổng hợp tất cả các kinh nghiệm trong suốt quá trình chế tạo chiếc đồng hồ nixie clock này qua nhiều phiên bản , hi vọng nó sẽ như một món quà gửi đến các bạn yêu kỹ thuật chút đam mê để cùng làm ra các sản phẩm không những độc đáo mà còn đậm nét sáng tạo và đậm chất Việt Nam …
I Đồng hồ dùng bóng nixie tube
Sự hồi sinh của bóng đèn điện tử trong các thiết kế về âm thanh cao cấp phần nào nói lên rằng “dù công nghệ và kỹ thuật số có phát triển đến đâu thì vẫn không thể nào thay thế hoàn toàn cho kỹ thuật analog truyền thống ” bởi lẽ giác quan và cảm nhận nghệ thuật của con người đã đạt đến độ tinh tế tới mức không có một máy móc nào mô phỏng được. Cũng chính vì vậy khi đã quá nhàm chán với sự rời rạc của DAC trong âm thanh ,của pixel trong hình ảnh , của khô cứng trong hiển thị số bằng led 7 đoạn… người ta lại tìm về những thứ một thời đã đi vào quên lãng .Những chủ đề về amplyfier đèn , về cơ đĩa than ,những bức ảnh chụp bằng phim …luôn là những đề tài hấp dẫn mà chưa có hồi kết thúc.
Trở lại với bóng đèn nixie tube ngày xưa chỉ được dùng trong các máy đo cồng kềnh thì bây giờ nixie tube đã có một đời sống mới – Nixie clock hay đồng hồ dùng bóng nixie tube.
II Bên trong nixie tube có những gì?
Cấu tạo của bóng nixie bao gồm có 2 phần đó là cực dương anode và âm cực cathodes

anode được cấu tạo bởi một màng lưới bao bọc xung quanh còn cathodes là các thanh kim loại được uốn thành các con số hoặc ký tự nằm xen kẽ lẫn nhau . Các thành phần này được cho vào ống thủy tinh hút chân không và trong môi trường của ống người ta thêm vào các chất khí ở áp suất thấp , thông thường chủ yếu là neon và thường một ít thủy ngân hoặc argon.

hình dạng thực tế của cathodes
Hoạt động
Đặt giữa anodes và cathodes một điện áp 170V một chiều với dòng điện cở vài miliamperes (mA) thì sẽ xuất hiện hiện tượng phóng điện và phát xạ ánh sáng mầu vàng từ cathodes
vì cathodes được uốn thành hình các con số hoặc ký tự nên khi phát xạ ánh sáng nó sẽ xuyên qua các thành phần cathodes khác và xuyên qua cả lớp lưới anode để ra ngoài .

Để điều khiển cho bóng đèn hoạt động ta chỉ việc cấp vào anode một điện áp dương 170V và di chuyển cực âm vào các chân cathodes còn lại . Với bóng số thì có 10 cathodes tương ứng với 10 số từ 0 – 9 .

mạch thử với bóng nixie
Dĩ nhiên trên đây là mạch thử với các cathodes được cấp bằng tay còn đồng hồ thật thì bạn phải thiết kế mạch điện để nó tự động cấp các ngõ ra hiển thị các con số vào đúng thời điểm quy định – đó chính là nguyên tắc của đồng hồ .
Để nắm rõ hơn về cấu trúc của đồng hồ số và cách thức hoạt động của chúng xin mời bạn tham khảo link sau http://my.opera.com/minhdt/blog/?id=5960391
III Nguyên lý hoạt động của nixie clock
Sau khi đã nắm rõ nguyên tắc hoạt động của đồng hồ dùng led 7 đoạn ta biến đổi một chút xíu để thành đồng hồ dùng bóng nixie tube.
Trước hết ta khảo sát cái sơ đồ khối của nixie clock

Nhìn sơ đồ các bạn sẽ nhận ra có sự khác biệt giữa điều khiển led 7 đoạn và bóng nixie tube cơ bản như sau:
– Xuất hiện thêm khối cao áp (HV) 170V DC
Để tạo điện trường đủ lớn giữa anode và cathodes để cho electron di chuyển tạo sự phóng điện thì bóng nixie tube cần có điện áp một chiều 170V trong khi với led 7 đoạn thì chỉ cần dòng phát quang tầm 10mA với điện áp rơi trên led > 2V
– Các IC đếm của đồng hồ led có đầu ra TTL (0-5V) và thường lớn hơn 10mA nên kéo trực tiếp vào led còn bóng nixie tube do dùng điện áp cao nên phải có tầng đệm để kéo cathodes dùng transistor. các transistor phải là loại chịu được điện áp cao (high volt transistor)
– Led 7 đoạn có 7 cathodes trong khi nixie tube có 10 cathode
do vậy mạch đếm giờ phút giây phải là mạch đếm hệ 10 (decimal)
1.Mạch cao áp
sơ đồ

Thành phần chính của mạch dùng IC DC-DC convector MC33063 giá rẻ hoạt động ở tần số 100KHZ. Đầu ra tại chân 2 đưa vào cực G của IRF730 kích mở dòng qua cuộn cảm 100uH. Điện áp cao áp cảm ứng trên cuộn dây được nắn qua diode D1 và nạp vào tụ C5 , cầu trở r1, r2, r3 làm nhiệm vụ hồi tiếp để điều khiển cao áp . Khi lắp xong các bạn chỉnh biến trở r2 để đầu ra cao áp đạt đến điện áp 170V DC.
2.Mạch đếm giây
Để điều khiển 10 cathode của bóng nixie thì phải cần đến mạch đếm và chia 10 , Ứng cử viên sáng giá cho chức vụ này chính là CD4017 Decade Counter/Divider IC (datasheets http://www.national.com/ds/CD/CD4017BC.pdf)
Mạch đếm giây có tác dụng nhận xung 1hz chuẩn từ đầu vào và đếm từ 00 – 59s sau đó tự động reset về 00 và gửi 1 xung đến mạch đếm phút
đếm giây có sơ đồ như sau:

Tín hiệu từ modul 1hz chuẩn được đưa vào chân clock của IC4017, đầu ra từ Q0 -Q9 được đưa vào để kéo 10 cathode của bóng nixie hiển thị giây (s).
Sau khi đếm đến giây thứ 10 thì đầu ra cary out (chân số 12 ) đưa ra 1 xung đến đầu vào clock của IC 4017 thứ 2 . Lần này ta chỉ cần đếm đến 5 (giây thứ 59) nên đầu ra Q6 được đưa trở lại chân reset để trở về 0 . một phần tín hiệu reset được đưa tới tầng đếm phút
3.Mạch đếm phút
Tương tự như mạch đếm giây , mạch đếm phút nhận 1 xung clock từ mạch đếm giây khi mạch đếm giây đạt đến giá trị 59 và trở về 00 và mạch đếm phút cũng gửi 1 xung clock (khi đã đạt đến 59 phút) sang mạch đếm giờ nên sơ đồ của mạch đếm phút cũng giống như mạch đếm giây

4.Mạch đếm giờ
Khi mạch đếm phút đếm đến giá trị 59 và reset sẽ gửi 1 xung clock sang mạch đếm giờ , có 2 chế độ cho mạch đếm giờ đó là hiển thị mode 12h và hiển thị mode 24h .Nếu ở chế độ 12h thì các bạn phải làm thêm phần hiển thị AM và PM bằng 1 con flip flop như cd4013 . Trong khuôn khổ bài viết chỉ trình bày làm đồng hồ mode 24h và trên cơ sở nguyên lý các bạn có thể modify lại thành mode 12h một cách dễ dàng.
Sơ đồ cho mạch đếm giờ như sau:

Khi số thứ nhất của giờ đến số 4 thì sẽ có mức cao đăt vào anode của opto PC817 và khi số thứ 2 của giờ nhảy đến số 2 (tức là vị trí 24h ) thì đầu ra số 2 ở mức cao qua trở R6 làm phân cực Q2 dẫn kéo kathode của opto pc817 xuống đất.
Opto pc817 dẫn thông làm đầu ra dẫn tín hiệu mức cao từ nguồn VCC đưa vào chân reset của hai IC đếm giờ và mạch đếm giờ trở về 00
Vì thời gian reset chỉ cở ms nên mắt người không thể thấy được số 24 mà chỉ ở 23 rồi về 00 ngay lập tức
5.Mạch khuếch đại kéo cathode
Đầu ra của CD4017 từ Q0 – Q9 được đưa vào khuếch đại trước khi kéo vào cathode của bóng nixie , transistor khuếch đại các bạn dùng loại MPSA42 . Sở dĩ dùng transistor này là vì nó có VCE 300V , nếu dùng loại thông thường thì trans rất dễ bị đánh thủng bởi điện áp cao của HV 170V
Nếu không có transistor này các bạn có thể lấy loại có mã số 13001 hay có trong các thiết bị của trung quốc …
sơ đồ khuếch đại trên 1 bóng có dạng như sau:

để hoàn chỉnh đồng hồ bạn phải lắp 6 mạch này gắn vào 6 bóng nixie , nếu không cần hiển thị giây thì chỉ cần lắp 4 mạch mà thôi
6.Mạch tạo 1hz chuẩn từ thạch anh
Trong các sơ đồ nixie clock dạng analog của nước ngoài thường dùng ngay chính xung điện lưới 50HZ qua mạch chia 50 lần tạo ra 1hz nhưng đồng hồ của họ chạy rất chuẩn vì do họ dùng điện hạt nhân ! tần số điện lưới chỉ dao động khoảng một vài phần nghìn …
Nếu chia xung từ tần số thủy điện của Việt Nam thì một ngày đồng hồ chạy sai cở chục phút …Chưa kể nếu cắt điện luân phiên thì không có cách nào để backup thời gian được
Trong bài viết về đồng hồ số http://my.opera.com/minhdt/blog/?id=5960391 tôi đã trình bày về mạch chia xung từ thạch anh 32,768Khz ra 1Hz chuẩn nên sẽ không đề cập đến mạch này nữa mà chỉ đăng lại sơ đồ nguyên lý

mạch 1Hz dùng linh kiện SMD

7.Mạch backup thời gian khi mất điện
tham khảo chi tiết tại link http://my.opera.com/minhdt/blog/?id=5960391
sơ đồ

7.Phím bấm chỉnh giờ
chi tiết tham khảo tại link http://my.opera.com/minhdt/blog/?id=5960391
IV Bố trí linh kiện và lắp ráp
Đồng hồ dùng bóng nixie clock có khá nhiều thành phần nên khi lắp ráp để gọn vào trong vỏ hộp bạn phải khéo léo bố trí , tốt nhất là làm các modul rời rạc và ghép nối chúng với nhau bằng jack cắm
Để hoàn thiện đồng hồ chúng ta phải chế tạo các modul sau đây
– Mạch cao áp
– Mạch đếm (giờ , phút , giây )
– mạch tạo xung 1HZ
– Mạch hiển thị
– Mạch backup thời gian
…..
design


làm mạch in


tráng thiếc mạch in

bên trái là mạch hiển thị và bên phải là mạch đếm
lắp ráp mạch đếm


các IC CD4017 được dán phía dưới mạch in

hai mạch được ghép nối với nhau bằng connector

Hoạt động

V vỏ hộp
Vỏ hộp của nixie clock được thiết kế từ gỗ Trắc đỏ và có độ dầy 4mm , mặt trên và dưới được ốp meka Acrilyc đen bóng
, khi đồng hồ hoạt động sẽ phản chiếu 1 phần hình ảnh lên meka trông rất cool

dùng bóng IN-14



dùng bóng IN-12


hiển thị với bóng IN-4

xem thêm tại galery clock
http://my.opera.com/minhdt/albums/show.dml?id=3318102

Chỉ việc tải về in ra rồi dùng công nghệ là ủi :D
Modul 1HZ
http://files.myopera.com/minhdt/files/1hz%20bottom.xps
http://files.myopera.com/minhdt/files/1hz%20linh%20kien.xps
modul cao áp
http://files.myopera.com/minhdt/files/HV%20bottom.xps
http://files.myopera.com/minhdt/files/HV%20sap%20xep%20linh%20kien.xps
modul đếm giờ phút giây
http://files.myopera.com/minhdt/files/counter%20bottom.xps
http://files.myopera.com/minhdt/files/counter%20sap%20xep%20linh%20kien.xps
http://files.myopera.com/minhdt/files/counter%20top%20mirror.xps
modul hiển thị
http://files.myopera.com/minhdt/files/display%20bottom.xps
http://files.myopera.com/minhdt/files/display%20top%20mirror.xps
http://files.myopera.com/minhdt/files/display%20sap%20xep%20linh%20kien.xps
sơ đồ nguyên lý và giá trị linh kiện
http://www.mediafire.com/?o7i5duhg26gh2eh
http://www.mediafire.com/?gwp9fal7q9cc33f
Chúc các bạn thành công !
link tham khảo
http://www.jb-electronics.de/html/elektronik/nixies/n_sammlung.htm
http://www.electricstuff.co.uk/nixiegallery.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Nixie_tube
http://www.tubeclockdb.com/
http://www.educypedia.be/electronics/tubenixieclock.htm
google with “nixie clock”
VN:F [1.9.3_1094]
Theo minhdt
Nixie clock – Đồng hồ dùng bóng đèn điện tử !, 10.0 out of 10 based on 4 ratings

Xem thêm  Cách thay đổi icon của folder trên Windows 7