ИН-18

Ну вот и мне повезло словить птицу счастья — мне нахаляву свалились несколько штук ИН-18:

Старшее поколение наверняка помнит лозунг «Советское — значит отличное!». Знак качества. Лампочкам 32 года. Лампочки со знаком качества.

Это только сейчас мы понимаем, какую страну мы потеряли… Вообще-то, качество товаров в СССР было всякое — начиная от откровенного брака, заканчивая очень-очень качественными изделиями. Вот так получилось, что пытаясь избавиться от брака, который сами же и гнали, мы «выплеснули с водой и ребёнка». Да, вот эти лампочки — это есть «железный» (hardware) укор нам за то, что мы под сладкие речи запада чуть было совсем не просрали свою промышленность. Однако, оставим политику.

Индикаторы имеют 10 катодов и общий анод:

Для работы с индикатором нужно знать всего два параметра:

• Напряжение возникновения разряда 170 В.
• Ток индикации не более 4 мА.

Остальные параметры не существенны.

Схема включения индикатора предельно простая — проще не бывает! На анод подается напряжение Va, а катоды коммутируются на землю с помощью высоковольтных транзисторов.

Базы транзисторов подключаются к выходам цифровых схем — выводам микроконтроллера или к выводам регистров. Способ управления мы уточним чуть позже.

В нормальном состоянии на все транзисторы, кроме какого-то одного, подается «логический ноль». Таким образом, все транзисторы, кроме одного находятся в отключенном состоянии.

Тот транзистор, на базу которого подается «логическая единица», будет находится в открытом состоянии. Тем самым будет осуществлять замыкание соответствующего катода на землю.

Резистор R7 ограничивает ток анода, который равен току катода включенной цифры. Как выше уже отмечалось, напряжение, при котором происходит зажигание цифры (возникновение разряда), составляет примерно 170 В. При напряжении Va = 200 В, на резисторе упадёт около 30 В.

Зададимся значением тока анода равным 3 мА. Тогда сопротивление резистора R7 будет равно

R7 = U / I = 30 В / 3 мА = 10 кОм.

Тот же ток, который протекает по цепи анод-катод, протекает через коллектор-эммитерный переход транзистора.

Я купил в Промэлектронике высоковольтные транзисторы MMBTA42LT1G (Uк-э = 300 В, Iк = 0.5 А). У этих транзисторов не очень высокий коэффицинт усиления — h21э = 25-40.

Таким образом, при токе коллектора равным 3.0 мА, базовый ток будет равен примерно

Iк / h21э = 3.0 мА / 30 = 0.1 мА.

Транзисторы в схеме работают в «цифровом» (или релейном) режиме, а не в режиме усиления. Этот режим характеризуется чётким включением транзистора и таким же чётким выключением. Транзистор не должен находится в промежуточном состоянии между включенным и выключенным состоянием. По крайней мере переход из одного состояния в другое транзистор должен осуществлять достаточно быстро потому как в это время на нем будет рассеиваться максимальная мощность.

Когда транзистор выключен, ток через него не течёт. Поэтому на нём рассеивается нулевая мощность:

P = U * I = 200 В * 0 А = 0 Вт

Когда транзистор включен, он тоже рассеивает почти нулевую мощность. Я не производил измерений, но давайте примем наугад, что на транзисторе упадет 5 В. (Транзистор высоковольтный, поэтому сопротивление коллектора у него достаточно большое. Это у низковольтных транзисторов падение напряжения лежит в пределах от 0.1 до 1.0 В.)

P = U * I = 5.0 В * 3 мА = 15 мВт.

Однако, чтобы гарантированно транзистор находился в насыщении, мы должны задать базовый ток немного больший рассчитанного ранее. Зададимся коэффициентом насыщения равным 2. Тогда сопротивление базового резистора будет равно:

R1 = (U1 — Uбэ)  / (Iб * Kнас) = (3.3 — 1.0) / (0.1 * 2) = 2.3 / 0.2 = примерно 10 кОм.

Здесь через U1 обозначено напряжение «логической единицы».

Если управляющие микросхемы будут не 3-вольтовые, а 5-вольтовые, то коэффициент насыщения будет еще больше. Но это почти никак не повлияет на работу схемы.

Далее нам нужно обсудить схему управления. Как мы будем управлять зажиганием катодов?

Один из вариантов — подключить транзисторы к микроконтроллеру без каких-либо дополнительных схем. (Разумеется, с учётом базовых резисторов!)

Если мы «лепим» часы, которые отображают часы-минуты-секунды, то нам для управления понадобится 45 выводов:

десятки часов (0, 1, 2) — 3 линий,
единицы часов (0, 1, 2 … 9) — 10 линий,
десятки минут(0, 1, 2 … 5) — 6 линий,
единицы минут (0, 1, 2 … 9) — 10 линий,
десятки секунд (0, 1, 2 … 5) — 6 линий,
единицы секунд (0, 1, 2 … 9) — 10 линий,

Итого: 3 + 10 + 6 + 10 + 6 + 10 = 45.

Даже если отказаться от секунд, все равно количество линий управления (ног микроконтроллера) будет внушительным — 29 линий. Хотелось бы как-то сократить это количество.

Динамическая индикация, которая изначально появилась с целью сократить количество дорогих дешифраторов в схеме, позволяет также сократить количество линий управления. Сейчас дешифраторы стоят не сильно дороже других схем, поэтому динамическую индикацию применяю исключительно с целью сократить количество линий управления.

Давайте прикинем во что нам обойдется этот способ индикации. Поскольку так или иначе нам нужно выбирать один из катодов, то количество линий управления катодами будет равно количеству катодов — то есть 10. Если мы делаем часы с отображением секунд, то количество разрядов у нас будет равно 6. Таким образом, общее количество линий управления будет равно 16.

Если наши часы будут отображать только часы и минуты, то количество линий управления можно сократить до 14.

Так или иначе, 14 или 16 линий — это уже более менее приемлемый результат. К сожалению, для его достижения нам придётся усложнить схему — вместо одного токоограничивающего резистора в анодной цепи придется ворганить схему из двух транзисторов и четырех резисторов. А иначе как по другому управлять включением-выключением разрядов? Ну и разумеется программная часть вывода информации на индикаторы будет более сложной.

То есть реализовать идею можно, но получается всё-таки это как-то не очень. А хотелось бы красиво. Так ЧТО еще можно предложить?

Я предлагаю еще один способ. Я предлагаю использовать сдвигающие регистры 74HCT595. Эти регистры получают информацию в последовательном формате, а выдают в параллельном. Если конкретизировать, то вход — одна линия, а выход — восемь. Причем, регистры легко можно соединять «паровозиком». Таким образом, для часов, которые отображают часы-минуты-секунды понадобится всего

45 / 8 = 5 +1 = 6 микросхем.

На самом деле, регистры требуют еще две линии — линию строба и линию тактовых импульсов. Таким образом, от микроконтроллера потребуется всего три ножки.

Чем придется нам заплатить за это решение? Ну, во первых, стоимостью самих регистров. К счастью регистры стоят не так уж и дорого. Ну, будет ещё чуть-чуть посложнее программа вывода информации. Конечно, такая сложная, как в варианте динамической индикации, но и не такая простая, как в варианте с 45-ю линиями.

Зато мы получаем уникальную возможность клепать часы не взирая на количество разрядов. Теперь нам без разницы будут ли наши часы отображать секунды или не будут. Мы просто тупо выводим часы-минуты-секунды, и если схемы для отображения секунд отсутствуют, то это никак не скажется на индикации часов-минут. Просто информация о секундах «пролетит» через весь паровозик из регистров.

Второй положительный момент — мы можем сделать блоки для отображения единиц и десятков одинаковыми для всех — для часов, для минут и для секунд. Одинаковые — значит взаимозаменяемые!

И в самом деле — единицы всегда имеют диапазон цифр от 0 до 9. А вот десятки — либо от 0 до 2 (у часов), либо от 0 до 5 (у минут и секунд). Таким образом, самых худший вариант потребует для отображения единиц-десятков 16 линий (10 + 6). Эти 16 линий набираются как раз их двух регистров. Улавливаете, о чём я толкую?

Таким образом, я считаю, что последний вариант индикации — есть самый оптимальный вариант.

Если у вас есть какие-то соображения, я прошу вас озвучить их.

UPDATE 15.06.2016

Меня немного смущает факт относительно высокого энергопотребления  ИН-18. Общий расход энергии на один разряд составляет P = U * I = 200 В * 4 мА = 800 мВт. Более чем полватта, во всяком случае — сотни милливатт. Не слабо так, да?

Для достижения такого же заметного изображения другим приборам, например светодиодам, а уж тем более ЖКИ, требуется куда меньшее количество энергии. По моему даже вакуумно-люминесцентные приборы выигрывают по этому показателю.

Иначе говоря, блок питания для часов на ИН-18 должен быть мощностью 5-10 Вт. Как-то слегка напрягает…

Второй неприятный момент — как подсоединяться к контактам ИН-18? Ламповых панелек нет. Можно ли их где-то приобрести и за сколько — не понятно. Подпаиваться непосредственно к контактам — есть риск нарушить герметизацию колбы. К тому же нужно применять какой-нибудь агрессивный флюс, что повлечёт за собой снижение надежности и долговечности часов. Колхозить из пружинистой латуни самопальные панельки — тоже не вариант.

В общем, «не было проблемы, купила баба порося».

Продолжение: Поведение ИН18 при разных токах