Як живити та керувати Вакуумно-Люмінесцентними Індикаторами

Це вакуумно-люмінесцентні індикатори. Через свій крутий зовнішній вигляд, та купу інших плюсів, вони продовжують цікавити різного роду електронщиків по всьому світу, не дивлячись на те що їх вже давно витіснили світлодіодні та рідкокристалічні дисплеї. Але багато хто відкидає ідеї використати їх в якомусь своєму проєкті, через доволі нестандартне живлення, та складне керування.

Для сітки та анодів потрібна доволі висока напруга. Для нитки розжарювання потрібна змінна напруга, і в ідеалі щоб вона була змінна не відносно землі, а відносно якогось вищого потенціалу, щоб уникнути так званого "гоустингу". Ну і всім цим ще й керувати ж якось треба.

Тому в даній статті я покажу найлегші способи живити сітку, аноди, та нитку розжарювання, ну і покажу легкий спосіб всім цим керувати. Дані знання допоможуть вам використовувати вакуумно люмінесцентні індикатори в своїх проєктах, і наприклад зробити з них крутий годинник.

Як працює лампа

Абсолютно незайвим буде хоч трішки розуміти, що саме відбувається всередині цієї вакуумної лампи. Як я вже й казав, у вакуумно-люмінесцентному індикаторі є три основні елементи:

• нитка розжарювання
• сітка
• аноди.

Нитка розжарювання — це катод. Під дією струму вона нагрівається і випромінює електрони.

Сітка в свою чергу управляє потоком цих електронів. Вона або дозволяє їм рухатись далі, або блокує.

Проходячи через сітку, електрони попадають на аноди, сегменти цифр, або якихось інших символів. Вони покриті спеціальнім люмінофором. Якщо на них присутня позитивна напруга, то коли на них потрапляють електрони, під дією проходження струму, люмінофор починає світитись.

Відповідно саме так ці індикатори і працюють. Дуже поширена ситуація, коли в лампі є декілька сіток, а сегменти різних розрядів з'єднані між собою, і відповідно сіткою ми грубо кажучи обираємо, який з розрядів ми хочемо відображати.

В таких випадках, для того щоб відображати всі розряди одночасно, застосовується динамічна індикація - тобто коли розряди дуже швидко перемикаються, і для інерційного зору людини створюється враження що вони світяться одночасно, але насправді це не так, і швидка витримка затвору на камері дозволяє це побачити.

Сітки та аноди

Розпочати я пропоную з сіток та андоів. Для них потрібна доволі висока напруга, часто від 20 до 50 вольт, я для себе золотою серединою обрав 24В, цього вистачає для більшості індикаторів. Більш точний діапазон допустимих напруг можна дізнатись з даташиту ваших індикаторів, або експериментальним шляхом, якщо документацію знайти не вдалося. Звідти можна також дізнатись і розпіновку лампи, але не біда якщо документація відсутня, бо це все таки скляна лампа, і можна візуально побачити, що куди йде.

Зазвичай крайні контакти лампи це нитка розжарювання, а все інше - аноди та сітки.

Найлегший спосіб отримати потрібну напругу - взяти якийсь підвищуючий DC-DC перетворювач, наприклад - MT3608. Встановлюємо на ньому потрібну напругу, і все. Але це рішення має ряд недоліків, та і не будемо ж ми цей негарний здоровий модуль тулити на плату, вірно ж? Набагато більш вдалим рішенням буде зробити DC-DC перетворювач власноруч, на мікросхемі MT34063A. Так можна не тільки зменшити розміри DC-DC перетворювача, а ще й більш гнучко налаштувати його під наші задачі.

Для своїх годинників я колись склав ось таку схемку. Тобто як бачите, тут взагалі нічого складного.

Тут у нас майже будь який Діод Шотткі (D1), я використовую 1N5819. Дросель (L1), його можна купити готовий, а можна намотати власноруч, якщо є якесь осердя та дріт. Ну і купка різного роду резисторів та конденсаторів. Важливо звернути увагу на конденсатор С5, та резистори R13 R14.

Конденсатор С5 задає частоту ШІМу, яка впливає на мінімальну необхідну індуктивність котушки. А резистивний дільник з резисторів R13 та R14 задає напругу підтримувану на виході. Це цілий квест, розрахувати всі параметри таким чином, щоб схема складалась з наявних у вас компонентів.

Немає необхідного конденсатора? Можна поставити інший, але тоді зміниться частота ШІМу, і відповідно зміниться необхідна мінімальна індуктивність. Немає необхідних резисторів для дільника? Можна перерахувати його, або змінити вихідну напругу, але це також вплине на котушку та інші параметри. Тобто все між собою пов'язано. Благо в інтернеті є ось такий крутий калькулятор для цієї мікросхеми, який знатно спростить розрахунок схеми.

Вводимо тут необхідну вхідну та вихідну напругу. Далі вводимо струм - його можна порахувати виходячи з кількості андоів та сіток, а можна задати приблизно - 100 мА вистачить з головою для більшості індикаторів. Далі вводимо допустиму напругу пульсацій. Вона впливає лише на ємність вихідного конденсатора, і в нашій схемі вагомої ролі не відіграє, тому можна вказати приблизно 100 мВ від піку до піку. Частота особливої ролі в нашому випадку теж не відіграє, тому її можна підбирати довільно, в залежності від того які конденсатори та котушки у вас є. Раджу обирати її десь в діапазоні від 40 кГц до 100 кГц.

Ну і відповідно до введених значень, калькулятор дає нам номінали компонентів, які треба зібрати по схемі розташованій поруч. Для простоти також можна знехтувати шунтом, Rsc, тобто замінити його перемичкою, так як він потрібен лише для захисту від перевантаження, якого у нас за нормальних умов статись не повинно.

Роки 2-3 назад по цій схемі я зібрав собі ось таку платку, яка робить 26В з 5В, як раз для того щоб тестувати різного роду VFD індикатори. Ну і також я використовував цю схему в інших годинниках які робив, і жодних проблем в цьому плані не виникало. Тож тепер, коли ми розібрались як отримати напругу для сіток та анодів, переходимо до нитки розжарювання.

Нитка розжарювання

Її напруга зазвичай дуже маленька. Для невеличких індикаторів вона може взагалі бути менше вольта! Відповідно, нам треба понизити напругу. Зробити це можна за допомогою наприклад лінійних стабілізаторів, або знову таки DC-DC перетворювачів, але на цей раз понижувальних.

Наприклад подібні DC-DC перетворювачі, mp1584, або ще mini360 відрізняються від звичайних тим, що можуть понизити напругу до доволі маленької, як раз підходящої для наших задач. Виставляємо потрібну напругу, подаємо 26В на сітки та аноди, ну і подаємо напругу на нитку розжарювання і як бачите, все працює, індикатор світиться.

Але, постійний струм та нитка розжарювання це не дуже гарна комбінація. По перше скоріше за все це зменшує робочий ресурс нитки розжарювання, і відповідно всієї лампи теж. По друге - через постійний струм буде більш ярко виражений так званий Ghosting, тобто коли будуть світитись ті андои, які світитись не повинні.

Ну і по третє, лампа буде світитись трішки нерівномірно. Це особливо буде помітно на довгих лампах.

Тож набагато більш гарним варіантом буде зробити імпульсний трансформатор, який забезпечить нитку розжарювання змінним струмом. А щоб нам не треба було розкачувати його за допомогою мікроконтролера, ми зробимо блокінг генератор, тобто щоб цей імпульсний трансформатор розкачував сам себе. Для цього знадобиться пара будь яких транзисторів підходящих по напругам. Я взяв найпоширеніші 2n2222. Для них потрібна пара резисторів, номіналом приблизно від 470 ом до 1 кОм. Ну і звісно також нам потрібен обмотковий дріт, та тороїдальне осердя на якому ми і намотаємо імпульсний трансформатор. Що те що інше можна дістати зі старих АТХ блоків живлення, або купити в якомусь магазині. Я буду використовувати осердя куплене в магазині -TS10-T14/9/5-C, але я використовував також рандомні з блоків живлення, і з ними все теж працювало.

На ньому треба намотати дві обмотки, первинну та вторинну, виходячи з наступних міркувань:

• По перше, на кожній з обмоток повинен бути центральний вивід.
• По друге, необхідно підібрати кількість витків обмоток таким чином, щоб на вторинній обмотці була потрібна вам напруга.

Дізнатись напругу на вторинній обмотці, U2, можна таким чином - беремо кількість витків на вторинній обмотці, ділимо їх на кількість витків на первинній обмотці, і отримуємо коефіцієнт трансформації. Тепер напругу первинної обмотки множимо на цей коефіцієнт, і отримуємо напругу на вторинній обмотці. Вона повинна відповідати напрузі нитки розжарювання вашої лампи, або бути трішки нижче.

Наприклад: первинна обмотка - 12 витків, вторинна обмотка - 6 витків, напруга первинної обмотки становить 5В:

Стосовно напрямку намотування первинної і вторинної обмотки - можна не перейматись, так як це впливає лише на фазування, тобто чи буде співпадати фаза між обмотками, що у випадку живлення нитки розжарювання взагалі не критично. А стосовно того як рахувати витки - скільки разів дріт пройшов крізь отвір тороїда, стільки у вас і витків.

Я зробив ось такий ось трансформатор: 12 витків на первинній обмотці, та 6 на вторинній, тобто як і в прикладі розрахунку - він вдвічі знизить напругу. Звісно бажано мотати його якомога більш рівномірно, але для наочності я зробив це так, щоб він був максимально схожий на його схематичне зображення.

При підключенні дуже важливо не сплутати первинну і вторинну обмотку, бо якщо їх сплутати, понижувальний трансформатор перетвориться на підвищувальний, відповідно зміниться коефіцієнт трансформації, ну і напруга на виході теж:

Тепер залишилось лише зібрати все відповідно до ось цієї схеми:

Треба підключити центральні виводи обох обмоток до +5В. Вторинна обмотка підключається до п'яти вольт для того, щоб напруга була змінна не відносно нуля, а відносно п'яти вольт, що зменшить гостинг. Трішки детальніше про це поговоримо пізніше. Не забуваємо додати конденсатор по живленню, і підключаємо все це діло до нитки розжарювання.

Чудово! Тепер ви знаєте як живити VFD індикатори. Ну і під кінець, як же всім цим керувати?

Керуємо VFD індикаторами

Найлегше що можна зробити, це живити аноди та сітки через резистори, а щоб вимкнути їх - підтягувати їх до землі.

Зробити це можна наприклад транзисторами, мосфетами, або можна облегшити собі життя, і використати збірку транзисторів Дарлінгтона - ULN2803. Ця недорога мікросхема має в собі вже готові транзисторні ключі з необхідною обв'язкою, які дозволять нам зміною логічного рівня на одній з ніжок підтягувати відповідний анод або сітку до землі.

Підключається все наступним чином - до входів мікросхеми підключаються GPIO мікроконтролеру, а до виходів - сегменти та сітки, які підключені до живлення через резистор на приблизно 22 кОм. Резистор потрібен для того щоб не виникло КЗ, коли ми підтягнемо анод або сітку до землі. Також до мікросхеми підключається земля, та напруга анодів та сіток. Наприклад:

Збираємо, і тестуємо.

Чудово. Як бачите, я подаю +5В на вхід мікросхеми, і анод гасне. Тобто виходить таке собі реверсивне керування. Можливо можна додати сюди логічний інвертор, але мене і так все влаштовує.

Чому зник Ghosting

І тепер трішки про те, навіщо ж ми робили напругу нитки змінною відносно +5В, а не відносно землі. Справа в тому, що щоб уникнути гостинга, треба на вимкнені аноди подавати не землю, а від'ємну напругу, щоб вони точно не світились. Але що ж таке ця ваша відємна напруга? Мабуть це напруга, потенціал якої нижчий за землю, так? Але ми ж не підключали землю безпосередньо до дисплею. Так відносно чого напруга повинна бути від'ємна?

А від'ємна вона повинна бути відносно катоду індикатора - тобто нитки розжарювання, і коли в нас там +5В, відносно цих +5В, земля на яку ми замикаємо аноди через збірку Дарлінгтона має вже не нульовий потенціал, а -5В. Це можна уявити наче ми сплутали полярність, вимірюючи напругу тестером на батарейці: +1.5В перетворюються на -1.5В, бо на катоді мультиметра, мінусовому щупі, знаходиться потенціал +1.5В.

Ну і ці +5В на нитці ніяк їй не шкодять, адже на ній розсіюється лише напруга від піку до піку, яка визначається коефіцієнтом трансформації трансформатора.

Тепер ви знаєте, як живити аноди, сітки, нитку розжарювання, і як цим всім керувати. Звісно це мабуть не найкращі способи це робити, але принаймні найпростіші та працюючі це точно.

Годинник

Уособленням всіх цих ідей є ось цей невеличкий годинник, який я зібрав пару років назад. Тут вам і DC-DC перетворювач на мікросхемі MC34063A, і керування за допомогою збірки транзисторів Дарлінгтона, ULN2803A. Ну і звісно ж блокінг генератор для живлення нитки розжарювання. Намотаний також нерівномірно, бо я тоді планував його лише потестувати, але немає нічого більш постійного, ніж щось тимчасове)0 Тим не менш, працює він без нарікань.

Бонусом тут є ще 4 мосфети для керування сітками, бо каналів однієї мікросхеми Дарлінгтона не вистачило на все, а ставити ще одну було б не дуже оптимально. Керує всім цим до речі ATmega8A, яка бере час з мікросхеми DS1307.

Я створював репозиторій для цього годинника, там ви можете і на код подивитись, і на схему більш детально, і трішки прочитати про все це. Єдиний момент, що на схемі відсутній блокінг генератор, бо спочатку я живив нитку за допомогою лінійного стабілізатора.

Тож якось так. Сподіваюсь ці знання допоможуть вам у створенні своїх крутезних проєктів на вакуумно-люмінесцентних індикаторах. А на цьому в мене все.

Post Scriptum

Це текстова версія мого YouTube відео. Раджу переглянути його за посиланням.