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2018年11月8日木曜日

【回路】NIXIE Tube Clock Design, Part-2

NIXIE管を使った置時計の設計・その2
時計の数字表示器は
 前回(←リンク)はNIXIE管(ニキシー管)時計の機能部分を試作しました。 時計回路としての面白みは時刻を計数する「計時機能」の部分にあるわけですが、表示部がなければ時計にはなりません。

 ここでは旧ソ連製のNIXIE管( NIXIE Tube:米国Burroughs社の登録商品名)を使って作ります。 国産や米国製のNIXIE管も存在したので、手に入れば同じように使えます。 ただし、西側世界(古い言い方ですね・笑)ではNIXIE管は早々に廃れたので今となっては旧ソ連製の方が入手容易なようです。 それも徐々に価格が上昇してきたようなのでNIXIE管はお薦めしにくくなっています。レトロな雰囲気を楽しむには良いのですが・・・。

 もし単にデジタル時計を作ってみたいのなら7セグメントのLED表示器を推奨します。コストや入手性だけでなく性能も優れています。 最近のLEDは発光色にバラエティがあるのでかなり自由な表示色が選べます。 また輝度も高いので明るい環境でも読み取り易いです。 デコーダ・ドライバにSN7447ANやCD4511Bなどを使えばOKです。 +5Vの電源だけで済むLED表示器を使うと製作は容易です。
 また蛍光表示管(VFD)も綺麗ですが、+30Vくらいの中圧電源と数Vのフィラメント電源が必要なので幾らか面倒臭く感じます。

数字表示部の可能性は色々あるわけですが予定通りニキシー管で行くことにします。

# 数字表示部分がないと時計にならないのでさっそく検討を進めましょう。

ニキシー管置時計・表示部回路図
 前回作った時計のメイン・カウンタユニットの出力は2進化10進コード(BCDコード)です。 それを解読して10進表示器に合うようにします。 さらにNIXIE管は高電圧を扱うのでそれに合わせた耐電圧を持った駆動用のIC(ドライバIC)が必要です。

 デバイス史を紐解くと、NIXIE管用として10進解読と高圧駆動の機能を持ったTTL-ICとしては初めにSN7441Nが作られました。 しかしいくつか欠点があったので程なく改良版のSN74141Nが登場します。 SN7441Nも使えなくはないのですが、やはりSN74141Nの方が良いです。 この回路図もSN74141Nを使う設計です。
 表示管にはソ連製のNIXIE管: ИН-12Бを使います。 図面はИН-12Бを使う前提でドライバICと表示管の配線が書かれています。 ほかのNIXIE管も配線を合わせれば同じように使えるはずです。 特に小型のNIXIE管を使う場合は、R1〜R4の値を33kΩよりも大きくして電流が流れすぎないよう加減します。

 10時台の表示にはSN74141Nは必要なく、耐圧の高いNPNトランジスタで直接ドライブして点灯させています。 F335-1868と言う型番のトランジスタはたまたま手持ちがあったものです。番号はどこかのメーカーのハウスナンバーでしょう。 Vcboが250VくらいあるNPNトランジスタなら何でも良いでしょう。新規に求めるなら、MOS-FETの2SK4150が適当そうでした。(2SK4150TZ-Eは秋月電子で10個250円)
 10時台の「0」は表示しません。  また、10分台は0〜5までしか表示されませんから表示管の「6」〜「9」への配線は不要です。
 時の表示と10分の表示の間にネオン管を2つ並べて「秒」で点滅させています。 この部分はLEDでも良いのですが雰囲気的にはネオン管でしょうね。 秒点滅用の信号はRTCモジュールの1秒出力から配線を引き出します。 NANDゲートとインバータで構成した回路は停電時に表示部と切り離すためのものです。

 製作するときはNIXIE管用の+180Vがほかのいかなる配線にも接触しないよう十分注意します。 間違ってたとえ瞬間的にでも触ってしまうと該当部分のICやトランジスタが破損します。 特にデコーダ・ドライバのSN74141Nは貴重品ですから壊れたら泣きです。

ИН-12Б
 表示管のИН-12Бを横から見た写真です。 写真上の面には型番などが書かれています。 キリル文字でИН-12Бとありますが、西側のアルファベットで書くとIN-12Bになります。

 反対の面(写真下)には「CCCP」とあって、旧・ソビエト社会主義共和国連邦で製造されたことを示しています。 ロシア製ではなくて「ソ連製」なんですね。

 規格や使い方の情報は検索ワードを「ИН-12Б」でやるとたくさん得られました。 ただしロシア語なので読めないのが難点ですが・・・。 それでも絵や図から想像してかなりわかります。(笑)

ИН-12Бの規格
 検索で見つけたИН-12Бの規格です。 この表示管にはA型とB型があって、ピンへの引き出しが少し違います。 使用するИН-12Б(IN-12B)には小数点の表示があって12番ピンに引き出されています。 なお、小数点は文字の前方(左側)に表示されるので何となく使いにくいです。

 使用するソケットですが、球を上下逆さまにしても装着できてしまうので気を付ける必要がありました。 アノードの1番ピンが上側に来るように装着します。

 何が書いてあるか翻訳エンジンを使って真面目に訳したら面白いのですが、ざっと眺めただけでも使い方はわかったのでこれ以上の探求はしていません。 もしきちんと翻訳されたお方があれば情報提供よろしくお願いします。(笑)

オリジナルはコレか?
 どうやらBurroughs社のB-5991というNIXIE管がオリジナルのようです。 形状やピン接続はほとんど同じです。 外周器がガラスでできたNIXIE管は見ただけでわかりますから、そっくり真似て作ったのでしょうね。

 B-5991はピンが2本多く、上下逆にはソケットに挿入できないようになっています。 また、ИН-12Бでは数字の「5」に「2」の文字を上下逆にして流用していますが、B-5991ではきちんとした専用の「5」の文字になっているようです。

 ソ連時代のИН-12БはB-5991のピン数を減らしたり、構成部品の種類を減らすような「合理化」が行われていますが、あまり感心しない努力のように感じられますね。(笑)

NIXIE管用デコーダ・ドライバ
 Digitalとの付き合いも永いので昔のデバイスが結構眠っています。 NIXIE管用のデコーダ・ドライバなんて他に使い道がないので捨てても良いくらいです。 まさか今頃になって使うとは思いもよりませんでした。(笑)

  手持ちがあるのはNIXIE管を使ったことがあるからです。 デコーダ・ドライバのSN74141Nは故障率が高くて壊れ易いと言われていました。手持ちはもっぱら補修用のパーツでした。 但し壊れたことは一度もありませんでした。 予備として最初から数個準備していましたが、知り合いの会社がもう要らないと言うので引き取ってきたように思います。 そのためか思ったよりも手持ちがありました。
  右手前の2個がSN74141Nです。これらを使います。 中央のК155ИД1(西側表記ではK155ID1)というのはソ連製の74141互換品です。 サンプルとして頂きましたが、最近はNIXIE管のドライバと言えばこちらを使うようですね。

 左方にあるDM7441ANやF9315はSN74141Nではなく、SN7441Nの互換品です。 あえて使う意味はないですし、以前テストした経験ではTI製よりも故障率が高かったです。 NIXIE管のおかげでジャンクのTTL-ICが復活しているようですが、素性をよく確かめてから使うべきでしょう。 ソ連製も少し心配はありますが、使用例をかなり見掛けますからそこそこ使い物になっているのでしょう。

# 写真左端のμPB217Cは同じレールに保管されていたので74141/7441の互換品かと思ったのですが、SN7475N(4ビットラッチ)の互換品のようです。

NIXIE管置時計・電源部回路図
 電源部をまとめておきました。 +180Vを作るDC/DCコンバータとデコーダ・ドライバのTTL-ICを動かすための+5Vを作ります。 また、時計のメイン・カウンタ・ユニットの電源と、バックアップ電源回路をまとめておきました。 バックアップは乾電池をやめて電気2重層コンデンサを使うことにしました。 停電はめったに起こらないので乾電池の必要はなさそうです。また電池と違って交換の手間がありません。

 +180V電源はMC34063Pを使った昇圧型のスイッチング電源、+5Vは3端子レギュレータのμA7806ACを使いました。 それぞれの電源は、+12Vから作ることになっています。 +12Vは1A程度の電流容量を持ったACアダプアで間に合います。 電源トランスと整流器+平滑コンデンサで作っても良いのですが、ACアダプタを流用するのが簡単でしょう。 少々変動しても大丈夫なので十分な容量を持ったACアダプタなら何でも使えるはずです。

 停電が発生したり、アダプタが抜かれるとNIXIE管の時刻表示は休止します。 時計用のカウンタ回路部分は電気2重層コンデンサに蓄えられた電荷でしばらくのあいだ動作します。 数日間は十分動作すると思いますのでバックアップとしては十分でしょう。

                   ☆

 時計は回路を収納する「箱」がとても重要です。 デジタル時計の自作が流行った頃ならデザインの良い「箱」がたくさん売られていました。 いまはもうほとんど見掛けませんから、自作で工夫しなくてはなりません。 海外のサイトなど参照するとアクリル細工や木工加工で素晴らしいデザインの筐体に収納されているのを目にします。 置時計と言えばやはりインテリアですからデザインにも拘りたいものです。
 表示器の回路部分は筐体のデザインや構造と密接な関係があるので製作は未着手です。うまい構造が浮かんできたら製作を始めしましょう。 とりあえず、このテーマはこれで終了します。 あとは工夫して形にまとめましょう。 しかし、案外バラックのような構造のままで完了してしまうんですよね。 ではまた。 de JA9TTT/1

(おわり)nm

10 件のコメント:

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

加藤さん、こんばんは。

ニキシー管は数字とピンが1対1ですしヒーターも不要なので高圧とドライバーさえ手に入れば表示は楽ですね。

やはり時計として実用にするにはケースが問題でしょうか。
最近はアクリル板を組み合わせた透明タイプが多いようですが、BB配線のまま透明ケースに組み込むのも新しいかもしれませんw

通電中にひっくり返したら部品が外れて大変なことになりそうですが(爆

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/JP3AEL 高橋さん、こんばんは。 このところ暖かい日が続きますね。 立冬とは思えません。暖かいのは良いことですが・・・。(笑)

早速のコメントありがとうございます。
> 高圧とドライバーさえ手に入れば表示は楽ですね。
そうなんですよね。 あえてPart-2にする必要など無いくらいの内容なんですけれど・・。 かなり電圧が高いので半導体との相性は悪いのですが逆にその辺が魅力なのかも知れませんね。

> 実用にするにはケースが問題でしょうか。
まあ、時刻さえ読み取りやすければ機能的には合格でしょう。 しかし自室はともかく、家族と共用のスペースに置くのはそれなりのデザインが求められますね。ハードル高いですよ。hi hi

> BB配線のまま透明ケースに組み込むのも新しいかもしれませんw
BBのまま透明箱に入れて壁掛けタイプにできそうですけれど長い間使えるとは思えませんので一時の遊びになってしまいそうですね。 まあ、最初から遊び半分なのでそれでも良いのかも知れません。 重い部品が外れないようにうまく工夫すれば大丈夫でしょう。

JG6DFK さんのコメント...

こんばんは。立冬を過ぎましたが、もうしばらくは日中暖かそうです。別に寒くなってもらわなくていいのですが(笑)。

ついに真打ち登場、といったところでしょうか。コロンはやはり「ネオン管」ですよね(笑)。ドライバーのトランジスタも、昔からあるバイポーラの方がお似合いかもしれません。

現在はロシア(旧ソ連)製の球がよく出回っているそうですが、かの国でもすでに主流ではなくなっているのでしょうね。数字を表示する自発光ディスプレイの主流はLEDだろうと思いますが、もうしばらくすると有機ELが幅を利かせるようになるのかもしれません。

VFDですが、手元には1V未満のフィラメント電圧を要求しているものもあります。正直、これは使いにくいですが、DC-DCコンバータの専用巻線から供給することを前提にしているのでしょう。ブラウン管式テレビの高圧整流管もフライバックトランスの補助巻線でフィラメントを点灯させていましたが、これも定格電圧は1V近辺でした。

携帯ゲーム機が出始めた頃はVFDでしたが、液晶のコストが下がると一気に置き換わりました。

単純な7セグの液晶パネルも入手しやすくなっているので、それを使えば常時表示でも超低消費電力の時計が自作できると思いますが、似たようなものがたくさん市販されているので面白くないかもしれませんね。時刻だけでなく、日付や温湿度まで表示されるほど高機能なものでも安く買えますし(爆)。

それはさておき、ここまで来たら、ぜひFBなケースに入れてください。

-・・・-

気乗りしませんでしたが、滑り込みで再免許を申請しました。電子申請があまりにも簡単になっていて、隔世の感がありました(笑)。旧規格の設備ばかりなので、そのままでは満期で免許されないでしょうから、いずれ、あるOMさんから借用しているFT-817 1台のみに置き換えようと思います。

技適機種だけでアマチュア無線ってどうよ!? と思いますが、もう無線機を自作する気力はないです(笑)。お上も「もう無線機の自作なんてしてくれるな」というのが本音でしょうし。だったら「自作品コンテスト」への協賛なんてやめたら!? と言いたくなりますが(爆)。

TTT/hiro さんのコメント...

JG6DFK/1 児玉さん、おはようございます。 今朝もわりと暖かかったですね。 過ごしやすいのは歓迎です。(笑)

いつもコメントありがとうございます。
> コロンはやはり「ネオン管」ですよね(笑)。
ネオン管もあまり見かけなくなっていますが、まだ何とか手に入りそうです。 色合いや点灯の様子はニキシー管にピッタリですよね。

> かの国でもすでに主流ではなくなっているのでしょうね。
ロシアの事情は良く知りませんが、急速に西欧化しているようですのでエレクトロニクスの設計にも大きな変化があったでしょうね。 ソ連時代のデバイスに優位性は殆どないでしょう。

> もうしばらくすると有機ELが幅を利かせるようになるのかも・・・
産業用の機器の一部は10年間くらいの連続点灯寿命が必要なので今の有機ELは難しそうでした。今のところLEDが一番安心できるように思います。 時々使うような機器なら良さそうですね。

> 1V未満のフィラメント電圧を要求している・・・
VFDのフィラメントはどれも低圧ですねえ。光る必要がないのと、構造上フィラメント長が短いので低圧になってしまうのかも知れません。 数本直列で使う方法も良さそうです。

> 常時表示でも超低消費電力の時計が自作できると・・・
可能なんですが、自発光でないため見た目がさえないのが難点ですね。 お書きのようにLCD表示の電波時計が1000円以下で売っていますので作っても面白みがありません。(爆)

> ぜひFBなケースに入れてください。
これが一番の課題です。hi hi

> 滑り込みで再免許を申請しました。
今は必要を感じていないかも知れませんが、継続しておくと役立つこともあると思いますよ。合法的に自作品で電波を出せるのはHAMだけですからね。

> 技適機種だけでアマチュア無線ってどうよ!?
自作品を排除したいという意図は無いとは思いますが、法の範囲で申請の簡略化を進めた結果そうなってしまったというのが今の状況ではないでしょうか。 米国のように包括免許でリグの審査などしないのが一番ですが、トラブルがあったとき自分で責任を持つという社会体制がない日本では難しいかも知れません。あげく「官に頼る」という結果になっているんですよね。

無線機メーカーの技術力はアップしてもオペレーター側は相変わらずなのが悲しい現実ではないかと思っています。資格はアマチュア無線「技師」なんですけどねえ・・・。(苦笑)

JR1QJO/矢部 さんのコメント...

加藤さん、
冬なのに暖房いらずの日々が続きますね。今年の夏の猛暑といい温暖化は進んでいますね。
さて、ニキシー管の駆動回路でシリース完了ですが、やはり筐体が気になります。
高圧を扱うのでアクリルで全体を覆うが良いのかと思っています。尤もニキシーは寿命が
短いと聞いていますので常時点灯の時計では貴重はニキシー管が勿体無い気もします。

70年代に入ってからハムのRIGも周波数表示がニキシー管のが2、3ありましたね。
日本のフロンティアの機種とアメリカ中のSignal OneのCX7という機種が印象に残って
います。初期モデルはニキシーでしたが早晩LEDに換装しましたね値段が高すぎて売れ
なかったそうです。
4桁ならダイヤル表示にもい使えそうなのでレトロ趣味の真空管の自作機に似合いそうです。

TTT/hiro さんのコメント...

JR1QJO 矢部さん、こんばんは。 懇親会でアイボール有難うございました。 立冬とは思えない暖かさで出かけるには最適でした。 久しぶりに皆さんとお会いできFBでした。

いつもコメント有難うございます。
> やはり筐体が気になります。
そうですよねえ・・・。 どうしようか思案中です。(笑)

> 常時点灯の時計では貴重はニキシー管が勿体無い気もします。
さりとて、手軽に作れそうなデジタル表示の機器となると、周波数カウンタとかデジタルボルトメータあたりになってしまいます。 あとは何かありますかねえ・・・?

> ハムのRIGも周波数表示がニキシー管のが2、3ありましたね。
ありましたね。 フロンティアのDigital-500は秋葉原のトヨムラだったかロケットだったかで陳列品を見た記憶があるだけです。 使っている局と交信したことはありませんね。 CX7は非常に高価でしたから少なくともJA局で使っているという話は聞きませんでした。hi hi

> レトロ趣味の真空管の自作機に似合いそうです。
4桁のニキシー管カウンタモジュールの手持ちがあったと思いますが・・・。周波数オフセットとか色々考えると受信機に使うのはかなり面倒そうです。使わないのも勿体ないのですが・・・。(冷汗)

懇親会で何方かが言ってましたが「今さらニキシー管はもう結構」とか・・・。(笑)

瀬戸口泰史 さんのコメント...

JE1HBB/セトロです。

懇親会 お久しぶりでした。

 先年、恐らく同じ「部品屋さん」から入手したIN12で、私も8桁周波数カウンタを作りました。
 デコーダの入手はさっさと諦めて、PICと2SC3415で。現代風にフォトカプラーを使って
ダイナミック点灯をさせましたが8桁だとさすがに荷が重いようでon/offタイミング
を調整してもちょっと明るさがぶれてます。
 まぁそれもレトロ風でもあり納得しています。

 ケースはシナベニヤで作っただけですが、ちょっと自信作です。
今度画像をお送りするのでみてやってくださいませ。


 

TTT/hiro さんのコメント...

JE1HBB 瀬戸口さん、おはようございます。 FBなアイボール有難うございました。 北関東は今朝も良いお天気です。

いつもコメント有難うございます。
> 私も8桁周波数カウンタを作りました。
完成したんですね!すばらしい。 しばらく前に途中の表示ユニットを拝見したことがありましたね。 たくさん並んだ様子が壮観でしたね。hi hi

> 現代風にフォトカプラーを使ってダイナミック点灯を・・・
8個も74141の並べると費用もかかりますし、ダイナミック点灯するほうが合理的でしょうね。 マイコンを使って駆動されているのでしたらそうした方がFBだと思います。

> on/offタイミングを調整してもちょっと明るさがぶれてます。
放電遅れがあるので多少の難しさはあるようですね。 最初からダイナミック点灯用に作られているニキシー管もあったと思います。 何が違うのかわかりませんが・・・。(笑)

> ケースはシナベニヤで作っただけですが、ちょっと自信作です。
木工加工でFBなケースを製作されたようですね。 ぜひ拝見させてください。

毎回の懇親会で思うのですが、皆さんの自作品はどれも精密かつたいへん綺麗に製作されているので感心しています。 瀬戸口さんのアッテネータも綺麗にできていましたね!

JR1KDA / 岩崎 さんのコメント...

加藤さん、こんにちは。
話題が脱線してしまいますけど、
世の中にはニキシー管が手に入らないからとこんなものを作ってしまった方がいます。
凄いなぁ、と感心してしまいました。
3Dプリンターも、加工を受注してくれるところがあるので、家になくても作れるんですが、気力がわきません。
"Lixie", an LED alternative to the Nixie Tube • Hackaday.io
https://hackaday.io/project/18633-lixie-an-led-alternative-to-the-nixie-tube

TTT/hiro さんのコメント...

JR1KDA 岩崎さん、こんばんは。 今日も暖かでしたが明日から寒くなるとか・・・。

いつもコメント有難うございます。
> こんなものを作ってしまった方がいます。
脱線、大いに結構です。(笑) 手作り表示器のご紹介有難うございます。 これですが、子供のころの話で恐縮ですが同じ仕組みの数字表示器を分解したことがあります。 ただし昔々なので光源は豆電球だったと思います。 ニキシー管以外にも色々考えられていてその一つだったのでしょう。 なんと言う形式のデバイスだったか忘れてしまいましたが・・・。

> 家になくても作れるんですが、気力がわきません。
それなりに費用も掛かるのだと思うのですが、試行錯誤しながら形を決めると言った作り方ができないので依頼するのはなかなか難しそうですね。 そうかと言って3Dプリンタもまだ発展途上のようなので手を出すのも勇気が・・・。(笑)

そういえば、電球のようにフィラメントを光らせる7セグのデバイスもあったのを思い出しました。 いまはLED系と液晶系が主流ですが昔は様々な表示デバイスが考えられていましたね。 数字を書いた板をパラパラめくって行くデジタル時計とかもありました。あれは同期モーターとギアで動いていましたっけ。メカトロでしたね。 hi hi