Single Tube Nixie Display - หลอด Nixie รุ่น IN-8-2

พี่ออกแบบบอร์ดแสดงผลหลอด Nixie แบบหลอดเดียว ที่ต่อเข้ากับบอร์ด Arduino UNO ได้เลยจ้า บอร์ด UNO Shield ตัวนี้มีหลอด Nixie รุ่น IN-8-2 ติดตั้งมาให้หนึ่งหลอด จุดประสงค์แรกคือเอามาทำเป็นนาฬิกา Nixie แบบหลอดเดียว แต่จะเอาไปใช้แสดงผลตัวเลขในงานอื่นๆ ก็จัดไปวัยรุ่น

แต่เดี๋ยวก่อนน้อง... หลอด Nixie มันไม่ใช่ LED นะจ๊ะ มันทำงานด้วยแรงดันสูง ซึ่งอาจทำให้ไฟดูดได้ตัวดี! เพราะคุณสมบัติของหลอด IN-8-2 นี่แหละ บอร์ดนี้เลยมีแรงดันทั้ง DC 175 โวลต์ และ AC 200 โวลต์ วิ่งอยู่ข้างใน ถ้าน้องยังไม่ชินหรือยังไม่มีประสบการณ์เรื่องความปลอดภัยกับแรงดันระดับนี้ โปรเจกต์นี้อาจจะยังไม่เหมาะกับน้องนะ สู้งานอื่นก่อนดีกว่า

ดีไซน์นี้ต้องใช้ไฟเลี้ยงเป็น AC 12 โวลต์ (ห้ามใช้ DC นะตัวนี้!) จากอะแดปเตอร์ปลั๊กไฟ AC 12V 500mA วงจรจ่ายไฟบนบอร์ดจะแปลงเป็น DC +8V สำหรับเลี้ยง Arduino UNO และ DC +175V สำหรับเลี้ยงหลอด Nixie วงจรจ่ายไฟสูงนี้ใช้หม้อแปลงแบบมั่นคงเลยทีเดียว หมายเหตุ: ห้ามใช้ช่องจ่ายไฟ DC บนบอร์ด UNO เด็ดขาด! บนบอร์ดยังมีสัญญาณ 60 Hz สำหรับจับเวลาแม่นๆ ผ่านขา Input 2 (Interrupt INT0) ของ UNO อีกด้วย ตัวหลอด IN-8-2 นี่สวยมากนะ ตัวเลขสูง 17 มม. ตัวเลข "2" กับ "5" ออกแบบมาให้ชัดเจนต่างกัน ("5" ไม่ใช่ "2" กลับหัว) สว่างเห็นชัดแม้อยู่ไกลๆ มีจุดทศนิยมด้านขวาด้วย บอร์ดยังมีปุ่มกด 2 ปุ่มกับสวิตช์สไลด์ เอาไว้สำหรับตั้งค่านาฬิกา

พี่มีบอร์ดเปล่าๆ (สำหรับนักประกอบระดับเทพ) หรือบอร์ดสำเร็จพร้อมชิ้นส่วนทั้งหมดและอะแดปเตอร์ปลั๊กไฟ AC 12V ให้เลือกซื้อ หรือน้องจะประกอบเองจาก Schematic เต็มๆ ที่ให้ไว้ด้านล่างก็ได้ มีโค้ดสำหรับ Arduino UNO ให้รันเป็นนาฬิกาพร้อมใช้งานด้วย ถ้ามีคำถามอะไร ถามพี่มาได้เลยจ้า

Schematic:

เจาะลึกเทคนิค: การทำงานกับแรงดันสูง

โปรเจกต์ Nixie Tube UNO Clock นี้เป็นการผสมผสานเทคโนโลยียุคสงครามเย็นกับชิปสมัยใหม่เลยนะ หลอด Nixie คลาสสิกอย่าง IN-8-2 มันไม่ใช้ LED แบบที่เราคุ้นเคย มันใช้การอาร์คไฟฟ้าแรงดันสูงผ่านก๊าซนีออนความดันต่ำ เพื่อให้ความสว่างกับตัวเลขโลหะจริงๆ ที่อยู่ข้างในหลอดแก้วสุญญากาศ

ปัญหาหลัก: แรงดันสูง (170V DC)

Arduino Uno ของเราทำงานด้วยไฟ 5 โวลต์เท่านั้น แต่หลอด Nixie นี่มันจะไม่จุดพลาสม่านีออนให้สว่างเลย ถ้าแรงดันต่ำกว่า 170 โวลต์ DC! ห้ามช็อตนะตัวนี้

1. ถ้าน้องเผลอต่อสายไฟ 170V เข้าไปที่ขา Digital ของ Arduino ละก็ ไอซี ATmega จะพังทันทีแบบไม่ต้องสงสัย จัดไปวัยรุ่น!
2. ไอซีขับ K155ID1: เราใช้ทรานซิสเตอร์ธรรมดาเปิด-ปิดหลอดนิกซีไม่ได้นะจ๊ะ วงจรนี้ต้องใช้ตัวถอดรหัสเฉพาะอย่าง K155ID1 (หรือ SN74141) ไอซีตัวนี้ถูกออกแบบมาเพื่อเชื่อมต่อระหว่างสัญญาณลอจิกแรงดันต่ำกับโหลดแรงดันสูงได้อย่างปลอดภัย
3. Arduino ของเราจะส่งสัญญาณไบนารี 4 บิตออกมา (เช่น `0-1-0-1` เพื่อหมายถึงเลข "5") ที่แรงดัน 5V
4. ไอซีขับจะรับสัญญาณ 5V นั้นมา แล้วทำการต่อขาแคโทดของหลอดนิกซีที่ตรงกับเลขนั้นลงกราวด์ ทำให้วงจรแรงดันสูงครบวงจรและหลอดก็จะติดขึ้นมา สวยงาม! ห้ามช็อตนะตัวนี้

โครงสร้างแหล่งจ่ายไฟ

การจะได้ไฟ 170V+ จากอะแดปเตอร์ AC 12V นั้น ต้องใช้ วงจรเพิ่มแรงดันสูง (High Voltage Boost Converter) ตามที่เห็นในแผนผังซึ่งเป็นแบบใช้หม้อแปลง น้องต้องเดินลาย PCB ส่วนแรงดันสูงอย่างระมัดระวัง ถ้าลาย 170V ไปใกล้กับลายลอจิก 5V เกินไป อาจเกิดการอาร์คกระโดดข้ามมาได้ แล้ววงจรก็พังเรียบ สู้งานนะน้อง

โน๊ตเกี่ยวกับการโปรแกรม:

SETUP:

ต้องตั้ง pinMode เป็น INPUT สำหรับขา 2, 3, 4, 5, และ 6

ต้องตั้ง pinMode เป็น OUTPUT สำหรับขา 8, 9, 10, 11, 12, และ 13

สัญญาณนาฬิกา 60Hz ที่ขาอินพุต 2 นี่ เอาไปใช้กับ Interrupt ได้นะ

ในส่วน setup ให้เพิ่มโค้ดนี้เข้าไป:

attachInterrupt (0, [ชื่อฟังก์ชันที่จัดการ interrupt], RISING)

OUTPUTS:

เลขบนหลอดนิกซีจะแสดงผลตามค่า Hex (0 ถึง 9) ที่ส่งออกไปทางขา 8, 9, 10, และ 11 โดยขา 11 เป็นบิตที่มีนัยสำคัญสูงสุด (MSB) และขา 8 เป็นบิตที่มีนัยสำคัญต่ำสุด (LSB) ดูตารางด้านล่างเลย จำไว้ว่าถ้าค่า Hex มากกว่า 9 หลอดจะไม่ติด (ว่าง)

จุดทศนิยมบนหลอดนิกซีถูกควบคุมโดยขา 12 มันทำงานแยกจากตัวเลขนะ โดยจะติดเมื่อขา 12 เป็น HIGH และจะดับเมื่อเป็น LOW

INPUTS:

ไฟ AC 12V ถูกต่อเข้ากับด้าน LED ของออปโต-ไอโซเลเตอร์ 4N27 ด้านทรานซิสเตอร์ของออปโตฯ จะให้สัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม 60Hz ออกมา และต่อเข้าขา 2

ปุ่มกดที่เขียนว่า “HRS” ต่อกับขา 3 ปกติมันจะ HIGH และจะกลายเป็น LOW ตอนกด

ปุ่มกดที่เขียนว่า “MIN” ต่อกับขา 4 ปกติมันจะ HIGH และจะกลายเป็น LOW ตอนกด

สวิตช์สไลด์ “RUN-SET” ต่อกับขา 5 มันจะ HIGH ตอนอยู่ตำแหน่ง RUN และ LOW ตอนอยู่ตำแหน่ง SET

สายจัมเปอร์ที่อยู่ใกล้หม้อแปลงระหว่างปุ่มกดสองปุ่ม ต่อกับขา 6 มันจะ LOW เมื่อมีสายจัมเปอร์ต่ออยู่ และจะ HIGH ถ้าดึงสายออกหรือไม่ได้ใส่

ส่วนประกอบที่ต้องใช้

• Arduino Uno
• หลอดนิกซี IN-8-2 (หรือรุ่นที่คล้ายกัน)
• ไอซีขับ K155ID1 หรือ SN74141 (หรือตัวที่เทียบเท่าตามแผนผัง)
• ชิ้นส่วนสำหรับแหล่งจ่ายไฟแรงดันสูง (ตามรายละเอียดในแผนผัง)
• และที่ขาดไม่ได้... ความเคารพอย่างสูงต่อความปลอดภัยเมื่อทำงานกับไฟฟ้าแรงดันสูง!