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Arduino ESP32

【ESP32で電子工作-8】ニキシー管時計の製作【3Dプリンタ】

ニキシー管を使用した卓上時計を作成!

 

この記事は<JLCPCB>様の提供で執筆しています。

 

作成するニキシー管時計の回路仕様と設計

今回作成する、卓上ニキシー時計の仕様を決めていきます。

仕様決定項目としては

  • 使用するMCUとか付随機能
  • ニキシー管のドライブ方式
  • 昇圧回路の仕様

などなどです。これらを検討しつつ回路設計をしていきます!

使用するMCUと付随機能

今回使用MCUはネットワークに接続したいという思いもありESP32を使用します。

ESP32 ESP-32S 開発ボード 2.4GHz

ピンがだいぶ余っちゃうんですけど、機能とコストパフォーマンスを勘案して選択しました。

このESP32はインターネット接続できるので、起動時に時間をNTPから取得する、自動時間調整機能を付けます

基本的に起動時にインターネットに接続し日本標準時を取得し、得られた時刻をRTC()に書き込みます。

今後はRTCから現在時刻を取得し、ニキシー管に反映させていきます。

ネットワークに接続するのは起動時のみで、時刻を得たのちにネットワークを切断するため、平時におけるマイコンの消費電力を抑えることができます。

また、今後の拡張の話ではありますが、ブラウザでのwifi接続先設定機能であったり、時刻だけでなく日付も表示させたりなどを付けたいと思っています。

ニキシー管のドライブ方式

ニキシー管や7セグメントLEDなどの表示を駆動する方式として大きく「ダイナミック点灯方式」「スタティック点灯方式」に分けられます。

ダイナミック点灯方式

ダイナミック点灯方式は下の図のように複数の表示器がある場合に一つずつ順番に点灯していく方式です。

1つの表示器が点灯しているときに、ほかの表示器は消灯しています。

この動作を高速で行うことで、表示器は点灯と消灯を繰り返していますが、人の目にはすべてが点灯しているように見えます

利点としては、表示器に対する入力ピンが少なくて済むということと消費エネルギーを少なくできることです。

この方式を選択することで、基板のサイズを小さくできます。

スタティック点灯方式

スタティック点灯方式は下の図のように、複数の表示器に対して一斉に点灯する方式です。

それぞれの表示器に独自に点灯指令を入力しなければならないので、必然的に入力ピンが多く必要になってしまいます。

そして常にすべての表示器が常に点灯しているので、消費電力が大きくなってしまいます。

利点としては、点灯方式が単純で分かりやすい、点灯、消灯の制御がない為ちらつきがない、ニキシー管の寿命がダイナミック点灯と比較して長寿命になる(らしい)が挙げられます。

そして、今回のニキシー管時計の回路はこちらのスタティック点灯方式を採用しています。

スタティック点灯回路作成

ニキシー管を点灯させるためのIC「K155ID1」を使用して、点灯させるための回路を設計していきます。

1つのニキシー管に対してICを一つずつ使用していくので、ESP32では出力ピンが足りません。

そこてI2C通信で制御可能なIOエキスパンダー「MCP23017」を使用して「K155ID」に制御命令を送信します。

ニキシー管ドライブICの出力は4本の入力信号によって制御されます。以下に示す表の入力と出力の関係によって任意の数字をニキシー管に表示させることが可能となります。
(データシートより抜粋)

この表の通りにIOエキスパンダーから信号を出力することで、ニキシー管から任意の数字を表示させることができます。

ポイント

MCP23017の使い方は以前の記事「【ESP32で電子工作-4】I/Oエキスパンダー MCP23017を使う【Arduinoでも使える】」で解説しているので、こちらもぜひご一読ください。

K155ID1は以下リンクより、購入可能です

ロシア製ドライバーIC K155ID1 (SN74141/74141) (6本セット)

 

昇圧回路の仕様

ニキシー管を点灯させるためには150V~200V程度の電圧が必要になります。

そのため、基板内部で高電圧を生成する回路を設計していきます。

「ニキシー管 回路」とかで検索すると、DC/DCコンバータ制御用IC「NJM2360AD」を使用した昇圧回路が多くみられると思います。

しかし、この昇圧回路では損失が大きすぎるため、コッククロフトウォルトン回路と手元にあったDC/DCコンバーター「NJM2374」を併用させて効率の向上を図ります。

コッククロフトウォルトン回路はダイオードとコンデンサで構成されており、入力電圧をコッククロフトウォルトンの段数倍の電圧を出力します。

ということは… 理論上いくらでも昇圧することが可能となります!!

以下がそれらを踏まえて、ニキシー管用の高電圧を出力する回路案です。

今回は、NJM2374から30Vを出力させ、6段のコッククロフトウォルトンで180Vの出力を目指していきます!

ニキシー管時計の基板設計と発注

前述したような回路を組み込み、kicadによって基板の設計を行いました。

設計したの基板が以下のような感じになります。

3Dにするとこんな感じ。

いつもよりだいぶ細かくなってしまったなという感想。

そして、設計の段階から

「これはんだ付けするの、めちゃくちゃ大変じゃないか…???」

という、恐怖でいっぱいでした。

配線もめちゃくちゃ大変で、ICの位置が不格好になってしまったのが悔やまれます。

そしていつものように、JLCPCB様で基板発注を行いました

発注図面の作成、及び発注方法は過去の記事<【ESP32で電子工作-2】デジタル時計の作成(1)【プリント基板の作成】>見ていただければと思います。

今回の基板は明かりを発生するものなので、できるだけ暗くしたいという思いもあり、黒色の基板で発注を行いました。

 

基板の到着と製作

JLCPCB様に発注してから一週間後、基板が到着しました!!

相変わらず驚きの速さですね!早速開封しました!!

黒色の基板は初めて発注しましたが、いい色が出てて、白のシルクがとてもよく映えていいですねぇ~。

オシャレ!!!

部品の実装

さっそく部品を実装していきます!! そして、相変わらず手はんだで…

基板設計時から作業が大変そうで恐怖を感じていた部分がこちらです。

狭いところに大量のトランジスタと抵抗。そして、コッククロフトウォルトン部のダイオードとコンデンサのところ。

いつか、JLCPCB様で部品実装までしてくれるアセンブリサービスを依頼してみたい…

頑張って、はんだ付けした結果がこちら。

ニキシー管はとても高価で貴重なものなので、通電確認、プログラムが正常に動いていることを確認してから取り付けることにします。

そして、出力電圧を確認!!!

200V の出力を確認できました。想定より少し多いですがまぁいいでしょう!

注意ポイント

この時、基板内には直流200Vが流れているので、下手に触れると感電してしまいます。
私は2度ほど感電し、めちゃくちゃ痛かった… しかもICが壊れてしましました…

信号等確認できましたので、ニキシー管を実際に取り付けて点灯プログラムを書き込み、点灯させてみました。

キレイ!!! かっこいい!!! すごい!!!

点灯も確認できましたので、基板むき出しでは危険なので、3Dプリンタで筐体を作りました

XYZプリンティング 3Dプリンター ダヴィンチ 1.0 pro

このプリンタは専用フィラメントを使うことで在庫管理ができたり、専用ケースによる防湿などもしてくれて使いやすかったです。
めんどくさいフィラメント交換もほとんど自動でやってくれるのでお勧めです。

いつかJLCPCB様の3Dプリンタの成型サービスも使ってみたいと思っています。
どれだけきれいに作れるのだろうか…

そして、いくつかケースを試作したのですが最終的に以下のような形になりました。

そして、これが実際に時計が時刻を刻んでいる動画です。


うつくしいですね!!!

これにてニキシー管時計の完成です!!

ソースコードや回路図などは、まとまり次第どこかで公開したいと思います。
ブログに乗せるには長すぎるので、どこかでダウンロードできるようにするかなと思います。

今回の記事は以上となります。
それでは、良き電子工作ライフを!!
See You …

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