ESP32で作るニキシー管時計：NTP自動同期とMCP23017制御で実現する200V昇圧回路とレトロモダンデザイン

はじめに：ニキシー管の魅力とESP32の融合

ニキシー管（Nixie Tube）は、1950年代から1970年代にかけて広く使われた冷陰極放電管です。現代のLEDやLCDとは異なり、ガラス管の中で数字型の陰極が橙色に発光する独特の美しさが、今も多くの電子工作愛好家を魅了しています。

今回製作するニキシー管時計は、レトロな表示デバイスと最新のIoT技術を組み合わせた、まさに**「時代を超えた融合」**です。

本プロジェクトの技術的特徴

• ESP32-WROOM-32による高機能制御

  • Wi-Fi接続でNTPサーバーから自動時刻取得
  • DS3231高精度RTCモジュールとの連携
  • 起動時のみネット接続で消費電力を最適化

• MCP23017 I2C IOエキスパンダーによるピン拡張

  • ESP32の限られたGPIOピンを16ピン拡張
  • I2C通信（2ピンのみ）で4本のニキシー管を制御

• 効率的な180V昇圧回路設計

  • NJM2374による30V一次昇圧
  • 6段コッククロフトウォルトン回路で180V生成
  • 従来のNJM2360単独回路より高効率

• スタティック点灯方式の安定した表示

  • ロシア製K155ID1 BCD-Decimalデコーダー使用
  • ダイナミック点灯と比較した長寿命設計

必要な部品と推奨購入先

【重要】ニキシー管の入手について

ニキシー管は生産終了品のため、新品は非常に高価です。eBayやAliExpressでロシア製（特にIN-14、IN-8など）が入手可能ですが、偽物や不良品も多いため、評価の高い販売者から購入することをお勧めします。

1. ESP32-WROOM-32を選んだ理由

ニキシー管時計のマイコンとして、ESP32-WROOM-32開発ボードを採用しました。主な選定理由は以下の通りです：

ESP32の技術的メリット

【ネットワーク機能】

• Wi-Fi (802.11 b/g/n対応)：NTPサーバーへの自動接続
• Bluetooth Classic + BLE：将来的なスマホアプリ連携も可能

【十分なGPIOピン数】

• I2C通信用：GPIO21 (SDA)、GPIO22 (SCL)
• RTC割り込み用、ボタン入力用など拡張余地あり
• 今回は主にI2C経由でMCP23017と通信

【低消費電力モード】

• Deep Sleep機能：起動時のみWi-Fi接続
• 通常時はRTCから時刻取得→Wi-Fi OFF

【豊富な開発環境】

• Arduino IDE、PlatformIO、ESP-IDF全て対応
• NTP、RTCライブラリが充実

NTP自動時刻同期の実装方針

#include <WiFi.h>
#include <time.h>

const char* ntpServer = "ntp.nict.jp";  // 日本標準時（NICT）
const long gmtOffset_sec = 9 * 3600;    // JST = UTC+9
const int daylightOffset_sec = 0;

void setupNTP() {
  configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
  struct tm timeinfo;
  if (getLocalTime(&timeinfo)) {
    // RTCへ時刻を書き込む処理（後述）
  }
}

起動時に1度だけNTPサーバーと同期し、DS3231 RTCモジュールに正確な時刻を書き込みます。その後はWi-FiをOFFにし、RTCから時刻を読み取ることで、常時接続による消費電力を削減します。

今後の拡張構想

• Wi-Fi設定用WebUI：SmartConfigやWiFiManagerライブラリでスマホから設定
• 日付・曜日表示：ニキシー管を6本に増やして年月日表示
• 温湿度表示：BME280センサーと連携
• アニメーション効果：スロットマシン風のカウントアップ演出

2. ニキシー管の点灯方式：スタティック vs ダイナミック

ニキシー管のような多桁表示デバイスには、大きく分けて2つの駆動方式があります。

ダイナミック点灯方式（Dynamic Drive）

原理：

• 各桁を時分割で順次点灯させる（例：1msごとに切替）
• 人間の目の残像効果により、全桁が同時点灯しているように見える

メリット：

• 必要ピン数が少ない：桁数が増えても制御ピン数の増加が緩やか
• 消費電力が低い：同時点灯数が1桁のみ

デメリット：

• ちらつきが発生しやすい：スキャン周波数が低いと目視で確認可能
• カメラ撮影時にローリングシャッター歪みが発生
• プログラムが複雑：タイマー割り込み処理が必須

スタティック点灯方式（Static Drive）

原理：

• 各桁に専用のドライバーICを配置
• 全ての桁が常時同時点灯

メリット：

• ちらつきゼロ：完全な常時点灯
• 長寿命：陰極への負荷が均等で安定
• プログラムがシンプル：表示したい数字を出力するだけ

デメリット：

• 必要ピン数が多い：桁数×4ピン必要（BCDコード用）
• 消費電力が大きい：全桁常時点灯のため

本プロジェクトの選択：スタティック点灯

今回はスタティック点灯方式を採用しました。理由は以下の通りです：

1. 視覚的な美しさ優先：ニキシー管の橙色発光を最大限楽しむ
2. 撮影時の見栄え：写真や動画でちらつきが写り込まない
3. ピン不足はI2C拡張で解決：MCP23017で16ピン追加

3. スタティック点灯回路の実装：K155ID1 + MCP23017

K155ID1：ロシア製BCDデコーダーICの特性

主要スペック：

• 機能：4bit BCD入力 → 10出力（0-9のいずれか1つがLOW）
• 入力電圧：5V TTLレベル
• 出力電圧：最大200V耐圧（アノード側にHV接続）
• 出力電流：最大5mA（ニキシー管駆動に十分）
• 製造国：旧ソ連/ロシア（現在はデッドストック品）

真値表（一部）：

4本の入力線（D0-D3）に2進数で数字を指定すると、対応する出力ピン（Y0-Y9）がLOWになり、ニキシー管の該当陰極が発光します。

MCP23017：16ピンI2C IOエキスパンダー

MCP23017の使い方はこちらの記事で詳しく解説しています。

ピン配分（4桁時計の場合）：

ESP32との接続：

• ESP32 GPIO21 (SDA) → MCP23017 SDA
• ESP32 GPIO22 (SCL) → MCP23017 SCL

サンプルコード：時刻「12:34」を表示

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_MCP23X17.h>

Adafruit_MCP23X17 mcp;

void setup() {
  Wire.begin(21, 22);  // ESP32のI2Cピン指定
  mcp.begin_I2C();
  // 全ピンを出力に設定
  for (int i = 0; i < 16; i++) {
    mcp.pinMode(i, OUTPUT);
  }
}

void displayTime(int hour, int minute) {
  // 各桁を分解
  int h_tens = hour / 10;     // 時の十の位: 1
  int h_ones = hour % 10;     // 時の一の位: 2
  int m_tens = minute / 10;   // 分の十の位: 3
  int m_ones = minute % 10;   // 分の一の位: 4
  
  // MCP23017へBCD出力（4bitずつ）
  mcp.writeGPIOA((h_tens & 0x0F) | ((h_ones & 0x0F) << 4));
  mcp.writeGPIOB((m_tens & 0x0F) | ((m_ones & 0x0F) << 4));
}

void loop() {
  displayTime(12, 34);  // 12:34を表示
  delay(1000);
}

4. 昇圧回路の設計：効率的な180V生成

ニキシー管の動作には150V～200V程度の陽極電圧が必要です。通常の5V電源からこの高電圧を生成するため、2段階の昇圧回路を設計します。

従来方式の問題点

多くのニキシー管時計では、NJM2360ADというスイッチングレギュレータICで直接180Vまで昇圧する回路が一般的です。

NJM2360AD方式の課題：

• 変換効率が低い（約60-70%）↓　大きな電圧比（5V→180V = 36倍）により損失が増大
• 発熱が大きい
• 外付けインダクタの選定が難しい（高耐圧品が必要）

本プロジェクトの2段階昇圧方式

【第1段】NJM2374による30V昇圧

• 入力：5V（USBまたはACアダプタ）
• 出力：30V
• 変換効率：約85%（電圧比6倍で効率良好）

【第2段】6段コッククロフトウォルトン倍電圧整流回路

• 入力：30V AC（NJM2374のPWM出力を利用）
• 出力：180V DC（理論値：30V × 6段 = 180V）
• 部品：ダイオード（1N4007）× 12個、コンデンサ（47μF 250V）× 6個

コッククロフトウォルトン回路の動作原理

コッククロフトウォルトン（Cockcroft-Walton）回路は、ダイオードとコンデンサのみで構成される「電荷ポンプ」です。

動作メカニズム：

1. AC入力の正半波時：C1がV volts充電される
2. 負半波時：C1の電荷がダイオードを通じてC2へ移動
3. これを繰り返すことで、段数分だけ電圧が加算

理論出力電圧：

V_out = V_in × n

（n = 段数、理想条件下）

実測値との差異： 実際には以下の要因で理論値より低下します：

• ダイオードの順方向電圧降下（約0.7V × 段数）
• コンデンサのESR（等価直列抵抗）による損失
• 負荷電流による電圧降下

今回の設計では、30V × 6段 = 理論値180V に対し、実測200Vを確認しました。NJM2374の出力がやや高めだったためと考えられます。

回路の安全設計

【高電圧回路の安全対策】

⚠️ **感電注意**：200Vの直流電圧は人体に危険です。

* 基板裏面の高電圧パターンを絶縁処理
* 3Dプリンタ筐体で完全に覆う
* デバッグ時は片手作業を徹底（体を通じた閉回路形成を防止）

保護回路：

• 過電圧保護：ツェナーダイオード（200V）で電圧クランプ
• 過電流保護：各K155ID1出力に100kΩ抵抗を直列接続

部品の耐圧選定：

• コンデンサ：250V品（安全率約1.25倍）
• ダイオード：1N4007（1000V耐圧）

KiCadによる基板設計とJLCPCB発注

回路図設計

前述した仕様をもとに、KiCadで完全な回路図を作成しました。

回路ブロック構成：

PCBレイアウト設計

設計のポイント：

【高電圧部の配慮】

• クリアランス確保：200V部は2mm以上の配線間隔
• 表裏分離：高電圧パターンは基板裏面に集約
• GNDプレーン：ノイズ対策でベタGND配置

【表面実装部品の配置最適化】

• 部品密度の調整：はんだ付け作業を考慮して、1608サイズ（0603）の抵抗・コンデンサは最小限に
• 方向統一：極性部品（ダイオード、電解コンデンサ）の向きを揃える

【ニキシー管ソケット】

• ピッチ：2.54mm（IC用丸ピンソケットを流用）
• 配置：筐体デザインを考慮して横一列

JLCPCBへの発注手順

発注仕様：

• 基板サイズ：100mm × 80mm
• 層数：2層（表裏）
• 基板色：マットブラック（シルクが映える）
• 表面処理：HASL（鉛フリーはんだ）
• 基板厚：1.6mm（標準）
• 銅箔厚：1oz（約35μm）
• 数量：5枚（最小ロット）
• 納期：発注から7日で到着（DHLエキスプレス）

費用内訳（参考）：

• 基板代：約$2
• 送料（DHL）：約$20
• 合計：約$22（約3,000円）

JLCPCBの推奨ポイント：

• 低コスト：少量でも格安
• 高品質：シルク印刷が綺麗
• 短納期：1週間で手元に届く
• オプション豊富：基板色、表面処理が選べる

基板の到着と部品実装

開封レビュー

マットブラックの基板は初めて製作しましたが、白色シルクのコントラストが非常に美しい仕上がりです。通常の緑色基板とは一線を画す高級感があります。

品質チェック結果：

• ✅ パターン欠損なし
• ✅ ビアホール導通OK
• ✅ シルク印刷鮮明
• ✅ ソルダーレジスト均一

はんだ付け作業

実装の難所

今回の基板で最も難易度が高かった部分は以下の2箇所です：

【昇圧回路部】

• ダイオード12個 + コンデンサ6個が狭いエリアに密集
• 部品間隔：わずか1.27mm（50mil）
• 対策：0.5mm径のはんだ、温度調整式はんだごて必須

【トランジスタアレイ部】

• 表面実装抵抗（1608サイズ）：32個
• トランジスタ（SOT-23）：8個
• 対策：ピンセット、拡大鏡、予備はんだ法

はんだ付けのコツ

【推奨工具】

• はんだごて：温度制御式（330℃設定）
• はんだ：0.5mm径（小型部品用）
• フラックス：ペーストタイプ（表面実装に必須）
• 拡大鏡：LED付き2.5倍ルーペ

【作業手順】

1. 小型部品から実装：抵抗 → トランジスタ → IC
2. 高さのある部品を最後に：電解コンデンサ → ニキシー管ソケット
3. 導通テスト：各ブロックごとにマルチメーターで確認

完成基板

実装所要時間：約3時間（休憩含む）

動作確認：昇圧電圧測定

ニキシー管は高価で貴重なため、まずは昇圧回路のみの動作確認を実施します。

測定結果：

• 出力電圧：200V DC
• 無負荷時リップル：約5V pp（許容範囲内）
• 負荷時（4本点灯）：約190V（電圧降下約5%）

設計目標の180Vを上回る200Vが出力されました。これはNJM2374の出力が想定よりやや高かった（約33V）ためです。ニキシー管の仕様範囲内（150-200V）なので問題ありません。

⚠️ **高電圧注意**

昇圧回路には200Vの直流電圧が発生しています。
* 測定時は絶縁手袋を着用
* 片手での作業を徹底（感電時の閉回路形成防止）
* 電源OFF後もコンデンサに電荷が残留（放電抵抗で10秒待機）

ニキシー管の点灯試験とプログラム実装

初点灯の瞬間

昇圧回路の動作確認とデジタル信号の出力テストが完了したので、いよいよニキシー管を取り付けて点灯させます。

点灯確認項目：

• ✅ 全桁（0-9）の表示確認
• ✅ 輝度の均一性チェック
• ✅ 異常発光（複数桁同時点灯）の有無
• ✅ クロストーク（隣接桁への影響）確認

すべてのニキシー管が美しい橙色の光を放ち、正常動作を確認できました。

Arduino IDE用サンプルコード

以下は、NTPで時刻を取得してニキシー管に表示する完全なコードです。

#include <WiFi.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_MCP23X17.h>
#include <RTClib.h>
#include <time.h>

// Wi-Fi設定
const char* ssid = "YOUR_SSID";
const char* password = "YOUR_PASSWORD";

// NTP設定
const char* ntpServer = "ntp.nict.jp";
const long gmtOffset_sec = 9 * 3600;  // JST (UTC+9)
const int daylightOffset_sec = 0;

// ハードウェアオブジェクト
Adafruit_MCP23X17 mcp;
RTC_DS3231 rtc;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  
  // I2C初期化（ESP32のGPIO21=SDA, GPIO22=SCL）
  Wire.begin(21, 22);
  
  // MCP23017初期化
  if (!mcp.begin_I2C()) {
    Serial.println("MCP23017 Error");
    while (1);
  }
  
  // 全ピンを出力に設定
  for (int i = 0; i < 16; i++) {
    mcp.pinMode(i, OUTPUT);
  }
  
  // RTC初期化
  if (!rtc.begin()) {
    Serial.println("RTC Error");
    while (1);
  }
  
  // Wi-Fi接続とNTP同期
  WiFi.begin(ssid, password);
  Serial.print("Connecting to WiFi");
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println(" Connected!");
  
  // NTPから時刻取得
  configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
  struct tm timeinfo;
  if (getLocalTime(&timeinfo)) {
    // RTCに時刻を設定
    rtc.adjust(DateTime(
      timeinfo.tm_year + 1900,
      timeinfo.tm_mon + 1,
      timeinfo.tm_mday,
      timeinfo.tm_hour,
      timeinfo.tm_min,
      timeinfo.tm_sec
    ));
    Serial.println("RTC synchronized with NTP");
  }
  
  // Wi-Fi切断（省電力化）
  WiFi.disconnect(true);
  WiFi.mode(WIFI_OFF);
}

void loop() {
  DateTime now = rtc.now();
  
  int hour = now.hour();
  int minute = now.minute();
  
  // 各桁を分解
  int h_tens = hour / 10;
  int h_ones = hour % 10;
  int m_tens = minute / 10;
  int m_ones = minute % 10;
  
  // MCP23017経由でK155ID1にBCDコード出力
  // GPIOA: 時の十の位（下位4bit）+ 時の一の位（上位4bit）
  mcp.writeGPIOA((h_tens & 0x0F) | ((h_ones & 0x0F) << 4));
  
  // GPIOB: 分の十の位（下位4bit）+ 分の一の位（上位4bit）
  mcp.writeGPIOB((m_tens & 0x0F) | ((m_ones & 0x0F) << 4));
  
  // デバッグ出力
  Serial.printf("%02d:%02d\n", hour, minute);
  
  delay(1000);  // 1秒ごとに更新
}

コードのポイント解説：

【NTP同期】

• configTime()で日本標準時（JST）を設定
• getLocalTime()で現在時刻を取得
• RTCに一度だけ書き込み、以降はRTCから読み取り

【BCD変換とビットシフト】

// 例：時刻が12:34の場合
h_tens = 1, h_ones = 2, m_tens = 3, m_ones = 4

// GPIOAへの出力値
(1 & 0x0F) | ((2 & 0x0F) << 4)
= 0b00000001 | 0b00100000
= 0b00100001  // バイナリ: 0010 0001 → BCD: 2, 1

4bit × 4桁 = 16bitを、MCP23017の16ピン（GPIOA 8bit + GPIOB 8bit）に割り当てています。

3Dプリンタによる筐体製作

高電圧基板を露出したまま使用するのは危険なため、3Dプリンタで専用筐体を設計しました。

筐体設計のポイント：

• 材質：PLA（黒色）
• ニキシー管窓：透明アクリル板を嵌め込み
• 通気口：側面にスリット（昇圧回路の放熱対策）
• 配線孔：背面にUSB給電用の開口部
• 脚部：4隅にゴム足を貼付（滑り止め）

STLファイルは後日GitHubで公開予定です。

動作動画

実際に時刻を刻んでいる様子をご覧ください。

ニキシー管特有の温かみのある橙色の光が、静かに時を刻む様子がお分かりいただけると思います。LEDやLCDとは全く異なる、レトロな美しさがあります。

まとめと今後の展望

本プロジェクトで習得できる技術

今回のニキシー管時計製作を通じて、以下の技術を実践できました：

【ハードウェア設計】

• ✅ ESP32のWi-Fi機能とNTP通信の実装
• ✅ I2C通信による周辺デバイス制御（MCP23017、DS3231）
• ✅ BCD（2進化10進）コードの理論と実装
• ✅ 高電圧回路（180V）の安全設計
• ✅ 効率的な昇圧回路（2段階方式）の設計

【ソフトウェア開発】

• ✅ RTCライブラリの使用方法
• ✅ WiFiManagerによる設定UI（今後実装予定）
• ✅ 時刻データのBCD変換アルゴリズム

【基板製作】

• ✅ KiCadによる回路図・PCB設計
• ✅ JLCPCBへの発注プロセス
• ✅ 表面実装部品のはんだ付け技術

【機構設計】

• ✅ 3Dプリンタによる筐体設計
• ✅ 放熱・配線を考慮したケース構造

今後の機能拡張アイデア

【ソフトウェア拡張】

• Wi-Fi設定用WebUI

  • スマホからSSID/パスワードを設定
  • WiFiManagerライブラリを使用

• 日付・曜日表示モード

  • ボタン押下で表示切替
  • ニキシー管6本に拡張（年/月/日）

• アニメーション効果

  • スロットマシン風カウントアップ
  • 毎正時にニキシー管全点灯演出

• 環境センサー連携

  • BME280で温湿度測定
  • ニキシー管で温度表示（例：23.5℃）

【ハードウェア拡張】

• RGB LED追加

  • 基板下部にアンビエントライト
  • 時間帯で色変更（朝：白、夜：橙）

• 音声時報

  • DFPlayer Miniで正時チャイム
  • ニキシー管のカチカチ音を再現

• バッテリー駆動化

  • 18650リチウムイオン電池
  • 昇圧回路の効率化で24時間駆動

リソース公開予定

以下のデータを、後日GitHubリポジトリで公開する予定です：

• KiCad設計ファイル（回路図 + PCB）
• Arduino IDEサンプルコード（完全版）
• 3Dプリンタ用STLファイル（筐体）
• 部品リスト（BOM）（購入リンク付き）

製作費用の目安

（ニキシー管の価格は変動が大きいため、入手先により差があります）

関連記事

• MCP23017の使い方詳細解説
• ESP32でNTP時刻同期とRTC制御
• 基板設計初心者向けKiCad入門

最後までお読みいただき、ありがとうございました！

ニキシー管時計は、レトロとモダンが融合した魅力的なプロジェクトです。ぜひ皆さんもチャレンジしてみてください。

質問やフィードバックは、コンタクトフォームまたはTwitter（@electwork_jp）までお気軽にどうぞ！