ネオン管時計

部品点数が多くなるので中国製を多用する。注文してから手元に届くまでに時間がかかるので基本構想だけ先に決めておく。先ず輝度テスト。直流だと片側の電極しか点灯しない。輝度は同じはずだが広い面積が光っている方が明るく感じる。奥が交流、手前が直流。厳密には直流では無くブリッジダイオードで全波整流しただけ。ネオン管には直列に１００ｋΩの抵抗を入れてある

ネオン管の数が多くなるので７セグメントＬＥＤの様にダイナミック点灯させたいが耐圧の高いフォトカプラは逆電圧に弱い。TLP627

方向性の無いフォトリレーは動作が遅い。TLP222。フォトカプラ以外の耐圧が高い素子は大型になり価格も高くなる。簡単にいきそうも無い

一番大きいネオン管は足の長さが少し足りない

高耐圧のフォトカプラは出力側に謎のダイオードが入っている。テスターのダイオード計測モードでの実測はVf=0.6V。データシート上逆電圧は0.3Vとなっている。このダイオードに電流を流してはいけないという意味なのか、Vfの最小値が0.3Vと言う意味なのか不明

電流を流して良ければこんな風にすれば交流で使える。赤矢印が逆電圧の時の電流経路。ハイサイド、ローサイド双方にフォトカプラを２個使うので直流の２倍数が必要。組み合わせた２個のフォトカプラは同時にONさせるのでかなり間抜け。フォトリレーの内部構造はこれと大体同じ構造になっている

安いダイオードブリッジをハイサイド、ローサイド両方に入れてフォトカプラは２個のままの方が良さそう。面実装品の小型ブリッジなら合計１０個使っても￥５０で済む。赤が上プラスで下マイナスの時、青が上マイナスで下プラスの時の電流経路

安いのがあったので注文しておいた。１００個で送料込み＄１．５８。こんな価格でも届くから不思議。郵便料金は中国発送分は全て中国郵政の収入、日本から中国へ送ると全てＪＰの収入になるのだと思う。そうで無ければ送料込みでこの価格にはならない

並べてみた。LED同様並列点灯は不可。ネオン管一つに1個抵抗が必要になる。点灯を始めるのが70V程度、点灯中は60Vの端子間電圧になるため最初に光った物が優先されてしまう。100Vなら2個まで直列点灯可能。左と中央は直列接続

大きさの違い。４ｘ１０，５ｘ１２，６ｘ１６ｍｍ

少し間隔を詰めた。まとまった感じを出すためにガラス瓶をかぶせてみた。ちょうど良い寸法の小瓶はAliexpressを探せばたぶんある。大きめの試験管を切るという方法もある

回路図草稿。アラーム、電池による時刻バックアップ機能付き

出来ること：
・アラーム時計
・２０秒までの１／１００秒ストップウォッチ
・２０分までのタイマー。ブザーが鳴るだけ、リレーによる自動制御は無し
・電源ＯＦＦ時の時刻バックアップ
・カレンダー
・ＧＰＳによる時刻合わせ。ＧＰＳは外付け
出来ないこと：
・２４時間時計（最上位桁がネオン管１個だけなので）
・周囲の明るさによる輝度調整（２０ｐｉｎのＰＩＣなので足が足りない）

100x74mm。触れば感電することから逃げられないので電源は非絶縁のトランスレスにしてみた。重い部品が一つも無いのでトランスを使った方が安定は良くなる。100mAのトランスなら基板に乗る。スイッチがあるので絶縁電源が理想。消費電力が大きいのは10個のフォトカプラ

ガラス小瓶に入れてみた

コルク栓は軽く押し込みながらぐるっと。完全に切れる直前に抜いてから切断。そうしないと取れなくなる。基板とは両面テープで。強力型のテープで無くても固定力は十分

交流100Vを使うのでダイナミック点灯の周期を変更するとネオン管の明るさの周期も変わる。商用周波数の周期に完全に同期してしまうと特定のネオン管だけ明るかったり暗かったり輝度に差が出る

基板が届いたので組み立て。ダイソーのケースはちょっと大きすぎる感じ。重さも足りない

フォトカプラの極性を間違えていた。これだとフォトカプラ３，４番ピン間に入っているダイオードの影響で常時点灯してしまい制御できない。パターンカットして修正

組み立て完了。基板とコルクは両面テープで貼り付けてある

点灯できるが制御できない。一カ所だけ点灯させようとすると他も点灯してしまう

1N5371ツェナーダイオードがネオン管の代わり。ブレークダウン電圧60V。2SC1815がフォトカプラの代わり。実際のフォトカプラのベースはどこにも繋がっていないのでD17,D18を入れてV5,V6がLOW（＝フォトカプラOFF）になったとき電源から切り離すようにしている

ネオン管に見立てたD14,D15の電流波形。D14,D15がOFFしてしまうと電流の流れる経路が無くなってC1～C4の充放電が行われず（若干漏れるのでゆっくり充放電されている）フォトカプラが簡単にはOFFしてくれない。通常のフォトカプラ回路の場合コレクタを電源にプルアップできるがこれは交流回路なので面倒なことになる

フォトカプラのエミッタとコレクタをプルアップ＆プルダウン。交流なので逆流阻止のためにダイオードが必要。まだ他にもやらかしている可能性があるので回路図はソフトが完成してから掲載する

修正した後のフォトカプラエミッタ－コレクタ間電圧。全波整流したサインカーブを5msec周期で1msec間ゼロボルトになっているのが理想波形。立ち上がりに1msecかかってしまっているので隣の桁も点灯してしまう。プルアップ抵抗値は100k。立ち上がりを早くするために抵抗を47kに変更。それでも電圧が上がるまでに0.3msecが必要。抵抗を小さくするほど波形の立ち上がりが鋭くなる。ネオン管で消費される電力よりプルアップ抵抗で消費される電力の方が大きいのでむやみに抵抗値を小さく出来ない

追加したプルアップ抵抗群。47kΩ。ダイオードは50Hzの整流用なので耐圧が141V以上あれば何でも良い。在庫がたくさんあるのでFRDのUF4004を使った。FRDは高速動作できるが逆電圧がかかったときの漏れ電流がやや大きい

１２：３４表示。0.5msecの消灯時間を入れないとゴーストが出る。僅かなゴーストは管の映り込みより暗いのであまり気にならない。ネオン管は60V程度で点灯してしまうので完全に消灯させるためには最大電圧時に141-60=81Vもフォトカプラのエミッタ－コレクタ端子間電圧が必要。蛍光ネオン管はかなり暗いが１個だけ明るくは出来ない

ネオン管は100Vだと直列に1MΩの抵抗を入れても光る

１０：５９。ネオン管が９個なのでゼロは点灯しない。矢印のネオン管はかすかに点灯している。消灯時間を長くしてもなかなか消えてくれない。確実に消すためにはネオン管の両足を1MΩの抵抗でショートさせる。両極共にハイインピーダンスになるので抵抗は25本も必要になる。ネオン管は周囲を暗くして撮影すると肉眼で見るよりずっときれいに撮れる。実際にはネオン管はもっと暗く見えるしネオン管に照らされた周囲は写真より明るく見える

GPS時刻同期機能を追加

あと一つくらい機能を追加するとメモリーがいっぱいになる

消費電力。大雑把に計算してネオン管１灯あたり0.06W。これはネオン管だけでは無く100Vで駆動されているフォトカプラやプルアップ抵抗で消費される電力を含む。電源回路と5V電子回路部の消費電力は0.4W。トランスレス電源は意外と効率が良い

ちらつき補正機能を追加したらメモリー残量１％。これではバグも取れない。PIC18F14K22に載せ替えることにする

PIC16F1508－＞PIC18F14K22 へ移植。全消灯のはずが点灯してしまう。原因はシリアルポート
PIC16F1508：
　送信機能をdisable(TXENビット=0)にしておけばTXピンは他の用途の出力ピンとして使える
　データシートには使えるとは書いてないが使えてしまう
PIC18F14K22：
　送信機能をdisable(TXENビット=0)にしてもTXピンは他の用途の出力ピンとして使えない
　TRISで入力設定にすればTRISの方が優先されるので入力ピンとしては使える
　データシートに使えないとは書いてないが書いてある内容をそのまま素直に受け取れば使えないのが正しいと思う
非送信時にはTXはHIGHになっているのでTX（RB7)に接続されている物が点灯してしまう。パターンカットしてスイッチのポートと入れ替えた
入出力が別になっているＳＰＩもたぶん似たような状況だと思うので一方通行通信で空いたピンを流用するときは
　入力機能に割り当てられているピン(SDIなど)－出力ピンとして別用途で使う
　出力機能に割り当て荒れているピン(SDOなど)－入力ピンとして別用途で使う
としておいた方が良さそうだ

回路図。ダイオードBAV21はガラス管に入っているタイプ。ガラス部品が多いので統一するため。商用周波数の製流用なので耐圧が200V程度有れば何でも良い

ＧＰＳモジュールは窓際でしか受信してくれないので電波時計が使用できないかテスト。時計回路は変更無しでソフト修正だけで対応できる。長くなるかもしれないので別ページで

ネオン管の点灯を止めても電源からノイズが出ているようで25cm程度が安全距離。パソコンのディスプレイの近くもダメなのでaitendoの電波時計モジュールを試してみることにする。元々ノイズの少ない回路で使用される電波時計とノイズ発生源の近くで使用されるＧＰＳモジュールの対ノイズ性能の差は大きいようだ

aitendoの電波時計モジュールが届いたが恐ろしく汚い。塵が積もって錆だらけ。ジャンク屋で１０年以上眠っていた感じ。錆びている箇所は半田が乗らない
端子並び
V:電源３V
G:ＧＮＤ
F:High->40kHz,Low->60kHz　埼玉では60kHzはノイズが多く実用域に無い
TN:信号出力　負論理
TP:信号出力　正論理
P:パワーオン　GNDに接続
H:ＡＧＣ　Highにする
Ｈｉｇｈにするときは10kΩ抵抗経由で電源に、GNDは直接抵抗無しで

対ノイズ性能はトライステーのキットより悪い。電波時計は没。他の方法にUSB経由でパソコンと時刻同期させる方法があるが電源を絶縁型に変更する必要がある

電源をトランスに変更してCH340というUSB－＞シリアル変換ICを使ってみる。最近の安いarduino互換機にはこれが使われているようだ。水晶を入れても部品代は一式￥５０で済む。パソコンの時計からデータを取ってGPSと同じ書式でデータを送信すれば時計側のファームウェアの変更不要。FT232は水晶不要だがかなり高いのと足の間隔が0.65mmなので半田付けが難しい。これを使ったUSB－＞シリアル変換モジュールも２ドル以下で売っている

トランスを配置してみた。トランスの下に面実装品を配置できるので大きさはほとんど変わらない

計算では簡単に求められないC1の容量。LTspiceを使う。R3が負荷抵抗。電流0.1A

出力電圧。100μFでぎりぎりリプルが出る。220μFに決定

100Vのトランスで一番小さいのはこのサイズ。TOYODENのHP-510

CH340Gのテスト基板。CH340Gはまだ届いていない

CH340Gのテスト続き。回路を組み立ててドライバーをインストールWindows8.1はドライバーが自動インストールされるらしいが当方の開発機(32bitモード)では自動インストールされず。手動でインストール

Arduinoでテスト。2/28の回路図ではR232ピン（１５番ピン）がVCCに接続されているがこうすると信号が反転してしまうのでR232ピンは無接続にするのが正解。シリアルブートローダー対応させればプログラムも自己書き換えが可能なのでテストしてみる。シリアルブートローダー自体はUSBブートローダーに比べると仕組みはシンプルなので動くことは確実。２０ピンのPIC18F14K22でやりくりすることの方が難しい

基板の発注前最終確認。初めて使う部品は印刷してサイズを現物合わせしてみる。この回路ではトランスが新部品

基板到着

ガラス瓶は再利用できるがコルクは使い捨てなので作り直す。なまくらなので回転させながら押し込まないと切れない。刃を研ぎなおさないとダメな感じ

ポンチの刃を付け直す。大きすぎてチャックに銜えられないのでホールソーに差し込んで回しながらグラインダーで削る

削り終えた刃先。刃が厚いので旋盤で薄くしてある。焼きが入っているのは先端５ｍｍ付近まで

組み立て完了

USB経由のパソコン時刻同期プログラム。下の文字列をネオン管時計に送信している。GPSと同じNMEAフォーマット。時刻はUTCなので日本時刻と９時間ずれている。西暦は2桁なので84年後にはこの機能は使えなくなる

Windows10だと勝手にドライバーはインストールされるようだ。CH340がネオン管時計。Windows7の物が引き継がれているだけかもしれない。１回再起動が必要。Windows8と10はウィンドウの境界が分かりにくい。古いプリンターが動かなくなる問題もあるのでWindows7を目的もなくWindows10にするのは無駄だと思う

プルアップ抵抗値を47kΩ->33kに小さくしたら発熱しすぎる。61度。33kだと1/6W抵抗でディレーティングなし。抵抗は通常半分程度定格で使う。1/6Wなら1/12Wまでを限界とする。無理しすぎているので半分だけ47kに戻す。桁ストローブ用の抵抗は他の抵抗より電流が流れないので33kのまま

アラームや輝度調整をUSB経由で出来るようにする。特に輝度調整は本体では設定しにくい。自分用には３台あればいいので残り７台はキット化して販売。部品代がかなりかかっているので販売価格は￥4500の予定。ネオン管をきれいに並べるのが面倒なので器用な人向け

RTC用の水晶は精度がかなり低いので校正機能も追加。１日に２秒遅れるのであれば１日２回強制的に１秒進める。但し電源を落としているときは時刻の校正が行われない。校正しても１年では３６５秒ずれる可能性があるが水晶の温度係数など不明なので高精度の追求はハード上無駄

ブートローダープログラムのテストも終了。エラーハンドリングは入れすぎるとプログラムが複雑になりすぎるので適度に入れた。すべての起こりうる例外を処理しようとするとプログラムが異常に大きくなる。「正しい操作をした時だけ正しく動く」でよければコードは小さい。通信エラーは起こらないと思うがCRCチェック（＝チェックサムの高級品）だけは入れておいた

数値の７は５や６と点灯パターンが似通っていたので判別しやすいよう麻雀の七索パターンに変更した

抜きにくいので内側を中ぐり

AC100Vは60Vで点灯するネオン管と相性が悪い80V程度の矩形波のほうが残像を消しやすいと思う
AC100Vをこの回路に置き換えれば残像が残りにくいので相対的に明るくできるはず。倍電圧整流回路を使っているのは電圧の低いトランスのほうが小さいから。IR2104はハーフブリッジドライバ
追記）IR2104は５Vでは動作しなかったPICとは別に10Vが必要。C3,C4の耐圧は50Vで十分

試作機を分解する前に矩形波駆動回路の実験を済ませておく。トランスが１つ余計に必要になるのでネオン管の駆動に最適でも大きさ費用共に大きくなるのでハード上は良い回路とは言えない

Press-n-Peelは購入してから約1年半経過。特に劣化の兆候なし。劣化すると透明フィルムにうっすらと青い物質が残る

リアルタイムクロックDS1307のOUT出力ピンは時刻が変わる時に出力がたち下がる。黄色がOUTの1Hz出力。水色が時刻の変化点。オープンドレイン出力なので立下りに変化するのはとても素直な仕様。データシートには書いてない...と思う

IR2104が届いたので実験。IR2104のVCCを5Vで試してみたが動作せず。データシート通り10V必要。実測では9.1Vが動作する最低電圧

AC100Vの時。波形は正負逆転している。ネオン管は両端電圧が60V以下で消灯する。電源電圧141-60=81Vでネオン管消灯。約800μ秒かかる。これはSINカーブの一番条件の悪いゴーストの出やすいときにスイッチングしているときの波形

矩形波駆動時のフォトカプラのエミッタ-コレクタ間電圧。赤矢印の部分でOFFしているが実際にネオン管が消灯するのは電源電圧80V-60V=20Vの所。約400μ秒かかる。電源が大掛かりになる割にはあまり高速化できていない

TLP627は出力がダーリントン接続されているので低速。汎用のPC817に変更。但し汎用フォトカプラはコレクタ－エミッタ間電圧の最大定格が50V～80Vなので定格オーバーもしくはぎりぎり。実験なので強行する。定格をオーバーするのはプルアップ、プルダウン抵抗によるものなので電流が小さく簡単にはブレークダウンしない

汎用フォトカプラは低速であるがTLP627に比べれば非常に高速。定格オーバーについてはツェナーダイオードを入れれば逃げられる。秒表示まで入れるなら矩形波駆動したほうが良いと思うが時分までなら必要性は低いので製作はこれで終了