★ NCK-574v2 ★ 4桁ニキシー管時計 Ver.2 ドイツ製ニキシー管Z57xMモデル 組立説明書 Nixie Tube Clock Kit Model : NCK-574v2 with Z57xM Nixie tube Assembling Manual Sandersonia Electronics Let’s Do It Yourself! Make your own masterpiece! Sandersonia Electronics always help you! http://sandersonia-elec.com/ Rev. 0 もくじ 安全上のご注意 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・2 免責事項 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・2 保証、サポートについて・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・2 キット概要 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3 必要工具リスト・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3 パーツリスト・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・4 パーツの説明・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・5 回路図・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・8 動作説明・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・9 作り方・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・13 電源投入テスト・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・18 トラブルシュート・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・18 安全上のご注意 ・本キットは約200Vの高電圧を扱います。感電事故には十分注意してください。 ・感電防止のため、必ずペットや小さいお子様の手の届かない所で使用してくださ い。 ・感電防止のため、ぬれた手での操作は行わないでください。 ・感電防止のため、電源の入った状態で基板裏面及び部品端子に手を触れないよう にしてください。 ・ハンダ付けの際は、やけどに十分注意してください。 免責事項 Sandersonia Electronics は、使用中や組み立て中に発生した如何なる怪我や損害に対しても責任を負 いません。この事項にご承諾頂けない場合は、ご返品をお願い致します。 保証、サポートについて ・部品の初期不良については、無償で交換をさせていただきます。到着後2週間以内に <[email protected]>までご連絡ください。 ・ニキシー管IN-14は中古品となりますので、小さな傷や印刷のはがれ等が御座います。動作不良以 外は交換に応じられませんのでご了承ください。 ・極性間違いや損傷等における部品の破損は、有償での交換を承っております。詳細は <[email protected]>までご連絡ください。 ・組立ての際のメールサポート、手直しサービスを行っております。詳細はP18をご覧ください。 ・組み立ての際のご不明点等はお気軽に<[email protected]>までご連絡ください。 2 キット概要 この度は、NCK-574v2ニキシー管時計キットをお買い上げ頂き、誠にありがとうございます。ニキ シー管はLEDなどの低消費電力、低電圧駆動の半導体デバイスに置き換えられ、ここ数十年の間に市 場から消滅してしまったデバイスです。しかし、そのレトロで可愛らしい外観と温かな光は最先端の デバイスには無い、独特の雰囲気を醸し出してくれます。そんなニキシー管を使ったデジタル時計作 りました。 ＜製品特徴＞ ・個性的な真っ赤なドイツ製ニキシー管Z57xMを使用 ・レトロなニキシー管と最新のデジタル回路の融合で、コンパクトで多機能、 スタイリッシュな時計を実現 ・表面実装部品は一切なし！自作派を第一に考えた、ハンダ付けがしやすい設計です ・わかりやすい部品説明、回路説明冊子付き。作りながら動作原理を学ぶことができます ・消費電力は1W。意外と低消費電力です。ニキシー管は真空管と違って熱くなりません ＜機能＞ ・電気二重層コンデンサによるバックアップ機能 電源なしで時計機能を数日間維持します ・ポリヒューズによる短絡防止 ・マイコンによるRTC機能 ・ニキシー管用電圧は約130V～220Vの間で可変。 好みの明るさに調節できます ・周囲の明るさに応じて自動調光（ディマー機能） ・12h/24h表示切替機能 ・時刻の先頭の0を表示/非表示切り替え機能 ・カソードポイズニング防止機能 (ロール機能) ・ロール時間間隔、ロール速度設定機能 ・設定した時刻に消灯/点灯。自動消点灯機能 ・秒アジャスト機能 ・月差微調節機能（±99秒/月まで調節可能） 必要工具リスト 本キットを組み立てるに当たり、必要となる工具です。 ニッパー Nippers 部品の余分なリード線 をカットするのに使い ます。 プラスドライバー Screw driver ネジ留めに使います。 ハンダ Solder ハンダごて Solder Iron 15W～30W程度の ものが適しています。 ニクロム線方式の物より、セラミック ヒーター方式のものが激しくお勧めで す。少し値段は高いですが使いやすさ が全然違います。 テスター Tester 出力電圧（+5V, +200V）の測 定に使います。 最悪無くても何とかなります。 3 太さは1.0mmくらいのものが使いやすい です。無鉛ハンダは融点が高いためお勧 めしません。共晶ハンダ（錫63％、鉛 37％）がおすすめです。 ホームセンターなどに売っています。 あると便利！ 無くてもOK ハンダ吸取り線 Solder Wick ハンダ付けに失敗したときに、毛細管現 象で余分なハンダを吸い取ることができ ます。あると便利です。 パーツリスト キットに使用しているパーツの一覧表です。手元に全てのパーツが揃っているかご確認ください。 パーツが足りなかったり、初期不良のものがありましたら到着後2週間以内に<[email protected]>までご連絡ください。 □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ 部品名称 ニキシー管 ネオン管 DC-DCコンバーターIC 3端子レギュレーターIC マイクロコントローラーIC ニキシー管ドライバIC フォトカプラ 水晶振動子 CdS（光センサー） トランジスタ MOSFET トランジスタ ダイオード ダイオード コンデンサ コンデンサ コンデンサ 電解コンデンサ 電解コンデンサ 電解コンデンサ 電気二重層コンデンサ インダクタ 可変抵抗 抵抗 抵抗 抵抗 抵抗 抵抗 抵抗 抵抗 抵抗 抵抗 抵抗 ポリスイッチ トグルスイッチ タクトスイッチ DCジャック ピンソケット ピンヘッダ ICソケット ネオン管用スペーサー 金属スペーサー 金属スペーサー ネジ ACアダプター 基板 数量 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 5 1 2 1 1 2 1 1 1 5 1 1 1 5 1 3 1 1 1 1 2 3 1 2 1 1 1 4 4 4 1 2 パーツの表記、 形状など 型番/仕様 Z57xM IN-3 NJM2360AD NJM 78L05 PIC16LF1827 K155ID1 TLP627-4 32.768kHz IN-3 2360AD 78L05 PIC16LF1827-I/P К155ИД1 TLP627-4 2SA1015 GR 2SK4021 MPSA42 1N4148 1JU41 0.1uF 470pF 15pF 25V,220uF 250V, 10uF 25V,100uF 5.5V, 0.22F 220uH 2kΩ 470Ω 470kΩ 2.7kΩ 15kΩ 22kΩ 5.6kΩ 10kΩ 33Ω 150kΩ 100kΩ A1015 K4021 MPS A42 4148 1JU41 104 471 15 25V 220uF 250V 10uF 25V 100uF 5.5V 0.22F 221 202 黄紫茶金 黄紫黄金 赤紫赤金 茶緑橙金 赤赤黄金 緑青赤金 茶黒橙金 橙橙黒金 茶緑黄金 茶黒黄金 6 3 4 7 □ 24p 24p 18p φ5mm M3, 10mm M3, 20mm M3 9VDC 上部、下部 4 ↑ 部品番号 極性 NX1～NX4 NX5 U1 U2 U3 U4 U5 X1 CDS1 Q1 Q2 Q3 D1, D3, D4 D2 C1, C5, C7, C10, C11 C2 C12, C13 C3 C4 C6, C8 C9 L1 VR1 R1, R17～R20 R2 R3 R4 R5, R12～R15 R6 R7, R9, R10 R8 R11 R16 F1 SW1, SW2 SW3～SW5 J1 P1, P2 あり あり あり あり あり あり あり なし なし あり あり あり あり あり なし なし なし あり あり あり あり なし あり なし なし なし なし なし なし なし なし なし なし なし なし なし パーツの説明 本キットに使用されている主要なパーツの特徴、役割、機能をまとめました。参考にご覧ください。 ニキシー管 Z57xM (a) (b) 広いスペースの 右側のピンがアノード ネオン管 IN-3 ニキシー管は、170V程度の直流電 回路記号 圧を印加することで、グロー放電 を起こし発光します。アノード端 子が一つと、カソード端子が数字 の種類だけあります。アノード端 子はニキシー管を底面から見たと きに、広いスペースのある2ピンの 右側のピンです。 写真中の(a), (b)のピンが最初から切 断されていることがありますが仕 様です。 矢印が あります アノード カソード (この向きが正面) 水晶発振子 マイクロコントローラーIC PIC16LF1827 カソード 回路記号 DC-CD コ ン バ ー タ ー IC の NJM2360ADは、ACアダプタの出力 電圧である+9Vをニキシー管がドラ イブできる+200V程度の電圧まで 昇圧するためのICです。昇圧方式 は非絶縁型のスイッチング昇圧 チョッパ方式です。 ニキシー管ドライバIC (BCD-10進デコーダ) K155ID1 この時計の頭脳となる部分です。 回路記号 プログラムによるデジタル信号処 理が可能で、時計機能（Real Time Clock）やニキシー管表示用のダイ ナミック点灯機能、その他情報処 理など様々なことを引き受けてい ます。またMicrochip社 『nanoWatt XLP Technology』対 応のため、スリープ時の消費電力 が非常に小さく、電気二重層コン デンサで数日間の動作が可能です。 ニキシー管ドライブ用のデコーダ 回路記号 ICです。以前は汎用ロジックICとし てニキシー管ドライブ用の74141と いうICがありましたが、現在生産 中止＆入手が非常に困難です。そ のため、現在でも入手が可能な同 機能のロシア製ICであるK155ID1を 使 い ま し た 。 ロ シ ア 語 で 「К155ИД1」と印字されていま す。 TLP627-4 3端子レギュレーターIC 78L05 フォトカプラはLEDとその光を受け 回路記号 るフォトダイオード（と増幅用の トランジスタ）がパッケージング された部品です。ちょうど電磁式 のリレーのような動作をさせるこ とができます。半導体のため、リ レーよりも小さく、動作が高速、 寿命が長いという特徴があります 本回路ではニキシー管のアノード 側のドライブ用に使用しています。 回路記号 VI GND VO トランジスタ 一見トランジスタのように見える パッケージですが、電源用ICです。 ACアダプタの+9Vの電圧を+5Vま で 降 圧 す る た め の IC で す 。 NJM2360ADのスイッチング方式と は違い、リニアレギュレーション 方式の電源ICです。 トランジスタと間違えないように 気を付けてください。「78L05」と 印字されています。 MOS-FET トランジスタは電流や電圧を増幅 する作用がある素子です。コレク 回路記号 タ-エミッタ間の電流をベースに流 れ込む小さな電流で制御できます。 本回路ではすべてスイッチング用 として使っています。2SA1015は 低周波増幅用のPNP型、MPSA42は 高耐圧のNPN型トランジスタです。 E C B アノード IN-3はニキシー管とよくマッチす るかわいらしい形状のネオン管で す。ネオン管はニキシー管と同様 に、グロー放電によって発行する 放電管です。ニキシー管とは違い 現在でもまだ広く使われている部 品です。管の下部に矢印があり、 矢印の先端がカソードを示してい ます。ニキシー管とは逆の表示な ので注意。 DC-DC コンバーターIC NJM2360AD 時計の１秒を生成するための発振 回路記号 子です。32.768 kHzで発振します。 どうしてこんな中途半端な周波数 で発振するのかと疑問を持つかも 15 しれませんが、実は2 =32768とい う、2進数にとっては非常にキリの いい数字なのです。デジタル回路 によって15回分周（周波数を半分 にすること）することによって簡 単に1秒をつくることがきでます。 フォトカプラ 回路記号 回路記号 G E B C 5 D S MOS-FETはトランジスタの一種で すが、トランジスタとは動作原理 が異なります。本回路では電源回 路のスイッチング用に用いていま す。大電流のスイッチング用には トランジスタを用いるよりも損失 が少なくて済みます。トランジス タのBベース、Eエミッタ、Cコレク タがFETではGゲート、Sソース、D ドレインに対応します。パッケー ジには『K4021』と印字されていま す パーツの説明 つづき 本キットに使用されている主要なパーツの特徴、役割、機能をまとめました。参考にご覧ください。 インダクタ ダイオード インダクタは、導線を何重にも巻 回路記号 いたような構造をしています。写 真ではわからないですが、プラの パッケージの中に入っています。 インダクタは、素子に流れる電流 を維持し続ける作用があります。 では、急に止めたらどうなるか。 答えは、インダクタの両端に元の 電圧より大きい逆起電力が発生し ます。この作用を利用して昇圧を 行っています。 1JU41 ↓ アノード アノード カソード アノード ↑ 1N4148 セラミックコンデンサ 470uF 0.1uF 15pF カソード ダイオードは、電流を一方向にし か流さない性質があります。1JU41 は高耐圧かつ高速な回復時間 （~100ns）を持ったファストリカ カソード バリダイオオードです。1N4148は、 小信号用の汎用スイッチングダイ オードです。 ダイオードには極性があるので注 意してください。帯のある方の端 子がカソードです。 回路記号 アルミ電解コンデンサ、電気二重層コンデンサ セラミックコンデンサには電荷を 回路記号 溜める働きがあります。バイパス コンデンサ（ICなどに供給する電 源のインピーダンスを下げる）や、 スイッチング電源IC、時計の発振 回路に使用しています。コンデン サ容量の読み方はP. 7をご覧くださ い。 セラミックコンデンサには極性は ありません。 電気二重層 コンデンサ アルミ電解 コンデンサ 10uF 220uF 100uF 回路記号 プラス マイナス 電気二重層コンデンサは マイナス端子に - という表記があります。 ○ ↑ 足の長い端子がプラス 抵抗 アルミ電解コンデンサは大容量の コンデンサです。電気二重層コン デンサはアルミ電解コンデンサよ り も さ ら に 大 容 量 （ 0.22F = 220,000uF）です。すごいやつです。 似た形状をしていますが、しくみ は別物です。セラミックコンデン サと違って両方とも極性があるの で、間違えないように注意してく ださい。 可変抵抗 一般的な1/4W型の炭素皮膜抵抗器 回路記号 です。カラーコードで抵抗の値が 表示されています。カラーコード の読み方はP. 7をご覧ください。 覚え方は、 く ち あ だ き み あ 0 1 2 3 4 5 6 む は 可変抵抗は調節ネジを回すことで 回路記号 抵抗値を変えることができます。 たとえば2kΩの可変抵抗なら0Ω～ 2kΩまで連続的に変えられます。 本回路ではニキシー管用の電源電 圧調節用に使います。部品に表示 されている値の読み方はコンデン サ と 同 じ で す 。 (202 な ら 20 x 2 10 Ω=2kΩ) し 黒茶赤橙黄緑青紫灰白 7 8 9 と覚えてください。特に意味はあ りません。そういう滝と橋がある んだなーと思ってください。 ポリスイッチ CdS ポリスイッチは回路保護用の素子 で 、 PTC ： Positive Temperature 回路記号 Coefficient サーミスタとも呼ばれ ます。ある値以上の電流が流れる と急激に抵抗値が高くなり、電流 を遮断します。ヒューズと違って しばらく時間が経つと元の状態に 戻るので何度も使えます。コンデ ンサと間違えやすい形状なので注 意してください。「R030」と記述 があります。 回路記号 トグルスイッチ、タクトスイッチ CdS（硫化カドミウムセル）は、当 たる光の量によって抵抗値が変化 する光センサーです。カメラの露 光計などにも使用されています。 回路では、抵抗で分圧してやるこ とにより周囲の明るさを電圧とし て出力し、マイコンのA/Dコンバー ターで値を読み出しています。 DCジャック、ピンヘッダ、ピンソケット トグルスイッチはレバー式のス イッチで、メイン電源スイッチ、 回路記号 高電圧のON, OFFスイッチとして 使っています。タクトスイッチは 小型のスイッチで、マイコンへの トグルスイッチ 入力用として使っています。 DCジャック 回路記号 DCジャック DCジャック タクトスイッチ 6 ピンヘッダ ピンソケット DCジャックはACアダプターを接続 し、電源を供給する部分です。ピ ンヘッダは上部基板と下部基板を 接続する部品です。ピンソケット はピンヘッダを挿すための部品で 上下基板用に同じものが2つ入って います。上部基板にはピンヘッダ を逆向き（基板の裏側に）に取り 付ける必要があるので注意してく ださい（詳細はp.17参照） コンデンサの値の読み方 ・コンデンサの容量は、パッケージに 印字されていますが、読み方にルール があります。 ①2桁の場合 （例） 「471」 ⇒47 x 101 pF =470pF ⇒そのまま読みます。単位はpFです。 例えば「15」と表記されている場合 は15pFとなります。 「104」 ⇒10 x 104 pF =100,000pF =0.1uF 「15」 ⇒15pF ②3桁の場合 ⇒左から２ケタはそのまま読みます。 ３ケタ目は乗数を表します。単位は pFです。 例えば「104」と表記されている場 合は、 10 x 104 pF = 100,000 pF = 0.1uF となります。 抵抗のカラーコードの読み方 黒 茶 赤 橙 黄 緑 青 紫 灰 白 金 銀 無着色 数値 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - 数値 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - 乗数 ×1 ×101 ×102 ×103 ×104 ×105 ×106 ×107 ×108 ×109 ×10-1 ×10-2 誤差 ±1% ±2% ・抵抗には４本のカラーコードが印刷 されています。まず、金色の帯が右側 になるように置き、左から順に表のと おりに読んでいきます。 ・左から２ケタはそのまま読みます。 ３ケタ目は乗数を表し、４ケタ目は誤 差を表します。炭素皮膜抵抗の多くは 誤差5%、金属皮膜抵抗の多くは誤差 1%です。 ・例えば、 赤紫赤金 であれば、27×102=2.7kΩ（±5%）と なります。 ±5% ±10% ±20% 7 回路図 Web非公開情報 8 動作説明 ニキシー管時計NCK-574v2の動作を説明します。（動作原理とかいいから早く組み立てたいという方はP. 13へ） 全体をブロック図で表すと下記の図のようになります。 ACアダプタ （+9V） 高圧電源部 （+200V） IC用電源部 （+5V） ニキシー管 ドライバ ニキシー 管 ネオン管 ドライバ ネオン 管 PICマイコン 動作制御部 PIC電源用 降圧部 （+3.6V） ニキシー管 点灯制御部 バックアッ プ用電源部 時計機能 制御部 光センサー 内部 クロック 8.0MHz 時計用 クロック 32.768kHz 上記ブロック図を回路図に転写すると以下の図のようになります。次のページより、各構成要素の 詳しい動作を解説します。 IC用電源部 高圧電源部 10uF ネオン管及びドライバ ニキシー管及びドライバ Web非公開情報 PICマイコン 動作制御部 PIC用電源部、バックアップ電源部 9 電源部 200V 10uF +９V Web非公開情報 ←ニキシー管用の高圧電源部です。ここで、ニキ シー管を点灯させるために必要な直流約200Vの電 圧を作り出しています。昇圧回路には様々な種類 がありますが、この回路は非絶縁型の昇圧チョッ パ回路に分類されます。それではこの回路の動作 原理を説明していきます。 昇圧チョッパ回路は、簡略化すると下図のように 書くことができます。 L インダクタ DIODE ダイオード 中央のMOS-FETをスイッチとして用い、ON, OFFを繰り返してい Vi 負荷 R C MOSFET コンデンサ ます。それでは、MOS-FETがONのとき、OFFのときの状態を見 ていきましょう。MOS-FETがONの時は、下図(a)のように、電流 簡略化した昇圧チョッパ回路 は電源→インダクタ→MOSFET→GNDの順に流れ、インダクタの 電流は時間に比例して増加していきます。この時インダクタに蓄えられる磁気エネルギーは ⁄2の ため、エネルギーが増加していくことがわかります。MOS-FETがOFFになると、インダクタには電流 を流し続ける性質があるため、インダクタの電流は急には0にならず、下図(b)のような経路でコンデ ンサと負荷に電流が流れます。コンデンサに電流（電荷）が注入されると、Q=CVの関係からコンデ ンサの電位が元の電位より上がること L DIODE ダイオード L ダイオード DIODE インダクタ インダクタ がわかります。このあとまたMOS-FET はONとなり、コンデンサに溜まった Vi Vi 負荷 負荷 R R C C ON OFF MOSFET MOSFET コンデンサ コンデンサ 電荷は負荷に逃げ電位が下がりますが、 （コイルから注入された電荷量）＞ (a) (b) （負荷に逃げた電荷量）の場合、正味 の電位は上がっていくことになります。 次第に出力には電源の電圧よりも高い電圧が出力されます。これが昇圧チョッパ回路の大まかな原理 です。実際の回路では、出力電圧をR2, R3, VR1で分圧し、それをU1の5番ピンでモニターすることで、 電圧が安定化するようにフィードバック制御を行っています。U1の2番ピンからはパルス信号が出力 されており、これでMOS-FETをスイッチングしています。PNPトランジスタQ1はMOS-FETがOFFの時 にONとなり、MOS-FETのゲートをGNDに短絡させます。こうすることで、MOS-FETのゲート電荷を 高速に引き抜き、スイッチング損失を抑えています。 MOS-FETのON, OFF周期をスイッチング周波数といい、NCK-144v2ニキシー管時計キットでは、約 48kHzでスイッチングしています。スイッチング周波数が高くなるほど、インダクタL1やキャパシタ C2の容量を小さくできますが、同時にスイッチング損失がスイッチング周波数に比例して増えるため、 必ずしも高ければよいというわけではありません。かといって低すぎても、インダクタの電流飽和が 起きて変換効率が低下したり、リプル成分が大きくなったり、さらには周波数が可聴域に入ると音が 鳴ったりします。 ←こちらは3端子レギュレーターによる降圧回路です。9V→5Vに降圧 しています。高圧側とは違いスイッチング方式ではなくリニアレギュ Web非公開情報 レータ方式で降圧しています。下図にスイッチング方式とリニアレ ギュレータ方式の違いを示します。 スイッチング方式ではいわば電力を切り貼りして電圧を下げたり上げ たりしますので損失は少ないですが、必ずリップルが発生します。 また、回路も複雑になります。一方リニアレギュレーション方式では、目的の電圧になるように余分 な電力を熱として捨てることで一定の電圧を作っています。このため、リップルは無いですが、効率 が良くありません。また、回路は比較的単純です。3端子レギュレーターは負荷が変動しても常に一 定の電圧が出るようにフィードバックが掛けられた可変抵抗と考えることもできます。 効率は悪いが リップルが少ない 電圧 電圧 効率は良いが リップルが発生 時間 時間 (a)スイッチング方式 (b)リニアレギュレータ方式 10 ←熱として 捨てられる ５V 3.6V ←こちらはマイコンへの電源供給用の降圧部と、電源バックアップ用の 補助電源部です。PIC16LF1827マイコンの電源電圧は最大で3.6Vのため、 Web非公開情報 ダイオードの順方向電圧降下（約0.7V）を利用して降圧しています。ダ イオード2個分の降圧により3.6Vを得ています（5 - 0.7 * 2 = 3.6 V）。本 来なら定電圧レギュレーターを使うところかもしれませんが、電圧変動 をあまり気にしないため、手抜き 簡易的にしました。また、電気二重層 コンデンサC3は電源がONの間は常に充電され、電源がOFFになった時に マイコンに電力を供給し、バックアップ用電源として働きます。この時、ダイオードD3が、電流が 逆流しGNDに流れてしまうことを防いでいます。 主電源が途絶えたのを検知すると、内部クロックおよびCPU、RAM、周辺モジュール等をすべて切 り離し、Sleepモードとなって水晶振動子の発振の維持のみにパワーを使います（実際は1秒ごとに ちょっとだけ起きて秒数のカウントをインクリメントしますが）。このマイコンのSleepモードでは 1uAほどの微弱な電流しか使いませんので、電気二重層コンデンサだけで時計機能を数日維持するこ とができます。 ←→ 0.7V →マイコン ←→ 0.7V PICマイコン、動作制御部 ネオン管、ニキシー管へ ← こ ち ら は PIC マ イ コ ン と そ の 周 辺 回 路 で す 。 PIC16LF1827は8bitのマイコンで、最大32MHzのク ロック周波数で動作します。また、 PIC16LF1827は、 VCdS PIC16F1827の定電圧低消費電力版で、スリープ時 の消費電流が非常に小さいのが特徴です。このキッ トは内部クロック8MHzで動作させていますが、内 部クロックの周波数精度があまり良くないため、よ り精度が良い、外付けの32.768kHzの水晶振動子を 時計用に使っています。PIC16LF1827には水晶振動 子用の発振回路が組み込まれており、少ない外付け 部品で発振させることができます。この発振を種にして時計用の1秒を作っています。具体的には水 晶振動子の発振回路の出力をタイマ１（16bitカウンタ）に接続し、32768カウントごとに割り込みを 入れています。この水晶振動子は一般的な時計用のもので、誤差±20ppm（20/1,000,000）です。 よって、最大で月差60*60*24*30*20/1000000 ≒ 52 秒の時計となります。実際にこれだけズレること はあまり無いと思いますが、月差±99秒までならば微調節できる機能をつけましたのでご利用くださ い。水晶振動子の発振周波数は周囲の温度でも大きく変化します。月差52秒以内であれば、時計のズ レは必ずしも設計が悪いせいとは限りませんのでご容赦願います。 3.6V フォトカプラへ Web非公開情報 CdS 電位 VCdS [ V ] また、CdS（硫化カドミウムセル）を光センサーとして使用しています。CdSは周囲の明るさに応 じて抵抗値が数kΩ～数MΩまで変化する素子です。R4, R5でCdSの電位が周囲の明るさに応じて0～ 2Vになるように調節しています（図(a)参照）。Cdsの電位をマイコンに内蔵されているA/Dコンバー ターで取得し、その値に応じてニキシー管、ネオン管の明るさを変えています。これは、ニキシー管 への印加電圧を変えているわけではなく、アノード側のスイッチングによって擬似的に行っています。 デューティー比（ON/OFF比）を変えたPWM（Pulse Width Modulation）信号をニキシー管、ネオン 管与えて高速にスイッチングしてやると、人間の目には明るさが変わっているに見えます。 （図(b)参照） 2.5 2 1.5 1 ←明るい 暗い→ 0.5 0 100 2 10 10003 10000 10 104 100000 105 1000000 106 10000000 107 CdS抵抗値 [Ω] 図(b). 図(a). 周囲の明るさに応じたCdS電位の 変化 11 黄色：ニキシー管アノード電圧 水色：フォトカプラ印加電圧 ネオン管及びドライバ ←こちらはネオン管ドライバ回路です。見てのとおり非常に簡単な回路です。 このようにトランジスタのコレクタ側に負荷を直接接続するような方式を オープンコレクタといいます。オープンコレクタにすることによってトラン ジスタをスイッチのように動作させることができ、電源電圧よりも高い電圧 の負荷をドライブすることができます。トランジスタがオフの時にコレクタエミッタ間に高電圧がかかるため、高耐圧のトランジスタが必要となります。 また、ネオン管は非線形素子のため、ON時の電流値が1mA程度となるよう に電流制限用の抵抗R11が必要です。 Web非公開 情報 ←マイコン ニキシー管及びドライバ Web非公開情報 ←ニキシー管は1本のアノード端子と、0～9の数字（と左右の ドット）の形に加工されたカソード端子からなります。アノード 端子と、点灯させたい数字のカソード端子に電流を流すことで、 対応する数字を光らせることができます。マイコン等でニキシー 管の点灯を制御をする方法として、スタティック点灯方式とダイ ナミック点灯方式があります。 まず、スタティック点灯方式について説明します。ニキシー管 4本を『1 2 3 4』という具合に点灯させたいと思います。スタ ティック点灯方式では、下図のようにすべてのニキシー管に同時 に電圧を印加し、連続的に点灯させます。制御プログラム的には 非常に簡単になりますが、ドライバ（兼BCD-10進デコーダ）が ニキシー管の数だけ必要なのと、マイコンからの端子数が非常に 多くなります。（4管の場合、デコーダを使用して4*4=16ポート。 デコーダを使用しないと10*4=40ポート必要） 続いて、ダイナミック点灯方式について、下図を用いて説明 します。まずスタティック方式と違うのは、ニキシー管のア 1 2 3 4 ノード側（図上側）にスイッチがついている点です。このス イッチで、その瞬間に点灯させたいニキシー管を選択します。 点灯させたいニキシー管を選択したら、点灯させたい数値に 図： スタティック点灯方式 対応するカソードをGNDに落とします。この作業を4管全て に、順に行います。ある時間でみると一つの管しか点灯していないように見えますが、これを高速で 繰り返すことで人間の目には残像として残り、全ての管が点灯しているように見えます。通常は1サ イクルを60Hz以上にします。ダイナミック点灯方式は、スタティック方式よりもソフト的には大変 ですが、マイコンからの端子数が少なくて済みます（4管の場合、デコーダを使用して4+4=8ポート、 デコーダを使用しないと4+10=14ポート）。また、ニキシー管の数にかかわらず、ドライバICが一つ で済むというのも大きな利点です。当キットでは、メリットの多いダイナミック点灯方式を採用して います。アノード側の制御は高耐圧のフォトカプラを使って行っています。フォトカプラはリレーの ような素子で、スイッチのように使うことができます。カソード側の制御は74141互換ICのK155ID1 を使っています。この ICはマイコンから4bit の数値情報を受け取り、 1 2 10 進 の 信 号 に 変 換 し てくれます。たとえ ば ”0010” な ら ”2” に 、 ”0101” な ら ”5” と いう具合に。さらにこ のICの出力は高耐圧の オープンコレクタに なっており、ICの駆動 3 4 電圧より高圧の負荷を ドライブすることがで きます。 GND ダイナミック点灯方式 12 A N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A A N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A A N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A A N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 図： A +200V +200V N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A A N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A +200V N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A +200V A N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N0 A +200V 作り方 組み立ての前に・・・ 回路中には高電圧（約200V）の箇所が存在します。電源投入の際は、部品の端子や基板の裏面に 絶対に触れないよう十分注意してください。また、濡れた手での操作はおやめください。 それでは実際にニキシー管時計の製作に入りましょう。最終的には下図を目指して組み立てていき ます。それでは、手順の通りに作成してみてください。 完成図： 上部基板↑ 下部基板↓ 基本的には、P.4のパーツリストの部品番号と、基板に印刷してある部品番号を照らし合わせなが ら部品を配置していきます。注意するポイントは以下の２点です。 ・部品の取付け位置を間違えないようにする。 ・極性のある部品は取り付け方向に注意する。 ハンダ付けが初めての方、初心者の方は Sandersonia Electronics Webページにて 『美しいハンダ付け講座』を是非ご覧ください。（http://sandersonia-elec.com/?mode=f1） ハンダ付けTips 部品を固定する前に 部品の足をハの字型 に曲げておくと、部 品が基板から抜け落 ちてしまうのを防ぐ ことができます。 ハンダ付けTips ICの足は取付け穴より 少し広がっているので、 取り付ける前に、テー ブルなどに押し付けて 幅を狭めておきます。 また、ハンダ付けの際に前にマスキ ングテープなどで固定しておくと、 きれいに取り付けられます。 13 高圧電源部の作成 ① ★ダイオードD2 まず、下部基板の作成から始めます。 最初に一番背の低い部品の抵抗 R1, R2, R3、ダイオードD1, D2を取り付けます。 ダイオードは極性があるので注意してく ださい。図のようにダイオードの帯の位 置と、基板上の白線の位置が一致するよ うに取り付けてください。 ★ダイオードD1 取り付け終わった部品の足は、ニッパー で短く切断してください。 ② 次にコンデンサC1, C2と、DC-DCコンバー ターIC（U1）を取り付けます。コンデンサに 極性はありませんが、値を間違えないように 注意してください。 ★IC ICは取付け方向に注意してください。基板上 の白丸印の位置と、ICの丸印の位置が合うよ うに取り付けてください。 丸印 ③ 丸印 トランジスタQ1、MOS-FET Q2、可変 抵抗VR1、電解コンデンサC3、ポリス イッチF1を取り付けます。取付け方向 に注意する部品はトランジスタとMOSFET、電解コンデンサです。 ★電解コンデンサ ★MOS-FET ★トランジスタ 電解コンデンサの長 いほうの足が＋印側 にくるように取り付 ける 白線 放熱板 印刷とトランジスタの向き が合うように取り付ける 14 ④ 電解コンデンサC4、インダクタL1、DC ジャックJ1、トグルスイッチSW1, SW2 を取り付けてください。電解コンデンサ は③の要領で、ほかの部品は極性は無い ので、そのまま取り付けてください。 これで高圧電源部は完成です。 ⑤ + 高圧電源のチェックを行います。DCジャックにACアダプタを差し込み、 POWERスイッチとLIGHTス イッチを両方ON（上方向）にしてください。この時にすでに高電圧が発生しています。感電には十 分注意してください。この状態で図の位置に上側にマイナス、下側にプラスのテスタープローブを当 て、電圧を測定してください。可変抵抗を回して約130V～220Vの範囲で電圧が変わることを確認し てください。確認が終わったら、可変抵抗を右いっぱいに回しておいてください。電圧が正常に出な い場合、すぐに電源を落とし、以下の点をもう一度確認してください。 動作しない時の チェック項目 ・部品の極性を間違えていないか ・抵抗値やコンデンサの容量を間違えていないか ・部品の付け忘れや、ハンダ付けの甘い個所はないか IC用電源部 (5V) の作成 ⑥ ⑦ コンデンサC5, C7、電解コンデンサC6, C8、3端子レギュレーターIC U2を取り 付けます。U2はトランジスタと同じよ うに、基板上の印刷と向きが合うよう に取り付けてください。 これでIC用電源部は完成です。 + 15 IC用電源のチェックを行いま す。POWERスイッチのみを ONにし、テスターのプロー ブを図の位置に 当てて、約 5Vが出ていることを確認し てください。電圧が正常でな い場合、直ぐに電源を落とし、 ⑤のチェック項目を確認して ください。 マイコン周辺部およびニキシー管ドライバ回路の作成 ⑧ ★IC U4 ★IC U4, U5 ダイオードD3, D4、抵抗R4～R11, R17～ R20を取り付けてください。次にコンデ ン サ C10, C11 、 硫 化 カ ド ミ ウ ム セ ル CDS1、フォトカプラU5、ニキシー管ド ライバIC U4を取付けてください。最後 にマイコンU3の位置にICソケットを取り 付けてください。極性に注意する部品は ダイオードとICです。 丸印 丸印 丸印 丸印 ※ICのロットによって は丸印の大きさが異 なったり、切り欠きと なる場合もあります。 ⑨ 水晶振動子X1、コンデンサC12, C13、 抵抗R16を取り付けます。R16は縦方向 に取り付けてください。次にトランジスタQ3、 電気二重層コンデンサC9、ピンソケットP1を 取り付けます。Q3とC9は極性に注意して取り 付けてください。最後にマイコンIC U3を向き に注意し、ICソケットに取り付けてください。 ★抵抗 R16 ★マイコンIC U3 ★電気二重層コンデンサ C9 丸印 丸印 片方の足を 曲げ、縦方 向に取り付 けてくださ い。 三角マーク が右向きに なるように 配置してく ださい。 上部基板の組立て ⑩ 次はいよいよニキシー管の取り付けです。ニキシー管には極性があります。ニキシー管を底 面から見たときに、少し広いスペースのある2ピンの右側のピンがアノードです。このピンが 基板上の矢印で示された箇所に対応するように取り付けてください。図の(a), (b)のピンが、最初から 切断されている場合がありますが、対 応する穴はとばしてください（何も取 (a) (b) り付けないでください） それではニキシー管を、次のページの 下記の手順に従って取り付けてくださ い。 少し広い スペース 広いスペースの 右側のピンがアノード 16 この位置にアノード ピンを取り付け 最初から切断されている ピンは、無視してOK ニキシー管取り付け手順 ⑩ 続き (1) ニキシー管の取り付け高さを決 める。例えば10円玉２枚分など (2) (3) 上側の１か所のみをハンダ付け する 三角定規などで縦方向の垂直を とる。 (4) (5) その状態のまま動かさずに(2)で 固定した個所と逆側の１点をハ ンダ付けする。これで縦方向が 固定された。 横方向の垂直をとる。 (6) (2)、(4)と離れた場所を固定する。 これで横方向の位置が固定され た。あとは残りの個所をすべて ハンダ付けする。 ⑪ 抵抗R12～R15を縦に取り付け、タクトスイッチSW3, SW4, SW5を取 り付けてください。次にピンヘッダを部品面とは逆側に取り付けて ください。間違えてしまうと取り外すのが非常に困難なため気を付 けてください。 次に、ネオン管の足をスペーサーに通し、中 でクロスしないように気をつけて基板に取り 付けてください。このときネオン管の下部を よく見ると、矢印が見えると思います。この 矢印のある面が正面になります。逆向きに取 り付けても壊れることはありませんが、光り 方がおかしくなります。 矢印 こちらが正面 脚部パーツの取り付け ⑫ ネジ 上部基板 スペーサー 20mm 最後に脚部のパーツを取り付け、二つの基板を合体させます。 図のような順でネジ、スペーサーを挿入し、固定してください。 基板間のコネクタの間にはピンヘッダを挿入してください。 以上で完成です！お疲れ様でした。 下部基板 スペーサー 10mm 17 電源投入テスト 電源投入の際の注意 回路中には高電圧（約200V）の箇所が存在します。電源投入の際は、部品の端子や基板の裏面に 絶対に触れないよう十分注意してください。また、濡れた手での操作はおやめください。 ★組み立てが終わったら、電源を入れてみましょう。 ・さあ、ACアダプタを繋いでPOWERスイッチ、LIGHTスイッチをONにしてみてください。 ニキシー管が光り、12:00を示すと思います。 ・『Select』ボタンを長押しすると、全てのニキシー管がくるくると光る、ロール機能のデ モを見ることができます。 ・時刻合わせや設定等は「取扱説明書」をご参照ください。 ・正常に動作しない場合は直ぐに電源を切り、次の『トラブルシュート』を参照ください。 トラブルシュート 全球点灯しない場合： ・可変抵抗を右いっぱいに回してみてください。電圧が低いと点灯しない場合があります。 ・それでも点灯しない場合、すぐに電源を落とし、 P.15 ⑤のチェック項目を確認してください。 ネオン管のみ（1秒間隔で）点滅する場合： ・IC U4, U5の向きが逆ではないか、ハンダ付けが問題ないか確認してください。 ネオン管のみ点灯しない場合： ・トランジスタQ3、R9～R11の値が正しいか、ハンダ付けが問題ないか確認してください。また、ネ オン管の足がスペーサーの中でショートしていないか確認してください。 すべて同じ数字のみ点灯する場合： ・配線のショートが考えられます。ハンダブリッジ等が無いことを確認ください。 特定のニキシー管だけ、または特定の数字だけ点灯しない場合： ・動通不良が考えられます。ハンダ付けの甘い箇所が無いか確認してください。 ・P.15 ⑤のチェック項目を再度確認してください。全て異常がなければ、パターン断線、ニキシー管 の不良等が考えられます。 この場合<[email protected]>までご連絡ください。購入後2週 間以内の初期不良に関しては対象の部品を無償で交換させていただきます。 上記項目を確認しても、原因がわからない場合は次のサポートサービスをご利用ください。 Sandersonia Electronics のサポートサービス １．メールサポート どんなに小さなことでも、ご不明な点がありましたらお気軽にメール<[email protected]>又は、お問い 合わせフォームからご連絡ください。何度でも、無料でサポートします。 ２．手直しサービス メールサポートでどうしても解決しない場合、商品を送って頂ければ、原因解析と手直しをいたします。 こちらも無料です！ ※送付の際の送料のみ、お客様でご負担ください。 ※部品の破損等により交換が必要な場合は、該当の部品代金のみ頂きます。 ※込み具合によっては、お時間を頂く場合がございます。 18
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