Nixie Uhr Bausatz 2.1: Difference between revisions

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*Mikrocontroller ESP12E mit WLAN. Die Uhr kann sich die aktuelle Zeit von einem NTP Server holen
*Mikrocontroller ESP12E mit WLAN. Die Uhr kann sich die aktuelle Zeit von einem NTP Server holen
*DS3231 RTC. Dadurch bleibt die Zeit auch ohne WLAN Anbindung stabil
*DS3231 RTC. Dadurch bleibt die Zeit auch ohne WLAN Anbindung stabil
*Mikrocontroller über USB mittels FT232 am PC programmierbar
*Mikrocontroller über USB mittels FT232 am PC programmierbar. So können eigene Änderungen an der Firmware vorgenommen werden, um beispielsweise weitere Funktionen hinzuzufügen
*MQTT Client. Dadurch kann die Uhr in ein bestehendes Hausautomatisierungssystem eingebunden werden, um z.B. die Ziffernanzeigeröhren nur bei Anwesenheit einzuschalten.
*MQTT Client. Dadurch kann die Uhr in ein bestehendes Hausautomatisierungssystem eingebunden werden, um z.B. die Ziffernanzeigeröhren nur bei Anwesenheit einzuschalten.
*WS2812 RGB LEDs unter den Röhren für alle, die bunt beleutete Nixieröhren mögen
*WS2812 RGB LEDs unter den Röhren für alle, die bunt beleutete Nixieröhren mögen
*I2C und die UART des ESP8266 sind an einer Stiftleiste herausgeführt, um externe Sensoren oder Ähnliches anschließen zu können
*Die Schaltung ist für den Einbau eines Photowiderstandes vorbereitet, um beispielsweise bei Nacht die LEDs zu dimmen oder die Anzeige auszuschalten
*Hübsche Platine in <s>Violett</s>  schwarz
*Hübsche Platine in <s>Violett</s>  schwarz
*Ein Gehäusevorschlag aus Acrylglas ist geplant.




Die Version 2.1 der Turmlabor Nixie Uhr weist gegenüber den vorherigen Versionen einige Änderungen auf.   
Die Version 2.1 der Turmlabor Nixie Uhr weist gegenüber den vorherigen Versionen einige Änderungen auf.   


====Aktueller Stand====
===Aktueller Stand===


*Juli 2020: Prototyp aufgebaut, Hochspannungsversorgung funktioniert, upload der Firmware und abschließender Funktionstest steht aus.
*Juli 2020: Prototyp aufgebaut, Hochspannungsversorgung funktioniert, upload der Firmware und abschließender Funktionstest steht aus.
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*Februar 2021: Der Test des Prototyps waren erfolgreich. Es wurde eine Kleinserie von 30 Platinen aufglegt. Diese können im Turmlabor zum Selbstkostenpreis erworben werden.
*Februar 2021: Der Test des Prototyps waren erfolgreich. Es wurde eine Kleinserie von 30 Platinen aufglegt. Diese können im Turmlabor zum Selbstkostenpreis erworben werden.


==Schaltungsänderungen gegenüber den vorhergehenden Versionen==
====Schaltungsänderungen gegenüber den vorhergehenden Versionen====
[[File:LM3478 Schaltplan.png|alt=Schaltplan Hochspannungsversorgung|thumb|Schaltplan der Hochspannungsversorgung]]Erklärtes Ziel der Änderungen ist es, neben dem Beheben von Schaltungs- und Layoutfehlern, eine Effizienzsteigerung insbesondere in der Anodenspannungsversorgung zu erreichen, unnötige Schaltungsteile zu entfernen und auf Durchsteckbauelemente weitgehend zu verzichten.
[[File:LM3478 Schaltplan.png|alt=Schaltplan Hochspannungsversorgung|thumb|Schaltplan der Hochspannungsversorgung]]Erklärtes Ziel der Änderungen ist es, neben dem Beheben von Schaltungs- und Layoutfehlern, eine Effizienzsteigerung insbesondere in der Anodenspannungsversorgung zu erreichen, unnötige Schaltungsteile zu entfernen und auf Durchsteckbauelemente weitgehend zu verzichten. Durchsteckbauteile sind jetzt hauptsächlich in den Bereichen der Anodenspannung zu finden, wo es auf die Einhaltung von Isolationsabständen ankommt. Weiterhin sind alle Schalter und Taster wegen der mechanischen Stabilität als Durchsteckbauelemente ausgeführt.
====Spannungsversorgung====
====Spannungsversorgung====
Eine wesentliche Verbesserung ist der geänderte Hochsetzsteller für die Anodenspannung. Dieser nutzt nun den Reglerschaltkreis LM3478 und den Schalttransistor SI4434. Die Schaltung wurde in LT-Spice optimiert und erreicht in der Praxis einen Wirkungsgrad von etwa 70%.  
Eine wesentliche Verbesserung ist der geänderte Hochsetzsteller für die Anodenspannung. Dieser nutzt nun den Reglerschaltkreis LM3478 und den Schalttransistor SI4434. Die Schaltung wurde in LT-Spice optimiert und erreicht in der Praxis einen Wirkungsgrad von etwa 70%.  
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Die Komma-Anschlüsse der Röhren sind jetzt ebenfalls an die Schiberegister angeschlossen. Dadurch ergibt sich eine Änderung in der Zuordnung der Ziffern in der Software.
Die Komma-Anschlüsse der Röhren sind jetzt ebenfalls an die Schiberegister angeschlossen. Dadurch ergibt sich eine Änderung in der Zuordnung der Ziffern in der Software.


== Hardwarebeschreibung ==
==Hardwarebeschreibung==


==== Spannungsversorgung ====
====Spannungsversorgung====


==== Röhrenansteuerung ====
====Röhrenansteuerung====


==== Controller ====
====Controller====


==Layout==
=====Layout=====
Das Layout ist darauf optimiert, auf dem [[Bestückapparat]] des Turmlabores bestückbar zu sein. Das bedeutet insbesondere, dass alle Bauteile auf einer Seite der Platine montiert werden. Weiterhin gibt es Änderungen am Package des IO Expanders, es ist jetzt ein SOIC18W. Dadurch sollte dieses Bauteil auch für im SMD Löten unerfahrene Menschen bestückbar sein.  
Das Layout ist darauf optimiert, auf dem [[Bestückapparat]] des Turmlabores bestückbar zu sein. Das bedeutet insbesondere, dass alle Bauteile auf einer Seite der Platine montiert werden. Weiterhin gibt es Änderungen am Package des IO Expanders, es ist jetzt ein SOIC18W. Dadurch sollte dieses Bauteil auch für im SMD Löten unerfahrene Menschen bestückbar sein.  


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<br />
==Software und Bedienung==
TODO!


==Materialliste und Aufbauhinweise==
==Materialliste und Aufbauhinweise==
Die Bestückung der Platine mit den SMD-Bauteilen ist im Lötofen möglich. Dazu existiert im Turmlabor eine Schablone zum Lotpastendruck. Die Bauteile lassen sich auf dem Bestückapparat des Turmlabores platzieren und nacher mit Heißluft oder im Lötofen löten. Die Durchsteckbauelemente und das ESP8266 Modul werden nach dem Löten der SMD-Bauteile von Hand nachbestückt. Häufig vorhandene Bauelemente sind auf dem Bestückungsplan farblich markiert.
Die Bestückung der Platine mit den SMD-Bauteilen ist im Lötofen möglich. Dazu existiert im Turmlabor eine Schablone zum Lotpastendruck. Die Bauteile lassen sich auf dem Bestückapparat des Turmlabores platzieren und nacher mit Heißluft oder im Lötofen löten. Die Durchsteckbauelemente und das ESP8266 Modul werden nach dem Löten der SMD-Bauteile von Hand nachbestückt. Häufig vorhandene Bauelemente sind auf dem Bestückungsplan farblich markiert.
[[File:Nixie proj-F.Fab.svg.png|center|thumb|554x554px|Bestückungsplan Nixieuhr 2.1]]
 
Bei den Bestellnummern insbesondere für die Standard-Chipwiderstände und -Kondensatoren im 0805 Gehäuse, haben die Bestellnummern eher einen Empfehlungscharakter. Je nachdem bei welchem Lieferanten Reichelt gerade diese Bauteile beschafft hat, können sich die Bestellnummern auch mal ändern. Das ist allerdings kein Problem, da diese Bauteile aus jeder verfügbaren Quelle genommen werden können. 
{| class="wikitable"
|+Materialliste
|'''Reference(s)'''
|'''Value'''
|'''Reichelt'''
|'''manf#'''
|-
|68uH1
|INDUCTOR
|WUE 7447709680
|7447709680
|-
|BT401
|Battery_Cell
|
|BAT-HLD-012-SMT
|-
|C1, C5, C6, C8, C14, C16, C17, C18, C19, C20, C21, C22, C23, C201
|2.2u
|KEM X5R0805 2,2U
|C0805C225K8PACTU
|-
|C2, C3, C4
|22u
|X5R-G0805 22/6
|GRM21BR60J226ME39L
|-
|C7
|150p
|KEM C0G0805 150P
|C0805C151J5GACTU
|-
|C9
|1n
|KEM C0G0805 150P
|C0805C151J5GACTU
|-
|C12, C13
|1u
|
|2225PC105MAT1A
|-
|C305
|3n3
|KEM X7R0805 3,3N
|C0805C151J5GACTU
|-
|D1
|P6SMB6,8A
|P6SMB 6,8A SMD
|P6SMB6,8A
|-
|D2
|PRTR5V0U2X
|
|PRTR5V0U2X,215
|-
|D304
|ES2G/SMB
|ES 2G SMD
|ES2G-E3/52T
|-
|D401
|TX
|SMD-LED 0805 RT
|KP-2012ID
|-
|D402
|RX
|SMD-LED 0805 GN
|KP-2012SGD
|-
|F1
|2,2A
|LITT MINISMDC110
|MINISMDC110F/24-2
|-
|L4
|Ferrite_Bead
|BLM21PG 331
|BLM21PG331 SN1D
|-
|LED401, LED402, LED403, LED404
|WS2812B
|
|
|-
|P301
|USB_OTG
|USB BWM SMD
|USB BWM SMD
|-
|Q1
|SI4434
|SI4434DY-GE3
|SI4434DY-T1-GE3
|-
|Q2
|BSS138
|BSS 138 SMD
|BSS 138 SMD
|-
|Q202, Q203, Q204, Q205, Q206, Q207, Q208, Q209
|MPSA92
|MPSA 92
|MPSA92
|-
|Q401, Q403, Q404
|BSS138
|BSS 138 SMD
|BSS 138 SMD
|-
|R1
|68k1
|RND 0805 1 68K
|RND1550805S8F6802T5E
|-
|R2, R3, R206, R310, R401, R402, R403, R410, R411, R412, R413, R414, R416, R417, R418, R419, R420, R421
|10k
|RND 0805 1 10K
|RND1550805S8F1002T5E
|-
|R4
|51k1
|RND 0805 1 51K
|RND1550805S8F5102T5E
|-
|R5
|1k
|RND 0805 1 51K
|RND1550805S8F5102T5E
|-
|R201, R203, R205, R208
|330k
|VI MBB02070C3303
|MBB02070C3303FCT00
|-
|R202, R204, R207, R209
|330
|VI MBB02070C3300
|MBB02070C3300FCT00
|-
|R308
|1M5
|SMD-0805 1,50M
|RC0805FR-071M5L
|-
|R404, R405, R406, R407
|10R
|RND 0805 1 10
|RND1550805S8F100JT5E
|-
|R408, R409
|120
|RND 0805 1 120
|RND1550805S8F1200T5E
|-
|RSENSE301
|0R050
|PAN ERJ8CWFR050
|ERJ-L14KF50MU
|-
|SW1
|EG1224
|
|EG1224
|-
|SW401
|SW_Push
|RND 210-00192
|RND 210-00192
|-
|SW402
|Rechts
|RND 210-00258
|RND 210-00258
|-
|SW403
|Mitte
|RND 210-00258
|RND 210-00258
|-
|SW404
|Links
|RND 210-00258
|RND 210-00258
|-
|TBE201, TBE202, TBE203, TBE204
|IN14
|
|
|-
|U1
|DS3231MZ
|
|DS3231MZ+
|-
|U2
|LM1117-3.3
|LM 1117 IDT-3.3
|LM1117IDT-3.3/NOPB
|-
|U3
|LM3478
|LM 3478 MM
|LM3478MM/NOPB
|-
|U201, U202
|HV5530 bzw HV5522
|
|HV5522PG-G
|-
|U401
|ESP-12E
|DEBO ESP8266-12F
|ESP-12S
|-
|U402
|FT232RL
|FT 232 RL
|FT232RL-REEL
|-
|U403
|MCP23008
|
|MCP23008-E/SO
|}
 
====Bestückungsplan====
<br />[[File:Nixie proj-F.Fab.svg.png|center|thumb|554x554px|Bestückungsplan Nixieuhr 2.1]]
Es müssen nicht alle im Bestückplan eingezeichneten Bauelemente auch wirklich bestückt werden. Insbesondere der Photowiderstand und die Stiftleiste J1 sind optional. In einer Sparvariante könnte der FT232RL samt Beschaltung ebenfalls weg gelassen werden, dann ist ein Programmieren des ESP8266 nur über die Stiftleiste J1 möglich.  
Es müssen nicht alle im Bestückplan eingezeichneten Bauelemente auch wirklich bestückt werden. Insbesondere der Photowiderstand und die Stiftleiste J1 sind optional. In einer Sparvariante könnte der FT232RL samt Beschaltung ebenfalls weg gelassen werden, dann ist ein Programmieren des ESP8266 nur über die Stiftleiste J1 möglich.  


Latest revision as of 18:53, 8 December 2021

Das ist mittlerweile die dritte Version dieses Bausatzes und hat den Anspruch die bei den vorherigen Versionen aufgetretenen Fehler und Unzulänglichkeiten auszubessern.

3D Ansicht der Platine in KiCAD

Übersicht

Die Turmlabor Nixie Uhr hat folgende Features:

  • 4 IN14 Ziffernanzeigeröhren. Andere Ziffernanzeigeröhren, wie die IN8-2 könnten allerdings auch rein passen
  • Stromversorgung über ein USB Netzteil
  • Mikrocontroller ESP12E mit WLAN. Die Uhr kann sich die aktuelle Zeit von einem NTP Server holen
  • DS3231 RTC. Dadurch bleibt die Zeit auch ohne WLAN Anbindung stabil
  • Mikrocontroller über USB mittels FT232 am PC programmierbar. So können eigene Änderungen an der Firmware vorgenommen werden, um beispielsweise weitere Funktionen hinzuzufügen
  • MQTT Client. Dadurch kann die Uhr in ein bestehendes Hausautomatisierungssystem eingebunden werden, um z.B. die Ziffernanzeigeröhren nur bei Anwesenheit einzuschalten.
  • WS2812 RGB LEDs unter den Röhren für alle, die bunt beleutete Nixieröhren mögen
  • I2C und die UART des ESP8266 sind an einer Stiftleiste herausgeführt, um externe Sensoren oder Ähnliches anschließen zu können
  • Die Schaltung ist für den Einbau eines Photowiderstandes vorbereitet, um beispielsweise bei Nacht die LEDs zu dimmen oder die Anzeige auszuschalten
  • Hübsche Platine in Violett schwarz
  • Ein Gehäusevorschlag aus Acrylglas ist geplant.


Die Version 2.1 der Turmlabor Nixie Uhr weist gegenüber den vorherigen Versionen einige Änderungen auf.

Aktueller Stand

  • Juli 2020: Prototyp aufgebaut, Hochspannungsversorgung funktioniert, upload der Firmware und abschließender Funktionstest steht aus.
  • Nach erfolgreichem Test wird es eine Kleinserie zum Selbstkostenpreis geben.
  • Februar 2021: Der Test des Prototyps waren erfolgreich. Es wurde eine Kleinserie von 30 Platinen aufglegt. Diese können im Turmlabor zum Selbstkostenpreis erworben werden.

Schaltungsänderungen gegenüber den vorhergehenden Versionen

Schaltplan Hochspannungsversorgung
Schaltplan der Hochspannungsversorgung

Erklärtes Ziel der Änderungen ist es, neben dem Beheben von Schaltungs- und Layoutfehlern, eine Effizienzsteigerung insbesondere in der Anodenspannungsversorgung zu erreichen, unnötige Schaltungsteile zu entfernen und auf Durchsteckbauelemente weitgehend zu verzichten. Durchsteckbauteile sind jetzt hauptsächlich in den Bereichen der Anodenspannung zu finden, wo es auf die Einhaltung von Isolationsabständen ankommt. Weiterhin sind alle Schalter und Taster wegen der mechanischen Stabilität als Durchsteckbauelemente ausgeführt.

Spannungsversorgung

Eine wesentliche Verbesserung ist der geänderte Hochsetzsteller für die Anodenspannung. Dieser nutzt nun den Reglerschaltkreis LM3478 und den Schalttransistor SI4434. Die Schaltung wurde in LT-Spice optimiert und erreicht in der Praxis einen Wirkungsgrad von etwa 70%.

LM3478 Layout
Layout der Hochspannungsversorgung

Die Überstromschutzschaltung hat bei den vorherigen Versionen als zu aufwändig und zu wenig wirksam herausgestellt. Sie wurde jetzt durch eine Polyfuse und eine unidirektionale TVS Diode zum Überspannungs- und Verpolschutz ersetzt.

Nixieröhren

Die Komma-Anschlüsse der Röhren sind jetzt ebenfalls an die Schiberegister angeschlossen. Dadurch ergibt sich eine Änderung in der Zuordnung der Ziffern in der Software.

Hardwarebeschreibung

Spannungsversorgung

Röhrenansteuerung

Controller

Layout

Das Layout ist darauf optimiert, auf dem Bestückapparat des Turmlabores bestückbar zu sein. Das bedeutet insbesondere, dass alle Bauteile auf einer Seite der Platine montiert werden. Weiterhin gibt es Änderungen am Package des IO Expanders, es ist jetzt ein SOIC18W. Dadurch sollte dieses Bauteil auch für im SMD Löten unerfahrene Menschen bestückbar sein.


Software und Bedienung

TODO!

Materialliste und Aufbauhinweise

Die Bestückung der Platine mit den SMD-Bauteilen ist im Lötofen möglich. Dazu existiert im Turmlabor eine Schablone zum Lotpastendruck. Die Bauteile lassen sich auf dem Bestückapparat des Turmlabores platzieren und nacher mit Heißluft oder im Lötofen löten. Die Durchsteckbauelemente und das ESP8266 Modul werden nach dem Löten der SMD-Bauteile von Hand nachbestückt. Häufig vorhandene Bauelemente sind auf dem Bestückungsplan farblich markiert.

Bei den Bestellnummern insbesondere für die Standard-Chipwiderstände und -Kondensatoren im 0805 Gehäuse, haben die Bestellnummern eher einen Empfehlungscharakter. Je nachdem bei welchem Lieferanten Reichelt gerade diese Bauteile beschafft hat, können sich die Bestellnummern auch mal ändern. Das ist allerdings kein Problem, da diese Bauteile aus jeder verfügbaren Quelle genommen werden können.

Materialliste
Reference(s) Value Reichelt manf#
68uH1 INDUCTOR WUE 7447709680 7447709680
BT401 Battery_Cell BAT-HLD-012-SMT
C1, C5, C6, C8, C14, C16, C17, C18, C19, C20, C21, C22, C23, C201 2.2u KEM X5R0805 2,2U C0805C225K8PACTU
C2, C3, C4 22u X5R-G0805 22/6 GRM21BR60J226ME39L
C7 150p KEM C0G0805 150P C0805C151J5GACTU
C9 1n KEM C0G0805 150P C0805C151J5GACTU
C12, C13 1u 2225PC105MAT1A
C305 3n3 KEM X7R0805 3,3N C0805C151J5GACTU
D1 P6SMB6,8A P6SMB 6,8A SMD P6SMB6,8A
D2 PRTR5V0U2X PRTR5V0U2X,215
D304 ES2G/SMB ES 2G SMD ES2G-E3/52T
D401 TX SMD-LED 0805 RT KP-2012ID
D402 RX SMD-LED 0805 GN KP-2012SGD
F1 2,2A LITT MINISMDC110 MINISMDC110F/24-2
L4 Ferrite_Bead BLM21PG 331 BLM21PG331 SN1D
LED401, LED402, LED403, LED404 WS2812B
P301 USB_OTG USB BWM SMD USB BWM SMD
Q1 SI4434 SI4434DY-GE3 SI4434DY-T1-GE3
Q2 BSS138 BSS 138 SMD BSS 138 SMD
Q202, Q203, Q204, Q205, Q206, Q207, Q208, Q209 MPSA92 MPSA 92 MPSA92
Q401, Q403, Q404 BSS138 BSS 138 SMD BSS 138 SMD
R1 68k1 RND 0805 1 68K RND1550805S8F6802T5E
R2, R3, R206, R310, R401, R402, R403, R410, R411, R412, R413, R414, R416, R417, R418, R419, R420, R421 10k RND 0805 1 10K RND1550805S8F1002T5E
R4 51k1 RND 0805 1 51K RND1550805S8F5102T5E
R5 1k RND 0805 1 51K RND1550805S8F5102T5E
R201, R203, R205, R208 330k VI MBB02070C3303 MBB02070C3303FCT00
R202, R204, R207, R209 330 VI MBB02070C3300 MBB02070C3300FCT00
R308 1M5 SMD-0805 1,50M RC0805FR-071M5L
R404, R405, R406, R407 10R RND 0805 1 10 RND1550805S8F100JT5E
R408, R409 120 RND 0805 1 120 RND1550805S8F1200T5E
RSENSE301 0R050 PAN ERJ8CWFR050 ERJ-L14KF50MU
SW1 EG1224 EG1224
SW401 SW_Push RND 210-00192 RND 210-00192
SW402 Rechts RND 210-00258 RND 210-00258
SW403 Mitte RND 210-00258 RND 210-00258
SW404 Links RND 210-00258 RND 210-00258
TBE201, TBE202, TBE203, TBE204 IN14
U1 DS3231MZ DS3231MZ+
U2 LM1117-3.3 LM 1117 IDT-3.3 LM1117IDT-3.3/NOPB
U3 LM3478 LM 3478 MM LM3478MM/NOPB
U201, U202 HV5530 bzw HV5522 HV5522PG-G
U401 ESP-12E DEBO ESP8266-12F ESP-12S
U402 FT232RL FT 232 RL FT232RL-REEL
U403 MCP23008 MCP23008-E/SO

Bestückungsplan


Bestückungsplan Nixieuhr 2.1

Es müssen nicht alle im Bestückplan eingezeichneten Bauelemente auch wirklich bestückt werden. Insbesondere der Photowiderstand und die Stiftleiste J1 sind optional. In einer Sparvariante könnte der FT232RL samt Beschaltung ebenfalls weg gelassen werden, dann ist ein Programmieren des ESP8266 nur über die Stiftleiste J1 möglich.

Wer keine beleuchteten Röhren möchte, kann die vier WS2812B LEDs samt Pegelwandler ebenfalls weg lassen.

Weblinks

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