在我小時(shí)候的記憶中，所在縣城糧油站顯示計(jì)量白面和大米的電子秤就是使用的輝光數(shù)碼管。致敬小時(shí)候的記憶，寒假制作一個(gè)輝光數(shù)碼燈管，將會(huì)用于錄制MOOC視頻的特色背景動(dòng)態(tài)裝飾。

01 輝光數(shù)碼管

春節(jié)前購買的兩只IN-12輝光數(shù)碼管到貨了，計(jì)劃用作MOOC視頻前景特色裝飾品。這是看到其他短視頻中獲得的啟發(fā)。

▲ 圖1.1  剛到手還沒有捂熱乎的輝光數(shù)碼管

根據(jù) 俄文字母表[1] 可以看出上述的型號(hào)對(duì)應(yīng)的應(yīng)該是IN-12B型輝光數(shù)碼管管。

1.1 輝光數(shù)碼管簡介

在 講堂軍庫 IN-12A輝光管時(shí)鐘 蘇聯(lián)原裝輝光管 賽博朋克風(fēng)格[2] 給出了輝光數(shù)碼管的一般介紹。

輝光管也叫作陰冷極輝光放電指示管，誕生于50年代左右，由由一家名為 Haydu Brothers Laboratories （海頓兄弟實(shí)驗(yàn)室）的小型真空管制造商制造出來，并在1955年被Burroughs Corporation（美國寶來公司）收購之后開始推向市場。

美國寶來公司將這種陰冷極輝光放電指示管命名為NIXIE，這個(gè)名字衍生自Numeric Indicator eXperimentalNo. 1的縮寫NIX I，雖然后來這種陰冷極輝光放電指示管有很多種名稱出現(xiàn)，業(yè)界一般統(tǒng)稱為陰冷極氖讀數(shù)管，但是大多數(shù)還是以Burroughs Corporation（美國寶來公司）的NIXIE這個(gè)名字當(dāng)做白話統(tǒng)稱，因此后來大部分都是用Nixie tube這個(gè)詞來表示。

▲ 圖1.1.1  輝光數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的始終

1.2 IN-12輝光數(shù)碼管管腳定義

網(wǎng)絡(luò)上早了半天IN-12輝光管管腳定義未果。在 B站關(guān)于IN-12輝光管視頻[3] 中看到作者展示了相應(yīng)的產(chǎn)品說明書。

▲ 圖1.2.1  IN-12的外觀

下面是視頻中產(chǎn)品說明書的內(nèi)容，可以看到IN-12包括有兩種型號(hào)：IN-12A，IN-12B兩種。他們的管腳分布略有不同。

▲ 圖1.2.2 IN-12產(chǎn)品說明書

▲ 圖1.2.3 在TB網(wǎng)站下面盒子上的標(biāo)簽

1.3 管腳初步測試

1.3.1 如何識(shí)別管腳？

IN-12輝光數(shù)碼管總共有12個(gè)管腳。他們?cè)诘撞砍薯槙r(shí)針排列。

▲ 圖1.3.1 內(nèi)部管腳1具有白色的標(biāo)志

使用 絕緣測試儀[4] 所產(chǎn)生的高壓（500V）對(duì)IN-12的管腳的功能進(jìn)行測試。使用其中正極連接第一管腳。然后利用其中的負(fù)極點(diǎn)擊其中其它管腳，可以逐次確定每個(gè)引腳對(duì)應(yīng)的數(shù)字。沿著順時(shí)針，各個(gè)管腳對(duì)應(yīng)的數(shù)字如下圖所示.

▲ 圖1.3.2 輝光數(shù)字管管腳定義

1.3.2 輝光管極性

（1）在HIV施加正電壓

在HIV 施加正電壓，數(shù)碼施加負(fù)電壓。串聯(lián)電阻為50kΩ。施加的電壓為+500V，但實(shí)際輸出的電壓為176V。

▲ 圖1.3.3 測量電路示意圖

▲ 圖1.3.4  筆畫施加負(fù)電壓的情況

（2）HIV施加負(fù)電壓

將施加的電壓反過來。通常的串聯(lián)電阻：50kΩ。

▲ 圖1.3.5  施加反向電壓之后對(duì)應(yīng)的效果

1.4 輝光管導(dǎo)電特性

1.4.1 導(dǎo)電電流

測量上面限流電阻 上的電壓。 。因此流經(jīng)的電流為：

▲ 圖1.4.1 工作電壓

1.5 高壓模塊

驅(qū)動(dòng)輝光管需要+170V的電壓?，F(xiàn)在春節(jié)期間，訂購的高壓小模塊還無法到貨，只能將手邊已有的直流高壓模塊進(jìn)行改裝。

下面這個(gè)模塊可以產(chǎn)生100V的直流電壓。根據(jù)它核心控制IC的型號(hào)UC3843 可以找到它對(duì)應(yīng)的外圍反饋回路的分壓電阻參數(shù)。

▲ 圖1.5.1 100V的高壓模塊

  ●  分壓回路參數(shù)：
   電位器：10k
   電阻：13.7k
   下面分壓電阻：621Ω

這與實(shí)際輸出的100V相吻合；

1.5.1 更改分壓電阻

現(xiàn)在電路上已經(jīng)有固有的電阻13.7kΩ，則需要外加電阻：

利用兩個(gè)51kΩ并聯(lián)，經(jīng)過測量為25.21kΩ的電阻。替換原來的10k電位器。此時(shí)理論上輸出電壓應(yīng)該為：

1.5.2 更換功率器件

改動(dòng)之后，高壓模塊工作電流非常大。這說明其中的功率部分出現(xiàn)了擊穿。

高壓斬波所使用的MOS為 SUP85N10[5] ，它的耐壓為100V。所以超過100V，該功率管則會(huì)被擊穿。

整流肖特基二極管為 SPTS20S100C[6] ，它的耐壓等級(jí)也是100V。

選擇 IRF840[7] 替換原來的MOS管， IRF840的耐壓為500V。整流二極管更換成APT60D60B，反向擊穿電壓600V。

除了前面兩個(gè)半導(dǎo)體替換之后，將輸出濾波電容修改為0.15uF,400V。

▲ 圖1.5.2 改造后的高壓模塊

將IN-12換光管的限流電阻修改為10kΩ，點(diǎn)亮之后，測量高壓模塊輸出電壓為158V。

  ●  高壓模塊工作條件：
   電源：+12V
   工作電流：0.2A

▲ 圖1.5.3 點(diǎn)亮后的IN-12輝光數(shù)碼管

02 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)

2.1 三極管驅(qū)動(dòng)

IN12輝光管的單個(gè)數(shù)碼的電壓為176V，電流大約5mA。所以驅(qū)動(dòng)單個(gè)輝光管的要求：

• 耐壓超過176V；電流超過5mA；

▲ 圖2.1.1  三極管驅(qū)動(dòng)輝光管示意圖

選擇高壓小功率三極管MFV13001 驅(qū)動(dòng)輝光管數(shù)碼管腳，它的最高耐壓超過Vceo=400V。對(duì)于實(shí)驗(yàn)樣品實(shí)測，Vcbo超過740V， Vceo超過500V。

實(shí)際上，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)選擇一些耐壓小于170V的三極管，比如 2222， 它的Vcb大約只有150V，仍然可以控制輝光數(shù)碼管的點(diǎn)亮和熄滅。

實(shí)際上，市場上可以購買到的輝光管專用驅(qū)動(dòng)芯片（比如K155ID1，SN&1414dg）它們的輸出耐壓也遠(yuǎn)小于170V，實(shí)際測試也只有65V左右，但可以用于控制輝光管的點(diǎn)亮與熄滅。

▲ 圖2.1.2  K155ID1 輝光管驅(qū)動(dòng)譯碼芯片

這一點(diǎn)的確出乎我們的意料之外。課件實(shí)踐才能出真知。

2.2 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

2.2.1 原理圖設(shè)計(jì)

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▲ 圖2.2.1 控制原理圖MCU M32

▲ 圖2.2.2 輸出控制電路

2.2.2 單面電路板設(shè)計(jì)

▲ 圖2.2.3 單面板的PCB的設(shè)計(jì)

2.3 運(yùn)行情況

▲ 圖2.3.1  輝光管運(yùn)行情況

※ 制作總結(jié) ※

為了驅(qū)動(dòng)兩個(gè)輝光數(shù)碼管，供有20個(gè)數(shù)字，使用MEGA32 MCU制作了一個(gè)秒表運(yùn)行驅(qū)動(dòng)電路板。這個(gè)輝光將會(huì)用于錄制MOOC視頻的特色背景動(dòng)態(tài)裝飾。

▲ 圖3.1  制作的數(shù)碼管

參考資料

[1]

俄文字母表: https://baike.baidu.com/pic/%E4%BF%84%E6%96%87%E5%AD%97%E6%AF%8D%E8%A1%A8/10412399/1/91529822720e0cf37995f3730046f21fbf09aadc?fr=lemma&ct=single#aid=1&pic=91529822720e0cf37995f3730046f21fbf09aadc

[2]

講堂軍庫 IN-12A輝光管時(shí)鐘 蘇聯(lián)原裝輝光管 賽博朋克風(fēng)格: https://new.qq.com/omn/20211026/20211026A0AIV700.html

[3]

B站關(guān)于IN-12輝光管視頻: https://www.bilibili.com/video/av75976685/

[4]

絕緣測試儀: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/120628992

[5]

SUP85N10: https://www.vishay.com/docs/64833/sup85n10.pdf

[6]

SPTS20S100C: https://html.alldatasheet.com/html-pdf/111350/STMICROELECTRONICS/STPS20S100CT/1949/1/STPS20S100CT.html

[7]

IRF840: https://www.chip37.com/scp/IRF840