Pcb v0

Features

• 6x IN-8
• 2/4x NE-2
• GPS disciplined, temperature compensated crystal oscillator
• Lysnetspænding i EU kan lovligt variere mellem 207Vac til 253Vac, som giver halveret DC på 146-182Vdc
• Automatisk lysstyrkedæmpning
• Temperaturføler
• Komponenter skal virke ved 85C (varm dag ≤40C+4W*10K/W=80C)
• Backup-batteri, skal oscillator og tæller kørende i 1 måned??

Strømforsyning

Nixie uret skal bruge to spændinger for at fungere: 5Vdc til microcontroller og logiske kredse, samt 180Vdc til at trække nixierørene. Hvert rør kan tåle op til 3.5mA, så med 6 rør skal strømforsyningen levere 21mA + lidt til de 4 små nixie prikker, så i alt maks. 30mA v. 180Vdc. Det er nok ikke nødvendigt med PFC ved 30mA, men det kunne måske være sjovt at lave hvis der er plads til det. Evt. kan strøforsyningen blive lavet på et separat print, som kan placeres under nixie-printet, så burde der være masser af plads. Skal den kunne skifte mellem 230Vac og 120Vac, og skal den gøre det automatisk?

Specifikationer

• Fra IN-8 datablad:
  • Ignition voltage: ≤ 170V
  • Indication current: ≤ 2.5mA
  • Turn-off voltage: ??
• NE-2 lampe:
  • <1mA
• Justerbar ~180Vdc, 25mA
• Current limiting, foldback
• DIP switch med to kontakter til spændingsindstilling. Vout=150V+DIP*10V → 150, 160, 170, eller 180.

På R12-150B er spændingsstyring, som justerer mellem min-max for 0-4V. Faktisk interval=[92-200], interval som skal bruges [150-180]. Dvs. den skal justere mellem 53.7% og 81.5% af vejen mellem Vmin og Vmax, altså [2.15V,3.26V] på Vadj. Det giver [43.0%, 50.4%, 57.8%, 65.2%] af 5V.

Konfigurationer:

1. Brug forsyningens interne 1kΩ og dipswitch til spændingsdeling → alle spændinger vil ikke kunne ligge nøjagtig hvor de skal, da der ikke kan være uniform afstand mellem niveauer god hvis nivear er tætte nok
2. Samme som over men mindre modstande til dipswitch + forstærker → stadig diskrepans, men den kan blive arbitrært lille ved højt gain / bruger en opamp 3 er bedre
3. Constant current pump + dipswitchmodstand / bruger en opamp og en transistor ret god
4. Feedback kredsløb direkte fra HV udgang som er koblet tilbage til Vadj → kan få nøjagtig de rigtige spændinger / bruger også en opamp + måske stabilitetsproblemer?? risikabel

1.

Der er tre modstande, R1||LS, R2||MS, og R3 som er i serie med begge. R3 er givet, da den i serie alene skal give Vmin. R1+R2 er også givet da den sammen med R3 skal give Vmax. Det efterlader én frihedsgrad, R1, som så bestemmer R2 (eller omvendt). Alternativt, kald frihedsgraden for x=R2-R1. Større x giver større afstand mellem V1 og V2. Løsninger: enten sæt R1 så V1=160V, og løs for R2; sæt R2 så V2=170V og løs for R1; eller optimér x så RMS afvigelse af V1 og V2 minimeres.

R3/(1kΩ+R3) = 43.0% → R3 = 754Ω

• V1=160: (R3+R1)/(R3+R1+1kΩ) = 50.4% →
• (R3+R1+R2)/(R3+R1+R2+1kΩ) = 65.2% →

Der findes mange forskellige måder at opnå disse to spændinger:

• 12/24Vdc indgang → DC-DC til 5V + boost converter til 180Vdc
  • Recom R12-150B
• 230Vac indgang → diodebro som giver 325Vdc, med den rigtige modstand før nixierørene kan denne spænding bruges direkte; 5V AC-DC
  • Rimelig ueffektivt og ikke så sejt, men meget nemt
  • Nixiestrøm afhængig af netspænding
• 230Vac → styret thyristorbro som giver 180Vdc direkte; 5V AC-DC
  • Thyristorbroer er som regel store, ved ikke om man kan få en i DIP
• 230Vac → styret MOSFET ensretter som giver 180Vdc direkte; 5V AC-DC
  • Mere effektiv end thyristorbro
  • Skal bruge to MOSFETS hver vej for at kunne blokere = 8 MOSFETS
  • Kan evt. også laves som halvbølgeensretter, da den ikke skal levere ret meget strøm
• 230Vac → halveringstransformer 230V→115Vac → ensretter (styret/ikke styret); & 5V AC-DC
  • Ret nemt, få komponenter, ret effektivt, galvanisk adskillelse
  • Giver 160Vdc v. 230Vac, hvilket er fint, men hvis nettet går ned til 207Vdc så har vi kun 146Vdc hvilket ikke helt er nok
• 230Vac → 2/3-transformer = 195/217/239Vdc (min, nom, max)
  • enten direkte til nixierør, kunne sikkert fungere
    • Her vil varmetab være i modstande og måske IC, bedre at have det centreret i en NPN med varmeplade
  • eller transistor med varmetab
    • skal smide mellem 15-59V
    • ved 20mA → 0.3W-1.2W
    • TO-92: PHE13003A 60K/W, nogle af dem måske op til 2W??
    • TO-252 MJD340: 8.3K/W op til 15W
    • TO-220 BUL741: 2K/W op til 60W
    • TO-3 MJ15024: 0.7K/W op til 250W
  • eller buck-converter?
• 230Vac → reguleret flyback converter med 2 udgange!!
  • Ret sej løsning, galvanisk adskillelse, høj virkningsgrad, ikke nemt.

Skal power supply være på et separat print? Ja

Varmeplader

• Fischer Eletronik SK 13
  • 17 K/W
  • Lille U-formet, mindste heatsink som kan bruges
  • Højde: 13mm
• Mindste PCB mount
  • link
  • 17.4 K/W
  • Højde: 25.4mm
• Fischer Elektronik SK 64
  • 2.7 K/W
  • Fås i sort eller natural
  • Højde: 25mm
• SK 65 Til SOT-32 transistor, lidt lavere end SK 64
• U-formet, lidt større end den jeg har, 15K/W
• SK 36 Sej en til TO-3
• SK 31 Til TO-3, kun 12mm høj
• SK 145
• SK 59
• SK 09
• Adam tech
  • HSK-53-01 Højde: 18.5mm
  • HSK-55-01 Højde: 18.5mm
• 680-5A
  • 12.7mm højde
  • 46x46mm footprint

Komponenter

• AC Sikring + sikringsholder
  • 100mA glassikring?
• Transformer:
  • Hammond 229A230 Unhoused
    • Height: 21.6mm
  • Bel Signal IF-6-230 Red housing
    • Height: 22.6mm
  • Bel Signal 230-25-LPI Black housing
    • Height: 22.7mm
  • Bel Signal LP-230-25 Unhoused
    • Height: 21.6mm
• 5V supply:
  • Mean Well IRM-01-5
  • PBO-3E/F
  • PSK-5E
  • TRACO Power TMPS 05-105 1x1"
  • Mornsun LS05-23B05DR3 Very small
• Ensretter IC
  • sdf

Microcontroller + GNSS

Krav

• 2/3 timer/counters, en/to normale (afhængig af clock layout), en med input capture
• Extern oscillator
• 20MHz
• 12x GPIO (8 til rør, 3 til multiplexing, 1 til kommaer)
• 2x I2C/SPI/UART (til temperaturføler + GPS)
• PWM- eller analogudgang til lysdæmpning?
• Software clock source switching or 20MHz at 1.8V

Candidates

• ATmega328P
  • No live clock source switching
• ATmega1284P
  • No live clock source switching
  • Big DIP package
• megaAVR 0 series:
  • Only ATmega4809 available as DIP-40
• AVR DA
  • AVR32DA28, AVR64DA28, AVR128DA28
  • Run-time clock switching, also 24MHz at 1.8V
  • Internal 24MHz oscillator

GNSS modul

Different types of GNSS modules exist, some have IMUs and can do dead-reckoning when GNSS signal is lost. Some are single band, others are multi band and can keep a fix on multiple different frequencies at once, to increase accuracy and likelyhood of enough visible satellites, and decrease time-to-fix. Assisted GNSS is when the module acquires ephemeris data about satellites from a source such as cell towers, making time-to-fix much faster. As we are building a clock, positioning accuracy, dead-reckoning and IMU are completely irrelavant, and as the clock will not have a sim-card, so is A-GNSS. There is however one feature which is exceedingly useful: single satellite time-fix. Normally, a GNSS module requires view of four satellites to maintain a position-and-time fix, but since the clock is stationary, you can trust that the position does not change. Therefore, when the position is known, only a single satellite is technically required to maintain the time-only. There are only a few module available with this functionality, such as the uBlox units ending in -T of -F, and most are a little pricey. You can sometimes be lucky to find an NEO/LEA-M8T on ebay at a highly advantageous price though. This seems the only reasonable way to get a GNSS module with single-satellite timing without paying €200+.

• Position modules
  • Teseo LIV3F
  • u-Blox NEO-6M V2 (den som sidder på alle de billige boards)
• Timing modules
  • uBlox NEO-F10T (very good but very expensive)
  • uBlox M8T (single-satellite reception, 250kr on ebay)

Antenne

• PCB ceramic patch antenna
  • Skal bruge stort ground plane (70x70mm helst)
• Micro strip antenna (rigtig PCB antenne)?
• Aktiv vs passiv?
• Linear vs RHCP. GPS is RHCP
• GPS antanna design guide
• Qaudrifilar hex antenna
• Chip antenne
  • Linear polarization, so -3dB by default
  • Very small, omnidirectional, no ground plane necessary, highly convenient and cheap too
  • RUN mXTEND NN02-224

Offline timekeeping

Forskellige niveauer af præcision: MCUens interne RC oscillator, normal kvartskrystal, temperaturkonpenseret krystaloscillator (TCXO), ovnkontrolleret krystaloscillator (OCXO). Desuden kan en oscillator disciplineres mht. et præcist eksternt signal, f.eks. GPS for en stor forbedring i stabilitet.

Stratum 3??

Full size/half size = de normale ovalformede man kender. Full size er den høje, half size er samme footprint men lavere. De store firkantede hedder enten DIP14 (20.3x13.2mm) eller DIP8 (13.2x13.2mm).

Output types: sine, clipped sine, CMOS/HCMOS/LVCMOS

ATtiny2313 man tage 0-16MHz som ekstern clock (tabel 9 i datablad). Ekstern clock på XTAL1

• OCXO
  • CTS 139VGEVS10M000
  • Connor-Winfield OH20TSE-010.0M
  • IQD Micro Crystal OCXOV‑AV5‑10.000 SMD
  • Bruger en lille "ovn" til at opvarme krystallen og holde dens temperatur stabil
• TCXO
  • Typisk tilgændelige i 280ppb, hvilket er super
  • De har god temperaturstabilitet, men ikke nødvedigvis god aging
  • MEMS vs quartz. MEMS har bedre aging, bedre temperaturforudsigelighed, bedre dynamisk stabilitet (når temp. ændrer sig), lavere fejlrater. De er dog dyrere, har mere fasestøj, og bruger mere strøm.
  • SiTime MEMS
  • ECS ECS-TXO53-S3

Vi vil gerne under 1s afvigelse over et år uden GPS, dette kræver <31ppb afvigelse. Fordi afvigelse altid er opgivet over hele oscillatorens temperaturspænd, vil den virkelige nøjagtig nære en del bedre. Vi går efter <50ppb efter disciplinering. Ved at antage at disciplinering giver 10x forbedring → 500ppb.

XO specifikationskrav: ±0.5ppm or better, 10-16MHz, quartz/mems, DIP14 package, 70°C

Lysstyrkedæmpning

Lysstyrken fra rørene skal kunne dæmpes af MCUen, for at tilpasse til lysniveau i værelset. Rørenes lysstyrke er strømstyret, så der skal være justerbar strømbegrænser i serie med rørene. Hver lampe skal have sin egen uafhængige strømbegrænser, både for at sikre jævn lysstyrke ved variationer i rørimpedans mellem lamper og mellem cifre, men mere vigtigt som overstrømsbeskyttelse i tilfælde af at et rør fejler eller bliver afmonteret.

SN74141 skal være ved GND niveau, derfor må strømbegrænser placeres før denne, og altså med collector ved ca. 60V når røret er slukket og <2.5V når det er tændt. Du skal også bruge 10x så mange ved at sætte dem efter røret → de skal være før!

1:6 high-side current mirror med PNP transistorer, hvor hvert rør får en transistor. Til at generere referencestrøm bruges en low-side opamp drevet NPN transistor. Mellem NPN og PNP sættes en modstand så ingen behøver kunne klare høje spændinger.

Reserveforsyning

Standby strømforbrug

• Oscillator
  • SiTime rækker ca. 50mA - aaaaalt for meget
  • ECS trækker 8mA @ 3V, også alt for meget
• MCU
  • Trækker <1uA @ 1.8V ved korrekt brug af strømsparefunktioner.
• GNSS
  • NEO-M8T Standby power = 15uA @ 1.8V
• LDO eller buck
  • MCP1700: Vmin=2.3V, Iq=1.6uA (TO-92)
  • TPS7A02: Vmin=1.5V, Iq=25nA, Faktisk dropout ved uA=50-100mV (SOT-23-5)

Der skal bruges en backup-krystal, som bruger mindre strøm

For at MCUen bruger mindst muligt strøm skal den køres ved 1.8V, men ved denne spænding kan den kun køre op til 4MHz.

Options:

• Kør MCU ved 5V 20MHz, også under reserveforsyning
  • 2 20MHz oscillatorer, en ultra strabil og en strømsparende. Strømsparende driver altid clocken og en timer, stabil driver en anden timer. Skift mellem timere ved strømafbrydelse.
  • Skal forsynes med 5V → enten meget lavt headroom for LDO, ellers kræver det buck-boostconverter.
• Kør MCU ved 1.8V 4MHz, også under normal drift.
  • En stabil 20MHz oscillator og en strømsparende 4MHz. 20MHz driver en timer, 4MHz driver altid clocken+en timer. Skift til 4MHz timer ved strømafbrydelse.
  • Hvis 4MHz er nok til det den skal udregne fungerer det fint.
• Find en MCU som kan tage to clock inputs, og skifte mellem dem i software.
  • Ingen classic AVR kan, skal bruge
• Extern clock multiplexer
• Brug AVR Dx, de kan køre 20MHz ved 1.8V!?

Udførsel, lagkagekasse

Bruger den første kasse der blev bygget, den laserskårede. 6 IN-8 rør, 2 NE-2 lamper. Ingen optokoblere. Forsynet med 170V reguleret direkte fra ensrettet mains, derudover lille indpakket 5V AC-DC forsyning. Forsyning på separat print, som hænger under styreprint med 20mm standoffs, og bruger disse til forbindelse. Ensretter, CRC filter, TO-3 transistor, (en cap mere?) Strømindgang via IEC C7 stik uden ground, intet at bruge det til.

To ting kan ødelægge livstiden af en supercap: spænding samt temperatur. Hvis begge disse er lave er der måske håb for at den holder længe nok. Spænding har en langt stærkere effekt end temperature. 0.2V lavere spænding vil fordoble levetiden, mens 10C mindre gør det samme [Supercap lifetime explained PDF].

Med switchmode vil den ligge under 30C næsten altid → 40C under 70C → 10^4 forbedring i levetid.

Komponenter, generel

• Lamper
  • 6x IN-8
  • 2/4x NE-2
• Forsyningsprint
  • Sikring
    • 100mA
  • Transformer
  • Ensretter
  • Lyt
  • Zenerdiode(r)
    • hvis 180V så 5W
  • Effekttransistor
  • OCP transistor
  • Modstande
  • AC-DC forsyning
• Styreprint
  • Microcontroller (ATtiny2313?)
  • Shift register x4
  • Quad optokobler f.eks. LTV-845M x4
  • SN74141 x4
  • MPSA42 NPN transistor
  • 6x Anodemodstande til nixierør 1/2W
  • 2x Anodemodstande til NE2 lamper 1/4W
  • Højnøjagtig oscillator
  • Laveffektoscillator til backup??
  • GPS chip
  • GPS antennestik
  • Backup batteri/supercap

Enclosure

Varmeafgivelse

• Original laserskåret lagkagekasse
  • Test 1: P=4W, UT=22C, IT=67C → +45C v. 4W = 11.25 K/W
  • Test 2: P=3W, UT=22C, IT=58C → +36C v. 3W = 12 K/W
  • Test 3: P=2W, UT=22C, IT=49C → +26C v. 2W = 13.5 K/W
  • Test 4: P=1W, UT=22C, IT=38C → +16C v. 1W = 16 K/W

SMD keramiske kondensatorer 2.2uF 450V her

Indkøbsliste

• MCU
• Nøjagtig oscillator ECS ECS-TXO53-S3
• Strømsparende oscillator
• Supercap
• LDO
• Antenna