AdafruitのIce Cube Clock組み立て

adafruitのIce Cube Clockを組み立ててみました。このデジタル時計キットはハードもソフトもオープンソースでうれしいキットなのですが、組み立て説明が英語なので、日本語にしてみました。

Ice Cube Clock

先日のエントリでちょっと紹介しましたが、AdafruitのIce Cube Clockキットを購入、組み立ててみました。デジタル時計のキットで、ちょっとレトロなディスプレイ管を使用していて、デジタル時計キットはハードもソフトもオープンソースで、面白いキットなのですが、組み立て工程が英語なので、実際に組み立ててみた注意点も含めながら日本語にしてみました。なお、直訳するとわかりづらい説明は意訳しました。

キットはこちらです。

Ice Cube Clock Kit

adafruitのサイトにある組み立て手順の画像は使っていいのかよくわからなかったので、自分で撮影しました。ということで、以下の説明画像はピンボケがあったり、撮りわすれがあったりしますので、画像がよくわからないときはここのサイトを参照してみてください。

Ice Cube Clock組み立て手順

(※印は自分で追記したものです。)

Ice Cube Clockはこれから説明する手順にしたがって組み立て、手順の途中に出てくるテストはすべて行ってください。もしひとつでもテストがNGだったらそのまま続けずにテストがうまくいくように手順を確認し、それでも解決しなければフォーラムに質問を投稿してください。そのまま続けても自然に直ることはないですし、あとでもっとデバッグする必要がでてきてしまいます。
※フォーラムはadafruitが用意しているもので、英語での投稿となります。

それでは部品リストを確認して、すべてそろっていることを確認したら、ハンダゴテをあたため、スポンジを濡らして、工具と部品をすぐに使えるように準備し、作業スペースを確保しましょう。
※「スポンジ」はハンダゴテの先をきれいにするものです。
※部品リストはここにあります。英語ですが、画像を見ながら比較すれば特に問題ないと思います。ただ画像の部品とは色や形が違うものもあります。キットを購入された方は自分の部品とサイトの部品をよく比べてください。

はじめに取り付ける部品はDCジャックです。これはこの時計に電源を供給するコネクタです。以下のようにDCジャックを取り付けます。このコネクタは一方向しか取り付けることができないので取り付け方向は間違えることはないでしょう。

DCジャックを取り付けたら基板を裏返しましょう。DCジャックが安定しない場合はテープで基板に固定するか、手先が器用でしたら指で押さえます。
※指で押さえる場合は、押さえたままハンダ付けすると場所によっては熱くなりますのでヤケドに注意します。

ハンダゴテをDCジャックのピンと基板のパッドに押し付けて温め、ちょっと待ったらハンダを当ててパッドに行き渡るようにします。3本のピンをすべてハンダ付けします。ハンダを穴に十分流し込みましたか？これはメカ的な強度を確保するためにも必要です。

2番目に取り付ける部品はヒューズ(部品記号F1)です。ヒューズはセラミックコンデンサとすごくよく似ています。十分確認しながらヒューズを探してください。ヒューズは以下の画像で一番左のものです。黄色の大きめの「頭」がついています。リード線にはくびれがあり、リード線の間はコンデンサより広く、5mmあります。
※リード線が内側にくぼんでいるものがヒューズです。

ヒューズを見つけたら、DCジャックの隣に取り付けます。ヒューズは画像の位置にすっぽり収まるはずです。もしリード線を曲げたりしないと取り付けられない場合はコンデンサの可能性がありますのでもう一度部品を確認してください。なお、ヒューズの中は単なる電線なので、極性(※プラスマイナスの向き)はありません。どちら向きにつけても動作します。このフューズにより、回路に200mA以上電流が流れた場合、ヒューズが熱くなり電源供給が遮断されます。しばらく経って冷えてくるとヒューズはリセットされて電源が供給されるようになります。

ヒューズは、ヒューズのまわりに隙間ができるように、ヒューズ本体は基板から離れるように取り付けます。ヒューズ本体を押し付けてリード線を曲げて基板に近づけないようにしてください。

ヒューズを取り付けたら、基板裏側に出ているリード線を曲げてハンダ付けします。ハンダ付けしたら余分なリード線をニッパーで切り取ります。

次はダイオード(部品記号D1、D2)です。ダイオードは電流を一方向のみに流す部品です。このダイオードを電源と回路の間にいれることにより、電源を逆につないでしまってマジックの煙みたいなものがでてきたりしないように(※アメリカっぽい表現ですね)回路を保護します。想像がつくと思いますが、ダイオードは正しい向きで取り付ける必要があります。ダイオードの片側は白かシルバーの線がついています。以下の画像をよくみてこの線と基板上のシルク印刷の記号が一致するように取り付けてください。

ダイオードを取り付けるときは上の画像のようにホチキスの針のようにリード線を曲げます。もう一度取り付ける向きを確認して、基板上のD1とD2と書いてあるところに取り付けます。取り付けたらリード線を外側に曲げて外れないようにします。

このように取り付けたらハンダ付けして余分なリード線を切り取ります。

次は7805(5V)レギュレータICを取り付けます。この部品は電源アダプタから供給された7V〜16Vの電圧を安定した5Vに変換するものです。まずリード線を画像のように90度曲げます。

次に基板のシルク印刷に合うように取り付けます。特にレギュレータICと基板の穴が合うように合わるように注意してください。この作業はキットに入っているねじを使うとやりやすいです。このように取り付けたら固定するために表からハンダ付けしてしまいます。

固定したら基板を裏返して裏側の3本のリード線をハンダ付けして余分なリード線を切り取ります。

次は47uF/25Vの電解コンデンサ(部品記号C2)です。このコンデンサは供給される電源のリップル(※揺らぎ)をスムーズなものにします。電解コンデンサは極性がありますので、正しく取り付けないとうまく動作しません。電解コンデンサをよく見ると、片方のリード線がもう片方のものより長いことに気付くと思います。長いほうがプラス側です。シルク印刷に+の記号がありますので、+記号の穴に長いほうのリード線をさしこみます。

もうひとつ220uF/6.3Vの電解コンデンサ(部品記号C4)を同様に取り付けます。これはレギュレータから出力された5V電圧のノイズを低減するものです。こちらも取り付ける向きに注意してください。取り付けたら基板を裏返してハンダ付けします。

ハンダ付けできたら余分なリード線を切り取ります。

次に0.1uFのセラミックコンデンサ(部品記号C1とC3)を取り付けます。この2つのコンデンサはリード線がまっすぐで、くびれはついていませんので注意してください。画像の真ん中のものです。

これらのコンデンサは小さく、C2とC4と合わせて動作し、より小さい高い周波数のノイズを低減するものです。セラミックコンデンサは極性はありませんので取り付ける向きはどちらでも問題ありません。取り付けたらハンダ付けして余分なリード線を切り取ります。

ここまでの作業で以下のような状態になります。

ここまでできたら一度テストしましょう。テストできるきれいなスペースを作ります(切り取ったリード線などは片づけてください)。電源アダプタをコンセントにツナギ、プラグを基板のDCコネクタにつなぎます。

テスターを用意して、必要があればレンジを20V程度にセットします。マイナスのプローブを7805レギュレータICの金属部分に当てて、プラスのプローブを一番手前のピンに当てます。(※画像を参照してください)

電圧は7V〜13Vの間になりましたか？なっていないようでしたら回路をチェックしてください。アダプタはきちんと接続されていますか？ダイオードの向きは正しいですか？テスターのプローブはきちんと接触させていますか？レンジは正しいですか？

次にプラスのプローブを一番奥のピンに当ててください。(※画像を参照してください)電圧は4.7Vから5.2Vの間になるはずです。もしこの間の値出ない場合は、電解コンデンサや7805レギュレータICの取り付けを確認してください。

確認が終わったら電源プラグを抜きます。電源プラグをさしたままハンダ付けしないでください。

次は270kオームの抵抗(部品記号R1)を取り付けます。この抵抗は電源がないことを検知する回路の一部の部品です。抵抗は極性がないので、どちらの向きに取り付けても構いません。基板のシルク印刷のR1のところに抵抗を取り付けてリード線を曲げておきます。抵抗R1と一緒にスピーカも取り付けます(部品記号SPK)。アラーム音を鳴らすためのものです。この部品も極性はありませんので取り付ける向きはどちらでも構いません。取り付けたらハンダ付けして余分なリード線を切り取ります。

次にICソケットを取り付けます。これはICを守るためのもので必要があれぱICを交換できるようになります。

ICソケットは片側に半円の切り込みがあります。この切り込みと基板のシルク印刷の切り込みの絵が合うように取り付けます。

もしも反対に取り付けてしまってもくよくよしないで大丈夫！この向きを合わせることは必須ではありません。ICをソケットにさすときに向きを間違えなければ大丈夫です。

ICソケットをテープで固定するか、爪でICソケットの対角の2ヶ所を曲げて固定します。次に対角のピンをハンダ付けしてします。

※この段階で基板を横から見てみてソケットが浮いているようでしたら、浮いているほうのピンにハンダごてをあてて浮きがないようにソケットを固定します。

いよいよICをICソケットにセットします。導電スポンジを注意深く取り外します。ICのピンは若干広がっていますので、ちょっと狭めます。具体的にはICのピンをテーブルに押し付けて曲げます。(※画像を撮り忘れました。サイトを確認してみてください)

ICのピンを調整したら、ICの半円の切り込みと、ICソケット(基板のシルク印刷)の切り込みを合わせてICをICソケットに差し込みます。差し込んだらもう一度確認しましょう。ICのピンがねじれていたりしないか確認します。

ここで動作テストをします。テーブルをきれいにしてから電源をつなぎます。ピーッ、というビープ音が聞こえるはずです。聞こえなかったら7805レギュレータICの5Vの確認、抵抗R1の取り付け位置を確認してください。

それでは残りの5V電源まわりの配線を片づけてしまいましょう。(※ディスプレイ管制御側の回路は5Vではなく、50V〜70Vの回路になりますので、このような説明になっています)
100kオームの抵抗(部品記号R2)と0.1uFのセラミックコンデンサ(C10)を取り付けます。抵抗は分圧のために使用しています。

次に10kオームの抵抗(部品記号R5)を取り付けます。R5の位置はR1、R2の隣です。R5は画像のように曲げて取り付けます。

次に32.768kHzの水晶発振子(部品記号Q1)を取り付けます。この部品は時刻を正確にするものです。水晶発振子Q1は銀色の筒型の部品で極性はありませんのでどちらの向きでも取り付けできます。次は20pFのコンデンサ(部品記号C8とC9)です。これらのコンデンサは水晶発振子の発振を安定させます。このコンデンサも極性はありませんのでどちらの向きでも取り付けできます。

注意！
たまにこの発振回路がうまく動作しないと報告する人がいます。その場合、このコンデンサの向きが90度間違っていることがあります。基板のシルク印刷をよく見て正しく取り付けてください。

次はディスプレイ管を制御するための60Vを発生させるブースタ回路に移ります。まず、47uF/25Vの電解コンデンサ(部品記号C7)を取り付けます。向きがありますので取り付ける際には注意してください。さらに高電圧トランジスタを取り付けます。このトランジスタはプラスチックの本体に切り込みがないので取り付ける向きの判別がちょっと難しいです。このトランジスタの向きは、切り込みではなく、リード線がつながっているかどうかで判別します。画像のように取り付けてください。

次にダイオード(部品記号D3)を図のように取り付けます。白かシルバーのラインの向きに注意して取り付けてください。さらに100Vのコンデンサ(部品記号C6)も取り付けてください。これはブースタ回路の出力を滑らかにするものです。これも極性がありますので取り付け向きに注意してください。次にコイル(部品記号L1)も取り付けます。これは昇圧すためのものです。これは単に電線を巻いたものなので向きは関係ありません。

ダイオードのリード線とトランジスタのリード線をハンダ付けするとショートしたようになってしまいますが、これは接続されますので特に問題ありません。

次に60Vツェナーダイオード(部品記号D5)を取り付けます。今まで取り付けたダイオードとは異なり、赤のガラスに黒いラインがついています。このラインと基板のシルク印刷の白いラインを合わせてハンダ付けします。

それではブースタ回路のテストをしましょう。テーブルを片づけてリード線など落ちていないか確認します。電源プラグをつなぎますが、基板の右側の領域は触らないようにします。(※高電圧が発生します)
基板を押さえる必要がある場合はDCジャックのあたりを押さえるようにします。このようにして高電圧回路に触らないように注意します。必要があれば非導電性のバイス(※挟んで固定する器具)を使います。

テスターを用意して、DC、レンジは60V程度にします。マイナスプローブは7805レギュレータICの金属部分、プラスプローブはダイオードD3のプラス側に当てます。(※すみません。画像撮り忘れました。サイトの画像を参照してください)
40V〜70Vの間であれば問題ありません。もし電圧が75V以上であれば、コンセントを確認してください。もっと低い電圧のものが必要かもしれません。(※どうすればよいかよくわかりませんでした…)
75V以上の場合、電源を抜いてください。

電圧の確認ができたら、電源プラグを抜きます。抜いた後も先ほどの電圧を計測してください。すぐに0Vにならず、だんだん電圧がさがってきます。15V以下ぐらいになったら作業を続けられます。(※電圧が下がるまでは数分かかります)

次にコンデンサ(部品記号C5)を取り付けます。耐圧100Vのリード線が曲がっているものです。画像の右側の部品です。

この0.1uF/100VのコンデンサC5はC7と一緒に働き、ブースタ出力電圧をスムーズにするものです。

次はPLCCソケットを取り付けます。ここに取り付けるICはディスプレイ管を制御するものです。他のソケットと異なり、ICは一方向しか取り付けられません(※先ほどのICは反対に取り付けることもできてしまいますが、このICソケット+ICは一通りしか取り付け方向がありません)。

もしソケットの取り付け方向を間違えた場合、ハンダ付けするピン数が多いので直すのは非常に困難です。絶対に、絶対に間違えないようにしてください。

基板のシルク印刷をよく見ると、ソケット取り付け位置の左下の角が欠けています。ソケットも同様の形になっている角がありますので、取り付けるときはここが合うようにします。

ソケットの取り付け方向は何回も確認してください。何度も言いますが、間違って取り付けると修正は非常に困難です。

取り付け方向を確認したら、基板を裏返してコンデンサとICソケットをハンダ付けします。

ICソケットとコンデンサをハンダ付けしたら、IC(MAX6921)をソケットにはめます。

次の手順に進む前に、ZVP3306 MOSFETについて確認します。FET(トランジスタ)には2つのタイプがあります。ひとつは部品の平らな面に文字が印刷されているもの、もうひとつは丸い面に文字が印刷されているものです。使用する部品は丸い面に文字が印刷されています。平らな面に文字が印刷されているトランジスタを使ったことがあるという人は混乱しますね。

次に22オームの抵抗(部品記号R3)を取り付けます。これはディスプレイ管のヒータ用バイアス抵抗です。(※ディスプレイ管を光らせるためにヒータが入っていて、それに常に電流を流すための抵抗)

また先ほどのMOSFET(部品記号Q3)は低電圧モードの時にICがディスプレイ管をOFFにするためのものです。MOSFETの丸い面と基板のシルク印刷の丸い側が合うように注意して取り付けてください。

次にメスコネクタを取り付けます。

始めに対角のピンをハンダ付けします。基板から浮かないように取り付けます。(※コネクタが浮いてしまったら、浮いている方のピンにハンダゴテを当てて、浮きを修正します)
対角のピンをハンダ付けしたら残りのピンをすべてハンダ付けします。

次はディスプレイ管の基板にピンヘッダを取り付けます。

ここは多くの人が不注意で間違えるところです。画像をよく見てピンヘッダをどのように取り付ければよいか確認してください。もし間違えたら修正することは不可能なのでキットを無駄にしてしまいます。
(※ハンダをとれば修正はきくと思いますが、確かに修正はかなり難しいと思いますので注意しましょう)

まずピンヘッダの1ヶ所をハンダ付けします。

1ヶ所ハンダ付けしたら、一度コントロール基板のコネクタにさして、この基板がコントロール基板に対して直角になるか確認します。この確認をしてから残りのピンをハンダ付けします。

ハンダ付けが終わったら余分な長さのピンを切り取ります。ピンは短いのでニッパーで切るとき、切り取ったピンが飛ぶので注意してください。(※この作業は必要ないです)

次はディスプレイ管の取りつけです。

ディスプレイ管のリード線を丁寧にほどきます。もしリード線がワックスで覆われていたら水に濡らしたペーパタオルなどできれいにしておきます。

管の中の電線をよく見てください。3本の電線が接続されていないことがわかると思います。

この3本のリード線を他のリード線と区別できるようにしておいてください。

この3本のリード線を特定できたら、基板の「Display NC」と書いてある穴に差します。

3本のリード線を差したら、残りのリード線を順番に差していきます。このときリード線の順番が入れ替わったり曲がったりしないように注意してください。

ラジオペンチなどを使ってリード線を伸ばして基板をディスプレイ管に近づけます。リード線は曲がりやすいので、この作業は注意深く忍耐強く行ってください。(※確かに以下の画像の状態にするのにかなり時間がかかりました)

ハンダ付けを間違うと、これも修正が困難ですので、ディスプレイ管が正しく取り付けられたか十分に確認してください。ディスプレイ管と基板の間が数mmになるように基板をディスプレイ管に押し付けます。

なお、ハンダ付けする前に、コントロール基板に実際にディスプレイ管を差してみてください。ディスプレイ管は製品によってばらつきがあります。コントロール基板に対して水平に設置できるか確認します。もし水平に設置できないようでしたら、ディスプレイ管と基板のすきまを調整します。もし完璧に合わせたい場合は、実際にケースを仮組みして合わせてみてください。

それでは位置合わせができたらディスプレイ管のリード線曲げてディスプレイ管を固定、ハンダ付けしてください。不要なリード線切り取ります。

それではテストをします。
テーブルを片づけて、電源プラグを接続します。ビープ音が聞こえてディスプレイ管に何か(おそらく12 00 00)が表示されればOKです。なおディスプレイは非常に暗いと思います。これは始めは一番暗い表示で動作するようになっているためです。後で明るく設定できます。もしディスプレイ管が表示されないようでしたらもう一度接続などを確認します。

もし動作しないようであれば、まずブースタ回路のハンダ付けが一通りできているか動作しているか確認してください。MAX6921がセットされている場合、ブースタ回路の出力電圧は以前測った70Vぐらいではなく、20Vぐらいになります。これは問題ありません。この電圧測定は基板の高電圧側は手で触らないように注意してください。非導電性のバイスを使うか、DCコネクタあたりを押さえるようにします。

動作確認したらDCプラグを抜いて、電圧が下がるまで数分待ちます。

ディスプレイ管をコントロール基板から外します。

次はバックアップ用のボタン電池回路の取り付けです。始めに画像の赤で囲んだところにハンダをちょっとだけつけます。これはボタン電池の接触を確実にするためです。