neoClock: PCB a 7 segmenti

Il neoClock PCB a 7 segmenti è uno di quei progetti retrò che ho immaginato fatto di led RGB indirizzabili:

neoClock: schema, layout KiCad e render 3D del nuovo PCB a 7 segmenti

Oggi ti racconto la progettazione di neoClock, un nuovo PCB per realizzare numeri a 7 segmenti in cui ogni segmento è formato da 3 led NeoPixel SK6812 mini-e.

Tutto parte da un progetto visto lo scorso anno in occasione dell’Arduino DAy 2026 di un display tradizionale rivisitato dal maker, programmatore esperto ed amico: Christian Sarnataro.  

Il progetto originale di Christian è composto da Neopixel disposti come un display a 7 segmenti in cui ciascun segmento è composto da led neopixel multicolore.

Il progetto in se supera un limite importante rispetto ai display classici con i segmenti composti da led tradisionali: il multiplexing ed i pin che non bastano mai.

Con i led indirizzabili ogni led ha il suo controller e con un solo collegamento dati pilota l’intera cifra, iled dei punti di separazione e li colora led per led.

Ho quindi deciso di supportare il progetto di Christian realizzando un PCB che disponesse i led come nei display a 7 segmenti, che utilizzasse dei led multicolori indirizzabili e con 3 led per ciascun segmento.

Analizziamo il progetto partendo dalle scelte di base, per arrivare a schema, layout e render 3D.

Perché 3 led per segmento

Con un solo led per segmento la luce resta puntiforme, con 3 led per segmento ottieni:

• una barra luminosa più uniforme, soprattutto se davanti usi un diffusore;
• la possibilità di creare effetti come un riempimento progressivo o un’onda di colore;
• più luminosità complessiva senza portare al massimo ogni singolo led.

Il conto è semplice: 7 segmenti × 3 led = 21 led per cifra, a cui si aggiungono 2 led per i due punti dell’orologio.

Perché gli SK6812 mini-e

Ho scelto gli SK6812 mini-e per tre motivi:

• sono piccoli, quindi 3 led rendono la lunghezza di un segmento contenuta;
• hanno i pad laterali accessibili, utili per essere saldati a mano o con il reflow casalingo;
• usano lo stesso protocollo a filo singolo dei WS2812B, quindi funzionano con la libreria Adafruit NeoPixel e con FastLED senza scrivere codice nuovo.

neoClock: PCB 7 a segmenti

La scelta progettuale più particolare è questa: i led sono montati sul retro del PCB e incastrati nel PCB stesso in modo che la luce esca dalla parte frontale, attraverso delle finestre ricavate nella scheda:

lasciando la superficie di emissione piatta e facilmente posizionabile dietro ad un pannello per la diffusione della luce stessa.

Guardando il fronte vedi solo le finestre, senza pad e senza componenti:

Per un display questo ha due vantaggi:

• il lato che guardi è pulito, con la sola serigrafia;
• ogni led è affacciato a una finestra della scheda, quindi la luce di segmenti vicini è già in parte separata dal bordo del PCB.

Lo schematico del neoClock: PCB 7 a segmenti 

Lo schema è volutamente lineare:

Guardandolo noterai che:

• i led LED1…LED21 formano un’unica catena: il DOUT di ciascun led entra nel DIN del successivo;
• per leggibilità la catena è disegnata su tre righe da sette led, collegate in serie (nel layout l’ordine segue invece i segmenti);
• tutti i led condividono le stesse linee +5V e GND;
• l’ingresso dati passa da JP1 attraverso la resistenza R1 (0805) in serie alla linea dati, per proteggere tale linea;
• l’uscita della catena arriva a JP2 (DATA_OUT), per collegare la cifra successiva.

Accanto c’è una seconda piccola catena indipendente con LED22 e LED23, il proprio ingresso JP3 (DATA_IN_2) con resistenza R2, e l’uscita JP4 (DATA_OUT_2).

Sono i due led dei punti dell’orologio.

Gli ingressi sono connettori a 3 pin (GND, IN, +5V), semplici da saldare o da collegare con un cavetto.

In alto vedi anche alcuni pad SMD collegati a GND, utili per unire le schede tra loro.

Il layout o sbroglio

Nel layout ho disposto quattro cifre identiche in un unico pannello 2×2: con un solo PCB ottieni le quattro cifre di un orologio HH:MM:

Le scelte di sbroglio che vale la pena raccontare:

• le tracce di alimentazione sono molto più larghe di quelle di segnale, perché con 21 led per cifra le correnti non sono trascurabili;
• il rame di massa è esteso su gran parte della scheda e riduce il rumore;
• dopo ogni cifra trovi due gruppi di pad GND / IN / +5V e GND / OUT / +5V, per concatenare le cifre o alimentarle da più punti;
• i fori di fissaggio (i cerchi azzurri nello screenshot) permettono di montare le cifre in una cornice o dietro un diffusore;
• le fresature tra una cifra e l’altra ti ofrre la possibilità di separarle dal pannello a fine lavoro.

Senza i modelli dei led si leggono meglio i footprint: le tre posizioni per ogni segmento, le resistenze in serie sulla linea dati e i pad GND / IN / +5V.

Questa vista mi è servita per verificare le distanze tra i pad: lo stesso footprint si ripete 23 volte per cifra, quindi un errore si moltiplica.

I led sul retro

Sul retro trovi tutta l’elettronica: i led con le coppie di pad ai lati, le resistenze R1 e R2, i connettori a 3 pin con la serigrafia GND / IN / +5V e GND / OUT / +5V, e le fresature che separano le cifre.

Il consumo totale

Ogni SK6812 può assorbire fino a circa 60 mA con tutti i canali al massimo.

Con i numeri di questo pannello:

• una cifra ha 23 led (21 + 2 per i punti);
• quattro cifre fanno 92 led;
• nel caso peggiore, con il bianco al 100%, siamo oltre i 5 A.

Nella pratica non accenderai mai tutto al massimo: limiterai la luminosità via software e userai colori singoli, tuttavia ti consiglio di utilizzare un alimentatore adeguato.

Cosa potrai farci

• un orologio con colori diversi per ore e minuti;
• un timer che cambia colore mentre il tempo scade;
• un contatore ben visibile per laboratori e fiere;

e tutti con effetti di transizione tra una cifra e l’altra, con segmenti che si spengono scorrendo o creano effetto arcobaleno mentre segnano l’orario.

Il progetto è stato realizzato completamente in KiCad ed è stato prodotto da PCBWay con ottima qualità e precisione sia nella posizione dei componenti sia nelle rifiniture come le fresature in cui i led si adagiano perfettamente.

Il Video neoClock PCB 7 segmenti cover square

ho realizzato un video in cui ti mostro le fasi di unboxing dei PCB, la fase di montaggio e saldatura a mano dei componenti ed un primo test di funzionamento:

Nei prossimi tutorial vedremo come realizzare alcune applicazioni interessanti con questi PCB e come programmarli con Arduino.

Hai un progetto in mente in cui useresti dei numeri a 7 segmenti RGB ?

Lascia un commento qui sotto: mi piacerebbe sapere per quale applicazione useresti neoClock.