Nixie-Uhr

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Vor ein paar Wochen fand ich eine schon etwas betagte Platine mit ein paar Nixie-Röhren. Also schnell fragen, ob die Platine noch gebraucht wird und freuen, dass es nicht der Fall ist!


Aber halt, stopp, Moment! Was sind überhaupt Nixies?

Nixies sind mit Neon gefüllte Röhren, in denen sich dünne, aus Blech ausgestanzte Ziffern befinden. Diese Ziffern sind mit feinen Drähtchen mit "der Außenwelt" verbunden. Um die feinen Plättchen befindet sich ein feines Gitter, die Anode. Nixies funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Glimmlämpchen, der Glimmentladung. Die Nixie-Röhren sind (fast) immer wie folgt aufgebaut:

Nixie-Aufbau.gif

Damit die Plättchen zum leuchten angeregt werden, müssen sie wie Glimmlämpchen mit Spannung versorgt werden - mit dem Unterschied, dass bei Nixies Gleichspannung verwendet wird, da sonst auch das Gitter leuchtet. Wichtig ist hier nur noch, dass die Spannung stimmt (meist um die 60-90V) und dass die Kathode an Masse liegt.

Jetzt habe ich ungefähr erklärt wie Nixies aufgebaut sind und wie sie funktionieren - aber woher kommt der Name? Ende der 50er hat die Entwicklung der "numerischen Indikatoren" in der Firma Burroughs begonnen. Dort wurden sie unter dem Namen "Numeric Indicator Experimental No. 1" als Patent angemeldet, In der Firma war der Kurzname der Anzeigen "NIX 1". Da es sich auch als Nixi liest, bürgerte sich der Name "Nixie" relativ schnell ein (nachzulesen unter http://www.vcalc.net/display2.htm).

Jetzt wäre schon einmal geklärt, was Nixies sind. Aber was soll ich mit ihnen machen? Inspiriert durch Internetseiten wie CrappyThumb ist es schnell klar: Es wird eine Uhr gebaut!

Als erstes werden die Röhren genauer unter die Lupe genommen - ich will ja wissen, ob alle noch funktionieren.

NEC 236 LD8007

So sehen sie aus: NEC 236 LD8007 mit schon fast niedlicher Zeichenhöhe von 10mm. Sie können Zahlen von 0-9 sowie einen Punkt darstellen. Der große Vorteil an den Röh(ch)ren: Die Beine sind mit der Halterung 2,54mm auseinander. Die Beine sind genauso wie bei einem IC im DIP 14 Gehäuse angeordnet.


Test einer Röhre

Um zu testen, ob die Nixies noch leuchten, oder schon so viel Luft gesaugt haben, dass das Neon schon zu wenig ist, dass sie leuchten, habe ich die einzelnen Röhren kurz an meine Plasmakugel gehalten. Wie du auf dem Foto siehst, leuchtet außer der 4 auch das Neon am Glaskolben. Dies kommt allerdings daher, dass das Neon durch die hohe Spannung am Glaskörper angeregt wird. Im späteren Betrieb sieht man das Leuchten selbstverständlich nicht mehr. Rechts in der Nixie ist ein blauer Streifen zu sehen - das ist der Sauerstoff, das die Röhre mit der Zeit gesaugt hat.

Alle Nixies sind soweit ok, bis auf dass sie eine schon sehr hohe Zündspannung von 90V haben. Da kommt auch schon die nächste Frage: Wie mit einer Logik-Schaltung, die mit 5V arbeitet, 90V schalten? Treiber-ICs, die 100V und mehr schalten können kosten einiges und bei BC548 o. ä. ist bei 30V Schluss. Relais? Nein. Erstens sind die zu laut und zweitens zu teuer.

Die Lösung kommt von Fairchild! Der gefundene Transistor nennt sich MSPA42 und reicht dicke für die Anwendung. VCES=300V und IC=500mA. ...und Wunder, oh Wunder: Reichelt bietet die Transistoren für 9ct das Stück an. Meine Uhr hat 6 Stellen, 10 Zahlen: 60 Transistoren. Aber Stopp: Normalerweise geht doch eine Uhr nur bis 23:59:59. Sprich: wir brauchen nicht 60 MPSA42, sondern nur noch 45. Somit erspart man etwas Geld und Lötarbeit.

Aber was, wenn ein Transistor stirbt und einen Kurzschluss zwischen Basis und Kollektor verursacht? Einen absoluten Schutz möchte ich nicht einbauen, aber ein bisschen sollte schon drin sein: Ein 47k-Widerstand an der Basis begrenzt den, im Schadensfall fließenden Strom, auf etwa 5mA. Die Logik sollte das ganze zumindest für kurze Zeit aushalten können.


Also: EAGLE anwerfen - jetzt wird gezeichnet!

Die länglichen "Dinger" oben sind die Röhren (der Streifen darin ist die Anode [Gitter], die Punkte die jeweiligen Ziffern), die Kreise dazwischen kleine Glimmlämpchen. Die Widerstände haben alle den Wert 47k 1/4W und die Transistoren sind MPSA42. Die Wirepads habe ich zur Übersichtlichkeit hinzugefügt, später werden die Flachbandkabel direkt an den Widerständen angelötet. Die Anoden der einzelnen Nixies könnte zusammengefasst werden. Ich habe sie getrennt gelassen, da man somit die Helligkeit der einzelnen Röhren besser einstellen kann.


Nixie-Dimm-alt.jpg

Damit die Helligkeit der einzelnen Röhren verändert werden kann, verwende ich Potis, die zusätzlich 100k-Widerstände zur Strombegrenzung besitzen. Der Widerstand lässt sich somit zwischen 100 und 200kΩ regeln.

Jetzt geht es zum ersten Testlauf - aber Moment: Woher die Spannung für die Nixies nehmen? Netzspannung wäre möglich, den Knall, der bei einer Fehlfunktion auftreten werden würde, möchte ich nicht miterleben. Strombegrenzung durch Lastwiderstand? Nein, eine Heizung will ich nicht unbedingt bauen... Ein kleiner Trenntrafo wäre es, liegt momentan aber nicht herum. Dafür aber zwei 9V-Transformatoren! Beide haben einen nicht gleichgerichteten Ausgang, also ideal für meine Anwendung: Der erste Transformator wandelt die Netzspannung in 9V um, der zweite wieder zurück nach ungefähr 200V. Der erste Transformator liefert gleichzeitig die Spannung für die Logik-Schaltung. Das schöne an der ganzen Sache: Der Strom vom zweiten Trafo ist begrenzt und der Trafo ist galvanisch getrennt, was bedeutet, dass man Kontakt zu beiden Ausgängen am Trafo (bzw. dahinter) haben muss, um einen Stromschlag zu bekommen. Wenn man es genau nimmt ist aber auch diese Lösung nicht unbedingt optimal, da zweimal einiges an Energie als Wärme an den Transformatoren "verloren" gehen. Eine bessere Lösung hierfür wäre ein Schaltregler. Mehr dazu später.

Die Nixies leuchten prima, als ich eine der Glimmlampen anschließe gibt es allerdings einen blauen Funken und einen lauten Knall. Sch... Vorwiderstand vergessen! Also schnell noch einen Vorwiderstand einbauen und an den Trafo anschließen (mit an die Stromversorgung der Nixies - Gleichstrom. Deshalb leuchtet auch nur eine Elektrode)

Eine Glimmlampe, nachdem sie ohne Vorwiderstand an 120V betrieben wurde

Rechts sieht man, wie es aussieht, wenn man eine Glimmlampe erst ohne Vorwiderstand und danach mit richtigem Vorwiderstand an Gleichstrom betreibt. Unten in der Lampe sprang ein Funke über und machte die Elektrode an der Stelle dicht. Mit Wechselstrom und ein bisschen Geduld (um die halbe Stunde) erholte sich die gute wieder und leuchtet nun (fast) wie vorher. :)

Damit ich die Schaltung testen kann, muss noch das Netzteil gebaut werden. Die ungefähr 200VAC vom zweiten Transformator müssen gleichgerichtet und ein bisschen geglättet werden, damit sie nicht flackern. Die Glättungselkos sollten aber nicht allzu groß ausfallen, da es bei einem Kurzschluss sonst mächtig knallen kann. Ich habe 2 22µF/160V in Reihe geschaltet. sie halten somit 320V aus und die Kapazität halbiert sich auf 11µF. Damit sich die Elkos nach dem Abschalten möglichst schnell entladen (da die Röhren nur ab 90V merklich Stromaufnahme haben). Dazu habe ich 3 3MΩ 1/4W-Widerstände parallel geschaltet. Der Widerstandswert drittelt sich, die Leistungen addieren sich. Die Widerstände verbraten bei 200V zwar "nur" 0,04W (sie würden knapp das 18-fache aushalten) aber "sischär is sischär" ;) Die 5V für die Steuerung kommt von einem 78(L)05, der in Standard-Beschaltung betrieben wird (Gleichrichten, Glätten, 7805, 100nF Kerko, 100µF Elko).

Das: links unten die Anschlüsse für die Nixies, rechts für die Logik. Bei den Elkos links sollte man vermeiden, beide Gehäuse gleichzeitig zu berühren, da dort doch einiges an Spannung anliegt.


Steuerung

Hier muss man überlegen, was die Uhr überhaupt machen muss. Die wohl wichtigere Frage dürfte aber vorerst sein "womit?". Zähler gibt es ja sehr viele. Binäre oder dezimale Zähler mit xyz Ausgängen. Was wir hier brauchen wäre ein 10-Stufiger Zähler mit dezimalem Ausgang. Der CD4017 kann das und ist bei Reichelt recht günstig zu bekommen. Jede Stelle der Uhr bekommt einen CD4017. Das Carry-Out der Einer der Sekunden, Minuten und Stunden wird mit dem Takteingang der Zehner verbunden. So kann die Uhr schon einmal die Sekunden, Minuten und Stunden zweistellig nach oben Zählen. Wen das Wort "Carry-Out" irritiert: Es ist ein Übertrag, der gerade für einen solchen Verwendungszweck eingebaut wurde. Man könnte statt dem Carry-Out-Signal auch den Ausgang für die 0 verwenden, aber wenn es schon einen Übertrag gibt, muss man keinen Umweg gehen. So weit, so gut - aber wie bringt man die Uhr dazu, nach 59 Sekunden dazu, den Sekundenzähler wieder auf 0 zu setzen und die Minuten eines weiter zu zählen (Selbes natürlich bei den Minuten)? Na klar: 60 Sekunden dürfen nicht erreicht werden, deshalb kommt an den Ausgang 6 der Sekunden-Zehner eine Verbindung zum Reset des ICs und gleichzeitig eine Verbindung zum Takteingang der Minuten-Einer. Ja wunderbar, das sollte so klappen. Aber ein Tag hat eine "krumme" Anzahl von Stunden. Bei 20 oder 30 Uhr auf 0 umschalten ist nicht drin. Die Uhr soll bei 24:00:00 auf 00:00:00 umspringen. Sprich: Der Stunden-Zehner muss den Wert 2 haben und gleichzeitig der Stunden-Einer den Wert 4. Ein UND-Gatter (74HCT32) muss her! That's it - die Uhr würde jetzt schon funktionieren.

Wobei... die Uhr würde mit einem geeigneten Taktgeber richtig funktionieren. Aber wer schaltet die Uhr jedes mal um Mitternacht ein, wenn er sie stellen will? Einfach kurz 5V an die Takteingänge anschließen geht nicht, da die ganzen ICs bei Low auf Masse ziehen. Dioden würden funktionieren, wenn aber Low (also GND) an den Dioden anliegt, kommt hinten nicht GND heraus, sondern ein unbestimmtes Signal zwischen GND und 5V. Genau das sollte man vermeiden, da sonst irgendwann die Uhr verstellt wird. ODER-Gatter sind hierfür eine bessere Lösung. Die Ausgänge der ODER-Verknüpfungen werden an die Takteingänge der jeweiligen Zähler angeschlossen (nur die Einer), ein Eingang der einzelen ODER wird an den Übertrag vom letzten Zähler angeschlossen, der zweite Eingang kommt an eine Buchsenleiste. Damit man die Uhr bequemer stellen kann und nicht immer der blöde Taktgeber stört, muss der Taktgeber abschaltbar sein. Mit einer UND-Verknüpfung lässt sich das ganze einfach lösen. Damit der Takt des Taktgebers bei Low von dem Eingang Clockset durchschaltet, wird Clockset über einen BC548 und 1k-Widerstand invertiert. Von den restlichen UND- und ODER-Verknüpfungen werden die Eingänge auf Masse gelegt. Somit wird vermieden, dass sie zum schwingen anfangen und evtl. den Betrieb stören.

Mit dem Multimeter als Taktgenerator konnte die Uhr jetzt an den Start gehen. Damit ich nicht einen ganzen Tag warten muss um zu sehen, ob die Uhr nun funktioniert oder nicht, habe ich eine relativ hohe Frequenz im S/O gewählt. Mit 4kHz schafft man einen Tag in knapp 22 Sekunden. Bei 10kHz sind es nur noch ~9s ;)

Um die Zeit zu stellen, habe ich eine kleine Tastatur-Platine gebaut. Wichtig ist bei den Tastern nur, dass sie nicht prellen. Aber welcher Taster ist prellfrei? Deshalb kommt eine kleine aber durchaus effektive Schaltung zum Einsatz, die die Taster entprellen soll:

Jetzt aber zum heikelsten Thema: der Taktgeber. Zum Testen der Uhr nahm ich mein DMM, das einen Taktausgang hat - aber auf Dauer ist ein klobiges, stromfressendes Multimeter keine Lösung für eine Uhr. Die erste Idee: ein Quarz-Oszillator. Ich hab doch mal was mit einem CD4060 und einem 32,nochwas kHz-Quarz gelesen. Schnell das Datenblatt vom CD4060 überflogen... Das Teil sieht auf den ersten Blick recht gut aus, auf dem zweiten Blick sieht man, dass der höchste Teiler 214 ist. Bei dem 32,768kHz würde über den Teiler 2Hz herauskommen. Irgendwie muss man doch auf 1Hz kommen. Es liegen doch sicher noch ein paar CD4017 herum - die können doch zählen! Wenn man an einem CD4017 Q2 mit Reset verbindet, wird nach jeden zweiten Impuls an Q1 ein Takt ausgegeben. Das sollte funktionieren.

Ein paar CD4060 und ein 32,768kHz-Quarz liegen gaaanz zufällig von der letzten Reichelt-Bestellung herum. Also schnell zum Testen mit 33pF-Kerkos einen Oszillator aufbauen... ..und: nix ist! Nur wenn ich mit dem DMM an Masse und Pin 9 messe, kommt hinten was halbwegs vernünftiges raus. Warum? Na, der Fehler sitzt natürlich davor! Ich habe natürlich das Datenblatt des CD4060 nur halb gelesen und Seite 4 übersehen, wo sich eine Schaltung für genau so eine Anwendung befindet. Laut Zeichnung sollte man einen 10pF und einen variablen Kondensator nehmen. Beides liegt nicht herum und ich war einen Tag vorher schon in meiner Elektro-"Apotheke". Ähnliche Werte sind da - also ein bisschen experimentieren. Irgendwann läuft der Quarz-Oszillator auch - aber naja, ein bisschen ungenau. Die Abweichung beträgt im Vergleich zur Funkuhr etwa 5s pro Minute. Okay, mich wundert's nicht, da ich ja alles andere als richtige Werte habe. Als ich die Leuchtstofflampe an meinem Werktisch abschalte bleibt plötzlich die Uhr stehen. Nichts geht mehr - $#!†.

Also mal gucken, was die "Kollegen" so machen. CrappyThumb hat einen DS1603, der eigentlich eine RTC ist, missbraucht und nutzt den Taktausgang für seine Uhr. Nachteil an dem IC: groß, teuer und schwer zu beschaffen. Rein "zufällig" habe ich zwei dieser ICs ergattern können. Pin 2-5 und 7 sind Masse, Pin 1 ist VDD und Pin 6 ist der Taktausgang. Wenn man den IC nun "normal" anschließt, gibt er noch keinen Takt aus. Um ihm nun einen Takt zu entlocken, muss er kurz (!!) verpolt angeschlossen werden (Strombegrenzung auf ein paar mA wäre hierbei angebracht). Der Timer hat eine Abweichung von ±2 Minuten pro Monat und ist somit schon recht genau.

Wer auf extrem hohe Genauigkeit steht, kann nach einem DS32kHz Ausschau halten. Dies ist ein TCXO (=Temperaturkompensierter Quarzoszillator) und hat im Temperaturbereich zwischen 0 und +40°C eine Abweichung um ±1 Minute pro Jahr! Bei konstanter Raumtemperatur dürfte die Genauigkeit noch deutlich höher sein. Wie schon der Name des ICs, gibt er einen Takt von 32kHz aus. Genauer: 32,768kHz - er kann somit direkt als Quarz-Ersatz an meine Schaltung angeschlossen werden:

Durch kleine Veränderungen kann auch ein "normaler" Quarz angeschlossen werden.

Eine weitere Methode um an einen 1Hz-Takt zu gelangen ist die Netzfrequenz. Auf lange Dauer macht das Sinn, für Sekundengenaue Anzeige ist allerdings nichts, da sie ständig etwas schwankt.


Die (äußerlich) fertige Nixie-Uhr

Da die Uhr noch ein bisschen nackt ist, bekommt sie ein Holzgehäuse. Mit 110x110x110mm ist es recht knapp bemessen - die Elektronik passte gerade noch hinein. Die viel zu langen Flachbandkabel habe ich um die Uhrensteuerung gewickelt, damit es den Deckel nicht andauernd anhebt ;) Der Transformator für die 200V der Nixies kam gemeinsam mit der Spannungsstabilisierung unter eine Abdeckung (bestehend aus zerschnittenen CD-Hüllen). So ist die restliche Elektronik ein wenig vor der höheren Spannung geschützt.

Eines stört mich aber noch an der Uhr. Am Tag kann man sie wegen der hellen Zahlen super ablesen, wenn man aber schlafen möchte, kann man nicht (zumindest ich), da das Teil das halbe Zimmer erhellt. Zeit ablesen ist auch nicht drin, da sich die Zahlen nicht deutlich genug abheben. Die Potis für die einzelnen Ziffern kann ich zwar herunterdrehen, dann sind die Ziffern jedoch gar nicht mehr zu sehen, da sie nur noch teilweise glimmen. Fahrtregler und ähnliche Motor-"dimmer" haben doch Pulsweitenmodulatoren eingebaut, das müsste man doch übertragen können!? Das menschliche Auge ist sowieso sehr träge und würde es nicht merken, wenn die Röhren vor sich hin "flackern". Also einen PWM mit dem NE555 aufbauen und schauen, wie es aussieht. Aber halt! Wie soll ich die Nixies schalten? Wenn ich die Anoden der Röhren mit einem MPSA42 schalte, habe ich knapp 200V auf der Logik, die sich dann mit einer Rauchwolke verabschieden würde... Also müssen die Kathoden der Röhren geschalten werden. Im Prinzip gibt es das gleiche Problem, da so wieder 200V auf meine 5V gelangen können. Naja, egal - zum Testen muss das Labor-Netzteil herhalten. Der PWM dimmt die Nixies zwar, das Ergebnis sieht aber ähnlich wie mit normalen Potentiometern aus. Irgendwie wundert es mich im Nachhinein auch nicht - die Schaltfrequenz war mit 10kHz viel zu hoch. Also auf etwa 1kHz heruntertrimmen und noch mal versuchen: Das Ergebnis sieht gut bis super aus. Auch bei sehr geringer Helligkeit werden die Zahlen wesentlich besser als mit den Potis angezeigt. Sogar der obere Teil der 5 glimmt perfekt. Vorher konnte ich dies nur mit sehr hohem Strom erreichen (was die Nixies nicht besonders lange mitmachen). Der PWM hat noch einen zweiten schönen Nebeneffekt: Die glimmenden Bereiche werden schärfer abgegrenzt und die Umgebung um die Filamente leuchten nicht mehr leicht bläulich :).

Der Bau des Pulsweitenmodulators war somit in jeder Hinsicht lohnenswert. Der Haken an der Sache ist aber noch immer: Das Teil braucht eine galvanisch getrennte Stromversorgung. Ich hatte Glück und fand in meinem Pollin-Schrottsorti einen 5V DC-DC-Wandler - was aber für den Nachbau? Extra für den popeligen PWM einen stinkteueren DC-DC-Wandler oder einen Schaltregler verbauen? Das kann's doch nicht sein. Irgendwann in der Nacht fiel mir dann ein, dass nicht unbedingt die Stromversorgung getrennt sein muss, es kann doch auch der Signalausgang sein und dafür gibt es Optokoppler. Falls der Ausgang dann auch noch die Glimmspannung und den erforderlichen Strom aushalten, kann die Transistorstufe danach weggelassen werden.

Die Schaltung sieht dann folgendermaßen aus:

Als ich den PWM samt DC-DC-Wandler anschloss und in die Uhr einbaute, zeigte sich ein "kleiner" Nachteil des Dimmers: Die Uhr zählt jetzt wieder wie bescheuert. Wenn ich auf den Sekunden-Taster drücke, bleibt sie allerdings ruhig. Irgendetwas muss also vor dem ODER (IC9B) nicht ganz stimmen. 100nF an Pin 5 gegen Masse und Ruhe war.

Irgendwie scheint aber noch etwas an der Logik madig zu sein - Über Nacht fehlen oft einige Sekunden. Überprüfen, wo genau der Fehler nun steckt bzw. schauen, wo genau ein Signal unsauer ist, kann ich wegen fehlendem Oszi nicht. Vielleicht kann ich das mal bei meinem Bekannten oder in der Schule ausmessen (zum "fröhlichen Messen" hab ich leider nicht genug Hohlstunden).

Zum Überprüfen der "verbuggten" Stellen war kein Oszi nötig. Ein wenig Intuition und ein paar mehr 1k-Widerstände halfen schon: - Pulldown an IC8 Pin 5 - Pulldown an SV9 Pin 1 Wenn die Uhr störungsfrei ohne Tastatur betrieben werden soll, Pulldowns an SV9 Pin 2-5 löten.

Die EAGLE-Dateien gibt es selbstverständlich auch zum herunterladen: Datei:Nixie-Uhr.zip.

Nachtrag (09/2007)

Mittlerweile ist die Uhr leider kein zuverlässes Zeitanzeige-Werkzeug mehr. Irgendwo habe ich mich verlötet - das Ding weicht nach kurzer Zeit ziemlich vom Soll ab und die Überlegung steht nahe, ob ich die Uhr nicht einfach mit einem AVR und DCF-77-Empfänger aufwerte.

Das Dimmen per PWM ist übrigens spitze, auch wenn mir damals in d.s.e. davon dringend abgeraten wurde (Lebensdauer der Röhren). Allerdings erfreuen sich die Nixies immernoch allerbester Leuchtkraft und werden es hoffentlich auch noch lange tun.