NixieUhr – Eine der schönsten Arten die Zeit vergehen zu sehen

Schon seit ich Nixieröhren das erste Mal gesehen habe, fand ich diese Art von Anzeigen sehr schön, ja fast schon nahezu magisch, dieses warme orange Glimmen. Nixie“röhren“, sind eigentlich keine „richtigen“ Röhren, sie funktionieren nach dem Prinzip der Glimmlampe. In den Röhren befinden sich Kathoden in der Form von 0 bis 9, vor den Kathoden befindet sich die Anode, die aus einem feinen Netz besteht. Zum Zünden einer Kathode wird diese gegen Masse gelegt, an der Anode müssen bei meinen Röhren mindestens 170 Volt DC anliegen. Das Gas in der Röhre, Neon, wird ionisiert und beginnt um die Ziffer herum zu leuchten. Um den nun fließenden Strom zu begrenzen wird an der Anode ein Vorwiderstand eingebaut. Dieser bestimmt den fließenden Strom und erzeugt durch seinen Spannungsabfall die benötigte Haltespannung von 134 Volt.

Ich kaufte Anfang des Jahres einige Nixie IN-1 Röhren, produziert in der ehemaligen Sowjetunion aus dem Jahr 1983. Es sind sogenannte Kopfüßler, das heißt die Ziffern werden von der Kopfseite gelesen und nicht wie üblich von der länglichen Zylinderseite. Sie besitzen ca. 20mm hohe Ziffern bei einem Durchmesser von 30mm.

Nach dem Kauf der Röhre machte ich mir auch direkt Gedanken zur Ansteuerung. Da ich eher weniger begeistert von der Ansteuerung via einzelner Transistoren war, googelte ich etwas und fand heraus, dass es schon damals Treiber ICs für die Röhren gegeben hat und diese via Ebay immer noch bezogen werden können. Ich entschied mich K155ID1 Treiber zu kaufen. Diese wandeln eine 4-Bit Zahl in Dezimal und schalten die entsprechende Kathode ein. Des weiteren werden bei ungültigen Eingaben (10 – 15) keine Kathoden geschaltet, sodass die Röhre aus bleibt. Die Treiber werden im DIP16 Gehäuße angeboten und mit 5V (Logikspannung) betrieben, die HV (170V) und Betriebsspannung besitzen eine gemeinsame Masse.

Um die Röhren nach Erhalt zu Testen, kaufte ich aus der Bucht einen günstigen StepUp Wandler, der aus 5-12V Eingangsspannung 170-220V Ausgangsspannung erzeugen kann. Dieser sollte auch bis zum Design der Steuerplatine die Entwicklung begleiten.

Aufgrund der Tatsache, dass die Röhren Kopffüßler sind, entschied ich mich Anzeigemodule zu entwickeln, sowie eine Steuerplatine auf diese die Module dann aufgesteckt werden.

Vorderseite des Anzeigemoduls
Rückseite des Anzeigemoduls

Auf dem Modul befinden sich neben zwei Röhren, Strombegrenzungswiderstände, die dazugehörigen Treiber sowie ein 8 Bit-Schieberegister und 100nf Entkoppelkondensatoren. Die benötigten Anschlüsse (GND, 5V, HV, Clk, Latch, Data, Enable, Q‘, Reset) werden nach unten auf eine zehnpolige Stiftleiste herausgeführt. Zwecks einer besseren Stabiltät wird der Anschluss zweifach angebracht.

Schaltplan des Anzeigemouls

Während ich auf diese Module vom Fertiger wartete, begann ich mit der Softwareentwicklung. Dazu baute ich auf einem Steckbrett eine Schaltung auf. Diese bestand aus einem Arduino Nano, den drei Schiebregistern, der RTC (DS3231) sowie einer 20 fachen Bargraph Anzeige und 4 Leds. Ich setzte aus mehrern Gründen auf Schieberegistern zwischen dem Arduino und den Treibern. Zum einen spare ich so jede Menge Ports am Arduino und der Programmieraufwand wird geringer, zum Anderen wollte ich die Röhren nicht multiplexen, da dies nicht zu einer langen Lebensdauer beiträgt.

Nachdem die Module geliefert worden sind, wurden diese bestückt und auf dem Steckboard zum Leben erweckt.

Entwicklung auf dem Steckboard

Ich habe den Aufbau auf dem Steckboard sukzessive fortgeführt und nachfolgend um folgende Baugruppen erweitert:

1. Versorgung des Microcontroller über einen Step Down Regler (12V→ 5V)

2. HV Versorgung ein und ausschaltbar über den Controller (Transistor → Relais)

3. NixieDots zur Trennung der Stunde/Minute bzw. Minute/Sekunde

4. IR-Fernsteuerung zum Stellen der Uhr

Nachdem ich dies auf dem Steckboard implementiert hatte, designete ich die Steuerplatine.

Frontseite der Steuerplatine
Rückseite der Steuerplatine

Auf dieser ist nun auch eine eigene HV-Versorgung untergebracht. Das China Modul erwies sich als nicht brauchbar, da es unter der Last von 6 Röhren sowie den Dots heftig zu fiepen began und auch die Spule erwärmte sich merklich bis man diese kaum mehr berühren konnte. Das Design meines StepUp-Converter übernahm ich weitestgehend von folgender Website:

https://www.desmith.net/NMdS/Electronics/NixiePSU.html

Getreu dem Motto meines alten Informatiklehrers, durchs Abkupfern lernt man am Meisten, erweiterte ich mein Wissen über StepUp Regler und auch den benutzen Controller, den Maxim 1771.

Im Vergleich zum China Modul erwärmt sich an meinem Regler nichts, er bleibt konstant bei Zimmertemperatur. Allerdings sind die verwendeten Bauteile preislich etwas teurer und hochwertiger.

Während ich beim Entwickeln einen StepDown Regler für die Erzeugung der 5V Schiene benutze, sollte dies auf der Platine mit einem 7805 gelöst werden. Der Grund hierfür, der 7805 ist sehr viel günstiger als ein StepDown-Regler. Die Schaltung funktioniert auch wunderbar mit einem 7805, allerdings erzeugt dieser 1 Watt Verlustleistung, sodass er sich auf 80 Grad erwärmt und diese Wärme abstrahlt. Da die Steuerplatine in ein Gehäuse eingebaut werden soll, ist das nicht vertretbar. So würde sich das Gehäuse aufheizen und bei einer gesamten Leistungsaufnahme von 6 Watt, ist ein Watt Verlust allein durch den 7805 auch nicht die eleganteste Lösung.

So wurde der 7805 wieder ausgelötet und durch einen Traco TSR 1-2450 Step Down Regler ersetzt. Dieser erwärmt sich nicht und auch das Steckernetzteil wird nicht mal mehr handwarm. Auch wenn mich diese Lösung etwas teurer kommt, ist sie die Bessere.

Fertige Uhr mit Fernbedienung

Alles in allem bin ich mit meinem Ergebnis sehr zufrieden und auch bei der Umsetzung gabe es keine großen Probleme. Es wird von den Anzeigemodulen allerdings eine Revision geben, da die Befestigung doch stabiler geht. Die Steuerplatine benötigt an sich keine Revision, allerdings überlege ich, auch dort eine umzusetzen, um weitere Hardwarespielereien zu ermöglichen, wie eine ausschaltbare 5V Schiene für Schieberegister und Treiber.

Als Ausblick steht noch der Bau des Gehäuses bevor, der in den nächsten Wochen folgt. Die Anzeigeplatinen müssen gegen versehentliches Berühren geschützt werden, da 170V DC beim Kurzschließen mit, zum Beispiel, einem Finger nicht so angenehm sein werden und der HV-Regler nicht gegen Kurzschluss und Überlast geschützt ist.

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