Nixie

 Nixie-Uhr

Stand: 23. August 2021

 

Ende Mai 2022 war es dann endlich – nach über einem halben Jahr – soweit. Der Gesamtaufbau war fertiggestellt. Das war er zwar an sich auch schon etwas früher – jedoch beim ersten Dauerbetrieb von mehr als 1 Stunde beendete der Spannungskonverter für die Nixie’s mit einer duftenden Rauchwolke seine Arbeit für immer. Die restliche Elektronik ‚juckte‘ das allerdings wenig – die lief störungsfrei weiter. Ich habe dann ‚zwei‘ neue Konverter auf die 6 Röhren und 4 Neon-Lämpchen aufgeteilt in den Aufbau eingebaut.

Damit ist das Projektziel erreicht – zumal sich die Zielsetzung ja auch schon um mindestens eine Funktionalität erweitert hat. So ist zunächst zusätzlich noch die 1/10-Sekunden-Anzeige hinzugekommen, die ich erst mit einem 10er-LED-Balken, sowie dem Einsatz eines zweiten Microcontrollers – einem NANO – realisiert habe (siehe Foto oben rechts). Am Ende wurde es dann allerdings die begeisternde Funktion einer DEKATRON-Röhre aus den 60er-Jahren, die dann die Anzeige der 10tel-Sekunden übernehmen sollte. Dabei war dann nur noch eine weitere Spannungsversorgung in Form eines Konverters von 12V auf 380V hinzuzubauen.
Ich hätte auch noch die beiden zusätzlichen Schieberegister mit in die Reihe der bereits vorhandenen 3 Stück 74HC595 für die 10tel-Sekunden einordnen können. Dann aber wäre eben auch die Schaltfrequenz für alle Röhren von derzeit 1sec. auf 1/10sec. reduziert worden. Und ob das dann so gut für die 50 Jahre alte Technik ist, ziehe ich zumindest in Zweifel. Daher eine andere Konstruktion. Versucht hatte ich auch noch einen zweiten Schieberegister-Zweig auf dem ‚UNO‘ an drei weiteren Pin’s einzurichten – das ist mir aber (bisher) nicht recht gelungen. Jetzt arbeite ich noch an der Variante, die LED’s abseits von Schieberegistern am UNO – also ohne den zweiten Controller – auf den freien Pin’s anzuschließen und zu steuern. Dazu müssten dann auch einige wenige Analog-Pins per Software zu Digital-Pins umkonfiguriert werden. Letztlich war aber alleine der Einsatz eines zweiten Microcontrollers schon ein eigenes Projekt, da ich das als eine Option testen wollte, später – nachträglich – weitere Komponenten, quasi ‚modular‘ hinzufügen zu können. Dabei ging es mir um die Verbindung und Steuerung eines zweiten Arduino von Seiten des ersten Arduino. Diese Aufgabe konnte unproblematisch via digitalWrite auf dem UNO und digitalRead auf dem NANO umgesetzt werden. Solcherlei Erweiterungs-Ideen betreffen die ‚Dekatron-Röhre OG4‚, wie auch die ebenfalls spezielle ‚Bargraph-Röhre IN-13‚. Für diese 160mm hohe Röhre mit einem Dm. von 10mm,  kann ich mir auch den Einsatz als Thermometer vorstellen (Kosten dieser Röhre ca. 25,-€ bis 30,- €).

Nachdem nun noch die Variante mit den 10 LED’s auf dem UNO ausprobiert werden muß, folgt dann aber auch umgehend der Bau eines endgültigen, festen Gehäuses. Ansonsten gehen solche schönen und aufwendigen Projekte ganz schnell ‚den Bach runter‘, da sie nicht alltagstauglich einsatzfähig sind. Und das wäre sehr Schade.

Die Software ist so aufgebaut, dass sie alle 6 Röhren im Multiplex-Verfahren (logisch) und gleichzeitig für das ‚Antipoising‘ sorgt, was bei diesen Röhren in Verbindung mit der Uhrzeit-Anzeige, bei der nicht alle Ziffern wirklich benötigt werden, zwingend ist. Der LED-Balken läuft (noch) separat auf einem NANO. Der Sekunden-Impuls wird mittels digitalWrite auf den anderen Controller übertragen. Der separate Aufbau des LED-Balken wird aber im finalen Aufbau mit auf die Haupt-Platine gesetzt.

Ein paar Details zu dem Aufbau: Eingesetzt wurden …

• 6x Nixie-Röhren IN-1
• 2x Doppelpunkt-Neon-Lämpchen im Glaszylinder
• Dekatron-Röhre
• ARDUINO UNO
• ARDUINO NANO
• 5x 74SN595   (Schieberegister)
• 6x SN74141   (Nixie-Ansteuerung)
• 10er-LED-Balken
• Breadboard Stromversorgung 3,3V und 5V
• 2 Stück Up-Converter von 12V auf 190V
• 1 Stück Up-Converter von 12 V auf 380 V
• 12V-Netzteil mit mind. 3A Leistung
• DCF77-Empfänger   –> kann man / sollte man ruhig drauf verzichten = nicht alltags-tauglich
• RTC DS3231
• 6x 1W Vorwiderstände für die Nixie-Anoden
• diverse Vorwiderstände für Glimmlampen und LED’s
• Buchsenleiste, Steckerleisten, Crimp-Buchsen, …..
• Lochraster-Platine, IC-Sockel, Jumper-Kabel, Verbindungskabel für das Löten, ……

Zeitaufwand: ca. 4 Monate – real dürften es sicher 120 Stunden einschl. der Programm-Entwicklung gewesen sein

Kosten: mit allen Fehlentwicklungen und Fehlkäufen sind es sicherlich 350,- €, die bis heute in diesem Nixie-Projekt stecken.
Vermutlich könnte man es – auch noch ohne Gehäuse – für ca. 220,- € als angeleiteten Nachbau (bis zum heutige Stadium) hinbekommen.

Stand: 15. November 2021

Irgendwann vor wenigen Wochen ‚überkam‘ mich wieder einmal die Idee „Du wolltest doch schon immer mal eine Uhr bauen, deren Anzeige auf der alten Technik der Nixie-Röhren basiert.“ Denn neben dem Röhren-Glühen und den grün leuchtenden ‚magischen Augen und -Balken‘, gab es damals in den 70ern auch diese Nixie-Röhren. Die in Europa etwas später gebauten ‚Ziffernanzeigeröhren‘ hießen abweichend ‚Digitron‘.  Solcherlei Röhren wurden überwiegend in hochwertigen Meßgeräten eingesetzt, wie auch in den damaligen elektronischen Tischrechnern. Diese Rechner, die so ca. 10kg wiegen und neben den vier Grundrechenarten noch das Fließkomma und die %-Rechnung leisten konnten. So etwas wollte ich nun auch mal verstehen und aufbauen.

Die obigen Fotos zeigen den Stand der ersten Etappe. Da ich nämlich keinerlei Vorkenntnisse auf diesem Gebiet habe, wollte ich diese Thematik etappenweise angehen. Und das erste gesetzte Ziel war es zunächst ’nur‘ – eine zweistellige Anzeige zu konzipieren, die von sich aus in der Lage ist von 00 – 99 zu zählen. Und rückblickend war es eine sehr gute Entscheidung (!). Denn was da alles auf mich zukam ….

Ich mache auch keinen Hehl daraus, dass mich alleine der Bauteile-Einkauf über 300,- € gekostet hat. Ob das alles so in dem Umfang nötig war, ist sicher fraglich. Zumindest ist es jetzt aber so, dass ich damit schon alles für eine 6-stellige Anzeige habe. Mit dazu gehören zudem auch schon zwei ‚Doppelpunkt-Röhren‘, wie auch zwei magische Balken – die ich irgendwie später auch noch mit unterbringen will. Aber es sind auch noch Bauteile hinzugekommen, die ich aus der ‚Bastelkiste‘ – also aus dem Bestand nehmen konnte. Dazu gehören der ARDUINO UNO, wie auch die Platine und die Stecker- , wie Buchsenleisten. Damit wäre es ansonsten noch teurer geworden. Und an ein schönes Gehäuse ist jetzt am Anfang auch noch nicht wirklich zu denken. Denn welchen Platzbedarf ich haben werde … ? Noch keine Ahnung.
Dementsprechend muß ich sagen: Wer einfach nur Spaß an einer solchen Uhr hat, der kann sich so etwas auch fertig zusammengebaut kaufen. Da liegen die Preise – je nach Ausführung – bei 150,- € bis weit über 2.000,- €. “ Da gibt es sehr schicke Sachen !!“

Es gibt mancherlei Herausforderungen beim Aufbau: So arbeite ich mit einem 12V-Netzteil, benötige dann aber 5V für den Controller (Arduino) und die verschiedenen IC’s. Und es werden 170V für die Röhren benötigt !  zunächst wusste ich anfangs gar nicht wie ich denn an diese Spannung kommen soll. –> Ist aber ganz einfach: für ca. 15,- € gibt es sogenannte (fertig zusammengebaute) UP-Converter zu kaufen, die setzen eine Spannung von 6 – 15 VDC hoch auf 145 – 170 VDC. Auch die Leistungsfähigkeit ist kein Problem – so ’schluckt‘ eine Röhre pro Ziffer 2,5 mA. Wenn also 6 Röhren angesteuert werden, dann sind das keine 20mA. Umgekehrt gibt es dann noch einen Spannungsregler für 5,- € – oder auch Down-Converter – , der setzt die Spannung runter auf 5V, oder 3,3V. Da habe ich eines dieser fertigen, aufsteckbaren Breadboard-Module verwendet. Die haben nämlich auch eine 12V-Anschlußbuchse, wie auch einen Ein-/Aus-Schalter auf dem Board; und man kann bei Bedarf auch noch zusätzlich parallel 3,3V abrufen (z.B. für manche Sensoren).
Eine weitere Herausforderung ist die Tatsache, dass so eine einzelne ‚Nixie‘ elf Anschlüsse hat. Schon bei zwei Röhren sind also 22 Kabel an der Röhre anzubringen und nochmals 22 Anschlüsse auf der Steuerungsseite. Und wenn man – wie ich – alles lieber einmal komplett auf eine Steckerleiste löten möchte, damit das dann später service-freundlicher ist, dann kommen auch noch die 22 Anschlüsse für die Buchsenleiste hinzu. Und die müssen dann mit den einzelnen Steuerungs-IC’s verlötet werden.  …………………. Ich vage aktuell gar nicht daran zu denken, dass ich jetzt erst zwei Röhren ’startklar‘ habe. „Das ist ein Gefummel !!!“

Was braucht man für den Aufbau ?

Das sind die Röhren. Ich habe mich für die IN-1 entschieden. Grund dafür ist die Tatsache, dass hier die Anzeige in der ‚Draufsicht‘ erfolgt und nicht, wie sonst üblich, in der seitlichen Ansicht, bei der die Röhre´ senkrecht im Sockel steht und auch so aussieht wie eine ‚übliche‘ Röhre. Bei der IN-1 ist es dann eher das ‚Glupschauge‘. Überzeugt hat mich die Ziffern-Größe von 18mm – und das bei dem geringen Platzbedarf. Diese Röhren lassen sich problemlos beschaffen – wie auch sämtliche anderen Bauteile. So kommen die Röhren zumeist aus Russland und kosten etwa 8,- €/Stück.
Dann benötigt man die Steuer-IC’s. Das sind ursprünglich ‚SN74141‘ gewesen. An die kommt man nicht so einfach dran. Ist aber kein Problem – gibt es auch aus russischer Fertigung. Dort heißen sie dann ‚K155ID1′ und machen exakt das gleiche; Kostenpunkt: ca. 1,50 €/Stück. Und es bedarf noch der IC’s, die als Schieberegister eingesetzt werden – das sind die ’74LS595n‘; auch die kosten das Stück etwa 1,50 €. Ein solcher IC verbindet dann zwei SN74141 auf der einen Seite und stellt auf der anderen Seite die Verbindung zum ‚Arduino‘ her.
Man kann das sehr gut darüber beschreiben: von den 22 Anschlüssen der beiden Röhren werden je 10 Anschlüsse auf die beiden  SN74141 geführt; die wiederum führen gemeinsam jeweils ’nur noch‘ 4 Anschlüsse auf den 74LS595n; und von dort werden nur noch 3 Anschlüsse auf den Microcontroller (Arduino) geführt. Umgekehrt kann also der Arduino so über nur 3 Digital-Pins sämtliche 20 Zahlen der beiden Röhren steuern. Und dann ist auf dem Arduino noch so viel Platz, dass das auch noch für die nächsten 4 Röhren ausreicht.
Der verbleibenden 11. Anschluß einer jeden Nixie ist die Anode, die über einen ausreichend dimensionierten Vorwiderstand an 170VDC angeschlossen wird. Entsprechend wird also nicht die Anode ‚geschaltet‘, sondern es werden die einzelnen Kathoden über die IC’s geschaltet.

Stand: 25. November 2021

Erst heute ist es mir dann gelungen mehrere weitere Probleme zu beheben, sodass jetzt endlich eine funktionierende Sekunden-Anzeige des DCF77-Signals an den beiden Röhren bewundert werden kann. Probleme waren zum einen, dass die einzelne Sekunde nur extrem kurz aufblitzte. Der zweite Fehler war dann, dass – insbesondere bei der 10er-Stelle – mehrere Ziffern gleichzeitig leuchteten; das sogenannte ‚Ghosting‘. Die meiste Zeit war ich der Meinung dabei handelt es sich um ein typisches Problem dieser Röhren – wie z.B. das ‚Poisening‘. Dem ist aber nicht so ! Es ist weder ein Problem der Röhren, noch ist es ein Problem der Software. Es ist ganz banal ein Problem der Verdrahtung – denn in diesen Fällen liegt ein Kurzschluß vor. Und die Ziffern, die gemeinsam leuchten, sind zumeist auch die, die am IC, oder am Stecker direkt nebeneinander liegen (!). Nach dem ich diesen Fehlerbehebungs-Ansatz endlich akzeptiert hatte, waren die Fehler in der Anzeige auch schnell gefunden und behoben.

Der nächste Schritt ist nun der, das Empfangsmodul von der Steuerung abzusetzen, denn der Signal-Empfang tut sich zumeist sehr schwer. Und es ist eben auch bekannt, dass es in der Praxis angeraten ist, weg von den Störquellen zu gehen. Und die sind zweifelsfrei mit einem Up-Converter und einem Arduino schon gegeben.

18. Januar 2022

Gestern habe ich endlich die 6. Röhre anschließen können. Und es sieht fantastisch aus !
Eine provisorische Aufbau-Plattform gibt es auch seit Kurzem. Die Thematik mit dem ‚Poisening‘ konnte ich schon vor einiger Zeit lösen. Dabei lasse ich die Ziffern turnus-mäßig alle 30 Sekunden (viel zu oft – werde ich noch ändern) zusammen von 00-99 durchlaufen. Der Erfolg ist aber eindeutig !

Erwartungsgemäß gibt es aber auch noch Änderungsbedarf. So klappt das mit dem DCF77-Empfangsmodul überhaupt nicht zufriedenstellend. Auch nach mehreren Stunden Testlauf ist zumeist noch immer kein brauchbares Zeit-Signal angekommen. Das liegt sicher maßgeblich am derzeitigen Aufbau-Standort. Jedoch sieht man hier schon die Tendenz zu klaren Problemen im Alltags-Betrieb. Die einzige Lösung, die ich jetzt als nächstes angehen werde, ist die, zusätzlich auch noch ein RTC-Modul wie den DS3231 einzubauen. Damit wird dann immer eine gültige Uhrzeit vorgehalten; und das auch dann, wenn die ganze Uhr ausgeschaltet ist, da es hier eine Knopfzellen-Batterie-Pufferung für das RTC-Modul gibt.

Und dann habe ich auch schon neue ‚aufregende Komponenten‘ bei all meinen Recherchen im Netz gefunden, die ich unbedingt noch einbauen will. Da ist einerseits ein 10er-LED-Balken, der die 10tel-Sekunden – ganz am rechten Rand – anzeigen soll. Noch viel toller ist jedoch die Hekatron-Röhre, von der ich nichtmals wusste, dass es so etwas überhaupt gibt. Das ist eine ‚Zähl-Röhre‘, die auf einem inneren Kranz, ringförmig ca. 36 kleine Leuchtpunkte aufweist, die sich über 10 Anschlüsse so ansteuern lassen, dass die Punkte im Kreis ‚herumlaufen‘ – wie z.B. ein Sekundenzeiger. Ich habe so ein Exemplar sofort in der Ukraine bestellt, um es erst einmal zu testen und eine entsprechende Steuerung zu entwickeln. Aber auch den LED-Balken habe ich bestellt – und auch dazu müsste ich erst einmal eine Programm-Steuerung entwickeln. Die Herausforderung besteht dabei darin, dass dieser zusätzlich hinzukommende Part als ‚Funktion‘ völlig separat laufen muß, ohne die anderen Abläufe zu stören, oder gar zu unterbrechen. Denn hier geht es ja dann um eine Anzeige in 10tel-Sekunden; alles andere läuft im Intervall von 1 Sekunde.

Durch den bisherigen Projekt-verlauf ist mir aber auch schon eine recht hübsche und praktikable Idee zum Gehäuse gekommen, welches ich mit ‚gehackten Holzplatten‘ aufbauen werde. Die Doppelpunkt-Röhren werden zunächst nicht durch LED’s ersetzt (was auch nicht schlecht aussieht), sondern werden von außen auf Keramik-Lüsterklemmen gesetzt – wie ein kleiner Balkon für einen jeden Glaszylinder – und dort auch angeschlossen.

21. Mai 2022

„Endlich fertig !“
6 Nixie’s, 1 Dekatron, 2 Doppelpunkt-Pärchen, 2 ARDUINO’s, 2 Spannungskonverter für die Nixie’s, 1 Spannungskonverter für die Dekatron-Röhre, 3Amp.-12V-Netzteil für die Gesamtversorgung. Reine Material-Kosten:  350,- € (einschl. von Mehr- und von Fehlkäufen, sowie Zerstörung); faktisch dürften es 280,- € gewesen sein.

Foto vom fertigen Gerät folgt.