R|Z568M - Die große Nixie Röhre

 

Was NIXIE Röhren sind, beantwortet Wikipedia hinreichend: Nixie Röhre .
Diese Anzeigeelemente wurden aufgrund ihrer Nachteile heute überall durch VFD, LED oder LCD Displays abgelöst.
Die wesentlichen Nachteile der Röhren waren die relativ aufwändige Fertigung, eine hohe Betriebsspannung und eine begrenzte Lebensdauer.
Allerdings gibt es kaum ein Anzeigeelement, welches so elegant aussieht wie eine eine glimmende NIXIE Röhre.
Der durch die hintereinander liegenden Ziffern existierende 3D Effekt macht die Röhren irgendwie "mystisch".
Wirklich große NIXIE Röhren sind heute kaum mehr erhältlich, da die verbliebenen Exemplare meist in den Händen von Sammlern sind.
Was derzeit noch am Markt angeboten wird, sind meist kleinere Röhren mit maximal 2 cm Ziffernhöhe.
Diese wurden in größeren Stückzahlen hergestellt, weshalb noch ein gewisser Lagerbestand existiert.
Insbesondere im ehemaligen Ostblock wurden die Röhren noch relativ lange gefertigt, bevor sie auch dort abgelöst wurden.
Alle Röhren, die heute angeboten werden, sind also mindestens 30 Jahre alt!

Nicht doch! In Tschechien hat Dalibor Farny sich der Herausforderung gestellt, diese eleganten Anzeigeelemente wieder zu fertigen.
Aus dem Hobby ist inzwischen eine kleine Manufaktur geworden, die einen Nachbau der Z568M in Serie fertigt.
Die Z568M war mit 5 cm Ziffernhöhe seinerzeit die größte in Europa gefertigte Nixie und wird nur noch durch die von Rodan hergestellte CD-47 übertroffen.
Die Röhre trägt die Bezeichnung R|Z568M und kann über seine Website bezogen werden: www.daliborfarny.com

Die Röhren sind zwar nicht ganz preiswert. Wenn man jedoch den Aufwand berücksichtigt, der für die Fertigung nötig ist, sind die Röhren jeden Cent wert.

Die R|Z568M hat die folgenden Betriebsdaten:

Zündspannung (max.): 140V
Brennspannung (typisch): 130V
Löschspannung (typisch): 120V

Minimale Versorgungsspannung: 170V
Minimaler Betriebsstrom: 5mA
Maximaler Betriebsstrom: 8mA

Im Gegensatz zum Original besitzt der Nachbau einen anderen Sockel.
Das ist aber kein Problem, sofern man keinen 1:1 Ersatz für die Z568M sucht.
Die R|Z568M Röhre hat einen "Quetschfuß", der in einem Sockel aus Edelstahl sitzt.

Das Bild zeigt den Größenunterschied zu dem Prototyp der Schaltung mit einer ZM1000 Nixie:

Ich habe mir eine dieser Röhren bestellt und eine Uhr damit gebaut.
Die vier Stellen der Uhrzeit werden nacheinander angezeigt, danach kommt eine etwas längere Pause, bevor der Durchlauf erneut beginnt.

Die Uhr ist als Synchronuhr aufgebaut und bezieht den Zeittakt aus dem Stromnetz.

Hier das Schaltbild:

Die Schaltung ist einfach, hat aber einige Besonderheiten.

Da die Netzfrequenz als Zeittakt verwendet wird, muss ein AC Netzteil (Steckertrafo) verwendet werden.
Vor dem Gleichrichter wird über einen 100K Widerstand die Netzfrequenz abgegriffen und dem Timer 1 des Mikrocontrollers zugeführt.
Dieser läuft im Zählerbetrieb und löst nach 50 Takten einen Interrupt aus.
Damit habe ich meinen Sekundentakt, den ich im Programm weiter in Minuten und Stunden herunterteile.
Steht kein AC Steckernetzteil zur Verfügung oder liefert das Stromnetz keine konstante Frequenz, kann die Uhr auch als Quarzuhr aufgebaut werden.

Update: Die Zuführung des 50Hz Taktes musste geändert werden, da beim Einschalten einer Ziffer die Versorgungsspannung beeinträchtigt wird.
Das hat sich bis auf den Eingang PD5 ausgewirkt, weshalb sich der Mikrocontroller immer wieder "verzählt" hatte und die Uhr vorging.
Mit etwas mehr Aufwand (Siehe Schaltbild) kommen am Mikrocontroller jetzt saubere Rechtecksignale an.

Update 2: Langfristig läuft eine Synchronuhr recht genau, sofern keine Störungen "eingefangen" werden.
Geht die Uhr trotz Filterung des 50 Hz. Taktes falsch, sollte der Sekundentakt von einem Schwingquarz abgeleitet werden.
Ich benutze gerne Quarze mit 11,0592 MHz, da sich diese Frequenz gut auf eine Sekunde herunterteilen lässt.
Quarze mit dieser Frequenz sind weit verbreitet, da sie zur Erzeugung der üblichen Baudraten verwendet werden.
Langfristig sind Quarze immer etwas ungenau, was entweder durch einen Trimmkondensator oder softwareseitig kompensiert werden muss.
Softwareseitig kann man z.B. nach einer bestimmten Anzahl von Minuten eine Sekunde addieren oder subtrahieren.
Um den Korrekturwert zu ermitteln, stellt man die Uhr nach einer genauen Zeitquelle (z.B. Internetzeit) und lässt sie über definierte Zeit (z.B. 24 Stunden, je länger desto besser) laufen.
Jetzt vergleicht man die angezeigte Zeit mit der Referenzzeit und rechnet aus, nach wie vielen Minuten eine Sekunde addiert oder subtrahiert werden muss.

Die Spannung nach der Gleichrichtung darf 15V nicht überschreiten, da anderenfalls der DC/DC Wandler beschädigt wird.
Ein 9V Transformator passt perfekt.

Die Röhre benötigt eine Betriebsspannung von mindestens 170V, die über verschiedene Wege erzeugt werden kann.
Bei dem Prototyp kam ein kleiner Netztrafo zum Einsatz, der in umgekehrter Richtung betrieben wird.
Allerdings ist die Leerlaufspannung dieser kleinen Printtrafos recht hoch, weshalb beim ersten Einschalten nach der längeren Pause die Kathoden mit einem unzulässig hohen Stromimpuls belastet werden.
Der Netztrafo ist außer dem zu groß um in dem flachen Fuß des Gehäuses versteckt zu werden.
Da der Aufbau schutzisoliert ausgeführt ist, dachte ich zunächst auch darüber nach, die Hochspannung direkt dem Stromnetz zu entnehmen und den Controller mittels eines Kondensatornetzteils zu versorgen.
Da die Uhr unbeaufsichtigt im Dauerbetrieb läuft, war mir diese Lösung aus Gründen des Brandschutzes zu riskant.
Ein VDE geprüftes Steckernetzteil ist die sichere Lösung!

Ich wollte die Schaltung in den Holzsockel integrieren, der zumindest das Kriterium der schweren Entflammbarkeit nicht erfüllt!
Daher kommt nur ein DC/DC Wandler kleiner Leistung in Frage.
Ich habe mich für eine Lösung mit dem relativ teuren MAX1771 entschieden.
Dieser Baustein zeichnet sich durch eine minimale Außenbeschaltung und hohe Effizienz aus.
Aufgrund der hohen Schaltfrequenz sollten die Verbindungen zwischen den Bauteilen so kurz wie möglich ausgeführt werden.
Dem 4,7uF Hochvoltelko sollte ein 100nF Folienkondensator parallel geschaltet werden.
Die Ausgangsspannung habe ich auf ca. 180V eingestellt, was zum Zünden der Röhren ausreicht und einen möglichst geringen Verlust am Vorwiderstand verursacht.
Der Betriebsstrom der Röhre beträgt ca. 5,5 mA

Der Vorteil des DC/DC Wandlers ist die stabile Ausgangsspannung, nachteilig ist das starke Störspektrum.
Das ursprünglich eingeplante DCF77 Modul arbeitet in seiner Nähe nicht mehr.

Die Ablaufsteuerung übernimmt ein ATtiny2313 Mikrocontroller, der den Schaltungsaufwand minimiert.
Das Programm für den Controller wurde mit Bascom-AVR erstellt.

Das Programm kann hier heruntergeladen werden: nixie_single.bas

Das Programm für den Betrieb mit einem 11,0592 MHz Quarz kann hier heruntergeladen werden: nixie_single_quarz.bas

Update: Der MAX1771 ist aufgrund seiner hohen Schaltfrequenz auf einer Lochrasterplatine schwierig in den Griff zu bekommen und zudem sehr empfindlich.
Am Prototyp der Uhr habe ich inzwischen auch ein alternatives Netzteil getestet.
Es wird kein spezielles Schaltregler IC benutzt, sondern der gute alte NE555 in der Standardschaltung als astabiler Multivibrator.
Vergleichbare Schaltungen wurde bereits erfolgreich von anderen Hobbyelektronikern im Netz in verschiedenen Nixie-Uhren Projekten verwendet.
Am Ausgang ist ein Hochvolt Mosfet angeschlossen, der mit der Spule L1 und der Diode D1 einen Aufwärtswandler bildet.
Der Spannungsteiler R4/R6 steuert den Transistor Q5 der den NE555 über den Regeleingang beeinflusst.
Das ergibt eine hinreichend gute Regelung der Betriebsspannung.
Alle Bauteile sind Standardbauteile und überall problemlos erhältlich.
Eine gute Alternative zu schlecht beschaffbaren und teuren Schaltregel IC's

Hier die Schaltung:

 

 

Der Nachbau der Schaltung geschieht auf eigenes Risiko!
Ich hafte nicht für Schäden durch eventuelle Fehlfunktionen!

 

 

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