Antike Nixie Uhr in TTL Bauweise aus den 1970er Jahren

Es handelt sich um eine komplett in TTL Technik aufgebaute Uhr aus den frühen 70er Jahren.
Der jüngste Datumscode, den ich entziffern konnte, stammt aus dem Jahr 1973.
Logikbausteine in TTL Technik waren erst vor wenigen Jahren auf den Markt gekommen und haben das Bauen einer Digitaluhr ohne riesigen Aufwand überhaupt erst ermöglicht!
Hobbybastler haben sich der neuen Technik bedient und erste digitale Uhren gebaut.
Diese Uhr scheint komplett selbst gebaut worden zu sein (kein Bausatz!).
Die Vorlage lieferte eventuell eine der seinerzeit zahlreich existierenden Elektronikzeitschriften.

Die Uhr wurde als defekt in einem Online-Auktionshaus angeboten.
Der Preis entsprach dem Wert der sechs ZM1000 Röhren, weshalb ich via "Sofortkauf" zugeschlagen habe.

Zustand:
Die Uhr ist definitiv nicht funktionsfähig, das Netzkabel ist abgeschnitten.
Der Paketdienst hat leider einen kleinen Transportschaden verursacht, wodurch die Platine gebrochen ist.
Sehr ärgerlich, aber zum Glück ist sonst nichts beschädigt worden.

Das Holzgehäuse wirkt recht ramponiert.
Scheinbar hat einmal ein Furnier auf dem Gehäuse geklebt, welches entfernt wurde.
Ansonsten ist es sehr genau gefertigt und da aus Holz, würdig der Aufarbeitung.

Das Innenleben ist auf einem Rahmen aus Aluminiumteilen aufgebaut.
Das ist alles sehr schön und mit Sorgfalt gefertigt worden.
Jemand hat viel Mühe in den Aufbau gesteckt!

Die Platinen bestehen aus Hartpapier.
Der Verlauf der Leiterbahnen scheint händisch mit einem Stift gemalt, oder mit Klebefolien hergestellt worden zu sein.
Da das Verfahren nur recht grobe Leiterbahnen zulässt, wurde ein Teil der Verbindungen zu den Röhrenfassungen mit Schaltdrähten hergestellt.
Das sieht insgesamt alles sehr sauber aus, vor allem wenn man bedenkt, was dem Hobbybastler in den 70er Jahren möglich war!
Die 74141 Nixie Treiber und der 74L00 für den Quarzoszillator sind gesockelt, alle anderen ICs sind direkt eingelötet.

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Die Technik:
Stromversorgung:
Das Netzteil besteht aus einem Transformator für Röhrenanwendungen mit den Sekundärspannungen 6V und 170V.
Die 6V werden durch einen Brückengleichrichter gleichgerichtet, mit einem 2200µF Kondensator gesiebt und mit einem LM309K Festspannungsregler auf 5V stabilisiert.

Die 170V werden mit einer einfachen Einweggleichrichtung gleichgerichtet.
Im Leerlauf ergeben sich etwa 270V am Siebkondensator, die bei der Belastung durch die sechs NIXIE Röhren auf etwa 200V zusammenbrechen.

Taktquelle:
Für die Ganggenauigkeit sorgt ein mit einem SN74L00 NAND Gatter aufgebauter Quarzoszillator.
Uhren mit Sekundenanzeige benötigen eine Quarzzeitbasis, da die Taktgewinnung aus der Netzfrequenz dafür zu ungenau ist.
Die Netzfrequenz ist langfristig sehr stabil, kann aber kurzzeitig (im Laufe des Tages) schwanken, was zu einer ungenauen Sekundenanzeige führen würde.
Langfristig, über mehrere Wochen und Monate betrachtet, wird eine Quarzuhr ohne speziellen temperaturkompensierten Quarzoszillator aber immer davondriften.

Der 1MHz im HC48/U Gehäuse Quarz wird in Verbindung mit einem Trimmkondensator in Serienresonanz betrieben.
Dem Trimmkondensator ist ein Keramikkondensator mit einigen pF parallel geschaltet, um die nötige Kapazität zu erreichen.
Der Trimmer hat eine recht hohe Kapazität, was leider schon bei minimaler Bewegung eine große Frequenzänderung verursacht.
Eventuell werde ich ihn gegen ein besser geeignetes Modell tauschen.

Die Frequenz von 1 MHz wird über sechs 7490 Zähler auf 1 Hz, den Sekundentakt, heruntergeteilt.
Auf der Platine ist Platz für einen weiteren 7490, womit auch ein 10MHz Quarz hätte verwendet werden können!

Die Genauigkeit des Quarzoszillators ist das was jeder Uhrenbauer versucht zu optimieren.
"Wie lange dauert es bis meine Uhr auch nur eine Sekunde abweicht?"
Ich habe festgestellt, dass diese alten 1MHz Quarze im HC48/U Gehäuse sehr frequenzstabil sind!
Genau wie ein anderes Restaurationsobjekt von mir, weicht die Uhr nur ca. 1-4 Sekunden im Monat ab!

Leider sind niederfrequente Quarze, vor allem die im HC48/U Gehäuse, heute nur noch schlecht beschaffbar.
Wenn man sie bekommt, darf man mit Preisen um die 10€ rechnen, gerne mehr im Gegensatz zu 0,50€ für einen 10MHz Quarz.

Zählerkette:
Der Sekundentakt wird von 7490 und 7492 Zählern gezählt und über 74141 1 aus 10 Decodern zur Anzeige gebracht.
Die 9290 Zähler zählen von 0 bis 9.
Die 7492 Zähler sind so beschaltet, dass die bei erreichen der 6 zurückgesetzt werden.
Zwei NAND Gatter eines 7400 sorgen dafür, dass die Stunden Zählerstufe um 24:00 Uhr zurückgesetzt wird.

Zum Stellen der Uhr kann die Taktquelle mit einem Drehschalter zwischen 1 Hz, 10 Hz, 100Hz und 1000Hz umgeschaltet werden.
Die Frequenz wird hierzu von den vorher gehenden Teilerstufen abgegriffen.
Zum sekundengenauen Stellen kann die Uhr Mit einer Taste angehalten werden.
Solange die Taste gehalten wird, wird die Taktversorgung zu der Zählerkette unterbrochen und die Uhr bleibt stehen.
Die Taste ist durch zwei NAND Gatter entprellt.

NIXIE Röhren:
Die Uhr ist mit gesockelten ZM1000R Röhren aufgebaut.
Scheinbar ist die Uhr nicht viel gelaufen, die Röhren befinden sich in perfektem Zustand!
Zum Zeitpunkt, als die Uhr gebaut wurde, waren die ZM1000(R) Röhren ein relativ neues Bauteil.
Die Anodenwiderstände sind mit 47 Kiloohm ideal ausgelegt.
Bei 200V Versorgungsspannung ergibt sich so ein Betriebsstrom von 1,5mA, was die Röhren hoffentlich lange leben lässt!

Schaltbild (nachgezeichnet, ohne Gewähr!):

Einige Eingänge der Logikbausteine sind nicht beschaltet!
(IC5, die Gatter am Schalter, unbenutzte Gatter.)
In der CMOS Welt sind unbeschaltete Eingänge nicht zulässig, in der TTL Welt dagegen schon.
Bei TTL Bausteinen bedeutet das, dass die Eingänge dann auf logisch "high" liegen!

Diverse über die Platine verteilte 10nF Abblockkondensatoren und ein 220µF Elko an der +5V Schiene sind im Schaltplan unterschlagen.

Bedienung:
Die Uhr besitzt an der Rückseite einen Drehschalter und eine Taste.
Mit dem Drehschalter kann die Uhr schnell vorgestellt werden und mit der Taste angehalten werden.
Zum Stellen der Uhr stellt man die Uhr so lange vor, bis die aktuelle Uhrzeit knapp "überholt" wurde.
Jetzt hält man die Taste so lange gedrückt, bis die aktuelle Uhrzeit der angezeigten Uhrzeit entspricht.
Damit lässt sich die Uhr mit etwas Übung sekundengenau stellen!

Reparatur und Restaurierung:
Die Uhr wurde mit abgeschnittenem Netzkabel geliefert.
Das ist auch gut so, da man ein derart altes Gerät nicht einfach einschalten kann.

Zunächst habe ich die Hauptplatine ausgebaut und den Transportschaden repariert.
Mit etwas Epoxidkleber und einer Lötbrücke war das schnell erledigt.

Jetzt wurde die TTL Logik über ein Labornetzteil mit 5V versorgt.
Stromaufnahme etwa 500mA, das passt!
Das Oszilloskop zeigt dass der Quarzoszillator und die Zählerstufen arbeiten.

Jetzt habe ich die Nixie Röhren über mein regelbares Hochspannungsnetzteil versorgt.
Ich war angenehm überrascht, dass alle Rühren ab ca. 170V zum Leben gekommen sind.

Die Sekunden zählten, allerdings zeigte die Zehnerstelle der Stunden Zählstufe unplausible Werte an.
Nach einigem Herumtesten mit dem Logiktester hat sich herausgestellt, dass der zuständige 7490 Zähler fehlerhaft zählt.
Das IC wurde getauscht, die Uhr funktioniert!

Jetzt habe ich mich dem Netzteil gewidmet.
Ich habe den Siebkondensator über mein Labornetzteil mit ca. 10V versorgt.
Stromaufnahme ohne Last 100mA - das ist nicht gut!
Nach einigen Minuten beginnt der Siebkondensator warm zu werden, auf den Knall wollte ich nicht warten.
Ich halte nicht viel vom Neuformieren so alter Kondensatoren.
Also habe ich vorsorglich alle drei in der Uhr verbauten Elektrolytkondensatoren (zwei im Netzteil, einer auf der Uhrenplatine) getauscht.
Problem behoben, das Netzteil liefert stabile 5V und eine Hochspannung von 270V.

Abschließend habe ich noch den 1MHz Oszillator mit einem kalibrierten Frequenzzähler justiert.

Die getauschten Bauteile:

Die überarbeitete Uhr:

Neues Problem: Der Netztransformator ist sehr "weich" und hat ein schlechtes Leerlaufspannungsverhältnis.
Bei ca. 10mA Belastung bricht die Hochspannung von 270 auf etwa 200V ein.
Die 6V brechen nicht ganz so stark ein, was auch gut ist.
Nach der Gleichrichtung und Siebung stehen unter Belastung nur 6,6V Gleichspannung für den 5V Spannungsregler zur Verfügung.

Der Transformator läuft am Limit!
Die 6V Wicklung ist mit 0,5A angegeben.
Die Angabe bezieht sich üblicherweise auf eine ohmsche Last und gilt nicht in Verbindung mit einer Gleichrichtung zuzüglich Siebkondensator!
Die Elektronik zieht ziemlich genau 500mA, was den Trafo ganz ordentlich belastet.

In Folge beträgt die Ripplespannung trotz 2200µF Siebkondensator noch ca. 1,5V, was die Eingangsspannung für den Linearregler zu weit abfallen lässt.
Das Oszilloskopbild der 5V Schiene zeigt einen Ripple von bis zu 500mV, was nicht akzeptabel ist und sich im schlimmsten Fall auf die Ganggenauigkeit auswirkt.

Die Lösung: Der Silizium Gleichrichter wird durch vier Schottky Dioden mit geringer Flussspannung ersetzt!
Das bringt ein ganzes zusätzliches Volt am Siebkondensator und der Kühlkörper für den Gleichrichter kann entfallen.
Der Linearregler arbeitet jetzt einwandfrei und auch der Netztrafo erwärmt sich nicht übermäßig!

Ich hätte alternativ auch den LM309K Regler gegen einen LDO Regler ersetzen können, aber ich wollte den Regler gerne erhalten!
Der LM309K im TO3 Stahlgehäuse ist heutzutage ein sehr, sehr teures Bauteil!
Dabei ist der nicht einmal abgekündigt.
Texas Instruments listet das Bauteil als aktiv und verlangt einen Stückpreis von 87 US Dollar (Stand: 11/2025)!

Eine weitere Alternative wäre der Umbau auf Kleinspannung (externes Steckernetzteil + NE555 Nixie Spannungsversorgung) gewesen, aber ich wollte die Uhr so original wie möglich erhalten.

SMD Schottky Dioden verbaut in antiker Technik - nicht ganz zeitgerecht, aber die Modifikation war technisch erforderlich! Die geringere Flussspannung sorgt zusätzlich für geringere thermische Verluste an den Dioden. Das und auch die großzügigen Leiterbahnen als Kühlfläche erübrigen den Kühlkörper, den der alte Rundgleichrichter brauchte.

Sonstiges:
Der Erbauer der Uhr hatte einen Netzschalter vorgesehen.
Das macht bei einer Uhr nicht wirklich Sinn.
Ich habe das neue Netzkabel über die 100mA Feinsicherung direkt mit dem Trafo verbunden und benutze den Schalter um die Versorgungsspannung zu den NIXIE Röhren schalten zu können.
So läuft die Logik der Uhr dauerhaft und die Röhren können dunkel geschaltet werden um sie zu schonen.

Da sich die Uhr in einem Holzgehäuse befindet, habe ich sicherheitshalber am Transformator noch eine 105°C Temperatursicherung angebracht.

Der Transformator hat eine Zweikammerwicklung und ist somit hervorragend isoliert.
Ich denke, ich werde ihm vertrauen und das Gerät weiterhin als Schutzisoliertes Gerät betrachten.
Da ich das Gerät nicht verkaufen möchte ist das für mich in Ordnung.

Das Gehäuse:
Das Holzgehäuse war rundherum abgestoßen und hässlich.
Scheinbar war es mal mit einer Folie beklebt, die nicht mehr vorhanden ist.
Da es aber recht genau gefertigt ist, habe ich beschlossen, es wieder auf Vordermann zu bringen!

Das Resultat kann sich (wieder) sehen lassen.
Ich habe ein Nussbaum Echtholzfurnier aufgebracht, die Oberfläche geschliffen und geölt.
Kein Vergleich mehr zu dem alten Zustand!

Nachbau?:
Wer so eine traditionelle Digitaluhr nachbauen möchte, kann sich gerne an dem Schaltplan orientieren.
Ich habe ihn (hoffentlich) mit Sorgfalt nachgezeichnet, allerdings ohne Gewähr!
Alle Bauteile mit Ausnahme der 74141 1 aus 10 Decoder und den Nixie Röhren sind immer noch handelsüblich (wenn auch in der modernen LS Variante).
Anstatt des inzwischen schlecht beschaffbaren 1MHz Quarzes kann man auch einen 10MHz Quarz verwenden und fügt einfach eine weitere 7490 Teilerstufe hinzu.
Die Kapazitäten des Oszillators müssen dann passend zu dem Quarz angepasst werden.

Bitte vergesst die Idee, so einen fertigen Quarzoszillator zu verwenden. Die Dinger sind als Taktquelle für eine Uhr viel zu ungenau, solange es sich nicht um einen hochwertigen (teuren!) kalibrierten Oszillator handelt! In Verbindung mit einem Mikrocontroller kann die Abweichung softwareseitig kompensiert werden, was bei einer klassisch aufgebauten Uhr nicht möglich ist. Eine mit so einem Oszillator aufgebaute Uhr wird meist eine Abweichung von mehreren Sekunden am Tag haben!

Wer nicht mit Hochspannung umgehen möchte, kann anstelle der Nixie Treiber 47141 auch Siebensegment Decoder wie den 74LS47 verwenden und LED Anzeigen anschließen.
So kann die Uhr mit modernen heute noch verfügbaren Bauteilen nachgebaut werden.
Weiterhin kann die Uhr dann mit einer ungefährlichen Kleinspannung von 5V betrieben werden.

12/2025