Schon lange wollte ich einmal eine eigene Nixie Uhr entwickeln. Diese Anzeigeröhren waren in den 60er und 70er Jahren sehr verbreitet, noch vor der Verfügbarkeit von Vakuum-Fluoreszenzanzeigen und LEDs. Das Funktionsprinzip entspricht dem einer Glimmlampe, wobei die Anode als Metallgitter an der Vorderseite ausgeführt ist. Die darzustellenden Ziffern 0-9 bestehen aus dahinter angeordneten Blechen, die als Kathoden dienen und einzeln herausgeführt sind. Die üblicherweise mit Neon gefüllten Röhren arbeiten mit einer Gleichspannungsquelle um 180V und bieten eine wunderschöne orangerote Glimmentladung.

Die von mir verwendeten Röhren stammen aus ostdeutscher Produktion des „Werk für Fernsehelektronik“ (WF), später RFT. Dort wurden eine ganze Reihe Röhren mit identischer Beschaltung produziert. Bei der Z5700M handelt es sich um die klare Variante, während die Z570M mit rotem Tauchlack überzogen ist. Weitere Typen (Z5730M, Z573M, Z5740M, Z574M) verfügen über zusätzliche Dezimalpunkte (rechts oder links) an einem sonst unbelegten Pin. Zwischen beiden Röhrenpaaren ist eine russische IN-3 (ИН-3) Glimmlampe verbaut. Sie dient als Trennzeichen zwischen Stunden und Minuten. Nixieröhren und Glimmlampe sind auf 3D gedruckten Abstandshaltern montiert.

Bei der Entwicklung der Leiterplatte habe ich ein großes Augenmerk darauf gelegt, fast ausschließlich bedrahtete Bauteile zu verwenden. Für einen stilechten Aufbau werden daher als Nixie Treiber ICs die damals üblichen SN74141 oder Vergleichstypen wie z.B. K155ID1 (K155ИД1) eingesetzt. Falls diese nicht mehr verfügbar sind, kann alternativ ein Ersatzaufbau (unten verlinkt) verwendet werden.

Die Hochspannungsversorgung ist als Modul ausgeführt, und hochkant auf die Hauptplatine gelötet. Hier wurden zwei Varianten entwickelt, eine mit MC34063 und eine mit MAX1771 Aufwärts-Schaltregler-IC. Letztere ist etwas teurer, nutzt jedoch eine feste, hohe Schaltfrequenz und kann über einen Pin ein- und ausgeschaltet werden. Neben Schieberegistern, RTC und Mikrocontroller finden sich auf der Platine am hinteren Rand drei Taster für die Einstellung der Zeit. Die Stromversorgung erfolgt mit einem externen 12V Steckernetzteil.

Schaltungsbeschreibung

Die 5V Spannungsversorgung der Logik ICs erfolgt über den Linearregler IC10. Diesem sind die Diode D1 als Verpolungsschutz sowie die Selbstrückstellsicherung F1 vorgeschaltet. Die für die Röhren nötige Hochspannung von 180V wird von einem speziell entwickelten Nixie-Stromversorgungsmodul IC9 erzeugt. Die Hochspannung liegt über Vorwiderstände R1-R4 an den Anoden der Nixie-Röhren VT1-VT4. Die einzelnen Ziffern mit ihren jeweiligen Kathoden sind mit den SN74141 Nixie-Treiber-ICs IC1-IC4 verbunden. Diese schalten die zu der BCD codierten Ziffer am Eingang passende Kathode nach Masse, sodass an dieser die Glimmentladung in der Röhre gezündet wird. Die Ziffer beginnt zu leuchten. Die BCD-Eingänge aller Treiber sind mit den Schieberegistern IC5 und IC6 verbunden. Die Glimmlampe L1 mit ihrem Vorwiderstand R5 wird über den Transistor T1 geschaltet. Die genannte Peripherie ist mit dem ATTiny4313 Mikrocontroller IC7 verbunden, welcher die zentrale Steuerung übernimmt. An diesem hängen außerdem ein 8MHz Quarz Q1 mit den für den Schwingkreis nötigen Kondensatoren C8 und C9, drei Taster S1-S3 mit zugehörigen Pull-Up Widerständen R12-R14, und eine MCP7940N Echtzeituhr IC8. Die Pull-Up Widerstände R9-R11 sind für den Impulsausgang der RTC sowie den I2C Bus nötig. Der 32kHz Oszillator besteht aus dem Quarz Q2 sowie den Kondensatoren C11 und C12. Im Fall eines Stromausfalls läuft die RTC aus der CR2032 Knopfzelle BAT1 weiter. Die Diode D2 und der Widerstand R8 werden vom Hersteller als zusätzlicher Schutz vor Aufladung der Knopfzelle empfohlen.

Firmware

Die Firmware verwendet die PlatformIO Buildumgebung mit AVR-GCC Toolchain ohne weitere Abhängigkeiten. Zur Benutzung auf der Konsole wird PlatformIO Core heruntergeladen, alternativ kann als IDE VS Code mit PlatformIO als Plugin verwendet werden.

Nach dem Download der Firmware von Github wechseln wir auf der Konsole in das entsprechende Verzeichnis.

Um den ATTiny4313 zu beschreiben, ist ein AVR-ISP (z.B. USBasp) mit 6 Pin Stecker nötig. Dieser wird mit dem ISP Steckverbinder K2 verbunden. Außerdem muss die aufgebaute Platine an das Netzteil angeschlossen sein. Dann werden zunächst (einmalig) die Fusebits gesetzt:

Anschließend wird die Firmware compiliert und auf den Controller hochgeladen:

Wenn alles geklappt hat, sollte nun die Hochspannung aktiviert werden, und die Nixie Röhren zu leuchten beginnen.

Bedienung

Die Einstellung der Uhrzeit erfolgt mit den drei Tasten auf der Rückseite. Die Funktionen sind dabei S1: Minus, S2: Stellen / Bestätigen, S3: Plus.

Sofern initial die Zeit noch nicht eingestellt wurde, blinken alle Röhren mit Anzeige 00:00. Der Einstellvorgang wird durch einen kurzen Druck von S2 gestartet. Die Stundenanzeige blinkt, und die gewünschte Stunde kann mittels S1 und S3 eingestellt werden. Um schnell vorzuspringen, können die Tasten auch gehalten werden. Danach wird mit S2 bestätigt, und dieser Vorgang wird für die Minuten wiederholt. Nach einem erneuten Drücken von S2 wird die Uhrzeit in den RTC Chip geschrieben und die Uhr läuft los. Soll die Uhrzeit erneut eingestellt werden, kann jederzeit durch kurzes Halten von S2 erneut in den Einstellungsmodus gewechselt werden.

Betrieb

Alle 10 Minuten startet die Uhr eine Routine gegen „Kathoden-Vergiftung“ (Cathode Poisoning), um die Lebensdauer der Röhren zu erhöhen. Dieses kann auftreten, wenn eine Röhre zu lange dieselbe Ziffer anzeigt. Dabei sputtert nicht leitendes Material von der aktiven Kathode auf umliegende, inaktive Kathoden. Weniger benutzte Ziffern leuchten später unvollständig auf. Die Software durchläuft daher mehrfach alle Ziffern, um diesem Problem entgegenzuwirken.

Gehäuse

Wird später ergänzt.

Projektstatus

Das Projekt ist noch nicht abgeschlossen, es können sich noch Bauteilwerte ändern.

Links

• tube-tester.com - Nixie Tube Data Archive
• tube-tester.com - Cathode Poisoning Reversal
• threeneurons.wordpress.com - Nixie Stuff
• github.com - Gloeidraad - SN74141 Substitution

Downloads

• Schaltplan (PDF)
• Stückliste (PDF)
• Layout und Stückliste
• Layout im Gerber Format
• Firmware (GitHub)
• Abstandshalter für Z5700M Nixie Röhre (Thingiverse)
• Abstandshalter für IN-3 Glimmlampe (Thingiverse)

Lizenz

Das Projekt darf für nicht kommerzielle Zwecke frei verwendet und modifiziert werden, der Urheber muss jedoch genannt werden (CC BY-NC-SA).