Sicherheitshinweis
An Teilen der Schaltung liegen im Betrieb lebensgefährliche Spannungen.
Das Gerät darf daher nur in geschlossenen, berührungssicheren Gehäusen betrieben werden!
Die VDE Bestimmungen sind zu beachten !
Schaltungsbeschreibung
Die Spannungsversorgung
Spannungsaufbereitung
Die Spannungsversorgung der Uhr gliedert sich in 3 Schaltungsteile:
D1 dient in Verbindung mit der Sicherung S1 als Schutz vor verpolter Versorgungsspannung.
Der gelb hinterlegte Teil versorgt die Logik mit 5 Volt und der blau hinterlegte die Nixieröhren mit ca. 200 Volt bei ca. 6 mA.
IC2 ist als Step-up Wandler beschaltet, der über einen komplementären Emitterfolger einen externen Leistung-FET schaltet.
Die Schaltung ist einfach, preiswert und der Wirkungsgrad gut.
Der erlaubte Eingansspannungsbereich ist 10 bis 20 Volt.
Auf 205 Volt eingestellt liefert sie, je nach verwendeter Spule L1, bis zu 4 Watt Ausgangsleistung.
Mit P1 lässt sich die Hochspannung zwischen 150 V und 225 V einstellen.
Die Leistungsaufnahme der Uhr variiert, je nach eingestellter Hochspannung und verwendetem Röhrentyp, von ca. 2 bis 4 Watt
und ist nahezu unabhängig von der Eingangsspannung.
Bei dunkelgetastetem Display beträgt sie weniger als 0,5 Watt.
Bei weniger als 10 Volt kann der MC34063 die Hochspannung nicht mehr ausregeln und bei mehr als 20 Volt werden
der 7805 und der IRF 830 deutlich warm.
Aus Kostengründen habe ich keine Tests mit mehr als 20 Volt durchgeführt :-)
Wer R1 in der Stückliste sucht, wird lange brauchen:
er ist auf der Platine als definiertes Leiterbahnstück von 300 mΩ ausgeführt.
nicht alle Spulen funktionieren
Der Wert der Spule L1 ist unkritisch. Die Schaltung läuft mit verschiedenen Ausführungen.
Vielleicht mal einen Blick in die eigene Restekiste werfen.
Von den Spulen auf dem Foto links gehen die Schwarze oben und die Blaue links sehr gut.
Die große Schwarze rechts bringt von 8 bis 10 Volt sehr hohe Leistung, danach wird aber T1 zu heiß.
Die restlichen Exemplare sind ungeeignet.
Wenn T1 mehr als lauwarm wird, der Wandler nicht die geforderte Leistung bringt oder
die Uhr mit weniger als 10 Volt Betriebsspannung laufen soll, muss für L1 eine andere Spule eingesetzt werden.
Mit einem Exemplar, das später in die magnetische Sättigung kommt, sollte die
gewünschte Ausgangsspannung eingestellt werden können.
Für Betrieb mit den Röhren ZM1040 muss eine Spule mit mindestens 1A Strombelastbarkeit verwendet werden.
Geeignet ist z.B. die Drossel 77A 330µ oder ein Ringkern T 80-26, auf den ca. 65 Windungen aufgebracht werden,
beides bei Reichelt im Programm.
Wenn L1 oder T1 übermäßig heiß werden, muss die Spule geändert werden.
Der Controller
Der Controller empfängt an Pin 1 ein DCF-Signal oder an Pin 7 ein GPS-Signal.
Manche GPS-Empfänger stellen ein PPS(Puls per Second)-Signal bereit, das an Pin 6 angelegt wird.
An Pin 2 und 3 fragt er die Taster ab. Die Bestückungsplätze auf der Platine für 2 Kondensatoren zum Entprellen der Taster bleiben frei.
Mit Pin 5 steuert er den Buzzer und mit Pin 4 den Transistor T2, der den Schaltausgang nach Masse zieht. Der Platz für den Basisableitwiderstand bleibt ebenfalls unbestückt.
Pins 6,7,8 und 9 gehen zur ISP Schnittstelle, während über die Pins 14 und 15 Kontakt
zum RS232 Pegelwandler besteht.
Vervollständigt wird die Beschaltung des AVRs durch einen 16 MHz Quarz.
Stromlaufplan für die Ziffer 0 irgendeiner der 6 Ziffernröhren.
Die Bauteile R11, R12 und D3 bilden die Klemmschaltung für die Bias-Spannung von 85 Volt.
12 identische Kathodentreiber und 6 identische Anodentreiber stellen die Verbindung zwischen Controller und Steckerleiste St2 her.
Für jeweils einen Treiber ist exemplarisch die Nummerierung der Bauteile aufgeführt.
Die vormals eingeplanten Basisableitwiderstände aller MPSA42 Transistoren entfallen bei Einsatz von Controllern aus der ATMEGA-Serie.
Anodentreiber und Kathodentreiber
Wie römische Legionäre warten die Hochspannungstransistoren darauf, die Ziffernröhren zu befeuern.
Die RS232 Schnittstelle
IC 4 ist in Standardschaltung als RS232 Pegelwandler beschaltet.
Der Signalpegel 0V/5V der UART-Pins 14 und 15 des AVRs wird so auf -10V/+10V RS232 Pegel an der 9pol Sub-D Buchse angepasst.
Die 2 Eingänge der unbenutzten Treiber bleiben offen, da sie durch interne Pull-Up Widerstände in definiertem
Zustand gehalten werden.
Die Periferie
Taster, Empfängermodule und Temperatursensor werden gem. Bild mit dem Controllerboard verbunden.
Die Uhrensoftware ab V1.3a funktioniert mit beliebiger Polarität des DCF-Signals.
Der Schaltausgang kann bis zu 0,5 A senken um z.B. Relais anzusteuern.
Die Versorgungsspannung für den GPS-Empfänger darf nur dann aus der Uhr bezogen werden,
wenn der 5 Volt Festspannungsregler IC 3 entsprechend gekühlt wird !
Bei stromhungrigen Empfängern (mehr als 70 mA) und schlecht zu belüftenden Uhrengehäusen muss die Versorgung separat erfolgen !
Bei GPS-Empfängern ohne PPS-Ausgang (Puls per Second), entfällt die Verbindung zu Pin 4 von St3 einfach.
Der 4K7 PullUp-Widerstand für den Temperatursensor ist frei zu verdrahten.
Das Display
Die Nixieröhren sind als Matrix verbunden und werden im Zeitmultiplex angesteuert.
Über Pins 15 bis 20 werden die Röhrenanoden selektiert und über Pins 1 bis 10 die Kathoden mit den
entsprechenden Ziffern aktiviert.
Die kleinen Glimmröhren bekommen Dauerplus über je einen 1 MΩ Widerstand auf eine Elektrode und werden
über Pin 11 und 12 aktiviert.
Die Bauteile R11, R12 und D3 - D12 bilden die Klemmschaltung für die Bias-Spannung.
Neuwertige Röhren ZM1210 liefern mit 200 V Anodenspannung und Arbeitswiderständen von 10 KΩ helle und scharfe Zeichen.
Dabei fließen 3,2 mA peak Kathodenstrom, was einem Effektivwert von 0,56 mA entspricht.
Die Datenblätter geben nur wenige Tausen Stunden Lebensdauer für die meisten Nixieröhren an.
100.000 Stunden Röhrenlebensdauer (das entspricht ca. 11 Jahren) erreichen nur sogenannte Longlife-Typen,
die über eine entsprechende Quecksilberzugabe in der Gasfüllung verfügen.
Ob die eigenen Röhren auch dazugehören erkennt man leicht an Besonderheiten des Innenlebens:
Die Quecksilberzugabe erfolt nach der Gasfüllung durch elektrisches Aufschmelzen eines winzigen Glasreservoirs bzw. Getterringes.
Diese kann man leicht in der Röhre finden. Meist befindet es sich zwischen den Anschlussdrähten im unteren Teil des Systems,
auf der Rückseite oder oben über den Ziffern.
Die ZM1210, ZM1080, ZM1040 und ZM1000 haben dies und gehören somit zu den longlife Röhren.
Die Hersteller weisen darauf hin, dass solch eine Lebensdauer jedoch nur erreicht werden kann, wenn alle Kathoden
gleichmäßig angesteuert werden und keine einzelne länger als einige hundert Stunden ununterbrochen aktiviert ist.
Ein hoher Kathodenstrom wirkt mit mehr als der 3ten Potenz verkürzend auf die Lebensdauer ein.
In dieser Uhr habe ich versucht die Röhren durch verschiedene Maßnahmen maximal zu schonen
(so preiswert und leicht erhältlich sind sie schließlich nicht, dass man alle paar Jahre den ganzen Satz wechseln möchte)
Betrieb mit 25% des vom Hersteller angegebenen Nennstromes
einstellbare Grundhelligkeit
2 frei programmierbare Dunkelphasen täglich (einstellbar zwischen 0% und 100% Helligkeit)
komfortables Wochenprogramm zur Röhrenabschaltung
geregelte, einstellbare Hochspannung
Betrieb mit Pre-Bias-Spannung
Röhrenfassungen
Die Fassungen dienen dazu, die Röhren nach rund 20.000 Stunden auf eine andere Position stecken zu können,
damit z.B. auch die Röhre auf der Stunden-Zehner-Stelle ein langes Leben hat.
Die Betriebsstundenzähler helfen, hierbei den Überblick zu behalten.
Der Aufbau der Controllerplatine
Sicherheitshinweis
In den rot hinterlegten Bereichen herrschen auf beiden Seiten der Platinen lebensgefährliche Spannungen.
Auch nach dem Trennen von der Versorgungsspannung besteht noch für eine gewisse Zeit Gefahr.
Der Kondensator C8 entläd sich erst nach 5 Sekunden auf einen ungefährlichen Wert.
Ohne angeschlossene Displayplatine verlängert sich diese Zeit auf 15 Sekunden !
bestückte Controllerplatine
die Hochspannungserzeugung
Die Controllerplatine wird zuerst mit den liegenden Widerständen bestückt.
Mit den Drahtresten anschließend die Drahtbrücken herstellen.
Wenn die IC-Sockel eingesetzt sind werden die übrigen Bauteile eingelötet.
Wie üblich mit den Niedrigen beginnen.
T1 und IC3 werden mit den Kühlflächen nach oben zeigend eingesetzt.
Für C8 sind radiale oder axiale Typen geeignet, in jedem Falle wird er liegend eingesetzt.
Für C5 ist eine niedrige Bauform zu wählen, da er den Abstand zur Displayplatine bestimmt.
Wird hier ein zu hohes Exemplar verbaut, muss nachher eventuell an der Unterseite der Displayplatine nachgearbeitet werden.
Abschließend werden die ICs in ihre Fassungen gesetzt.
Bau der Displayplatinen
Displayplatine für 6 mal ZM1210, 6 mal ZM1080 oder 6 mal IN8-2
herausgetrennte Einzelkontakte
Man kann alle Röhren direkt in die Platine einlöten.
Dann müssen mindestens 5mm Abstand zwischen Glaskörper und Lötstelle bleiben.
Die Drähte der Ziffernröhren werden in die Bohrungen eingefädelt, abgelängt, die letzten 2 mm nach außen umgebogen
und auf den äußeren Lötpads zügig angelötet.
Mit 2 Lötstellen beginnen und immer auf die Ausrichtung der Röhre achten !
Nicht die Lötaugen flächig zulöten.
Das gibt später mechanische Spannungen, die zu Glasbruch führen können.
Die zwei Glimmlampen werden herkömmlich eingelötet.
Pins nach dem Ausrichten
Ich empfehle jedoch, Fassungen zu verwenden.
Leider gibt es für die hier beschriebenen Röhren keine fertigen Fassungen zu kaufen, sodass diese selbst angefertigt werden müssen.
Für die beiden Glimmröhren nimmt man 2polige Segmente von einreihiger Buchsenleiste oder
trennt aus IC-Fassungen ein 2poliges Teil heraus.
Die Fassungen für die Ziffernröhren werden aus den Einzelkontakten aus IC-Fassungen (Präzisionsfassungen mit gedrehten Pins)
hergestellt. Die 78 Pins müssen einzeln mit einer Zange o.ä. aus dem Kunststoffträger herausgedrückt werden.
Jeweils 13 Pins steckt man dann lose in die Bohrungen für eine Röhrenfassung.
Die Platine wird auf den Kopf gestellt nachdem die Pins in geeigneter Weise gegen Herausfallen gesichert sind.
Jetzt werden alle Pins angelötet und anschließend einzeln ausgerichtet.
Dazu erhitzt man die Lötstellen und richtet die Pins nacheinander nach Augenmaß senkrecht aus.
Das muss gegebenenfalls mehrfach durchgeführt werden, damit später alle Pins exakt kreisförmig, mit
gleichem Abstand, ohne Kontakt zum Nachbarpin stehen.
Tip:
Werden die Pins durch eine flächig angedrückte Glasscheibe oder zweite Platine gegen Herausfallen gesichert, richten sie sich selbst
genügend genau aus.
Korrekturen einzelner Pins sind dann ohne Löten durch leichtes Biegen einfach möglich.
fertig zum Vergiessen
Da die ganze Sache mechanisch noch sehr wackelig ist und außerdem die Gefahr von Kurzschlüssen besteht,
müssen die Fassungen noch mit Epoxydharz vergossen werden.
Als Gussform trennt man aus einem z.B. Aluminiumrohr von 14 mm Innendurchmesser 6 Stücke von 5 mm Höhe ab.
Will man diese nach Aushärtung des Harzes nicht auf der Platine belassen, dann sägt man noch einen senkrechten Schlitz hinein.
Jetzt werden die Schlitze von innen mit Alleskleber verschlossen, das Rohr innen leicht eingeölt
und dann mit dem Schlitz nach hinten weisend auf die Platine geklebt.
Ist der Alleskleber genügend angetrocknet kann der Innenraum vorsichtig mit Epoxydharz bis zur Oberkannte der Pins gefüllt werden.
Fassungen vor und nach dem Abformen
Sicherheitshinweis
Epoxydharz ist im nichtausgehärteten Zustand gesundheitsschädlich.
Auch der Schleifstaub ist gefährlich.
Nur in gut belüfteten Räumen verwenden, Handschuhe und ggf. Schutzmaske aufsetzen.
Tip:
Nicht unter 20° Celsius Raumtemperatur verarbeiten; Erwärmen beschleunigt den Aushärtungsprozess.
fertige Fassungen
Nicht zu viel Harz einfüllen und kein Harz in die Pins laufen lassen.
Passiert dies doch versehentlich, Finger weg.
Überschüssiges Harz kann viel einfacher entfernt werden, nachdem es ausgehärtet ist.
Anderenfalls riskiert man, die gesamte Fassung zu zerstören.
Wenn das Harz durchgehärtet ist, werden die Rohrstücke mit einem Schraubendreher am Schlitz aufgeweitet,
entfernt und die Klebstoffreste von der Platine beseitigt.
Anschließend wird die Oberkannte der Fassungen plangeschliffen, gereinigt und im Gegenlicht nochmal auf eventuelle
Kurzschlüsse überprüft.
Displaybestückung von unten
Jetzt wird die Platine auf der Lötseite mit den übrigen Bauteilen bestückt.
Die Anode der ZM1210 liegt grundsätzlich auf zwei Röhrenpins auf.
Nach meiner Erfahrung sind jedoch nicht bei allen Röhren beide Anodenanschlüsse aus dem Glaskörper
herausgeführt, sondern mal der eine, mal der andere oder auch mal beide.
Daher ist das Layout so gestaltet, dass die Röhrenbetriebsspannung zu beiden Anodenpins geführt wird.
Bei den Anodenwiderständen lässt man den Draht auf einer Seite so lang, dass er auf beiden Lötpads angelötet werden kann.
(siehe Foto links)
Tip:
Die 20polige Buchsenleiste als Verbinder zur Controllerplatine wird erst angepasst und festgelötet,
wenn beide Platinen probeweise mit Abstandsbolzen zusammengeschraubt sind.
Displayplatine mit 6 mal ZM1000
Fassung für ZM1000
Die Fassungen für ZM1000 Röhren sind bedeutend leichter und schneller anzufertigen.
Aus mehreren Buchsenleisten im Rastermaß 2,54 mm werden einfach die benötigte Anzahl von 3 und 5 poligen Streifen abgetrennt
und in die Platine gelötet.
Die Bestückung mit den übrigen Bauteilen geschieht genau wie bei den anderen Displayplatinen.
Nicht verschwiegen werden darf hier, dass diese Röhren mit zu den teuersten gehören, wenn man sie überhaupt bekommen kann !
Displayplatine mit 4 mal ZM1040 und 2 mal ZM1210
fertige Fassungen
Als Fassung für die dickeren Röhrenstifte der ZM1040 werden die einzelnen Kontakte aus weiblichen Sub-D Steckern
mit Lötkelch verwendet.
Sie passen mit sanfter Gewalt in die 1,5 mm weiten Bohrungen auf der Platine.
Während des Festlötens müssen die Pins durch eine aufgesteckte Röhre ausgerichtet und fixiert sein.
Nur so erhält man später eine maßhaltige und leichtgängige Fassung.
bestückte Displayplatine 4+2
Ein Vergießen mit Kunstharz ist wegen der mechanischen Stabilität und der geringen Kurzschlussgefahr nicht nötig.
Das bedeutet aber auch ein gewisses Maß an Feinfühligkeit beim Stecken und Ziehen der Röhren, um
keine Kontakte zu verbiegen bzw. abzubrechen.
Ansonsten wird die Platine genauso bestückt, wie die Displayplatinen für kleine Röhren, einziger Unterschied:
die Anodenwiderstände für die ZM1040 haben einen Wert von 1 KΩ.
Bau einer Uhr für IN17 Röhren
Uhr mit der kleinen IN17
Aus den 3 Platinen Anzeige, Steuerung und Spannungsversorgung ensteht eine sehr kleine Ausführung der Uhr.
Die Abmessungen betragen mit eingesetzten Röhren nur 90mm x 90mm x 30mm.
Mit einem GPS-Empfänger bietet sich die Uhr so vielleicht zum Einbau in ein Auto an.
Schaltplan und Stücklisten entsprechen den übrigen Uhrenversionen mit lediglich zwei Ausnahmen:
Bu1 ist ein 10-poliger, abgewinkelter Wannenstecker, da eine SUB-D Buchse recht groß baut.
Daher ist für diese Uhr auch ein eigenes RS232-Kabel anzufertigen.
Als Hilfe dazu kann dieses Foto dienen.
Displayverbinder St2 und Bu2 und entfallen. Die Verbindung zur Controllerplatine ist nach eigenem Ermessen anzufertigen.
Um so klein wie auf dem Foto zu bauen, wird eine abgewinkelte Stiftleiste in ihre Einzelteile zerlegt, eingefädelt und verlötet.
Tip:
Vor dem endgültigen Verlöten sind die Röhrentreiber auf der Controllerplatine und die gesamte Displayplatine peinlich genau
auf korrekte Bestückung und eventuelle Lötbrücken abzusuchen.
Hinterher ist der Zugang für Korrekturen extrem erschwert.
Die Röhren können mittels Glühlampentauchlack eingefärbt werden.
In Rot machen sie auch einen hübschen Eindruck.
Betrieb einer 7-Segment-LED-Anzeige an der Controllerplatine
20mm hohe grüne Anzeigen
Gelegentlich werde ich gefragt ob die Uhr auch mit einer LED-Anzeige betrieben werden kann.
Ich antworte dann: "Das ist prinzipiell möglich.
Sie können eine 7-Segmentanzeige mit einer passiven Logik bestehend aus 49 Dioden ausstatten und an die Controllerplatine anschließen.
Das wurde schon erfolgreich umgesetzt.
Die Anzeigeschaltung müssen Sie selbst entwickeln und die Controllerplatine nach eigenem Ermessen modifizieren."
Da kürzlich eine Schaltuhr für meinen Hausanschlusskasten gewünscht war und ich gerne die Funktionen meiner
Nixieuhr nutzen wollte ohne aber dafür Röhren zu "verbrauchen" habe ich probeweise mal selbst eine Uhr mit einer LED-Siebensegmentanzeige ausgestattet.
Es war gerade ein 8-stelliges Display mit gemeinsamen Kathoden übrig welche über eine Diodenmatrix ohne Kathodentreiber
direkt mit den Controllerausgängen angesteuert wird. Die ehemaligen Anodentreiber sind modifiziert und treiben die Kathoden der LEDs.
Es funktioniert leidlich aber die Helligkeit der Ziffern ist unbefriedigend. Der Controller kann den eigentlich erforderlichen Strom nicht liefern.
Für einen ordentlichen Betrieb werden deshalb die bisherigen Treiber leicht modifiziert genutzt um Displays mit gemeinsamer Anode anzusteuern.
Für einen einfachen Nachbau habe ich eine Anzeigeplatine angefertigt und stelle Layout und
Bestückungsplan zur Verfügung.
Es sind alle Funktionen wie Fading und Helligkeitseinstellung über den gesamten Bereich weiterhin möglich!
Schaltplan für die LED-Anzeige
Die Dezimalpunkte von Stunden-Einern und Minuten-Einern haben jetzt die Funktion der ursprünglichen Glimmröhren G und H.
Der Dezimalpunkt der Sekunden-Einer kann eine Funktion nach eigenem Wunsch anzeigen.
Der Punkt wird durch ein Low-Signal an Pin 14 von Buchsenleiste Bu2 eingeschaltet.
Die Ansteuerung muss einen LED-Strom von 80 mA senken können.
LED 7, LED 8 und LED 9 können alternativ bestückt werden, dann sind die Leiterbahnen zu den Dezimalpunktanschlüssen
an der gekennzeichneten Stelle zu unterbrechen.
C1 und C2 dienen dazu die Helligkeit der Dezimalpunkte zu stabilisieren, da die Helligkeitssteuerung der ehemaligen Glimmröhren
nicht mit dem Multiplexing der Ziffern synchronisiert ist.
modifizierte Controllerplatine
Auf der Controllerplatine sind folgende Änderungen erforderlich:
IC 2 entfernen
R221 bis R226 entfernen
R101 bis R112 werden 1 KOhm
R321 bis R326 werden 2,2 KOhm
Die MPSA-Transistoren haben bei dem geforderten LED-Strom eine Stromverstärkung von weniger als 30.
Damit alle Ziffern gleich hell leuchten und die maximal mögliche Helligkeit erreicht werden kann sollten diese ersetzt werden.
T101 - T112 sowie T121 - T126 werden BC337 und T221 - T226 werden BC327.
Die Transistoren werden wegen ihrer zu den MPSA-Typen abweichenden Anschlussbelegung um 180 Grad gedreht eingelötet.
Pin 14 der Stiftleiste St2 von der ehemaligen 200 Volt-Schiene abtrennen und je nach gewünschter Funktion von LED 9 belegen,
z.b. mit dem Schaltausgang.
Wenn für Stiftleiste St2 eine abgewinkelte Version auf die Lötseite der Platine gelötet wird, baut die Uhr am Ende möglichst flach.
Alle Bauteile um die 200 Volt-Erzeugung herum können entfallen, R1, L1 und D2 werden überbrückt.
Eine Anzeige mit Röhren kann mit einer derart bestückten Controllerplatine nicht mehr betrieben werden!
Der ursprünglich mögliche Betriebsspannungsbereich der Uhr von 9 bis 20 Volt verringert sich auf 8 bis 12 Volt.
Sicherheitshinweis
Stromlaufplan für die Ziffer 0 irgendeiner der 6 Ziffernröhren.
12 identische Kathodentreiber und 6 identische Anodentreiber stellen die Verbindung zwischen Controller und Steckerleiste St2 her.
IC 4 ist in Standardschaltung als RS232 Pegelwandler beschaltet.
Taster, Empfängermodule und Temperatursensor werden gem. Bild mit dem Controllerboard verbunden.
Tip:
Werden die Pins durch eine flächig angedrückte Glasscheibe oder zweite Platine gegen Herausfallen gesichert, richten sie sich selbst
genügend genau aus.
