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Eigenbau Nixiuhr

Das in den letzten Jahren das Thema Retro immer mehr zum Trend wurde, ist auch mir nicht entgangen. Auch der „Industrial“- und „Steam“-Style hat in vielen Haushalten Einzug gehalten.  Man(n) stellt sich wieder viele Dinge ins Regal, die die robuste Technik und das Aussehen der vergangen Jahrzehnte repräsentieren. So flackern LED-Leuchtmittel in den Räumen, die optisch den Glühbirnen der Gründerzeit nachempfunden wurden. Die Messing Lampenfassungen werden von einem mit Stoffgeflecht ummanteltem Kabel gehalten. Anstelle der Kohle- oder Wolframglühfäden in den Birnen arbeitet modernes LED-Filament. Thematisch diesem Stil entsprechend, sind beispielsweise auch mechanische Uhren und elektrische Uhren mit Leuchtanzeigen aller Art wieder gefragt. Passend zu diesem Trend, habe ich in älteren Blogbeiträgen schon über die VFD-Uhren berichtet. (VFD = VaccumFLuoreszenzDisplay) Diese Anzeigetechnologie verwendete man zum Beispiel bis Ende der 90iger Jahre noch häufig in Videorecordern, HiFi Geräten und diversen Radioweckern. Danach war die LED und LCD Technologie Standard. Heute halten überall die kleinen OLEDs Einzug. Im Rahmen des Retro Revivals werden VFD´s in Form von Einzelziffer-Anzeigeröhren zu Uhren zusammengebaut. Diese Uhren gibt es als Fertiggeräte oder auch als Bausätze (grother.de).  Da diese Anzeigeröhren mittlerweile nicht mehr hergestellt werden und nur Altbestände (new old stock) verfügbar sind, steigen auch die Preise. Aber es geht preislich noch schlimmer – eine technische Entwicklung aus den 1920er Jahren ist eine Anzeigetechnologie nach dem Prinzip der Glimmlampe.  Hierbei wird in einem, mit Edelgas gefüllten, Glaskolben eine aus Draht gebogene Ziffer als Kathode, vor einem dünnen Metallgitter als Anode angebracht. Legt man eine Spannung an, so beginnt das Edelgas entlang des als Ziffer geformten Drahtes zu glimmen. So entsteht, von außen betrachtet, der Eindruck einer leuchtenden Ziffer. In einer solchen Röhre sind meistens die Ziffern von 0-9 untergebracht und für jede Ziffer ist natürlich auch ein separater Anschluss vorhanden. Viele von den Lesern werden diese Art von Röhre sicherlich kennen. Sie nennt sich NIXIE – Anzeigeröhre (stammt von der der Bezeichnung „Numeric Indicator eXperimental No. 1“

Eine Uhr mit solchen Anzeigeröhren fehlt noch in meiner Sammlung. Also möchte ich eine solche haben. Aber kaufen ist einfach – und außerdem auch sehr teuer. So habe ich mir vorgenommen, eine Nixieuhr selber zu bauen. Begonnen hat alles mit einer langwierigen Suche nach den Röhren, denn auch für diese muss man mittlerweile schon einiges hinlegen. Und ich benötige mindestens sechs Stück, da meine Uhr auch eine Sekundenanzeige haben soll. So habe ich also im Internet auf verschiedensten Plattformen gesucht – und in der Bucht wurde ich fündig. Dort wurde ein Board bestückt mit Nixieröhren angeboten, das aus irgendeinem alten Gerät herausgebrochen wurde. Die Funktion des Boards wurde als „unbekannt“ angegeben – dafür war es sehr günstig. Der Verkäufer hatte zwei davon. Also riskierte ich es und kaufte die beiden Platinen bestückt mit je fünf Nixies.

Die Röhren waren dann auch mit einiger Vorsicht erfolgreich ausgelötet. Die Type der Röhre ist die Z574M, zu der man im Netz auch die Datenblätter findet und somit auch die Sockelbeschaltung hat.

Mit Hilfe der Beschaltung lässt sie sich dann auch einfach kontaktieren und so Ziffer für Ziffer jeder Röhre überprüfen. Die Kenndaten der 574 sind:

  • Anodenzündspannug: 150V
  • Anodenbrennspannung: 140V
  • Anodenlöschspannung: 120V
  • Max Anodenspannung: 170V
  • Kathodenstrom min: 1.5mA
  • Kathodenstrom max: 2.5mA

Mit einem geeigneten Netzgerät konnte ich die notwendigen Versorgungsspannungen für den Funktionstest schnell einstellen.

Man sieht hier, dass die Röhre bei einer Brennspannung von knapp 140V einen Strom von 2.8mA zieht. Das entspricht einer Leistung von 392mW. Wenn ich also hochrechne und alle sechs Ziffern der Uhr dauerbestromt werden, dann muss die Spannungsversorgung für die Röhren ca. 2.3W bringen.

Die Röhren funktionieren also schon mal. Jetzt kann ich mir Gedanken machen wie die Uhr aussehen soll und noch mehr, wie ich sie konstruieren will.

Die Idee ist, dass ein Mikrocontroller alle sechs Röhren ansteuern soll.  Das will ich mit 8-Bit 4094er Schieberegistern realisieren, wovon je vier Bit für eine Röhre verwendet werden. Diese vier Bit aus dem Shift-Register sollen dann über Binary Coded Decimals (also BCD) die Röhren ansteuern. Da die Röhren aber für jede Ziffer einen Anschluss haben, müssen aus den vier BCD-Leitungen zehn separate Zifferansteuerungen generiert werden. Das wird ein CD4028 erledigen. Der IC CD4028 ist ein „BCD to Dezimal Decoder“. Um die relativ hohen Spannungen der Nixies zu schalten, wird der BCD-Dezimal Decoder einen geeigneten Transistor ansteuern. Hier wird der MPSA42 seinen Dienst verrichten. Das ist ein NPN Bipolar Transistor mit einer Kollektor-Emitter Spannungsfestigkeit von 300VDC bei einem maximalen Kollektorstrom von 500mA.  Um die Röhren möglichst flexibel einsetzen zu können, habe ich mir ausgedacht, für jede Röhre eine eigene Platine zu gestalten. Diese einzelnen Anzeigeplatinen sollen dann auf eine Hauptpatine gesteckt werden. So kann man, sollte ein Digit einmal defekt sein, das betreffende Board einfach herausziehen und es reparieren. Dann muss nicht am Mainboard herum gelötet werden.

Am Mainboard soll der Microcontroller Platz finden. Auch die Nieder- und Hochspannungsversorgung und die Schieberegister sollen am Mainboard untergebracht werden. Die Display-Platinen tragen lediglich die Nixieröhre samt deren Treibertransistoren und den BCD-Dezimal Decoder. Mittels Pfostensteckverbindern sollen sie einfach in das Mainboard einsteckbar sein. Um diese Formulierungen ein wenig einfacher darzustellen habe ich diese Skizze angefertigt:

Auf Basis dieser Idee begann ich nun, die Schaltpläne zu zeichnen. Mit dem Displayboard, auf dem sich die Röhre befindet fing es also an. Der Schaltungsaufbau ist sehr einfach. Über zwei gegenüber liegende Pfostensteckverbinder sollte das Board auf dem Mainboard einen stabilen Halt bekommen. Einer der Steckverbinder versorgt den BCD-Dezimaldekoder (CD4028N) mit den vier Dateneingängen und der 5V Versorgungsspannung für die Logik. Auf der anderen Seite des Boards wird die „Hochspannung“ für die Röhre bereitgestellt.

Daraus konnte ich dann einfach ein Layout erstellen und dieses dann als Prototyp als Platine herstellen.

Nach dem Ätzen und Bestücken der ersten Platine und fünf Weiteren war der erste Schritt der Nixieuhr getan:

Um den ersten Teil des Machwerks zu testen, hatte ich an meiner Arbeitsstelle ein DEB100 Digital-Experimentierboard zur Verfügung. Das folgende Kurzvideo zeigt das Testergebnis:

Nachdem dann alle sechs Boards bestückt und getestet waren, hatte ich mich mit der Planung des Mainboards beschäftigt. Zu Beginn stand natürlich wieder die Erstellung eines Schaltplanes. Aus einer externen einer 12VDC Quelle, die idealer Weise ein simples Steckernetzteil sein sollte, mussten die Versorgungsspannungen generiert werden. Zum einen benötigte ich eine 5VDC Versorgung für den Microcontroller, die Schieberegister und die BCD Decoder und zum anderen eine „Hochspannung“ von 140VDC für die Nixieröhren. Die 5V waren schnell erledigt – hier sollte ein 7805 Längsregler seinen Dienst verrichten. Da die Stromaufnahme der digitalen Komponenten relativ gering ist, bedurfte es hier keiner aufwendigen Maßnahmen. Die 7V Differenz am 7805 bei den paar Milliampere packte er ohne großartige Verlustleistungswärmeabgabe. Für die Erzeugung der 140V bastelte ich einen Step-Up – Konverter mit einem MC34062 (Inverting Regulator – Buck, Boost, Switching) Controller, der über einen FET eine 220uH Induktivität schaltet. Über einen Spannungsteiler mit Trimm Poti am Ausgang lässt sich eine Spannungsrückmeldung an den Komparator Ausgang des Controllers senden und somit die Ausgangsspannung einstellen. Als Microcontroller nehme ich für die meisten meiner Projekte (aufgrund des Lagerstandes 🙂 ) immer Atmega328 und Ähnliche. So auch hier. Das Ergebnis ist folgender Schaltplan:

Daraus habe ich wieder ein Layout gebastelt und wieder ein Board geätzt und bestückt. Allerdings wurde dieses Prototypen Testboard nur eine Version mit vier Digits. Der Grund war auch, dass ich keine größere Roh-Platine zur Verfügung hatte 🙂

Daraus habe ich wieder ein Layout gebastelt und wieder ein Board geätzt und bestückt. Allerdings wurde dieses Prototypen Testboard nur eine Version mit vier Digits. Der Grund war auch, dass ich keine größere Roh-Platine zur Verfügung hatte 🙂

Nach diversen erfolgreichen Tests mit dem Prototypen Board, bestellte ich mir beim Platinen Herstellers meines Vertrauens professionell gefertigte Boards. Nach dem Bestücken derselben erstellte ich mir dann ein Testprogramm das alle Digits ansteuern konnte. Ein kurzes Testvideo ist unten verlinkt:

Wie die Uhr dann mit den „schön“ gefertigten Boards aussieht, zeigen die folgenden Fotos. Um das ganze Werk noch etwas nostalgischer zu gestalten, hatte ich die Idee die Boards auf einer gefrästen Holzplatte zu montieren. (Danke an Gebhard für die Holzarbeiten). Um die Uhrenelektronik auch dauerhaft staubfrei zu halten, ließ ich mir eine transparente Plexiglashaube anfertigen.

Skizze für die Arcylglashaube

Die Software habe ich wie so oft mit der Arduino IDE gebastelt. Zum Flashen des Microcontrollers verwende ich den AVRISP mkII Programmer.  Wenn jemand am Code interessiert sein sollte kann ich ihn hier im Blog auch posten.

 

Temperatursensor für IV-11 DCF melody

Ein Funktionsupdate für die IV-11 DCF melody Uhr ist von gr-projects erhältlich. Es handelt sich dabei um einen Funktemperatursender. Das Besondere daran ist, dass der im ISM-Band 433MHz arbeitende Sender mit einer Photovoltaikzelle (Solarzelle) ausgestattet ist. Je nach Ausführung kann im Sender ein kleiner Akku oder eine CR2032 Knopfzelle verbaut werden. Die Batterie wird so bei Sonneneinstrahlung von der Solarzelle gestützt bzw. in der Akkuversion wird dieser tagsüber geladen und hält den Sender dann über die dunkle Zeit weiter in Betrieb.

Der Zusammenbau ist einfach. Der Bausatz besteht aus einem Sender und einem Empfänger. Die Platinen von Sender und Empfänger sind mit wenigen Bauteilen schnell bestückt. Hier ist aber doch etwas Aufmerksamkeit gefragt und man sollte die Dokumentation sorgfältig lesen, denn aufgrund der geringeren Stückzahl der Bausätze werden die Platinen ohne Bauteilaufdruck und Lötstoplack gefertigt.

Sendermodul

Die Funkmodule selbst sind vollständig vorbestückt (SMD) und müssen nur mehr in die entsprechenden Platinen eingelötet werden. Dem Temperaturfühler (NTC) kann zu Abgleichzwecken optional ein Trimmpotentiometer parallelgeschaltet werden. Der Sender wird, wie auch der Empfänger, in ein kleines PVC-Gehäuse eingebaut. Hier sind außer einem 3mm Bohrloch und ggf. etwas Silikon für die Abdichtung der Solarzelle (für den Betrieb außen am Fenstersims) keine weiteren Werkzeuge von Nöten.

Sender mit Solarzelle

Um den Empfänger mit der Uhr zu verbinden, sind am Mainboard der Uhr ein paar kleine Änderungen durchzuführen. Zum einen wird der Microcontroller getauscht – logisch – denn es gibt ja ein neues Programm, das in der Datumszeile dann auch die Temperatur anzeigt. Ein Widerstand wird entfernt, einer kommt hinzu und ein Jumper kann gegen eine Brücke getauscht werden. Die Verbindung zwischen dem Mainboard der Uhr und dem Funkempfänger wird mit einem Stück Kabel hergestellt. Drei Leitungen sind erforderlich (GND, +5V und das Datensignal vom Empfängercontroller zum Uhrencontroller). Das war´s dann auch schon. Die Uhr kann in Betrieb gehen. Nach einigen Sekunden wird die empfangene Temperatur in der Röhre angezeigt.

Empfängerplatine im Gehäuse

 

Ein Video über den Aufbau der Schaltung gibt es hier:

VFD-Uhr mit Datum, Wochentag und Sound

Einen neuen Bausatz zum Thema Vakuum Fluoreszenz Display habe ich von Günter (gr-projects) erhalten. Vielen Dank!

Es ist eine Uhr mit Vakuum-Fluoreszenz-Anzeigeröhren der Typen IV-11 für die Stunden, Minuten und Sekundenanzeige und einer IV-18 Röhre für die Datumsanzeige, sowie IV-3 zur Darstellung des Wochentages. Die Uhr besteht aus einem Mainboard mit Spannungsversorgung, CPU, MP3-Modul sowie den Treiberbausteinen für die Röhren. Die Uhrzeit wird über einen extern angeschlossenen DCF-77 Empfänger eingestellt und synchronisiert. Später wird das Board noch mit einer Realtimeclock-Schaltung erweitert.  Die Energieversorgung für die gesamte Schaltung kommt von einem kleinen Steckernetzteil mit 12V/1.2A. Die gesamte Stromaufnahme beträgt ca. 450mA. Als besonderes Feature besitzt die Uhr ein kleines MP3-Soundmodul mit MicroSD-Kartenslot. Dieses erhält vom Microcontroller über die serielle Schnittstelle zu jeder viertel-Stunde ein entsprechendes Kommando, ein MP3 File abzuspielen. So wird die viertel Stunde mit einem „Gongschlag“, die halbe Stunde mit zwei und die dreiviertel Stunde mit drei „Gongschlägen“ signalisiert. Zur vollen Stunde wird die entsprechende Uhrzeit angesagt.

Die gesamte Schaltung ist in ein Alu-Acryl Gehäuse eingebaut. Alle Formteile sind gefräst und werden  verschraubt. Ein Video vom Aufbau und der Funktion ist unten zu sehen:

VFD – Uhrenbausatz

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Uhren und Zeitmessgeräte, auch die nicht-mechanischen, gehören zu meinen Interessengebieten. Vor allem, wenn die Uhrzeit  mit optisch schönen Anzeigen dargestellt wird, bin ich Feuer und Flamme. Dazu zählen Nixie-Anzeigeröhren und auch die VFD-Röhren. Über letztere handelt dieser Blogeintrag. Hier hat Herr Günter Rother (www.grother.de) einen sehr schönen Bausatz zusammengestellt, der schnell und einfach zusammen zu setzen ist. Es sind alle zum Aufbau benötigten Teile enthalten und man kann gleich loslegen.

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Auf einer zweiseitigen, gelayouteten und mit Lötstoplack versehenen Platine mit den Abmessungen 100×50 mm findet die Uhrenschaltung Platz, bei der als Anzeige für jede Ziffer je eine 7-Segment VFD-Röhre verwendet wird. VFD bedeutet hier Vakuum-Fluoreszenz-Display. Die Funktionsweise ist hier nicht wie bei Nixieröhren eine Glimmentladung, sondern wie bei Elektronenröhren, eine, von einer direktbeheizten Kathode emittierte Elektronenwolke, die auf einer Leuchtschicht – Anode (Phosphor) auftrifft.dsc_2773 Die Spannung zwischen Kathode und Anode liegt hier üblicherweise zwischen 20V und 50V. Mit einem Steuergitter vor den Segmenten können die Elektronen gezielt gebremst werden. Somit ist eine Ansteuerung einzelner Segmente möglich.

Treiberbaustein für die IV-3 VFD-Röhre ist ein LB1240 Display Tube Driver IC, der acht voneinander unabhängige Darlingtonstufen beinhaltet. Jeder Ausgang ist in der Lage 30mA bei maximal 55V zu treiben. Die Eingänge des LB1240 werden über einen Atmel AT89C2051-12PU angesteuert und mittels vier Transistoren wird jede Röhre per Multiplexing geschaltet. Getaktet wird der Atmel mit 11.0592Mhz. Ein DS18B20 Temperatursensor ist ebenfalls in den Bausatz integriert, um auch die Temperatur anzeigen zu können. Der DS18B20 ist ein 1-Draht Digital-Temperatursensor, einstellbar  in 9 bis 12 Bit-Auflösung   an 5V Spannungsversorgung und mit einer Ansprechzeit von 94ms bis 750ms, je nach Auflösung. Der Mikrocontroller ist bereits mit der Firmware für die Uhr geflashed und direkt einsatzbereit. Die IC´s sind gesockelt, 1/25W Kohleschichtwiderstände auf Band und sogar alle Schrauben, Abstandhalter und vorgefertigte Acrylglasplatten für ein finales Gehäuse sind vorhanden.

Die gesamte Schaltung wird mit einem 50Hz Steckernetzteil mit konventionellem Eisenkerntransformator versorgt. Die Spannungen an Board werden mit einem 7905 Linearregler für die 5V und einem fertigen DC/DC Convertermodul (Step-UP-Wandler) für die ca.30V Anodenspannung erzeugt. Bedient wird die Uhr über zwei Mikrotaster, mit denen Stunden und Minuten eingestellt werden können.

Ein kurzes Video über den Zusammenbau und die fertige Uhr kann hier angesehen werden: