Eine Selbstbauanleitung 

1. Vor- und Frühgeschichte
2. Nixieröhren 

3. Grundsätzliches
4. Nixiespannungswandler

5. Röhren  fassunglos!

6. Gehäusefragen, die sich selbst beantworten

7. Die Multiplexfrage

8. Platinenfragen

 

Wer ein wenig Unfug über die Entstehung der Bakuuhr lesen möchte, der sollte sich die Seite bakuuhr.html durchlesen, zur Erhellung meiner Affinität zu diesem Thema trägt auch die Bastlerjugend bei . 

So trug ich mich dann einige Jahre lang mit der Idee, eine Uhr mit Nixieröhren zu bauen, und begann schonmal fleissig zu sammeln. Damals(tm) waren die Nixieröhren noch günstig bei eBay oder umsonst aus den Bastelkellern in Ehren ergrauter Röhrenveteranen zu haben, das ist ja heute leider anders. Zum Glück stellt das für mich kein Problem dar, denn mit meinem derzeitigen Nixievorrat könnte ich so viele Uhren bauen, dass es mir wirklich langweilig würde. Zum Glück langt meine Zeit dazu nicht, so hat denn auch der Bau der Bakuuhr einige Monate gedauert.
Nun aber genug geplaudert und zur Sache!

Das Internet ist gross, und ebenso gross ist die Zahl der dort nachzulesenden Nixieuhrbauanleitungen.
Noch grösser ist die Zahl der Gedanken, die man sich darüber machen kann, wie man denn nur die eigene Nixieuhr baut, insbesondere wenn man über die Möglichkeiten verfügt, eine Uhr nach eigenen Vorstellungen zu entwickeln. Ein paar grobe Eckpunkte sind da zunächst zu klären:

1.) Die Technologiefrage

Wie steuert man die Nixies am besten an? Mit Röhren? Nein, das wäre ein Stilbruch, denn Nixies eroberten erst dann den Markt und die Frontplatten von Messgeräten, als Transistoren zur einfachen und gefälligen Ansteuerung billig und in ausreichender Qualität zur Verfügung standen, auch den Schritt in das TTL-Zeitalter machten sie noch grosszügig mit, wurde doch extra für sie der legendäre 74141 entwickelt, der heute bei eBay zu Höchstpreisen gehandelt wird (Selbst für russische Nachbauten bezahlt man mittlerweile Mondpreise). Man kann natürlich eine Nixieuhr nur mit Röhren bauen, aber das ist kein Zuckerschlecken und nur etwas für völlig Besessene wie Friedhelm Bruegmann  und nebenbei auch gänzlich ausserhalb meines Zeitrahmens (Ich habe schliesslich auch noch andere Projekte in meiner viel zu knapp bemessenen Freizeit zu realisieren). In einer Übergangsphase von den frei fliegenden Elektronen zum Herumgezuckle in Halbleitern wurden mal Dekatrons mit einzeln herausgeführten Kathoden gebaut, die direkt Nixieröhren ansteuern konnten, das hat sich dann aber nicht durchgesetzt. Stilecht wäre TTL, und damit liesse sich die Uhr, die mir vorschwebte, auch sicher realisieren. 
Nun soll meine Uhr aber auch was taugen, d.h. in erster Linie eine Uhr sein und meine persönlichen Eckdaten für eine Uhr erfüllen. Alles kein Problem in TTL, auch ein DCF77-Decoder ist in TTL durchaus zu realisieren (Eine Röhrenversion vermisse ich übrigens im Internet, da zaudert der Hardcoreröhrenfreak wohl doch noch ein wenig...). Zustands- und KV-Diagramme gepönt, haben wir ja damals alles gelernt. Gatter und Flipflops kosten ja nichts mehr. Dafür aber der Fädeldraht kilometerweise! Und die Zeit! Die ganze Nerverei!
Nee! Das tut echt nicht Not! 
Das geile an Nixieröhren ist ja nicht, dass sie so fies anzusteuern sind, sondern ihr ganz besonderes Leuchten und die wunderschöne Form der angezeigten Ziffern. 
(Ich kann mich übrigens an eine Zeit erinnern, da haben Programmierer unter grossem Aufwand eine 7-Segment-LED-Anzeige unter Windows nachprogrammiert, um die an einem Radioempfänger eingestellte Frequenz anzuzeigen. Das ist kein Witz!)
Schlussendlich blieb für mich nur eine Wahl: Da muss ein Mikroprozessor rein. Damit schaffe ich es ohne unendliche nächtliche Lötorgien, die Bakuuhr nicht nur hübsch, sondern auch funktionell zu gestalten, und das bevor sich mein irdischer Leib auf dem Kompost dekomposiert. 
Ich nenn das mal Pragmatismus.
Ich könnte mir im Übrigen auch vorstellen, mal eine Eieruhr nur aus Fernmelderelais und -schaltern  zu bauen, und einer RSM, um den Alarmton zu erzeugen... Man könnte sich auch wahlweise eine Viertelstunde lang mit einer Neunschwänzigen Katze auf den Rücken hauen.

2.) Die Multiplexfrage

In den heute günstig bei iBäh erhältlichen Nixieuhrenbausätzen von Klaus U(h)rbach werden die Nxieröhren im Multiplex betrieben. Ich habe in meinem Design jeder Kathode einen einzelnen Schalttransistor spendiert, der (aus Sicht der Kathode) statisch angesteuert wird. Wahrscheinlich scheut der Klaus die Löterei, die auf Lochraster nachher so aussieht:



Da muss man selbst die SMBTA42 hochkant stellen! Mit einem 74141 hätte ich das nie hingekriegt, oder wurde der jemals im SO16 gefertigt?
Na siehste! Ausserdem kosten 8 SMBTA42 + 8 Basiswiderstände zusammen nur 52 Cent bei Reichelt.

Es ist auch nicht gut, Nixies zu multiplexen. Nixies sterben an herumgesputterten Kathodenmaterial. Und je Strom, desto Sputter, das kann man in jedem Physikbuch nachlesen. Auf englisch heisst das: 'cathode poisoning'. 

3.) Die Funktionsfrage
An dieser Stelle fällt mir eine wichtige Designidee ein, die mir von einem anderen Nixieuhrenfreund heute zugetragen wurde:  (man soll sich ja nicht mit fremden Federn schmücken) 
Die garantierte Lebensdauer einer Nixieröhre beträgt laut Datenblatt 30.000 Stunden. Das ist ja nicht viel!
4 Jahre über den dicken Daumen! 
Und denn sind die Dinger in Mors! Oder aber zumindest schon reichlich mitgenommen!
Kann man die nicht Nachts abschalten, dann halten die doppelt so lange! 
Ich schalte sie deswegen immer am Wochenende ab. Da da noch keine Automatik vorgesehen ist, muss ich hinten den Stromversorgungsstecker rausziehen. 
Aber: Ich habe daran im Voraus gedacht, deswegen hält die Bakuuhr die Zeit für ca. 72 Stunden ganz von alleine, und zeigt sofort nach dem Einstecken am Montagmorgen die Uhrzeit an. Zwar nur ungefähr, so 3 Sekunden verliert sie übers Wochenende, aber bis ich Kaffee gekocht und meine Stulle gegessen habe, hat sie sich allemal schon auf DCF77 synchronisiert.
Weiterhin habe ich in meinem Design die Möglichkeit vorgesehen, den Hochspannungswandler per Software abzuschalten.
Das ulimative Baku-Röhrenschon-Feature ist aber dieses:
Einen Knopf oben auf der Uhr, der solange er gedrückt ist, den Spannungswandler mit Strom versorgt und die Nixies erglühen lässt. Sowas gab das schonmal bei diesen James-Bond-LED-Armbanduhren in den 70ern, da musste man immer auf einen Knopf drücken, damit die Anzeige angeht und anzeigt, wie spät es ist.
Da müsste man auch nicht so eine lange Bedienungsanleitung schreiben.
"Drücken sie hier um die Uhrzeit angezeigt zu bekommen"
Das funktioniert aber nur mit ganz grossen Nixieröhren.
Ist nachts auch ungeil, weil man da gerne wüsste, ob man noch weiterschlafen darf, ohne sich viel zu bewegen.

4.) Die Stromversorgungsfrage

Das ist ja mal son Thema für sich! 
Nixies brauchen mindestens 180 Volt, besser 200. Leuchtdioden brauchen 20mA, normalerweise. Der Prozessor braucht auch Strom. Der ATMega8L z.B. unter realen Bedingungen gemessene 12uA. Damit kann er aus einem 1F Goldcap locker das Wochenende über vor sich hin oszillieren, sieht ja eh keine Sau.
Tapfere Menschen versorgen Nixieröhren direkt aus dem Netz. Muss man halt drauf achten, das keiner seine Fingerchen durch die Trallen steckt. Der Prozessor bekommt dann einen Kondensator und eine Diode vorgeschaltet, wenn er Glück hat noch einen Spannungsregler.
Da gab das noch so eine andere Freakschaltung: 230V aus dem Netz zu 12V machen, und danach mit einem baugleichen Trafo aus den 12V wieder 230.  
Die Bakuuhr hat einen Allstromeingang im Bereich von 9 bis 24 Volt, AC oder DC. Da kann man einen Autoakku ranhängen, einen billigen Halogentrafo, ein Labornetzteil oder eines von den vielen Steckernetzteilen, die überall herummodern. Ein Spannungswandler stellt die berüchtigte Nixieanodenversorgungsspannung bereit.

5.) Die Gehäusefrage

Irgendwas geiles, weil die Nixieröhren, wenn sie jetzt schon in der Bakuuhr ihr Leben aushauchen, ein würdiges Umfeld verdient haben. Handgescheuertes Holz.

6.) Die Prozessorfrage

ATMega8
War ganz einfach: 
UART für Debugausgaben
SPI für die ganzen HC595
Interner RC-Oszilator
asynchroner 32kHz-Oszillator mit Prescaler
Sleep-Mode mit 12uA Stromaufnahme
10 Bit ADC (für den LDR der Helligkeitsregelung)
3 PWM-Kanäle für die Nixies, die LEDs und den Lautsprecher.
Programmiersoftware, Simulator, Assembler und C-Compiler für kostenlos aus dem Netz herunterladbar.
Und noch genug Portpins für weitere Entwicklungen frei.

Aus 6 bis 20 Volt ohne viel Getöse saubere 180 Volt machen. Und diese auch beibehalten, solange es geht. Selbst im Leerlauf! Beim Kurzschluss brennt die Spule durch, aber da muss man eben aufpassen, dass man keinen Kurzschluss macht.
Für das altbackene Design mit dem TL494 aus der Steinzeit der PWM-Controller habe ich mich schon andernorts entschuldigt.


Ist doch ganz einfach. Und lässt sich auch klein zusammenlöten:




Nee, sehr viel kleiner geht das echt nicht!
Und geht echt gut, das Teil! Trotz des Schalenkerns, der für sowas eigentlich garnicht gemacht ist, aber sich ungleich leichter wickeln lässt als ein Ringkern, insbesondere wenn die Windungszahl im oberen zweistelligen Bereich liegt...

Hinzu kommt natürlich noch, dass ich die ganze Schaltung vor dem pfriemeligen Zusammenlöten auf meinem TL494-Testboard testen konnte, also zumindest die Komponenten im Groben. Der Aufbau hat dann noch ein paar zusätzliche Haken und Ösen in Form von kapazitiver Kopplung zwischen dem Metallflansch am Transistor und der direkt darunter liegenden Steuerschaltung. Ich musste am Ende eine geerdete Kupferfolie unter den Transitor legen, dann war Ruhe.   
Gibt es eigentlich einen Grund dafür, das bei NMOS-Transistoren immer der Drain am Kühlkörper liegt?
Also an der Stelle, die normalerweise am meisten mit der Spannung wackelt. 
Ich finde das Kacke! Würde die Source am Gehäuse liegen, dann könnte man die Transistoren einfach so voll Fett auf ausrangierte Heizkörper schrauben, durch die man Leitungswasser laufen lässt zur Kühlung. 
Aber so... Ist das voll Scheisse! In meinem Fall strahlt der Schraubflansch des TO220 Gehäuses kapazitiv in den direkt darunter liegenden PWM-Controller ein, und dann geht garnichts mehr. 
Zum Glück hatte ich noch ein Stück selbstklebender Kupferfolie zur Hand. Die habe ich dann dazwischegeklebt und gemasst und seitdem ist Ruhe und das Teil läuft.
Mit Source am Gehäuse wäre das alles garnicht passiert, und ich mutmasse jetzt mal, dass ein Grossteil aller NMOS-FETs mit der Source auf einem Potential liegen, dass möglichst 0 sein sollte. Oder
vielleicht mache ich ja auch bei meinen Schaltungen irgendwas falsch...

Immerhin hat die Schaltung nicht nur einen Eingang für die Stromversorgung und einen Ausgang für die Nixies, sondern auch einen Eingang, mit dem man den ganzen Quargel ein- und ausschalten kann. Von der Software aus!

Ich hatte zu den Nixieröhren ja auch die Fassungen mitgekriegt. Was fürn Scheiss! Wenn man die in den Fassungen nebeneinander einbaut, dann sind die Zwischenräume grösser als der Radius, und das sieht Kacke aus. Deswegen also diese Fassungsplatte aus Pertinax gebaut. Ist ganz einfach:
Bohrplan ausdrucken, Pertinaxplatten zurechtsägen, Zentrierlöcher bohren, den Bohrplan aufkleben und dann nur noch die ganzen kleinen Löcher bohren. Die mittlere Platte muss man dann nochmal mit einem grösseren Durchmesser aufbohren, weil da die Kragen der Präzisionsfassungspins drin zu liegen kommen.

Hatte ich vergessen: Durch die Zentrierlöcher kommen M3-Schrauben, um die Platten beim Bohren zusammenzuhalten, damit man sich wegen der Präzision der Bohrungen weniger Sorgen machen muss.
Nochmal langsam zum Mitschreiben:
Drei Platten aus Pertinax grosszügig ausschneiden, zwei mit 1mm und eine mit 2mm Dicke. Die dünnen Platten kennzeichnen! Sonst verwechselt man die nachher und muss sehr lange darüber nachdenken, wie die Teile zusammengehören, damit die Löcher fluchten... Loch reinbohren, Schraube durch, ausrichten. 
Ach das hatte ich vergessen: Zuerst die ausgedruckte Zeichnung auf das obere 1mm-Pertinaxpläättchen kleben! 
Dann den Plattenstapel ausrichten und das 2. Loch bohren. Schraube durch. Dann noch die beiden anderen Ecklöcher bohren und Schrauben durch. Dann die in der Mitte (Schrauben durch!) und dann alle anderen Löcher mit 1mm. 
Solcherart zusammengeschraubt alle Kanten auf Mass fräsen, dann den Quanz ganz ausseinandernehmen, die 1mm-Löcher in der 3mm-Platte auf 1,5mm aufbohren und entgraten.  Die vorher schon ausgelösten Präzisionspins werden zunächst in die kleinen Löcher der unteren 1mm-Platte gesteckt. da liegen sie dann mit ihrem Kragen auf und lassen sich ohne weiteres durch leichtes Schütteln in die grösseren Löcher der 2mm Platte einfügen. 

Wer Nixies multiplext, der fälscht auch Rabattmarken und klaut Leberwürste!

Zuerst mal für die Laien unter meinen Lesern erklärt, was multiplexen in diesem Zusammanhang ist (andere Zusammenhänge sind unter http://de.wikipedia.org/wiki/Multiplextechnik zu finden):
Manchmal ist es in der Elektronik nötig, dem Menschen gewisse Sachverhalte mitzuteilen. Dazu benutzt man, wenn es sich um Zahlen handelt, Ziffernanzeigen. Diese bestehen aus verschieden geformten Signalemittern, die den menschlichen Sinnen ihre Botschaft vermitteln sollen. Aber das wird jetzt schon wieder zu allgemein. 

Also Leuchtziffern, egal ob aus 7 Segmenten oder 10 Zifferndrähten bestehend, brauchen ganz schön viele Anschlussdrähte, da kam mal einer auf die gute Idee: Wir löten jetzt mal einfach alle Kathoden zusammen und schalten über die Anode immer nur eine Anzeige zur Zeit ein. Wenig später dann die nächste, u.s.w. und wenn man das schnell genug macht, dann sieht der Mensch das auch nicht, das ist so wie bei den billigen Zaubertricks. Das macht in Onkel Shing Pings Hütte in Südostasien auch ganz gewiss Sinn, weil die Ersparnis an Lötzinn und Draht ihm sein kärgliches Schälchen Reis sichert. Allein:
Die Ziffern glimmen nur ein Ntel der Zeit, desswegen funzeln sie auch nur zu einem Ntel. Ganz einfach, sprach da Papa Wong aus seiner Bastelklitsche: Dann drehen wir halt den Strom hoch, bis das Nfach leuchtet, und dann merken die Leute das nicht mehr, womit er auch Recht hatte bei seiner Leuchtdiodenuhr. 
Was für LEDs damals galt, gilt heute auch schon nicht mehr, und für Nixies galt das noch nie. Nicht ohne Grund hat man den 74141 gebaut, der genau eine Nixie-Röhre ansteuern kann. Man kann die Helligkeit einer Nixie nämlich nicht durch versechsfachen irgendeines Betriebparameters versechsfachen (Ich gehe mal von einer normalen Uhrzeitanzeige aus). Das hängt mit der Physik der Gasentladung zusammen und wurde an anderer Stelle ausreichen diskutiert. Zusammengefasst:
Gemultiplexte Nixies haben bei gleicher wahrgenommener Helligkeit nur einen Bruchteil der Lebenserwartung statisch(*) angesteuerter. 

Eine Helligkeitsregelung mit PWM macht hingegen garnichts, weil die Röhre auch bei maximaler Helligkeit niemals ausserhalb ihrer zugelassenen Betriebsparameter betrieben wird. Wenn man da ab und an mal den Strom abschaltet, verlängert das sogar die Lebensdauer. Und wenn man das oft genug macht, dann langt die Restionisierung auch für eine sichere Neuzündung. 

Da kaufen die Leute für hunderte von Euronen Nixieröhren und knausern dann bei der Ansteuerung herum!
Wie krank ist das denn?
Ja tickt es denn noch richtig? Da werden unwiederbringliche Schätze der Technikgeschichte auf dem Altar der Geiz-Ist-Geil-Generation geopfert!

Ganz zu schweigen von der Option, auch Minitrons, Numitrons oder Pixies völlig angstfrei anzusteuern, finde ich mein Design am geilsten... Willkommen in 2006! Wir haben doch keine Not mehr! 64 Open-collector-treiber, bis 300V/500mA und jeder einzeln per Software ansteuerbar, auf 100*60mm inklusive Backup-Kondensator, Quarzoszillator und serieller Schnittstelle. 64 Stück SMBTA42 kosten 2,56 Euro. Wer die nicht einbaut, ist nur zu faul zum Löten und ein Nixieröhrenmörder! 
Und für Minitrons und Numitrons kannste noch billigere Transen nehmen und bist jegliche Multiplexprobleme los. Löten wirst du ja wohl können, oder bist du nur zu faul? Dann ist es gut so, dass die Technik dir ihren Dienst versagt, denn dann bist du sittlich und moralisch einfach nicht reif genug, um mit solchen alten technikhistorischen Unikaten zu hantieren!

A: "Hast du schon mal Nixieröhren gemultiplext?"
B: "Ja habe ich. Und es hat mir nicht gefallen."