Digitale Nixieröhrenuhr
von Friedhelm Bruegmann

Der Webmaster:
Sämtliche auf dieser und den hierzu eventuell gehörenden Unterseiten gezeigten Fotos, Texte und Schaltbilder (jeweils auch auszugsweise) bedürfen, sollten sie an Dritte weitergegeben werden, meiner bzw. Friedhelm Bruegmanns ausdrücklichen Zustimmung. Jegliche gewerbliche Nutzung wird hiermit ausdrücklich untersagt !


Vorwort
An Joachim, den Webmaster:
Bevor ich mit meiner Projektbeschreibung beginne, möchte ich mich erst einmal dafür bedanken, das Du Dich dazu bereit erklärt hast, meine Uhr auf einer Deiner Webseiten präsentieren zu dürfen.

An die Leser:
Einige Leser werden mein Projekt bereits schon kennen. Seit gut einem Jahr konnte man an dieser Stelle den Baufortschritt verfolgen. Ich habe mich mit Joachim darüber geeinigt, nachdem das Gerät nun fertiggestellt worden ist, meine Präsentation völlig neu zu überarbeiten und versuchen, Euch Lesern die technischen Details und vielleicht auch die emotionalen Gründe, die dieses Projekt haben entstehen lassen, ein wenig zu vermitteln.
In einem Posting im Forum war die Frage zu lesen "Was bewegt einen dazu, so ein Gerät zu bauen? Nicht leicht zu beantworten, diese Frage. Sicherlich ist es die glühende Leidenschaft, die mich seit meiner Kindheit verfolgt. Damals war ich fasziniert davon, dass man eine EF80 bei etwa 15-20 Volt Heizspannung wie eine Lampe betreiben konnte und sich alle filigranen Details in dem grellen roten Licht abzeichneten. Das dauerte so 10 Minuten, dann war sie hin. Welche Sünde, diese vielen EF80, die ich damals "über den Jordan brachte". Der Keller meiner Eltern füllte sich zusehens mit Fernseh- und Radiochassis vom Sperrmüll. Eine schier unerschöpfliche Quelle dieser so schön glühenden "Lampen".
Da gab es auch andere "Lampen", die waren mir zu groß, da konnte man nicht reinschauen, so etwas wie AL4, AF7, ECL11 usw.. Die wurden dann auf die Bordsteinkante gestellt und mit der Zwille drauf geschossen. Ich spinne nicht, das war so. Schnell entwickelte sich aber die reine Röhren-Sammelleidenschaft.
Den ersten Röhrenverstärker baute ich mit 19 Jahren. Da ging ich noch zur Lehre und bin den Ausbildern mit meinen Fragen auf den Geist gegangen. Dieser Stereoverstärker mit 2x EL34 in Gegentakt-Ulralinearschaltung wurde von mir vor ein paar Jahren völlig überarbeitet und ist heute noch meine Stereoanlage.
Die Röhren-Sammelleidenschaft hat bis heute angehalten. Da ist schon so einiges zusammengekommen. Nun stellte sich mir die Frage, was machst Du mit diesen vielen Röhren? So kam mir die Idee, mit Röhren etwas völlig kurioses und vielleicht auch einmaliges zu bauen, was überhaupt keinen kommerziellen Wert hat, eigentlich nur herumsteht und man es nicht dauerhaft betreiben kann, weil die Stromrechnung sonst zu hoch wird.

!! EINE DIGITALUHR !!

wie im Folgenden gezeigt wird.







Das ursprüngliche Konzept
Als die Idee 1998 geboren wurde, musste ich mir Gedanken darüber zu machen, wie fange ich am besten an. Die Schwierigkeit für mich bestand nun darin, eine Standart-TTL-Uhrenschaltung in Röhrentechnik umzusetzen. So schaute ich mich nach geeigneter Literatur um und sammelte alle für mich notwendigen Informationen zusammen. Ich fertigte mir eine kleine Trägerplatte mit ein paar Röhrenfassungen an und begann zu experimentieren.



Fest stand für mich von Anfang an, es sollten keine Halbleiter in dem Gerät zu finden sein und es sollte auch keine "Röhren-IC's" geben. Ich meine damit die Zählröhren wie zum Beispiel die bekannte E1T. Auch Kaltkatodenröhren, die früher gerne in Ringzählern (Orgeln, usw.) Verwendung fanden, waren nicht vorgesehen. Die Zählstufen sollten nur mit völlig klassischen Flip-Flop-Stufen aufgebaut werden. Der Sekundentakt sollte am einfachsten aus der Netzfrequenz gewonnen werden und ein Röhrennetzteil für die Stromversorgung zuständig sein. Für die Anzeige-Dekodierung waren zu Anfang Relais vorgesehen. Jeden Funktionsblock habe ich getrennt betrachtet und auf die notwendige Röhrenanzahl hin analysiert. Aus diesen ersten Überlegungen heraus habe ich dann das Chassis konstruiert. Das folgende Bild zeigt es allerdings schon mit einer Erweiterung an der linken und rechten Seite. Darauf komme ich später noch zurück.



Denken wir uns diese Erweiterungen mal weg, sehen wir unter dem linken Transformator das geregelte Netzteil für die Betriebsspannungen. Die notwendigen Spannungen ergeben sich aus dem Schaltungskonzept. Es werden die Spannungen +170V, +75V, -100V und eine ungeregelte Spannung von 250V benötigt. 170V ist übrigends eine typische Betriebsspannung für Röhren-Digitaltechnik. In der Mitte sind acht Teilerstufen zu erkennen, wobei von rechts her gesehen nur die ersten drei Teilerstufen bestückt sind.
Beginnend von rechts folgen zuerst die beiden Dezimalteiler, die den Sekundentakt erzeugen, dann die Einer-Stelle für die Sekundenanzeige. Später wurden dann die weiteren Stufen in Betrieb genommen. Unter dem rechten Trafo ist 100Hz-Generierung mit Tiefpaß und Schmittrigger angeordnet. Das war das ursprüngliche Konzept. Die folgenden beiden Bilder zeigen die Verdrahtung passend zu dem oberen Bild aus dem Jahr 2002.





Das entgültige Konzept
Schnell merkte ich, das für mich die Dekodierung der Zählstufen in eine dezimale Anzeige das größte Problem darstellte und ich die ursprüngliche Idee, Relais zu verwenden, verwerfen musste. Auch Experimente, die Relais durch Optokoppler ersetzen zu wollen, scheiterten schnell an den Eigenarten der Röhrentechnik. Es sollte schließlich auch ein klassisches Projekt bleiben. So blieb mir nichts anderes übrig, die Dekodierung ebenfalls mit Röhren zu machen. Ich experimentierte wieder mit unterschiedlichen Schaltungskonzepten, die ich mir selber erarbeitete. Ziel war gleichzeitig auch eine Minimierung der benötigten Röhren.
Am Ende entwickelte ich ein Konzept, das eine Erweiterung des Chassis auf der rechten sowie linken Seite notwendig machte. Links habe ich das Chassis um 11 Röhren und rechts um 12 Röhren erweitern müssen.
Nun, das entgültige Konzept sah noch eine kleine Änderung vor. Links mußte ich das 12te Loch ebenfalls noch bohren und zwei weitere Röhren wurden auf noch freie Plätze untergebracht, sodaß ich für die Dekodierung insgesamt 26 Doppeltrioden vom Typ 5963 benötigte.
Das folgende Bild zeigt das entgültige Chassis. U.a. sind die noch nicht bestückten Bohrlöcher zu sehen, die stammen noch vom ersten Konzept. Ein paar wenige Löcher werden unbestückt bleiben, die ich dann mit Hartpapierplatten verschliessen werde. Unten sind übrigends die sechs Löcher zu sehen, die ursrünglich mal für die Ziffernanzeigeröhren ZM1040 vorgesehen waren. Dort werde ich einen kleinen selbstgebauten Sockel montieren, auf dem dann diese Röhren Platz finden, um sie etwas hervorheben zu können.



Die beiden folgenden Fotos zeigen noch einmal die ersten drei Zählstufen aus einer anderen Perspektive. Unten, wo sich der Stehbolzen befindet, sieht man mehrere kleine Löcher, in das die Taster für das Stellen der Uhr eingesetzt werden. Im Hintergrund sind 12 Doppeltrioden 5963 zu sehen. Diese sind für die Dekodierung der Zählstufen "Sekunden Einer" und "Minuten Einer" zuständig.



Hier sieht man noch einmal die drei ersten Teilerstufen. Im Vordergrund sind der 100Hz-Generator (EAA91) mit Tiefpaß (E88CC) und ein Teil des Schmitttriggers (nur eine von zwei EF184) zu sehen.




Als erstes habe ich mich mit der 100Hz-Erzeugung beschäftigt. Ziel ist ein symmetrisches sauberes Rechtecksignal. Alte Literatur über Impulstechnik lieferte mir die notwendigen Anregungen. Eine Hilfsspannung von 24V AC wird mit zwei EAA91 in Graetzschaltung gleichgerichtet. So stehen mir schon mal die 100Hz zur Verfügung. Wichtig für eine Uhr ist der störungsfreie Lauf, also keine Beeinflussung durch externe Störquellen. Ein Netzfilter habe ich sowieso schon vorgesehen. Hinzu kommt zur Sicherheit hinter der Gleichrichtung noch ein zweistufiger Tiefpass. Den -3dB-Punkt habe ich dann genau auf 100Hz gelegt. Dahinter wurde eine Schmittrigger-Schaltung aufgebaut, die mir dann das Rechtecksignal liefert. Diese konnte ich fast 1:1 aus der Literatur übernehmen. Das folgende Bild zeigt nun die Anordnung u.a. der Röhren, die für diese Signalaufbereitung zuständig sind.



Dieser Schaltungsteil war kein besonder Kraftakt. Den hatte ich relativ schnell fertig. Es sollte aber noch ganz anders kommen. Als nächstes beschäftigte ich mich mit den Zählstufen, dem Herz der Uhr. Es sollte ein rein binärer Zähler sein, der nach dem Sprung von Hex 9 nach Hex A unmittelbar auf null zurücksetzt wird, sodass sich daraus ein dekadischer Zähler ergibt. Ich baute einen 4-bit-Zähler mit vier Doppeltrioden auf und liess ihn zuerst frei laufen, also vollständig bis Hex F durchzählen. So konnte ich die Teilerstufen gut auf dem Oszilloskop betrachten. Der Zähler zählte aber nicht richtig. Von einer 16er Teilerstufe war er noch meilenweit entfernt. Ich hatte für diese Experimente die E88CC gewählt, was nicht richtig war, wie sich bald herausstellen sollte. Die Ankopplung der Zählstufen untereinander bereitete mir grosse Probleme.
Der Besuch des Computer-Museums von Siemes-Nixdorf in Paderborn half mir bei der Wahl der richtigen Röhre. Dort konnte ich einen kaufmännischen "Saldierungsrechner" bewundern, der mit ca. 2000 (!!) Röhren E90CC bestückt war. Ich war demnach auf dem Holzweg.
Aus der Literatur geht nun hervor, worauf es bei der Dimensionierung von Flip-Flop-Stufen ankommt. Beide Triodensysteme müssen zwischenschichtfreie Katoden und gleiche Systemkapazitäten aufweisen, die für das Schaltverhalten wichtig sind. Andere Parameter sind hier nicht so entscheidend. Eine Röhre mit diesen Eigenschaften ist die E90CC. Eine Weiterentwicklung der E90CC ist die E92CC. Diese ist weniger brummempfindlich, was sicherlich auch zur Stabilität des Flip-Flops beiträgt. Außerdem sind beide Katoden dieser Doppeltriode intern miteinander verbunden, was die Verdrahtung von Flip-Flops erleichtert. So konnte man auch beide Systeme in ein Kolben mit Miniatursockel unterbingen. Die Wahl fiel also auf die E90CC, die mir später auch in größerer Stückzahl zur Verfügung stehen sollte.
Es waren etliche Abende ins Land gegangen, bis ich dann endlich eine stabil arbeitende Zählstufe ohne Störungen aufgebaut hatte. Das entgültige Schaltungskonzept sah dann auch einige Halbleiterdioden vor. An dieser Stelle mußte ich leider von der eigenen Vorgabe Abschied nehmen, keinerlei Halbleiter zu verwenden. Röhrendioden hätten das Projekt gesprengt, wäre aber möglich gewesen. Als sich die Digitaltechnik im großen Stil durchsetzte, wurden neben den Röhren schon Halbleiterdioden verwendet, daher habe ich das nicht mehr als Stilbruch angesehen.
Das nächste Problem war das definierte Rücksetzen der Zählstufe, damit sie nur bis 9 und nicht bis 15 zählt. Das erreichte ich durch den Einsatz einer UND-Verknüpfung von Bit 1 und Bit 3 mit der Heptode E91H. Diese regt ein Monoflop an, das wiederum den Rücksetzimpuls auf null erzeugt. Das höchstwertigste Bit liefert den Übertragungsimpuls für die nächste Zählstufe. Eine Trennstufe dazwischen erhöht noch die Betriebssicherheit. Das war der schwierigste Teil an dem ganzem Projekt.
Ich habe dann die ersten Zählstufen auf dem Chassis verdrahtet und ausgiebig getestet. Auf dem Bild sieht man die ersten drei Stufen, wobei die ganz rechte und die mittlere Stufe für das Herunterteilen des 100Hz-Taktes auf den Sekundentakt zuständig sind. So stand mir ein stabiler Sekundentakt für das weitere Experimentieren zur Verfügung. Die linke der drei Teilerstufen zählte dann schon die Sekunden.
Unter dem Trafo ist noch die ursprüngliche Anordnung der Röhren für die 100Hz-Signalaufbereitung zu erkennen. Diese hat sich während der Bauzeit noch geringfügig verändert (siehe oben).



Das folgende Bild zeigt die Verdrahtung zweier benachbarter Flip-Flop-Stufen. Ich mußte schnell feststellen daß meine Verdrahtung mehr Lötfahnen benötigt, als eine Lötleiste hergibt. Es blieb mir nichts anderes übrig, als auf die vorhandene Lötleiste noch eine drauf zu setzen. Das Verdrahtungskonzept ist so gewählt, daß die Flip-Flop-Stufen einer Spalte, also einer Zähldekade, nicht mit den Stufen benachbarter Reihen, also Stufen gleicher Wertigkeit in die Quere kommen. Das führte zu dem Ergebnis, dass alle benötigten 28 Flip-Flop-Stufen absolut identisch aufgebaut werden konnten und trotz der Doppelstöckigkeit der Lötleisten kaum Lötfahnen übrig geblieben sind.
Die einzelnen Stufen wurden über Koppelkondensatoren von 22pF miteinander verbunden. Jede Flip-Flop-Stufe wurde einzeln mit einem Trimmpoti auf ihren optimalen Arbeitspunkt abgeglichen. Genau an dieser Stelle hatte sich die absolut systematische Verdrahtung ausgezahlt, da der Ableich kaum Schwierigkeiten bereitete.



Nach und nach konnte ich nun den größten Teil der Uhr verdrahten. Ein Eindruck von dem enormen Verdrahtungsaufwand vermitteln auch die nächsten Bilder. Deutlich kann man hier wieder die doppelstöckigen Lötleisten erkennen. Diese Anordnung war auch notwendig um eine hohe Dichte zu erreichen, sonst wäre die Uhr noch größer geworden.



Die Verdrahtung stellt jeden Röhrenbastler manchmal auf eine harte Probe. Oft versagen Schaltungen mit konzeptionsloser Verdrahtung ihren Dienst. Ich versuche immer, bei meinen Projekten mich an Industrieprodukten zu orientieren. Gute Dienste leisten da z.B. die alten Tektronix-Oszilloskope oder alte Meßgeräte von Siemens und Rhode + Schwarz. Man muß schon sehr genau überlegen, wie man vorgeht, um problematische Leitungswege oder auch Verkopplungen von benachbarten Schaltungsstufen zu vermeiden. Das blieb mir auch hier nicht erspart.
Auf dem nächsten Bild sieht man die Verdrahtung aller 28 Flip-Flop-Stufen. Ein Problem stellte die Ankopplung der Flip-Flops an die Dekoderstufen dar. Als ich einen weiteren Abschnitt verdrahtet hatte und einen Probelauf machen wollte, machten die Stufen mal wieder alles andere als fehlerfrei zu zählen. Niederohmige Auskopplungen des Zählerstandes führten zur Beinflussung benachbarter Flip-Flop-Stufen. Ich war ziemlich gefrustet und stand schon kurz vor der Aufgabe des Projektes. Die zündende Idee kam dann doch noch und ich fand eine Lösung. Darauf komme ich noch zurück.





Ein weiterer wichtiger Schaltungsteil sollte die Dekodierung der Zählstufen in eine dezimale Anzeige übernehmen. Wie bereits eingangs erwähnt, war eine Dekodierung mit Relais geplant. Die Versuche, die ich machte, waren schnell zum Scheitern verurteilt. Es gelang mir nicht, Standartrelais auf eine brauchbare Art und Weise mit Röhren anzusteuern.
Das folgende Bild zeigt eine Zählstufe AC-4K meines Frequenzzählers 521E von Hewlard Packard. Diese dekadische Stufe kommt mit nur vier Doppletrioden des Typs 5963 aus und dekodiert dezimal zum direkten Ansteuern einer nicht gemultiplexten Nixieröhre.



Unterhalb der Nixieröhre befindet sich ein kleiner weißer Kasten, in dem Glimmlampen mit Fotowiderständen verkapselt sind. Die Zählweise dieser Stufe ist so ausgeklügelt (nicht rein binär), das immer eine Glimmlampe leuchtet. Diese Glimmlampen haben keinen Massebezug, sondern sind an den Anoden zweier benachbarter Flip-Flop-Stufen angeschlossen. Sie beleuchten dann den gegenüberliegenden Fotowiderstand. Diese "Optokoppler" schalten nun die 10 Katoden der Nixieröhre nach Masse durch. So etwas ähnliches wollte ich ebenfalls in meiner Uhr umsetzen, nachdem Relais für die Dekodierung gestorben waren. Doch die Beschaffung der notwendigen Fotowiderstände scheiterte schließlich am Geldbeutel.
Die beiden folgenden Bilder zeigen deutlich die Chassiserweiterung an der linken und rechten Seite. Diese resultierte aus den eben genannten Erkenntnissen. Es mußte ein Dekoderkonzept ausschliesslich mit Röhren her. Nach vielen Versuchen und Experimenten habe ich dann eine Schaltung entwickelt, die für eine Stufe maximal 6 Doppeltrioden benötigt.

Diese Schaltung könnte man im weitesten Sinn als Paritätsdekoder bezeichnen. Die Kernidee war, das das Bit 0 der Zählstufe entweder die geraden oder ungeraden Ziffern freigibt. Dadurch spart man erheblichen Dekoderaufwand. Die eigentliche Dekodierung erfolgt dann über Spannungsaddition der Flip-Flops Bit 1, Bit 2 und Bit 3. Dazu später mehr in der Schaltungsbeschreibung. Für diese Stufen wählte ich die 5963, auch ein wenig der Optik halber. Hier ist wieder die zwischenschichtfreie Katode hervorzuheben, die ist wichtig bei Röhren, die lange im stromlosen Zustand verweilen.



Nachdem die Dekodierung für die Sekunden Einer aufgebaut und abgeglichen war, konnte ich die erste Nixieröhre in Betrieb nehmen. Die Uhr hatte zu diesem Zeitpunkt ihren ersten Probelauf mit Erfolg bestanden. Der Anzeigesockel ist auf dem Chassis montiert und die "Sekunden Einer" laufen bereits. Das Netzteil arbeitet ebenfalls ohne Probleme mit der Schaltung zusammen. Ebenso überrascht war ich, das es keinerlei Störungen in der Anzeige gab, wenn ich mal schnell hintereinander das Licht in meiner Werkstatt aus- und wieder einschaltete (Leuchtstofflampen mit viel Induktionen).



Für Interessierte hat Jochen hier einen Link auf eine MOV-Datei (Quick Time-Player) von mir gelegt, die die erste Dekoderstufe in einem kurzen Film zeigt. Die Datei ist ca. 4MB gross und befindet sich in einem Zip-File gepackt. Man mass diese herunterladen, entpacken und dann starten - ein direkter Start der MOV-Datei ist leider nicht möglich. Das war der Stand im Dezember 2004.

Nach dem ersten erfolgreichen Probelauf machte ich mich an die Arbeit, die weiteren Dekoderstufen auf der anderen Seite des Chassis zu verdrahten. Das war jetzt nur noch Fleißarbeit. Die folgenden Bilder vermitteln einen Eindruck von dieser Arbeit. Hier war höchste Aufmerksamkeit geboten. Ich durfte mich mit den vielen Leitungen nicht verzetteln, da sonst die seltsamsten Fehlerbilder aufgetreten wären, die hier die Fehlersuche schwierig gemacht hätten. Aber es ist alles gut gegangen.





Auf dem Bild ist der fertig gebundene Kabelbaum zu sehen. Das Wachsband bietet mir eine saubere und übersichtliche Möglichkeit, die Leitungen gebündelt ohne den Gebrauch von klobigen Kabelbindern zu verlegen.



Eine Detailansicht mehrerer Dekoderstufen zeigt das folgende Bild. Dort kann man deutlich die identische Verdrahtung der einzelnen Stufen erkennen. Die Widerstände, die sich am oberen Rand befinden, dienen zum Abgleich der durch die "VerUNDung" einzelner Bits entstehenden Treppenspannung. Eine Stufe darf immer nur dann durchschalten, wenn die UND-Bedingung am Eingang erfüllt ist, muss aber wiederum zuverlässig sperren, wenn ein Bit fehlt. Je mehr Bits in eine UND-Verknüpfung eingehen, desto feiner zeigt sich die Auflösung der Treppenspannung innerhalb eines festgelegten Spannungsfensters. Dazu später mehr.



Das nächste Bild zeigt noch einmal detailliert die Verdrahtung einer Dekoderstufe. Gut zu erkennen ist die verdrillte Verlegung der Heizungsverdrahtung.



Auf dem folgenden Bild ist sehr deutlich ein Ausschnitt des gebundenen Kabelbaumes und die doppelstöckige Lötleiste zu sehen. Im Vordergrund sind zwei Siliziumdioden zu erkennen. An solche Dioden werden, von den Zählstufen kommend die notwendigen Bits angeschlossen und für die Dekodierung bereitgestellt.



Auch die Dimensionierung der Stromversorgung bereitete mir zu Anfang enormes Kopferzerbrechen. Es ging nicht um die Berechnung der Regelstufe einer Versorgungsspannung, das war noch das Harmloseste. Ich war zu Baubeginn aufgrund des noch fehlenden Gesamtkonzeptes nicht in der Lage, die Leistungsaufnahme exakt zu bestimmen. Die benötigten Spannungen waren schon festgelegt. Es sind vier Versorgungsspannungen: 250V ungeregelt für die Nixies, typische +170V für die Flip-Flops, +75V laut Datenbuch für die Schirmgitter der E91H und -100V für die Erzeugung notwendiger negativer Gittervorspannungen. Es war nur eine grobe Abschätzung der Stromaufnahme möglich. Letztendlich sah ich zwei M102B-Trafos vor, der eine als reiner Heiztrafo und der andere für das Netzteil mit den Versorgungspannungen sowie für die Heizung der Regel- und Gleichrichterröhren. Das nächste Bild zeigt das entgültige Netzteil mit seinen drei Glimmstabilisatoren am unteren Rand. Der Fachmann wird gleich einwerfen, das man für ein Mehrspannungsnetzteil nur eine einzige Spannungsreferenz benötigt. Das ist in der Tat richtig. Die Idee zu dem Projekt liegt schon ein paar Jahre zurück. Damals war ich noch nicht soweit, was das technische Detailwissen angeht. Heute habe ich die beiden überflüssigen Glimmstabilisatoren aus "ästhetischen" Gründen mit in die Schaltung eingebunden.



Der aufmerksame Betrachter wird sofort bemerken, das die Gleichrichterröhre für die beiden ECC230 (6080) fehlt. Es stimmt. Anfänglich sah ich für alle Betriebsspannungen Gleichrichterröhren vor. Nachdem das Projekt schon weit fortgeschritten war, konnte ich die erforderliche Trafoleistung nun endlich ziemlich genau ermitteln. Das Ergebnis war jedoch frustrierend. Der Trafo reichte bei weitem nicht aus.
Die +170V Versorgung benötigt einen Strom von etwa 340mA, was einem Trafowechselstrom von 470mA entspricht.Es gab unter den herkömmlichen Röhren auf dem deutschen Markt nur eine Röhre, die das schafft - das war die EZ150. Der Gleichstrom liegt bei dieser Röhre bei max 550mA. Die zusätzliche Verlustleistung der Röhre wäre so groß geworden, das der Transformator M102B nicht ausgereicht hätte.
Eine Röhrengleichrichtung stellt immer eine Vollwellen-Zweiweg-Gleichrichtung dar, die zwei gleiche Sekundärwicklungen benötigt, die sich die "Arbeit" teilen. Grundsätzlich gilt, das die Zweiweggleichrichtung gegenüber der Graetzgleichrichtung etwa das 1,7fache der tatsächlich benötigten Trafoleistung in Anspruch nimmt und somit erhebliche Trafoleistung verschenkt wird. Hinzu kommen noch die ohmschen Verluste der Röhre, die bei der EZ150 erheblich sind. So mußte ich auch hier wieder auf Halbleiter zurückgreifen und eine Graetzgleichrichtung aufbauen, um Trafoleistung zu sparen. Damit man wenigstens etwas von der Gleichrichtung sieht, habe ich die grüne BY227 gewählt. Eine zweite nicht geplante Regelröhre mußte ich auch noch spendieren, sodass der durch die fehlende Gleichrichterröhre frei gewordene Platz sofort wieder besetzt wurde. Die Wahl der Regelröhren richtete sich auch hier wieder nach dem erforderlichen Katodenstrom und der maximal zulässigen Spannungsdifferenz zwischen Katode und Heizfaden.
Hier eine schöne Nahaufnahme einer der großen Regelröhren.



Auf dem foldenden Bild sieht man die Verdrahtung des Netzteils. Gut zu erkennen ist wieder ein angefertigter Kabelbaum, der die Verdrahtung übersichtlich macht. Unten am Rand befinden sich vier Leistungswiderstände. Diese sind in die Katodenleitungen der 6080-Triodensysteme eingefügt, die die immer etwas unterschiedlichen Ausgangskennlinien der Röhrensysteme ausgleichen sollen. Jedes System wird so mit der gleichen Verlustleistung belastet. Das gleiche gilt für die Regelröhren E182CC (+75V) und die E88CC (-100V).
Auf der Hartgewebeplatte rechts, die den Transformator verdeckt, sind zwei Lötfahnen zu erkennen, die für das Netzteil den zentralen Massepunkt darstellen. Dort sind die Heizleitungen für die Röhren des Netzteils einseitig mit Masse verbunden. Ebenfalls erhalten die Röhrengleichgerichtete Spannung +75V (EZ80) und die mit Halbleiter gleichgerichtete Spannung +170V hier ihren Massebezug. Die -100V (EZ80) werden erst hinter der Regelröhre mit Masse verbunden.



Erstaunlicherweise stellte sich die Dimensionierung des Netzteils als unkritisch heraus. Die Restwelligkeit beträgt bei allen Spannungen weniger als 30mVeff. Auch irgendwelche wilden Schwingungen bei künstlich herbeigeführten Lastwechseln waren nicht festzustellen.



Anfang März 2005 nach nun mehr als sieben Jahren Bauzeit kann ich endlich das vollendete Projekt präsentieren. Das nächste Bild zeigt eindrucksvoll die große Anzahl an verbauten Röhren. Aus der Mitte heraus sieht man die Zählstufen mit dem im Vordergrund befindlichen Anzeigeteil. Rechts von der Mitte befindet sich die 100Hz-Generierung, zusätzlich die Dekoderstufe für die Stunden-Zehner und die Treiberstufe zum manuellen Rücksetzen auf 00Uhr00. Links von der Mitte sieht man das schon erwähnte Netzteil. Links und rechts außen sind die Dekoderstufen für sämtliche Anzeigestellen bis auf die Stunden-Zehner angeordnet. Im Hintergrund sind die beiden Netztrafos M102B zu sehen, wobei der rechte Trafo nur für die Heizung zuständig ist. Der linke Trafo übernimmt ebenfalls einen Teil der Heizung und stellt zusätzlich die bereits beschriebenen Betriebsspannungen zur Verfügung.



Die Seitenansicht von rechts zeigt das nächste Bild. Im Vordergrund sind wieder 12 der insgesamt 27 Dekoderstufen 5963 zu erkennen. Interessant und für mich unerklärlich ist, das auf den Fotos manche Röhrenheizungen in einem lila Licht erscheinen.
Am linken Chassis-Rand erkennt man die drei Tasten zum Stellen der Uhr, wobei es möglich ist, mit der blauen Taste die Uhrzeit auf 00Uhr00 und 00 Sekunden zurückzusetzen. Mit den beiden schwarzen Tasten können danach die Stunden und Minuten im 2Hz-Takt eingestellt werden.



Auf der Seitenansicht von links sind im Vordergrund weitere Dekoderstufen zu sehen sowie dahinter wieder das geregelte Netzteil. Für jede Spannung leuchtet dort ein Referenzstabi 5651.



Die rechte und linke Seite der Uhr aus einer etwas anderen Einstellung heraus zeigen die nächsten beiden Bilder.





Es folgt nun die Unteransicht mit der vollständigen Verdrahtung. Oberhalb des rechten Netztrafos ist auf dem Chassis ein kleiner Freiraum verblieben. Dort wird noch der bereits erwähnte zusätzliche Heiztrafo eingebaut. Bisher muss ich über zwei Buchsen zusätzliche 6,3V/4A zur Verfügung stellen.



Anschließend sind drei aufeinander folgende Bilder von mir gemacht worden, die das Weiterzählen der Uhr im Betrieb dokumentieren sollen.







Für Interessierte Leser hat Jochen auch hier wieder Links auf mehrere kleine MOV-Dateien (Quick Time-Player) gelegt, die eindrucksvoll die Inbetriebnahme, das Rücksetzen und das Stellen der Uhr aufzeigen. Auch diese Movies sind wieder als ZIP-Dateien hinterlegt und müssen nach dem Herunterladen zuerst entpackt werden. Viel Spaß beim betrachten.


Insgesamt wurden von mir 103 Röhren verbaut. Es verbleiben abzüglich der Glimmstabis und der Nixieröhren 94 Röhren, die mit Heizstrom versorgt sein wollen. Wie schon erwähnt, liefert einer der beiden Trafos nur Heizstrom und zusätzlich eine Hilfsspannung von 24V für die 100Hz-Generierung. 25A Heizstrom muss er bei 6,3V bereitstellen. Das kann man mit normalen Mitteln nicht mit einer Wicklung erreichen. Daher habe ich den Strom auf sechs Wicklungen gleichmäßig verteilt. Trotzdem fehlten mir immer noch ca 4A, die ich nicht mehr unterbringen konnte. Der Grund liegt darin, dass ich für die Dekodierung zusätzliche Röhren benötigte, die am Anfang nicht eingeplant waren. Den zusätzlichen Trafo muss ich noch unter dem Chassis montieren. Zur Zeit speise ich den fehlenden Heizstrom noch extern ein.
Der zweite Trafo liefert ebenfalls noch 10A Heizstrom, das sind insgesamt 39A, Zusätzlich liefert er weitere Wechselspannungen mit folgenden Strömen: 190V/470mA, 2x180V/75mA, 2x170V/40mA. Beide Trafos habe ich durchgerechnet und selbst gewickelt. Auf der Primärseite besteht zusätzlich die Möglichkeit, durch Anzapfungen der 240V-Wicklung die sekundären Heizspannungen ziemlich genau auf 6,3V einzustellen.

Für den interessierten Leser hier die Wickeldaten der Transformatoren:

M102B M102B MD55
primär:
28-532-28Wdg/0,65Cul		 primär:
28-532-28Wdg/0,65Cul		 primär:
103-1970-103Wdg/0,18Cul
sekundär:
N1: 471Wdg/0,5Cul
N2: 422-422Wdg/0,15Cul
N3: 448-448Wdg/0,22Cul
N4: 16Wdg/1,7Cul
N5: 16Wdg/0,9Cul
N6: 16Wdg/0,6Cul
N7: 16Wdg/0,8Cul		 sekundär:
N1: 16Wdg/2,0Cul
N2: 16Wdg/2,0Cul
N3: 16Wdg/2,0Cul
N4: 16Wdg/2,0Cul
N5: 16Wdg/2,0Cul
N6: 16Wdg/1,0Cul
N7: 16Wdg/1,7Cul
N8: 60Wdg/0,2Cul		 sekundär:
N1: 123Wdg/0,9Cul



Hier die Auflistung der zum Einsatz kommenden Röhren und ihre Anwendung in der Schaltung:
Anzeige:
6x ZM1040

Netzteil:
2x EZ80 Gleichrichtung -100V und +75V
4x BY227 Halbleitergleichrichtung +170V geregelt sowie +250V für Nixies ungeregelt
2x EF80 Regelung Stromversorgung
1x EF184 Regelung Stromversorgung
3x 5651 Spannungsreferenz
2x 6080 Längsregler +170V
1x E182CC Längsregler +75V
1x E88CC Längsregler -100V

100Hz-Generierung:
2x EAA91 Vollwellengleichrichtung
2x EF80 Tiefpass 100Hz
2x EF184 Schmittrigger 100Hz Rechteck

Dekadenteiler auf 10Hz:
4x E90CC Zähler
1x E91H UND-Verknüpfung für Rücksetzten von "9" auf "0"
1x E90CC übertragsimpuls nächste Stufe und Rücksetzimpuls
1x E95F Trennstufe

Dekadenteiler auf 1Hz (Sekundentakt)
4x E90CC Zähler
1x E91H UND-Verknüpfung für Rücksetzten von "9" auf "0"
1x E90CC Übertragsimpuls nächste Stufe und Rücksetzimpuls
1x E95F Trennstufe

Sekunden Einer
4x E90CC Zähler
1x E91H UND-Verknüpfung für Rücksetzten von "9" auf "0"
1x E90CC Übertragsimpuls nächste Stufe und Rücksetzimpuls
1x E95F Trennstufe
6x 5963 Dekodierung für dezimale Anzeige

Sekunden Zehner
3x E90CC Zähler
1x E91H UND-Verknüpfung für Rücksetzten von "5" auf "0"
1x E90CC Übertragsimpuls nächste Stufe und Rüchsetzimpuls
1x E95F Trennstufe
4x 5963 Dekodierung für dezimale Anzeige

Minuten Einer
4x E90CC Zähler
1x E91H UND-Verknüpfung für Rücksetzten von "9" auf "0"
1x E90CC Übertragsimpuls nächste Stufe und Rücksetzimpuls
1x E95F Trennstufe
6x 5963 Dekodierung für dezimale Anzeige

Minuten Zehner
3x E90CC Zähler
1x E91H UND-Verknüpfung für Rücksetzten von "5" auf "0"
1x E90CC Übertragsimpuls nächste Stufe und Rücksetzimpuls
1x E95F Trennstufe
4x 5963 Dekodierung für dezimale Anzeige

Stunden Einer
4x E90CC Zähler
1x E91H UND-Verknüpfung für Rücksetzten von "9" auf "0"
1x E90CC Übertragsimpuls nächste Stufe und Rücksetzimpuls
1x E95F Trennstufe
6x 5963 Dekodierung für dezimale Anzeige

Stunden Zehner
2x E90CC Zähler
1x E91H UND-Verknüpfung für Rücksetzten von "2" auf "0"
1x E90CC Rücksetzimpuls
1x 5963 Dekodierung für dezimale Anzeige
1x E95F Dekodierung für dezimale Anzeige

Steuerung:
1x E88CC für das Rücksetzen der Uhr auf 00Uhr00

An dieser Stelle ist der praktische Teil meines Projektes beendet. Wer Interesse an der detailierten Schaltungsbeschreibung hat, darf hier aber gerne weiterlesen.

Für den Interessierten kann der vollständige Stromlaufplan heruntergeladen werden. Die PDF-Datei ist bei mittlerer Qualität etwa 800KB gross.

Netzteil
Beginnen möchte ich die Schaltungsbeschreibung mit dem Netzteil. Mit wenigen Röhren lassen sich sehr wirkungsvolle geregelte Spannungsversorgungen aufbauen. Der Stromlauf 1 zeigt die 170Volt-Versorung. Vier Gleichrichterdioden vom Typ BY227 liefern eine ungeregelte Gleichspannung von 250V. Diese wird einerseits für den Betrieb der Nixieröhren verwendet und anderseits zur Erzeugung der 170V benötigt.
Vier Längsregel-Trioden je einer halben 6080 stellen den nötigen Strom von max. 400mA zur Verfügung. Die Katodenwiderstände 120R bewirken eine gleichmässige Leistungsverteilung auf alle Trioden. Die Katode der Regelröhre V88 ist auf die Glimmspannung des Stabilisators V89 gelegt (etwa 82V). Bei Änderung der Eingangsspannung folgt die Regelspannung am Gitter der V88 mit gleicher Polarität. Die verstärkte Regelspannung durch V88 wirkt dann an den Gittern der Längsröhren dem Spannungsverlauf entgegen und der Regelkreis ist geschlossen.
Der Aufbau ist insgesamt unkritisch. Es lassen sich problemlos Restwelligkeiten von weniger als 100mVss erzeugen.

Stromlauf 1


Die nächste Regelschaltung zeigt Stromlauf 2. Diese liefert -100V mit etwa 30mA zur Erzeugung negativer Gittervorspannungen. Eine Besonderheit dieses Netzteils ist, dass der Ausgang der Längsregelröhren hier direkt mit Masse verbunden ist. Dadurch wird der Minuspol dieses Netzteils bezogen auf Masse um den Ausgangsspannungsbetrag negativer und man hat eine negative Spannung zur Verfügung.
Eine weitere Besonderheit ist die Versorgung des Glimmstabis V97. Dieser wird aus der höheren Spannung +170V gespeist, weil bei einer Ausgangsspannung von nur 100V ein sicherer Betrieb von V97 nicht gewährleistet ist.
V96 muss während des Regelvorganges mit nur 15V auskommen. Hier habe ich mit verschiedenen Röhren experimentieren müssen und mich dann für die EF184 entschieden, da diese die besten Ergebnisse geliefert hat. Besser wäre es sicherlich gewesen, die Spannung von -100V auf -150V zu erhöhen. Dann wären die Verhältnisse in dieser Schaltung günstiger gewesen.

Stromlauf 2


Die letzte Regelschaltung des Netzteils liefert 75V bei 60mA. Der Massebezug dieser Schaltung ist hier auf -100V gelegt, da man mit einer Ausgangsspannung von nur 75V kein Glimmstabi zünden kann und auch kein Regelhub zur Verfügung steht.

Stromlauf 3


100Hz-Erzeugung
Kommen wir zur 100Hz-Erzeugung, nachdem nun die erforderlichen Betriebsspannungen zur Verfügung stehen. Eine Wechselspannung von 24V gelangt auf den mit den Röhren V1 und V2 aufgebauten Brückengleichrichter, wie auf dem Stromlauf 4 zu sehen ist. Ein Lastwiderstand von 10K lässt ein wenig Anodenstrom fliessen, um Zwischenschichtbildung zu vermeiden. Ein zweistufiger Tiefpass, aufgebaut mit V3, die hier nur als Impedanzwandler arbeitet und keine Verstärkung macht, schneidet alles oberhalb 100Hz ab, und sorgt somit für ein störarmes Signal. Ein nachgeschalteter Schmittrigger mit V4 und V5 formt den Sinus in ein sauberes Rechteck. Die Symmetrie des Rechtecks wird mit dem Spannungsteiler R1/R2 eingestellt. Den Schmittrigger habe ich aus einem Buch übernommen. Nur der Ausgangspegel wurde nach meinen Bedürfnissen angepasst.

Stromlauf 4


Das Flip-Flop
Da jetzt ein Rechtecksignal zur Verfügung steht, um die erste dekadische Teilerkette ansteuern zu können, komme ich zuerst zur Beschreibung einer einzelnen Flip-Flop-Stufe.
Stromlauf 5 zeigt eine Flip-Flop-Stufe, die stellvertretend für alle Stufen in dieser Uhr stehen soll. Ein Flip-Flop wird typischerweise aus zwei Triodensystemen aufgebaut. Die symmetrischen Eigenschaften dieser Stufe sind unschwer zu erkennen. Diese werden einmal durch eng tolerierte Bauteile bestimmt, aber auch durch spezielle für diesen Zweck gefertigte Röhren, wie zum Beispiel die E90CC oder die E92CC oder auch die 5963 aus den USA, um nur einige zu nennen. Exakte Schaltungssymmetrie gewährt ein zuverlässiges Arbeiten der Stufen bis in hohe Frequenzen hinein. Durch spezielle Schaltungsvorkehrungen kann man ohne weiteres Frequenzen bis den MHz-Bereich hinein zählen lassen. Da hier aber nur 100Hz verarbeitet werden sollen, hält sich der Schaltungsaufwand in Grenzen.
Ein Röhren-Flip-Flop kann man auf verschiedene Art und Weise ansteuern. Man unterscheidet im Wesentlichen drei Möglichkeiten. Zum Ersten die Ansteuerung an den Anoden mit einem negativen Impuls, zum Zweiten die Ansteuerung an den Gittern ebenfalls mit einem negativen Impuls und zum Dritten die Ansteuerung an den Katoden mit einem positiven Steuerimpuls. Wird das Flip-Flop an den Anoden angesteuert, so muss der Anodenwiderstand jedes Triodensystems aufgeteilt werden. Ein Teil des Widerstands nutzen dann beide Systeme zusammen, wie im Stromlauf 5 zu sehen ist. Am Knotenpunkt wird dann der Zählimpuls eingespeist.
Ist der gemeinsame Teil des Anodenwiderstandes (hier 10K) zu klein, so lässt sich die Stufe nur sehr schwer ansteuern. Ist der gemeinsame Anodenwiderstand hingegen zu groß, beinflussen sich beide Trioden gegenseitig und die Stufe wird instabil. Hier muss durch probieren ein vernünftiger Kompromiss gefunden werden.

Stromlauf 5


Der statische Arbeitspunkt der Schaltung wird im Wesentlichen durch die Reihenschaltung einer Kette von Widerständen, beginnend mit dem gemeinsamen Anodenwiderstand 10K, dem Anodenwiderstand 12K, dem Gitterwiderstand 470K und dem Gitterableitwiderstand 100K jedes Triodensystems sowie dem Stromgegenkopplungswiderstand im gemeinsamen Katodenzweig von 10K (einstellbar) gebildet. Diese Werte sind zum größten Teil durch Berechnung ermittelt worden. Bei der Dimensionierung des Gitterwiderstandes, des gemeinsamen Katodenwiderstandes und des Gitterableitwiderstandes ist darauf zu achten, das die gesperrte Röhre wirklich eindeutig gesperrt ist, also die negative Gittervorspannung soweit negativ gemacht wird, das kein nennenswerter Anodenstrom mehr fließt. Die leitende Röhre dagegen sollte mit Gitterstrom durchgesteuert werden, d.h. die Gittervorspannung ist leicht positiv (rein rechnerisch einige wenige Volt, da in der Praxis am Gitter nicht nachmessbar).
Auch die Dimensionierung der Gitterkondensatoren ist nicht ganz einfach. Diese bestimmen im Zusammenspiel mit dem Katodenkondensator das dynamische Verhalten der Stufe. Die Gitterkondensatoren dürfen nicht beliebig groß gemacht werden, da sonst die Stufe zu träge wird und eine höhere Energie des Ansteuerimpulses erforderlich wird, was wiederum zur höheren Belastung der vorhergehenden Stufe führt. Die Steuerflanke des Auslöseimpulses sollte grundsätzlich so steil wie möglich verlaufen (grosses du/dt), die Rückflanke dagegen nicht. Sonst kann es passieren, dass das Flip-Flop wieder zurückkippt. Der Katodenkondensator vermindert während der Umschaltphase die Stromgegenkopplung. Der Vorteil ist ein kleinerer Auslöseimpuls an den Anoden. Das Flip-Flop lässt sich einfach und sicher ansteuern. Als Nachteil sind jedoch gewisse Instabilitäten in Kauf zu nehmen. Das Flip-Flop neigt bei unglücklicher Dimensionierung zum Schwingen. Daher habe ich den Katodenwiderstand einstellbar gemacht, um den optimalen Arbeitspunkt jeder Stufe finden zu können.

Dekadische Teilung
Stromlauf 6 zeigt nun den ersten Teil einer vollständigen Teilerstufe. Das erste Flip-Flop V20 wird durch das Signal "1Hz" angesteuert. Dieses gelangt über einen Koppelkondensator zur Diode BA157. Die Diode sorgt für ein verbessertes Schaltverhalten des Flip-Flops. Es wird nur die negative Flanke des Zählimpulses durchgelassen. Das funktioniert aber nur, wenn die Diode positiv vorgespannt wird, d.h. von vorn herein schon leitend ist. Das wird durch den an die Katode der Diode nach Masse geschalteten 470K-Widerstand erreicht.
Die Dioden an den Gittern der linken Triodensysteme koppeln den Rücksetzimpuls ein, der in dieser Zählstufe bei Erreichen der Stellung 10 (Hex A) alle Stufen sofort wieder auf Null zurücksetzt. Zur Rücksetzlogik komme ich noch. Dieser Rücksetzimpuls ist ebenfalls ein negativer Impuls. Im Zählbetrieb dürfen über die Rücksetzdiode keinerlei Schmutzeffekte in benachbarte Stufen einstreuen. Daher sind die Katoden durch den Spannungsteiler 100K/68K positiv vorgespannt, d.h. die Dioden sind im Zählbetrieb gesperrt.

Stromlauf 6


An den beiden Anoden von V20, V21 und V22 wird der Zählerstand der Flip-Flops als Q- und Q-NICHT-Signal ausgekoppelt und zur Dekodierung für die Anzeigeröhren bereitgestellt. Diese Leitungen sind sehr lang, daher habe ich 180K Auskoppelwiderstände direkt an die Röhrenfassung gelötet, um auch hier wieder Übersprechen in andere Stufen zu vermeiden.
An der Anode des rechten Triodensystems von V20 wird über einen 22pF-Kondendsator der Zählimpuls ausgekoppelt und der nächsten Stufe V21 zugeführt. Der Ausgangsimpuls von V21 gelangt dann zur dritten Stufe mit der Röhre V22. Diese wiederum erzeugt den Zählimpuls mit dem Namen "07-S07", der auf die nächste Seite zum Stromlauf 6 führt.
An dieser Stelle möchte ich eine kurze Anmerkung zu den "nicht eindeutigen" Singnalnamen machen. "07-S07" schlüsselt sich in zwei Merkmale auf. Die "07" ist die eindeutige Signalnummer und "S07" ist die Zielseite, wo das Signal hingeht oder aber auch die Quellseite, wo es herkommt. Das ist wichtig für diejenigen Leser, die sich den vollständigen Plan herunterladen wollen.
Zwischen Stufe 2 und Stufe 3 wird das Signal "09-S07" abgegriffen. Das ist das Ausgangssignal Q von Bit 2, das ich für die Rücksetzbedingung benötige. Diese wird auf dem nächsten Bild erzeugt.
Der Stromlauf 7 zeigt den zweiten Teil der Zähldekade. Der Zählimpuls "07-S06", vom Stromlauf 6 kommend, gelangt auf die letzte Teilerstufe mit Röhre V23. Das Ausgangssignal Q dieser Stufe gelangt zusammen mit dem Signal Q "09-S06" der Stufe 2 über 470K-Widerstände an das "UND-Gatter" V24. Die Rücksetzbedingung ist erfüllt, wenn der binäre Zählerstand 1010 erreicht ist (Stellung 10), also Ausgang Q von Stufe 2 und Stufe 4 (Bit 1 und Bit 3) hohe Spannung führt (Röhre gesperrt). Dann werden beide Gitter der Heptode V24 eindeutig positiv und die Röhre schaltet durch. Diese erzeugt einen negativen Impuls am Knotenpunkt ihres aufgeteilten Anodenwiderstandes und steuert damit das darauf folgende Monoflop, Röhre V25 an. Ein kräftiger negativer Rücksetzimpuls wird erst NACH dem Zurückkippen des Monoflops (Zeitkonstante 1M/1nF) an den Rücksetzdioden aller FLIP-FLOP-Stufen wirksam und stellt diese auf Null. Durch diesen Trick kann ich an der Anode von V26, angesteuert durch Ausgang Q-NICHT von Stufe 4 (V23), einen durch die Zeitkonstante 1M/1nF vom Monoflop V25 bestimmten und gut messbaren Übertragungsimpuls auf dem Oszilloskop nachmessen, der zum Ansteuern der nächsten Zählstufe benötigt wird. Dieser Umstand trägt einmal zur Betriebssicherheit der Uhr bei und erleichtert bei Bedarf enorm die Fehlersuche. An dieser Stelle ist die Beschreibung der prinzipiellen Arbeitsweise einer dekadischen Teilerstufe beendet.

Stromlauf 7


Rücksetzlogik
Um eine Uhr schnell stellen zu können, ist es mitunter hilfreich, wenn sich die Möglichkeit bietet, sie kurz auf 0Uhr00 zurücksetzen zu können. Für dieses Feature musste ich bei meiner Uhr in die Trickkiste greifen. Im Stromlauf 8 ist V57 dafür zuständig.

Stromlauf 8


Die Steuergitter der Heptoden-"UND-Gatter" aller Zählstufen sind über 470K-Widerstände mit der sog. "RESET"-Leitung verbunden. Diese Resetleitung wird über V57 niederohmig (hier sehr wichtig) an -100V gelegt, d.h im Zählbetrieb sind alle Heptoden gesperrt. Zur Betätigung dieser Resetleitung muss V57 kurzzeitig sperren und daher das Gitter beider Triodensysteme noch negativer als -100V gemacht werden. Dazu dient die Schaltungsanordnung mit dem 100nF-Kondensator. Der Kondensator ist im Zählbetrieb über die beiden 1M-Widerstände auf etwa 160V aufgeladen, wobei sich der Pluspol auf der rechten Seite befindet. Betätigt man den Taster, wird der Pluspol über den 10K-Widerstand an -100V gelegt, und für die Entladezeit wird das Gitter etwa um die Ladespannung negativer als -100V und beide Triodensysteme sperren. In den Moment wird die Resetletiung hochohmig und alle Heptoden-"UND-Gatter" schalten gleizeitig durch. Dadurch erhält jede Zählstufe ihren eigenen Rücksetzimpuls (wie weiter oben bereits beschrieben) und die Uhr springt auf 0Uhr00.

Dekodierung
Kommen wir nun zu einem weiterem interessanten Schaltungsteil meiner Uhr, der Dekoderlogik. Wie bereits zu Beginn meiner Ausführungen erwähnt, standen mehrere Ideen für diesen Schaltungsteil zur Wahl. Letzendlich habe ich mich für eine Lösung mit Röhren entschieden, die im Stromlauf 9 zu sehen ist. Stellvertretend für alle Anzeigestellen wird hier die Dekoderstufe der Sekunden Zehner gezeigt, die ebenso identisch mit der Stufe der Minuten Zehner ist, weil diese auf eine Seite passt und nich ganz so umfangreich ist. Letendlich funktionieren aber alle Stufen auf die gleiche Art und Weise.

Stromlauf 9


Fangen wir am einfachsten mit der Anzeigeröhre an. Die Katoden der Ziffern 0-5 sind direkt mit den Anoden der Doppeltrioden V65, V66 und V67 verbunden, die diese nach Masse durchsteuern. Gleichzeitig sind die Katoden über 1M-Widerstände mit +170V verbunden, was den Kontrast der durchgesteuerten Ziffer erhöhen soll (??). Jedes Triodensystem erhält seine Informationen direkt vom Zählerstand. Die Röhre V64 arbeitet hier als Paritätsdekoder. Diese gibt abwechselnd den geraden oder den ungeraden Zählerstand zur Dekodierung frei. Am Beispiel der Ziffer 1 soll die Funktionsweise verdeutlicht werden. Die folgende Tabelle zeigt die Zählweise eines der Dezimalzähler im binären Zahlensystem und die Zustände der Ausgänge Q und QN (Q-NICHT) der Flip-Flops, wobei hier eine "1" bedeutet, das das System sperrt bzw. bei einer "0" leitend ist. Die rot hinterlegten Spalten sowie Zeilen lassen wir bei unserer Betrachtungsweise weg, da der Zähler hier nur bis 5 zählt.
dezimal   binär   Flip-Flop-Ausgang
                  Q Q Q Q Q Q Q Q
                  N 3 N 2 N 1 N 0
                  3   2   1   0  
0     0 0 0 0     1 0 1 0 1 0 1 0
1     0 0 0 1     1 0 1 0 1 0 0 1
2     0 0 1 0     1 0 1 0 0 1 1 0
3     0 0 1 1     1 0 1 0 0 1 0 1
4     0 1 0 0     1 0 0 1 1 0 1 0
5     0 1 0 1     1 0 0 1 1 0 0 1
6     0 1 1 0     1 0 0 1 0 1 1 0
7     0 1 1 1     1 0 0 1 0 1 0 1
8     1 0 0 0     0 1 1 0 1 0 1 0
9     1 0 0 1     0 1 1 0 1 0 0 1

Wie aus der Tabelle zu entnehmen ist, sind bei Zählerstellung 1 Ausgang Q0 von Bit 0 und die beiden Ausgänge QN1 und QN2 (Q-NICHT) von Bit 1 und Bit 2 gesetzt (türkis hinterlegt). Mit dieser Erkenntnis gehen wir wieder in Stromlauf 9 zurück und suchen die Signale Q0, QN1 und QN2. Q0 steuert direkt das rechte Triodensystem von V64 an und schaltet diese durch. Die Anodenspannung fällt stark ab. Das hat zur Folge, dass die Spannung am Knotenpunkt 33K/100K von +20V auf -20V abfällt. An diesem Knotenpunkt sind die Gitter der jeweils linken Triodensyteme von V65, V66 und V67 angeschlossen und werden gleichermassen auf -20V heruntergezogen. Diese Röhren sind für die Ziffern 0, 2 und 4 zuständig und bleiben somit sicher gesperrt.
Kommen wir auf V64 zurück. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass QN0 von Bit 0 bei Zählerstellung 1 nicht gesetzt ist. Daraus folgt, das das linke Triodensystem von V64 gesperrt ist und an dessen Widerstandsknoten 33K/100K sich eine Spannung von +20V einstellt. Die daran angeschlossenen Schalter-Dioden 1N4148 werden gesperrt und die dahinter liegenden der Systeme von V65, V66 und V67 die für die Ziffern 1, 3 und 5 zuständig sind, werden freigeschaltet. Dieser Zustand reicht aber noch nicht aus, da jetzt die Ziffern 1, 3 und 5 leuchten würden. Es soll aber nur Ziffer 1 leuchten.
Betrachten wir das rechte Triodensystem von V67, welches für Ziffer 5 zuständig ist. Es wird durch das Signal Q2 angesteuert. In der Tabelle ist Q2 aber nicht gesetzt, folglich ist diese Röhre gesperrt und Ziffer 5 wird nicht leuchten. Das gleiche gilt für das rechte Triodensytem von V66, welches für Ziffer 3 zuständig ist. Auch hier ist das Signal Q1 laut Tabelle nicht gesetzt und Ziffer 3 wird nicht leuchten.
Kommen wir nun zur Ziffer 1 (V65). Hier weist die Ansteuerung gegenüber den beiden anderen Triodenpaaren V66 und V67 eine Besonderheit auf. Die Triode für Ziffer 1 wird gleichzeitig durch die beiden Signale QN1 und QN2 angesteuert. Die beiden Vorwiderstände 820K bilden zusammen mit dem 510K-Widerstand einen Spannungsaddierer. Am Knotenpunkt hinter den Dioden bildet sich eine Treppenspannung aus, deren Maximalwert erst erreicht wird, wenn beide Signale, QN1 und QN2 vorhanden sind. Der Spannungsaddierer ist so eingestellt, dass erst dann das freigegebene Triodensytem (hier die Ziffer 1) durchschaltet. So ist die Dekodierung für Ziffer 1 eindeutig und sie wird leuchten.
So lassen sich für alle anderen Zählerstellungen diese Betrachtungen gleichermassen durchführen. Ein wenig komplizierter wird die Dekodierung noch beim vollständigen Zähler, der alle 10 Ziffern berücksichtigen muß.

Stückliste
Am Ende meiner Projektbeschreibung möchte ich noch die Stückliste zeigen, die auch im herunterladbaren Schaltplan enthalten ist. Interessant an dieser Stückliste ist die geringe Vielfalt der Bauelemente, bemerkenswerter ist die Stückzahl der einzelnen Bauelemente. Es wurden von mir in dieser Uhr etwa 1200 passive sowie aktive elektrische Bauelemente verbaut, ganz zu schweigen von den vielen hundert Schrauben und Abstandsröllchen.

Widerstände
4x100R/0.8W4x120R/5W2x560R21x1K
2x1K21x3K339x10K6x10K/0.8W
72x12K16x15K36x22K36x25K trim
2x27K1x27K/0.8W15x33K1x33K/0.8W
1x39K3x47K3x50K Poti1x56K
9x68K1x68K/0.8W96x100K48x180K
4x220K11x270K4x390K157x470K
3x510K8x680K42x820K110x1M
9x1M22x1M51x2M2  
Kondensatoren
1x10pF20x22pF64x56pF1x150pF
9x220pF9x470pF16x1nF2x4n7
36x10nF3x22nF1x100nF1x150nF
1x470nF2x47uF/250V1x100uF/350V 
Halbleiter
4xBY22766xBA15772x1N4148  
Röhren
1xECC882xEAA913xEF1842xEF80
2xEZ803x56512x60803xE88CC
36xE90CC8xE95F8xE91H1xE182CC
26x59636xZM1040    
Sonstiges
2xSicherung 1.6A1xSicherung 0.2A2xTrafo M102B 1xTrafo MD55

Diese Projektbeschreibung ist Stand vom 05.06.2005. Nach nunmehr siebenjähriger Bauzeit, natürlich auch mit langen Unterbrechungszeiten, wurde hier von mir ein Gerät geschaffen, welches unseren technischen Fortschritt, den wir oder unsere Eltern in den letzten 50 Jahren erfahren haben, in drastischer und ebenso anschaulicher Weise ins Bewusstsein rückt. Eine Digitaluhr, die heute als Einzelgerät oder versteckt in anderen Geräten an jeder Ecke zu finden ist, wäre vor 50 Jahren nur mit einem enormen technischen Aufwand zu realisieren gewesen, was ich hier zeigen wollte.
Wenn mich jemenad fragen würde, ob ich so etwas nocheinmal machen würde, käme von mir ein glattes "Jein". Nein, weil es aufgrund fehlender Literatur sehr zeitaufwendig ist, sich das nötige Spezialwissen der vom Grundsatz her schwierigen Impulstechnik anzueignen, und ja, weil es meiner Meinung nach kein technisches Gebiet gibt, welches so eine Faszination auf mich ausübt, wie die Röhrentechnik.
Daher plane ich als Grundstein für ein nächstes Röhrenprojekt den Empfänger einer DCF77-Uhr. Schaut also in sieben Jahren mal wieder vorbei.....
Zum Schluss möchte ich an dieser Stelle noch eine Bitte an die Leser richten: Ich suche alles an Literatur über Digitalschaltungen in Röhrentechnik, insbesondere Schieberegister- und Speichertechnik. Wer mir diese als Kopie gegen Kostenerstattung überlassen möchte oder auch interessante Links im Internet weiß, möge bitte über das Forum mit mir Konatkt aufnehmen oder sich mit Jogi, dem Webmaster in Verbindung setzen. Dieser leitet dann den Kontakt an mich weiter. Vielen Dank !!

Friedhelm Bruegmann, im Juni 2005