Dieter's Nixie- Clock
Das Bauprojekt einer DCF- Funk- Nixie- Röhren- Uhr mit Datumsanzeige von Dieter Wächter

Themen:

  1. Was Ist eine Nixie- Clock?
  2. Wieso die Zeit mit Nixie- Röhren darstellen, wo es doch Leuchtdioden gibt?
  3. Die Nixie- Röhren IN-18
  4. Die Schaltungsbeschreibung
  5. Der Bauprozess
  6. Die Bedienungsanleitung
  7. Die fertige Uhr

Was Ist eine Nixie- Clock?

Eine Nixie- Clock ist eine digitale Uhr, bei den die Zeit mit Hilfe von sogenannten Nixie- Röhren dargestellt wird. Nixie- Röhren sind gasgefüllte Kaltkathodenröhren (Abk. NIXIE "Numeric Indicator eXperimental No. 1").

Am Aufbau erkennt man die Ziffern, welche die Kathoden sind. Vorne sieht man die Anode (ein Lochblech). In der Röhre befindet sich Inert- Gas (NEON). Wird nun zwischen Anode und Kathode eine Spannung angelegt (100 - 250 Volt je nach Röhrentyp), so werden durch das Heben des Gases in ein anderes Energieniveau (Plasma) beim Zurückfallen in den Aggregatszustand Gas, Photonen frei. Das heißt die Kathoden leuchten (Farbe: ein Orange- Rot mit bläulichem Schimmer um das Orange- Rot). Diese Röhren werden praktisch seit es Leuchtdioden gibt nicht mehr hergestellt.


Wieso die Zeit mit Nixie- Röhren Darstellen, wo es doch Leuchtdioden gibt?

Freunde fragten mich... was baust du? Eine Uhr mit alten Röhren???? Wozu das denn??
Tja, wer schon einmal das Leuchten von Nixie- Röhren in der Größe der IN-18, welche ich für mein Bauprojekt gewählt habe gesehen hat, der wird verstehen, dass es wirklich etwas besonderes ist, die Zeit damit darzustellen. Die Röhren strahlen Wärme aus, micht nur Wärmestrahlung, sondern auch ästhetische Wärme. Alle Skeptiker sagten, nachdem die Uhr fertig war Sachen wie "Oh Wahnsinn.... das sieht ja wirklich geil aus!" Auch ich sitze oft gemütlich in meinem Sessel davor und sehe mir einfach an wie die Zeit vergeht. "Zeit" - eine Sache die mich als Hobby- Naturwissenschaftler schon immer beschäftige bekommt durch das Leuchten der Röhren... ja ich möchte fast sagen etwas wie eine "magische Ausstrahlung"... das ist irgendwie so, als ob einen die Augen einer hübschen Frau in den Bann ziehen (nur nicht ganz so stark :-)
Ironischer Weise wurden Nixie- Röhren praktisch nicht für Uhren verwendet, als sie modern waren. Erst später machten sich Röhren- Bastler ans Werk und setzten sie für diesen Zweck ein.


Die Nixie- Röhren IN-18

Wie schon erwähnt wählte ich die IN-18- Röhre für das Projekt aus. Es ist eine der größten Nixie- Röhren, die gefertigt wurden (es gibt noch wesentlich größere ich weiß schon, aber die sind fast unerschwinglich und es ist so gut wie unmöglich davon welche in größerer Stückzahl zu bekommen).

Die IN-18 Röhre hat die folgenden Technischen Daten:

Sockel: 14pin russian (pin 4 vorne)
Pin- durchmesser: 1,02mm
Pinkreis: 18mm
Pin- spacing: 24,5°
Ziffernhöhe: 40mm
Durchmesser: ca. 30 mm (Abweichungen möglich)
Höhe gesamt: 76mm
Anodenspannung nominal: 139Volt (da leuchtet sie am schönsten!)
Strom bei 139Volt: 6mA
Leistung: 0,834W bei 139Volt

Die IN-18 ist eine Russische Röhre, wie man am original- Datenblatt erkennt:

Die Röhren kamen in den Original- Schachteln bei mir an.... schon allein der Anblick hat was für sich:


Die Schaltungsbeschreibung

Die Schaltung gestaltete ich recht einfach. Sie besteht aus Schaltnetzteil, Reset- Baustein, Microcontroller, Röhren- Treiber, DCF- Empfänger und schließlich der Anzeigeeinheit.
Hier seht ihr das Schaltbild, das in 2 Stunden entwickelt war. Die Berechnung der Bauteile möchte ich hier nicht näher erklären.

Die Schaltungsbeschreibung: Über ein Steckernetzteil werden 12V/ 1A eingespeist. Der Spannungsregler erzeugt die 5V für den Reset- Baustein, die Nixie- Treiber und den Microcontroller. Das Schaltnetzteil erzeugt 150 Volt Gleichspannung. Die Schaltungsart ist ein Boost- Converter mit MOSFET und einer High- Speed- Diode. Der gemessene Wirkungsgrad ist 70%, also sehr gute Effizienz. Es läuft mit ca. 40kHz. Der Choke hat 1A und 330µH, und erwärmt sich im Betrieb, was aber nicht weiter stört. Hier seht ihr die Diagramme dazu:

Der Microcontroller ist das Herz der Uhr. Er wird mit 4MHz getaktet. Der Reset- Baustein gibt den Reset- Impuls für den Controller. Im Controller läuft das Programm, welches in C programmiert wurde. Das Programm kann man frei gestalten... somit ist die Funktion der Uhr sehr flexibel. Über die DCF- Einheit kommt die Atomzeit direkt aus Frankfurt. Somit ist Stellen der Uhr nicht notwendig. Auch das Datum wird automatischerkannt und angezeigt (im Wechsel oder auch einzeln- siehe Bedienungsanleitung). Die Funktion der Treiber dürfte ja allen bekannt sein und die Anzeigeeinheit besteht aus den Nixie- Röhren und Doppelpunkt- Röhren, dei ich selbst anfertigen musste, da es keine Doppelpunkt- Röhren gibt. Die Nixie - Treiber (Typ 74141) sind allgemein bekannt für Nixie- Anwendungen.


Der Bauprozess

Nachdem die Schaltung entworfen war, musste zuerst ein Prototyp der Platine entworfen und hergestellt werden. Ich wählte eine doppelseitige Platine aus GFK mit galvanischen Durchkontaktierungen (nur das Beste für das Beste! :-) Hier seht ihr diese Prototypen- Platine:

Als sich später zeigte, dass der Entwurf und die Schaltung korrekt war fertigte ich noch einige davon an. Hier seht ihr dann die fertige Platine mit Lötstopplack und Bestückungsdruck.

Die Unterseite:

Die Oberseite

Hier könnt ihr das Layout sehen:

Achtet beim Nachbau auf die Leiterbahnführung! Ihr wisst ja... Schaltnetzteil und Microcontroller.... das beißt sich oft!

Danach konnte es an das Bestücken gehen:

Ihr seht rechts oben das Schaltnetzteil, in der Mitte den Microcontroller, unten die Nixie- Treiber. In der Mitte könnt ihr die Einlötbuchsen für die Röhren erkennen. Einsatz von Fassungen ist nicht zu empfehlen (hoher Verdrahtungsaufwand und zu viel Platzbedarf). Die Buchsen gibt es in allen Größen bei Mouser Electronic.

fertig bestückt:

Der DCF77- Empfänger muss natürlich außerhalb der Uhr sein. Ich baute die Platine in ein kleines Kunststoffgehäuse ein. Dazu noch ein Taster und eine Leuchtdiode (Funktion wird in der Bedienungsanleitung erklärt). Das Kabel sollte geschirmt sein und ca. 1,5m lang.

der fertige Empfänger innen:


der Empfänger sollte nach Frankfurt ausgerichtet sein!

Für das Gehäuse wählte ich Edelstahl mit 300 schliff (das schönste was ich kenne an Metallen) und für das untere Blech eloxiertes Aluminium (wegen der wesentlich leichteren Bearbeitung). Für die Seitenteile wählte ich Teak- Holz (eines meiner Lieblingshölzer). Das Edelstahlblech kantete ich ab und klebte das Bohrbild darauf. Anschließend bohrte ich die Löcher für die Röhren in das Blech

Für die jenigen, die die Uhr nachbauen möchten: Bitte spannt das Blech sicher!!! Ihr könnt nicht einfach mit einen Schälbohrer hineinbohren, denn er wird mit Sicherheit verlaufen. Zentriert mit einem Zentrierbohrer. Ich verwende eine kleine Fräsmaschine mit Tisch, denn da kann man schön verfahren und muss nicht umspannen.

Diese Werkzeuge sollte jeder Röhrenbastler immer bereit haben: einen 50mm Schälbohrer und einen 50mm Senker.
Das große 20mm Bohrfutter ist für sichere Spannung schon sinnvoll!

SICHER SPANNEN!!! SONST VERLÄUFT DER SCHÄLBOHRER!!!

Zentrieren mit Zentrierbohrer:

nicht vergessen: wer gut schmiert, der gut fährt!
Danach ein guter Senker (Durchmesser 50mm) aus HSSE!!! Sonst ratterts auf Edelstahl!

und runter mit der Schutzfolie:

Das Alublech wurde auch gebohrt. Anschließend wurden alle Gewinde geschnitten.

Die Seitenteile stellte ich aus Teakholz her und lackierte sie (Spritzanlage):

Ich befestigte sie mit Epoxy an dem Oberblech:

Ein Filzstreifen, dass die Uhr später auch schön steht.



Sieht das Oberteil nicht EDEL aus???
Solche Handarbeit ist eben immer noch das schönste was es gibt :-)

Die Platine wird aus dem Unterblech mit Stehbolzen befestigt. Der Mosfet wird zur Kühlung ab das Blech geschraubt. Das Problem der Wärmeabfuhr (wie es bei Nixie- Clocks generell besteht) Löste ich einfach, indem ich das komplette Gehäuse als "Wärmestrahler" benutze. es erwärmt sich gleichmäßig, und gibt die Wärme an die Umgebung ab. So kann die Uhr im Dauerbetrieb sicher arbeiten.

mit eingesteckten Röhren:

erste Funktionsprüfung ohne Oberteil:

Der Aufbau ist sehr Service- freundlich, man nimmt einfach das obere Blech ab, und schon liegt die Platine frei, die mit 6 Schrauben befestigt ist.


Die Bedienungsanleitung

Für alle interessierten habe ich hier die Bedienungsanleitung aufgeschrieben. Durch Einsatz des Controllers kann jeder, der die Uhr nachbauen möchte natürlich davon abweichen und sich sein eigenes Programm schreiben. So wie ich es gemacht habe fand ich es am praktischsten- aber der Phantasie sind natürlich keine Grenzen gesetzt. Programmiert also den Controller so, wie ihr selbst möchtet und schreibt dann die Bedienungsanleitung so wie sie dazu passt.


Dieter’s Nixie Clock mit DCF77- Empfänger
Bedienungsanleitung

1. Aufstellen:
Stellen sie die Uhr an einen Ort auf der die Wärmeabfuhr gewährleistet. Bei Nixie- Clocks ist generell die Wärmeabfuhr ein Problem. Bei dieser Uhr habe ich das Wärmeabfuhr- Problem dadurch gelöst, dass ich das komplette Gehäuse sozusagen als Wärmestrahler benutze. Dadurch entfallen Lüftungsschlitze und ähnliches. Das gesamte Gehäuse (sowie das Steckernetzteil) erwärmt sich beim Betrieb. Das ist völlig normal und kein Grund zur Beunruhigung.

2. Anschließen
Stecken sie das Steckernetzteil in eine 230V/50Hz Steckdose. Stecken sie den Rundstecker des Steckernetzteils in die Buchse an der Rückseite der Uhr.

3. Ausrichten des Empfängers
Richten Sie den Empfänger so aus, dass der Pfeil nach Frankfurt zeigt.
Der Empfänger soll mindestens 8 cm von metallischen Gegenständen entfernt sein.
Die Uhr zeigt nach dem einstecken sofort 00:00:00.
Danach läuft die Uhr los, dabei zählt die Sekundenanzeige im Sekundentakt hoch.
Die rote Leuchtdiode am Empfänger blinkt im Sekundentakt.
Es sind maximal 2 mal 60 Sekunden notwendig bis der Prozessor die Zeit erkennt, dann stellt sich die Uhr automatisch (Zeit und Datum).
Sollte eine Empfangsstörung in dieser Zeit auftreten, dann beginnt die Uhr von neuem von 00:00:00 und zählt wieder hoch- das tut sie solange bis sie die Zeit erkannt hat.
Wenn die Uhr nicht beginnt zu zählen, oder wenn sie immer wieder von 00:00:00 beginnt, dann probieren Sie einen anderen Aufstellungsort. An manchen Orten ist ein schlechter oder gar kein Empfang. An diesen Orten können sie die Uhr nicht benutzen. Wenn die Uhr einmal die Zeit erkannt hat, dann kann eine Empfangsstörung der Uhr nichts mehr anhaben, denn sie läuft mit internen Takt einfach über die Empfangsstörung darüber, sodass man diese nicht merkt. Probieren sie es aus: halten sie den Empfänger einmal an das Steckernetzteil. Er wird verrückt spielen, das sehen sie an den unregelmäßigen Blinken der Leuchtdiode. Die Uhr jedoch läuft ungehindert weiter und der Prozessor wartet einfach bis er wieder verwertbare Signale vom Empfänger bekommt.

4. Einstellung des Betriebsmodus:
Die Uhr hat 3 Modi:
a) Nur Uhrzeit wird angezeigt
b) Nur Datum wird angezeigt
c) Datum und Uhrzeit wird im Wechsel angezeigt

Sie können die 3 Modi einfach durch kurzes Drücken auf den Taster erreichen.
Probieren sie die 3 Modi aus und entscheiden sie, welcher Ihnen am besten gefällt.
Wenn der Strom ausfällt oder wenn Sie die Uhr abstecken bleibt der zuletzt eingestellte Modus erhalten.

5. Einstellen der Wechselzeit für Modus c

Um diesen Modus zu erreichen drücken Sie bitte den Taster länger als eine Sekunde.
Beobachten Sie dabei die Uhr. Die Anzeige springt auf den aktuellen Wert der Anzeigedauer für die Uhrzeit.

dies bedeutet:
0 :01:00 (bedeutet 1,0 s)
0 :01:50 (bedeutet 1,5 s)
0 :02:00 (bedeutet 2 s)
0 :02:50 (bedeutet 2,5 s)
und so weiter bis
0 :10:00 (bedeutet 10 s)

durch KURZES drücken auf den Taster stellen sie nun den gewünschten Wert für die Anzeigedauer der Uhrzeit ein.
Danach halten sie den Taster wieder länger als eine Sekunde. Die Anzeige springt auf den aktuellen Wert der Anzeigedauer für die Datum.

dies bedeutet:
1 :01:00 (bedeutet 1,0 s)
1 :01:50 (bedeutet 1,5 s)
1 :02:00 (bedeutet 2 s)
1 :02:50 (bedeutet 2,5 s)
und so weiter bis
1 :10:00 (bedeutet 10 s)

durch KURZES drücken auf den Taster stellen sie nun den gewünschten Wert für die Anzeigedauer des Datums ein.
Um den Einstellmodus zu verlassen halten sie den Taster wieder länger als eine Sekunde.
Die Uhr springt dann automatisch in den Modus c (Uhrzeit und Datum im Wechsel)
Wenn der Strom ausfällt oder wenn Sie die Uhr abstecken bleiben die eingestellten Werte erhalten, sodass sie ohne weiteres die Uhr abstecken können wenn sie sie nicht benutzen oder sie können die Uhr auch an einer geschaltenen Steckdose betreiben.


Die fertige Uhr

Hier seht ihr nun noch ein paar Bilder der fertigen Uhr..... und ich bin mir sicher ihr geratet ins Schwärmen.....

Viel Spaß beim Nachbau oder einfach nur beim Anschauen wünscht:


Dieter
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ACHTUNG WICHTIGER HINWEIS: Ich übernehme keine Haftung für Verletzungen oder Tod, der durch Nachbauversuche oder Nachmachen einer der hier beschriebenen Tätigkeiten entstanden ist. Ich warne ausdrücklich vor dem Umgang mit hohen Spannungen wie sie bei Röhren immer vorhanden sind.


Hinweis zur Verfügbarkeit der hier verwendeten Nixie-Röhre : Jan Wuesten !

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