Nixie-Röhren

Nixie(-Röhre) ist der Gattungsname für eine Anzeigenröhre aus einem längst vergangenen Zeitalter der Elektronik. Das orange-rote Licht der Entladung und das Glasgehäuse üben schon immer eine Faszination aus, der sich kaum jemand entziehen mag. Früher wurden diese Anzeigen wegen ihres Preises nur in Profi-Geräten verwendet. Heute dagegen sind sie noch viel teurer geworden und werden von Liebhabern hauptsächlich in Uhren verbaut.

Gegeben hat es diese Anzeigen in vielen verschiedenen Größen von 7mm (IN-5A-1) bis 135mm (GR-414).

Die Herstellung dieser Bauteile ist weltweit vor vielen Jahren eingestellt worden. Die Röhren sind also nur noch als NOS oder gebraucht zu beständig steigenden Preisen erhältlich. Eine Ausnahme: In Tschechien gibt es noch eine Firma, die in den 2010er Jahren neu mit einer Fertigung begonnen hat.

Dieser Artikel soll die korrekte Beschaltung und Bauteildimensionierung zeigen. Es werden hier nur Beispiele mit Bauteilen in SMD-Ausführung gezeigt.

Aufbau

Nixie-Röhren sind Kaltkathoden-Gasentladungslampen, die im Kennlinienbereich der Glimmentladung betrieben werden. Die Elektroden sind so geformt, dass mit der Glimmentladung um die Elektroden Ziffern und/oder Zeichen dargestellt werden.

Um den inneren Aufbau einer Nixie-Röhre zu zeigen, braucht man heute zum Glück keinen Glaskolben mehr zu zertrümmern:

Die Animation ist aus einer CAD-Datei von li qingchen entstanden:

• Die Kathoden sind als Ziffern ausgeformt. Teile der Kathoden-Bleche, die später nicht leuchten sollen, müssen isoliert werden.
• Die interne Verdrahtung wurde bei dieser Darstellung weggelassen.
• Die gemeinsame Anode wird als Lochblech um das Ziffernpaket gelegt.
• Als Füllung und Leuchtgas dient unter niedrigem Druck stehendes Neon, mit Beimengungen von Quecksilber und Argon.

Betriebsparameter

Für den sicheren Betrieb einer Röhre sind folgende Parameter von Interesse:

• I_min minimaler Betriebsstrom
• I_max,stat maximaler Betriebsstrom, statische Ansteuerung
• I_max,dyn maximaler Betriebsstrom, dynamische Ansteuerung
• U_z Zündspannung
• U_b Brennspannung

Der minimale Betriebsstrom I_min stellt sicher, dass das eingeschaltete Segment vollständig leuchtet und nicht flackert. Beim maximalen Betriebsstrom muss zwischen statischem (dauerhafte Ansteuerung) und dynamischem (multiplex) Betrieb unterschieden werden. Es gilt I_max,stat < I_max,dyn. Ein Überschreiten dieser Werte geht auf Kosten der Lebensdauer. Ein zu hoher Strom kann auch dazu führen, dass Teile der Kathode, die nicht leuchten sollen, zu leuchten anfangen. Das ist ab einer gewissen Dauer nicht mehr umkehrbar.
Die Versorgungsspannung muss über der Zündspannung liegen. Bei einer Versorgung mit gut geglätteten Spannung von einem Aufwärtswandler reichen 10V über der Zündspannung völlig aus.

Im Normalbetrieb "prasseln" die Neon-Atome auf die Kathode und schlagen Material aus dem Blech der Kathode heraus. Dieses Material lagert sich auf dem inneren des Glaskolbens und auf den unbenutzen Kathoden nieder. Bei Überlastung mit einem zu hohen Brennstrom steigt auch der Abtrag und die Röhre altert schneller. Der Glaskolben wird mit der Zeit grau. Die unbenutzen Kathoden werden mit der Zeit immer weniger leitfähig, d.h. ihr Leuchtbild wird fleckig. Dem kann man entgegenwirken, indem man auch die eigentlich unbenutzten Kathoden ab und zu einschaltet.

Berechnung des Anodenwiderstandes

Am Vorwiderstand einer Nixie-Röhre fällt im Betrieb die Differenz zwischen Versorgungsspannung und Brennspannung ab. Der dabei fließende Strom darf den Maximalwert aus dem Datenblatt nicht überschreiten. Gleichzeitig sind die Spannungsfestigkeit und die Verlustleistung der verwendeten Widerstände nicht außer Acht zu lassen. Für das Beispiel hier sei U_A = 180V und der gewünschte Strom durch die Röhre I_TYP = 3mA.

[math]\displaystyle{ R_\mathrm{V} = \frac{U_\mathrm{A} - U_\mathrm{BRENN}}{I_\mathrm{TYP}} = \frac{180\,\mathrm{V} - 150\,\mathrm{V}}{3\,\mathrm{mA}} = 10\,\mathrm{kΩ} }[/math]

[math]\displaystyle{ P_\mathrm{V} = (U_\mathrm{A} - U_\mathrm{BRENN}) * I_\mathrm{TYP} = (180\,\mathrm{V} - 150\,\mathrm{V}) * 3\,\mathrm{mA} = 90\,\mathrm{mW} }[/math]

Der gewählte Widerstand 10kΩ, Bauform 1206 hat eine Spannungsfestigkeit von 200V und eine maximale Verlustleistung von 0.25W. Also genug Reserve.

Ansteuerung

Bei der Ansteuerung der Nixie-Röhren muss man sich zwischen statischem Betrieb und Multiplexing entscheiden. Der statische Betrieb ist bei vielen Anzeigen aufwändiger, weil jede Röhre und jede Ziffer einzeln angesteuert werden müssen. Der Nachteil der größeren Anzahl benötigter Bauteile wird meiner Meinung nach durch den geringeren Strom durch die Röhre und der damit verbundenen längeren Lebensdauer wettgemacht. Dagegen benötigt man im Multiplex Betrieb eine geringere Anzahl von Bauteilen. Den lückenden Betrieb der Röhren muss man durch einen höheren Strom kompensieren, damit die Helligkeit nicht zu sehr sinkt. Das kann man nur in einem engen Bereich machen und es geht auf die Lebensdauer der Röhre. Für ein Messgerät oder eine Anzeige, die immer nur kurz betrieben wird, sicherlich kein Problem. Für eine Uhr, die stundenlang, über Jahre laufen soll, unter Umständen ein Problem.

Kathode

Die Beschaltung der Kathode ist bei allen Betriebsarten (statisch / gemultiplext) gleich:

Diskrete Ansteuerung mit Transistoren

Egal ob MOSFET oder Bipolar, der verwendete Transistor muss eine ausreichend hohe Sperrspannung haben, die höher als die Anodenspannung ist. Im hier gezeigten Beispiel wurden ein SMBTA42 als NPN Transistor und ein BSS131 als N-Kanal MOSFET gewählt:

Als Basisvorwiderstand für Mikrocontroller mit 3,3V oder 5V I/O-Spannung gleichermaßen reichen 10kΩ. Damit fließt bei 3,3V (abzgl. 0,9V U_BE) ein Basisstrom von 240µA. Der SMBTA42 hat einen minimalen Stromverstärkungsfaktor von h_FE = 25. Das reicht für 6mA Kollektorstrom.

Für den BSS131 reicht ein Gate-Vorwiderstand von 100Ω, um den Ladestrom zu begrenzen.

Das nächste Bild zeigt die Ansteuerung der Transistoren über Schieberegister. Man könnte annehmen, dass das in eine riesige Materialschlacht ausartet. Aber in SMD passen die Transistoren rund um die Sockel-Pins der Röhren und brauchen kaum Platz. Eine Platine für die sechs IN-18 Röhren einer Uhr ist nur 5,5 x 25,5 cm groß.

Ansteuerung mit Treiber ICs

Für die Ansteuerung mit Treiber ICs kommen heute nur der 74141 bzw. der noch erhältliche russische Nachbau K155ID1 oder ein Vertreter von Microchips HV5xxx Serie in Frage. Erstere sind BCD nach Dezimal Dekoder. Letztere sind 32-Bit Schieberegister.

74141 AKA K155ID1

TBD

HV5122

Der HV5122 kommt im praktischen PLCC- oder im PQFP-Gehäuse daher. Mit 32 Ausgängen kann man gleich 3 Nixie-Röhren plus 2 Glimmlampen für die Doppelpunkte zwischen den Zifferpaaren auf einmal ansteuern. Leider haben diese Schaltkreise mit 12V eine recht hohe Versorgungsspannung, die nicht so recht zu den heute üblichen 3.3V/5V von Mikrocontrollern passt. Die Varianten mit 5V Versorgung sind leider nur in Maschinenbestückbaren Gehäusen (QFN) verfügbar.

Multiplex Betrieb

Weiterer Text und Bilder folgen...