Temperaturanzeige mit Nixie-Röhren

Nixie-Röhren sind schon lange nicht mehr als Neuware erhältlich und technisch gesehen auch nicht mehr zeitgemäß. Dem Retro-Charme der orange glimmenden Anzeigen tut das aber keinen Abbruch und viele Bastler bauen sich aus den Anzeigen Uhren. Es gibt sogar schon Bausätze. Auch bei mir lagen schon länger Röhren aus russischer Produktion rum. Russiche Modelle sind gebraucht sehr gut erhältlich und für etwa €5,- pro Stück zu bekommen. Oft werden sie als "NOS" (New Old Stock) bezeichnet, was fast immer gelogen ist. "NOS" wird vor allem angegeben, um die RoHS-Richtlinien zu umgehen, weil diese den Verkauf eigentlich verbieten.

Sehr verbreitet ist der Typ IN-14 (kyrillisch: ИН-14). Die Ziffern sind allerdings nicht die schönsten, denn die "2" und die "5" sind identisch geformt und nur um 180° verdreht. Ich habe den Typ IN-8 genommen, weil hier die "5" eine eigenständige Form hat. Es gibt auch IN-8-2 - allerdings kann ich kaum einen Unterschied erkennen. Lediglich beim vorderen Gitter scheinen die Wabenränder minimal breiter zu sein. Die Röhren vom Typ IN-19 gibt es in drei Varianten: A, B und C (kyrillisch: ИН-19А, ИН-19Б und ИН-19В). Die Röhren zeigen verschiedene Buchstaben und Abkürzungen für Maßeinheiten etc. (A: % M P m K n µ °C, B: S F H V T A Ω Hz, C: π A/B ~ < - > + dB). Damit möchte ich eine Temperaturanzeige aufbauen, weil ich schon eine außergewöhnliche Uhr habe und die exotischen Symbole gerne verwenden will.

Vorsicht Netzspannung: Lebensgefahr!

Das Problem bei Nixies ist, daß sie mit einer hohen Spannung von 80-200 V angesteuert werden. Die Röhren weisen einen Anschluß für die Anode (Plus) auf und pro Zeichen einen für die Kathode (Minus). Liegt die Spannung an, leuchtet das Zeichen auf. Obwohl die Spannung so hoch ist, fließt nur ein kleiner Strom von etwa 2 mA. Um die Spannung zu erzeugen, kann man eine kleine Gleichspannung (Batterie oder Netzteil) hochtransformieren. Dazu gibt es verschiedene Ansätze und sogar kleine Bausätze. Der Trick dabei ist immer, daß man die Gleichspannung sehr schnell ein- und ausschaltet ("zerhackt") und dann durch eine Spule und einen Kondensator erhöht wird (Step-Up-Converter).
Da die Schaltung aber sowieso an Netzspannung betrieben werden soll, ist auch ein anderer Weg möglich: Mit zwei Trafos wird die Spannung erst reduziert (um auch die Spannung für die restliche Elektronik und den Mikrocontroller zu erhalten) und anschließend wieder mit einem zweiten Trafo hochtransformiert. Das geht bei Wechselspannung ganz einfach mit einem kleinen Trafo. Der erste erzeugt aus 230 V an der Primärseite etwa 9 V an der Sekundärseite und der zweite daraus dann etwa 150 V. Bei handelsüblichen Trafos gibt es die Angabe zur Spannung und der Leistung (VA oder A). Ein Trafo mit der Angabe 230 V/12 V weist ein Wicklungsverhältnis von 1:19,17 auf (230/12). Vertauscht man nun die Primär- und Sekundärseite in der Schaltung, schließt also die vom ersten Trafo erzeugten 9 V Wechselspannung (AC) an die Sekundärseite (die normalerweise als 12-V-Ausgang genutzte Seite), so bekommt man eine Spannung, die um das Wicklungsverhältnis größer ist als Ausgangsspannung: 9 V × 19,17 = 172,5 V. Man kann nicht einfach die Nixie an Netzspannung anschließen, obwohl diese ja die benötigten Spannung von um die 180 V liefert! Die meisten Haushalte sind mit 16 A abgesichert - so viel Strom würde die Nixieröhre also kurzzeitig ziehen, bevor sie sich in Rauch auflöst etc.
Beide Spannungen müssen noch gleichgerichtet werden. Dazu genügt ein einfacher Graez-Brückengleichrichter - entweder aus vier einzelnen Dioden aufgebaut oder als fertiges Bauteil und ein nachgeschalteter Kondensator zur Glättung. Dadurch erhöht sich die theoretische Ausgangsspannung um √2 (=> 243,95 V). Allerdings bildet die Schaltung ein sehr primitives unstabilisiertes Netzteil. Durch die Belastung am Ausgang wird die Spannung einbrechen (ca. 130 V). Durch die Trafos ist die Ausgangsseite zwar galvanisch von der Netzspannung getrennt, trotzdem besteht Lebensgefahr und der Umgang ist nur etwas für Profis. Die ganze Schaltung zieht gerade einmal 15 mA Strom.

Die restliche Schaltung ist nicht weiter spannend: Ein Mikrocontroller (ich nutze einen ATmega) steuert die einzelnen Zeichen an. Dazu wird ein Transistor für hohe Spannungen benötigt, der die Kathode, die leuchten soll, mit Masse verbindet. Auf Multiplexing der Zahlen verzichte ich. Das verringert zwar den Bedarf an Transitoren, aber die Nixies sind dafür nicht wirklich konzipiert. Ein Widerstand vor den Anoden begrenzt den Strom durch die Nixie-Röhre. Die Temperatur wird mit einem LM355 gemessen, der eine analoge Spannung proportional zur Temperatur einstellt. Der Controller steuert das Vorzeichen (Plus/Minus) und die zwei Zahlen. "°C" leuchtet permanent und auf Nachkommastellen verzichte ich, weil eine so hohe Genauigkeit gar nicht realistisch und auch nicht wissenswert ist.

Download Sourcecode nixie_temp.c

2. Version

Für eine verbesserte Temperaturmessung habe ich einen DS18S20 Sensor verbaut, der die Temperatur digital mißt und per 1-Wire überträgt, wobei auch mehrere Meter Zuleitung möglich sind. Zudem habe ich ein "150-220V High Voltage Boost DC Power Supply Module for Nixie" genutzt, die es für etwa 5 € gibt. Dieses kann aus etwa 5-12 V die notwendige Hochspannung generieren.
Mit einem Trimmer kann die Ausgangsspannung in gewissen Grenzen eingestellt werden. Wichtig ist, daß die Enable-Leitung wirklich mit Masse verbunden wird. Wie sich allerdings zeigte, pfeift das Modul nervig. Je niedriger die Eingangsspannung, desto weniger - bei 5 V Eingangsspannung hört es zum Glück auf und so kann eins der vielen überschüssigen USB-Netzteile genutzt werden, das dank Schaltregler selbst wenig Leistung verheizt. Zu beaobachten ist, wie warm der Schaltregler auf dem Modul wird, wenn vier Nixies angesteuert werden. Bei mir wurde das IC nicht einmal warm.

Download Sourcecode nixie_ds18s20.7z

Netzteil

Inzwischen habe ich diverse fertige Netzteile aus China ausprobiert. Die kleinen taugen allesamt nichts: sie werden heiß und die Bauteile brennen durch. Das abgebildete Modell "DC-DC 8~32V to 45~390V High Voltage Boost Converter" für etwa 6€ macht bisher den besten Eindruck: der Kühlkörper ist groß und bleibt kühl und der Trafo kann die Leistung auch umsetzen. Es gibt eine richtige Sicherung und die Ausgangsspannung kann tatsächlich in einem großen Bereich mit dem Trimmer eingestellt werden. Als Eingangsspannung reichen auch 5V aus.