Zegar retro na lampach NIXIE

Lampa neonowa została wynaleziona i wykonana po raz pierwszy w 1902 przez Francuza Georgesa Claude’a. W oparciu o jej zasadę działania w 1952 roku dwaj bracia George i Zoltan Haydn, węgierscy emigranci mieszkający w Stanach Zjednoczonych, opracowali lampowy wyświetlacz cyfr. Początkowo używano nazwy NIX-1 (Numerical Indicator eXperimental – 1). Dopiero w roku 1954 nadano nazwę NIXIE. Do lat 70. wskaźniki te były jedyną alternatywą dla wyświetlaczy cyfrowych. Wyświetlacze NIXIE panowały bardzo długo, aż do momentu wynalezienia wyświetlaczy LED i LCD, które wyparły ten wspaniały produkt naszych przodków. Aby je dostać wystarczy pojechać na pobliski bazar staroci, giełdę elektroniczną lub po prostu zapytać się starszych elektroników. Jeśli tam nie znajdziemy, pozostają aukcje internetowe, gdzie na pewno można je spotkać, do wyboru do koloru.

Lampy NIXIE należą do kategorii lamp zimnych, ponieważ nie posiadają żarzenia, tak jak typowe lampy elektronowe. Jej zasada działania jest taka sama jak neonówki np. stosowanej w próbnikach fazy sieci energetycznej 230 V. W szklanej bańce wypełnionej gazem szlachetnym, najczęściej neonem (stąd nazwa neonówka), lub mieszaniną gazów, znajdują się dwie elektrody: anoda i katoda. Świecenie jest spowodowane przepływem prądu pomiędzy tymi elektrodami. Elektroda, która świeci to katoda i jest osobna dla każdego wyświetlanego znaku. Lampy NIXIE wyświetlały najczęściej cyfry od 0 do 9, jak i znaki: Hz, V, A, W, Ω, µ, n, F, ±, sinus, itp. Kształt wyświetlanego znaku jest taki jak kształt katody, wokół której zjonizowane cząsteczki gazu (wskutek płynącego prądu) jarzą się kolorowym światłem. Kolor świecenia zależy od rodzaju gazu w bańce, jak i odległości pomiędzy symbolem (katodą) a anodą. Anoda jest wspólna dla wszystkich znaków i ma postać siatki, która otacza równomiernie katody ze wszystkich stron. Znaki są umieszczone jeden za drugim oraz oddzielone są od siebie izolatorem tak, aby nie zwierały się ze sobą podczas świecenia.

Budowa i zasada działania zegara

Źródłem zasilania całego układu jest sieć energetyczna 230 V. Rozwiązanie takie pozwoliło na unikniecie zastosowania przetwornicy napięcia potrzebnego do zasilania lamp NIXIE. Układy scalone zasilane są napięciem stałym około 5 V uzyskanym z prostego stabilizatora parametrycznego zbudowanego na diodzie Zenera. Ponieważ zastosowane układy scalone wykonane są w technologii CMOS, to wydajność prądowa takiego stabilizatora jest wystarczająca do ich zasilania. Zastosowano dwa takie „zasilacze”, pierwszy (VA) do zasilenia układów IC4...IC6 i IC8, a drugi (VB) do układów IC1...IC3, IC7 i IC9.

Do generacji potrzebnych sygnałów sterujących użyto układu CD4060 (IC9). Stosując oscylator kwarcowy o częstotliwości 32768 Hz uzyskano najmniejszą częstotliwość o wartości 2 Hz, zatem dla otrzymania częstotliwości 1 Hz, sygnał z wyjścia Q14 układu IC9 dzielony jest przez 2 w układzie dwójki liczącej (IC7A).

Impulsy o częstotliwości 1 Hz są zliczane przez układ IC1 (CD4017), który zawiera 5-bitowy licznik Johnsona i konwerter stanów tego licznika na kod 1 z 10. Zastosowanie tego układu wynika ze sposobu sterowania wyświetlaniem cyfr w lampie. Mianowicie, zawsze świeci się jedna cyfra poprzez zwarcie odpowiedniej katody do masy, gdy pozostałe cyfry są wygaszone (katody „w powietrzu”). Bezpośrednio do sterowania katodami zastosowano wysokonapięciowe tranzystory MPSA42, które spełniają rolę kluczy. Do tranzystorów trzeba więc doprowadzić dziesięć sygnałów, z których tylko jeden jest aktywny. Aby zaświecić następną cyfrę, włączamy odpowiedni tranzystor. Ponieważ cyfry zmieniają się kolejno od 0 do 9, to najprościej jest sterować katodami za pomocą układu z krążącą jedynką, do czego świetnie nadaje się układ CD4017. Wyjście CO (Carry Out) układu IC1 jest połączone z wejściem zegarowym CLK następnego układu IC2, odpowiedzialnego za sterowanie tranzystorami cyfr dziesiątek sekund. Ponieważ układ ten ma sterować tylko cyframi od 0 do 5, więc jego wyjście Q6 jest dołączone do wejścia kasującego RES. W takim rozwiązaniu, co 60 sekund następuje kasowanie układu IC2. Ponadto wyjście przeniesień CO tego układu jest dołączone do wejścia zegarowego CLK układu IC3 zliczającego minuty. Dioda D3 zabezpiecza wyjście Q6 przed podaniem poziomu wysokiego z przycisku S1.

Połączenie układów zliczających minuty (IC3 i IC4) jest takie same jak układów IC1 i IC2.

Zliczanie godzin odbywa się w układach IC5 i IC6. Za pomocą zworek JP1 i JP2 można wybrać czy zegar jest 12-, czy 24-godzinny. W wersji 24-godzinnej układ IC5 zlicza dwukrotnie od 0 do 9, a za trzecim razem od 0 do 3. Układ IC6 zlicza wówczas od 0 do 2. Wyjścia Q4 (IC5) i Q2 (IC6) podane są na bramkę AND zrealizowaną z dwóch bramek NAND układu IC8. W chwili przejścia z godziny 23:59:59 na godzinę 24:00:00 następuje kasowanie liczników IC5 i IC6.

W wersji 12-godzinnej kasowanie układów IC5 i IC6 odbywa się w momencie przejścia z godziny 11:59:59 na godzinę 12:00:00 poprzez podanie na wejścia bramki AND (IC8) sygnałów Q2 (IC5) i Q1 (IC6).

W układzie zastosowano lampy V1...V6 firmy WF typu Z566M, jednak istnieją ich zamienniki, które pasują bez żadnej ingerencji w układ. Są to lampy LC-631 polskiej firmy DOLAM oraz ZM1040 firmy Philips. W układzie zegara można zastosować prawie wszystkie inne lampy, które w przypadku różnego wyprowadzenia elektrod trzeba dołączyć za pomocą przewodów. W czasie projektowania płytki zostało to przewidziane i między tranzystorami a podstawkami pod lampy umieszczono otwory dla przewodów. Ponadto jako wskaźniki impulsów sekundowych zastosowano zwykłe neonówki. Rezystory R10...R17 ograniczają prąd lamp NIXIE i neonówek tak, aby nie zużywały się one zbyt szybko, co z czasem mogłoby przejawiać się nierównomiernym świeceniem.