Anzeigeröhren


von Prof. Jürgen Plate

Nixie-Röhren

Der Name Nixie stammt ursprünglich von der Firma Burroughs, die diesen Namen ca. 1955 als Abkürzung von "Numeric Indicator eXperimental No I" verwendete, was "NIXI" ergibt. Eigentlich war NIXI nur die Bezeichnung für die hier besprochene Art von Anzeigeröhren. Recht bald setzte sich "Nixie" als gängiger Name dafür durch.

Die Funktionsweise der Nixie-Röhren war schon seit den Zwanziger Jahren bekannt. Doch erst, als sich in den 50er Jahren ein höherer Bedarf an digitalen Anzeigeelementen stieg die Verbreitung stark an. Bis in die 70er Jahre hinein waren Nixieröhren die typischen Anzeigen für Zahlenwerte. Nixies wurden überall in der Welt gefertigt, in England, Deutschland, Frankreich, Polen, Russland, Japan und China hergestellt. Die letzten Nixies wurden in den frühen Neunzigern in der Sowjetunion gefertigt, weshalb man russische Nixies noch gut bekommt.

Eine Nixie besteht im Grunde wie die Glimmlampe nur aus einem gasgefüllten Glaskolben (meistens mit den Edelgasen Neon und etwas Helium gefüllt). Im Gegensatz zu den Verstärkerröhren mit Kathodenheizung sind Nixies Kaltkathoden-Röhren, werden also nicht warm. In der Röhre befindet sich ein möglichst durchsichtiges Anodengitter, das die Kathoden umgibt, und den darzustellenden Zeichen, in der Regel die Ziffern von 0 bis 9 mit Dezimalpunkt oder -komma, aber auch je nach Anwendung andere Zeichen (meist Dimensionsangaben), die aus feinem Blech ausgestanzt oder aus Draht gebogen sind. Diese sind hintereinander und elektrisch voneinander isoliert als Kathoden angeordnet und einzeln ansteuerbar.

Stromträger bei Nixies sind freie Elektronen und positive Ionen. In der Nixieröhre findet bei genügend hoher Elektrodenspannung eine selbständige Entladung bei kalter Kathode statt, wobei in etwa folgendes geschieht: Im Entladungsraum sind immer einige wenige Ladungsträger (Elektronen und Ionen) vorhanden (natürliche Strahlung). Sie werden durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden beschleunigt, die Elektronen fliegen zur Anode und die positiven Ionen zur Katode. Die Elektronen bekommen eine so große Geschwindigkeit, das sie unterwegs in der Lage sind, aus neutralen Gasatomen neue Elektronen abzuspalten, wenn die Spannung an den Elektroden mindestens gleich der "Ionisierungsspannung" ist, deren Höhe hauptsächlich von der Gasart abhängt. Dabei bleiben neue lonen übrig, die ebenfalls zur Katode fliegen. Die Ionen schlagen beim Aufprall auf die Katode ihrerseits Elektronen heraus, die nun auch unter dem Einflus des Feldes zur Anode fliegen und unterwegs neutrale Gasatome ionisieren usw. Diese Vorgänge vervielfachen sich schnell, bis der Strom lawinenartig anwächst, die Entladung hat "gezündet". In diesem Augenblick wird der Spannungsabfall an der Entladungsstrecke kleiner.

Bei Ionisierung und Rekombination wird Energie in Form sichtbarer Strahlung frei. Die Zonen, in denen solche Vorgänge auftreten, sind also durch Leuchterscheinungen erkennbar. Die Leuchtstärke hängt von der Größe des elektrischen Feldes ab und durchläuft abhängig von der Feldstärke ein Optimum, d. h. bei größeren Werten nimmt sie wieder ab. Die Strahlung ist ein Mischlicht, das sich aus von der Gasart bestimmten Frequenzen zusammensetzt.

Neben Zünd- und Brennspannung ist noch die Löschspannung wichtig. Da der Gasraum ionisiert ist, ist die Spannung, bei der die Glimmröhre erlischt, wenn die Spannung wieder heruntergesetzt wird, kleiner als die Zünd- bzw. Brennspannung. Sie liegt ca. 5 - 10 Prozent unter der Zündspannung.

Nixie-Röhren waren, wie gesagt, in den 1960er und 1970er Jahren vor allem zur Anzeige von Ziffern in Messgeräten und Rechnern in Gebrauch. Später verloren sie mit dem Aufkommen von Vakuumfluoreszenzröhren (VFD) und vor allem auch Leuchtdioden-Anzeigen (Siebensegmentanzeige) schnell an Bedeutung. Heute werden sie noch von Bastlern zum Beispiel zum Bau von Uhren verwendet. Nixie-Röhren werden seit langem nicht mehr hergestellt, was sich auf die Preise niederschlägt. Es gibt jedoch noch einen kräftigen "Nachschub" an baugleichen Röhren aus dem Gebiet der früheren Sowjetunion.

Neben der oben gezeigten klassische senkrechte Variante gibt es auch noch die sogenannten Kopffüssler, wie sie unten zu sehen sind.

Hat eine der Ziffern gegen die Anode eine dafür genügend hohe negative Spannung, so überzieht sich der Ziffernsteg mit einem rötlich-gelben "Glimmlichtschlauch" mit einem Durchmesser von ungefähr 1,5 mm. Die Leuchtdichte dieses Glimmlichtes beträgt beim höchstzulässigen Glimmstrom etwa 0,06 Candela/m2. Im Interesse einer hohen Lebensdauer ist dem Neongas etwas Quecksilber beigefügt. Dieses ergibt ein schwaches, diffuses, bläuliches Leuchten. Um es gegen den Beschauer abzudecken, werden die Glimm-Ziffernanzeigeröhren auch mit Rotfilter-Überzug geliefert.

Durch verschiedene Edelgasmischungen kann man unterschiedliche Farben erzielen. Die Höhe der Ziffern reicht von 8 mm bis über 120 mm. Durch die Notwendigkeit, alle Kathoden voneinander räumlich getrennt in der Röhre anzubringen, ist die Anzahl der möglichen Zeichen pro Röhre auf etwa 12 beschränkt.

Das folgende Bild zeigt für Glimm-Ziffernanzeigeröhren in Betracht kommende Spannungs-Strom-Kennlinien. Wie aus diesen Bildern zu ersehen ist, fehlt hier der Strombereich, in dem die Anoden-Katoden-Spannung einen nahezu konstanten Wert (ihren Brennwert) hat. Die Spannung fällt mit dem Zünden der Glimmstrecke beim Einsetzen des Glimmstromes zwar ab, steigt aber dann bei Erhöhen des Glimmstromes gleich wieder an. Im Gleichstrom-Betriebsbereich geht die Brennspannung hierbei mitunter bis über den Zündwert hinaus. Die Zündspannung beträgt je nach Typ 80 bis 250 V, typisch 170 bis 180 V. Der Strombedarf liegt bei ca. 1 bis 5 mA je Röhre.

Man muß die Glimm-Ziffernanzeigeröhren mit Glimmströmen betreiben, die im Vergleich zu den glimmenden Flächen verhältnismäßig hoch sind: Einerseits soll der Steg, der das Gerippe der glimmenden Ziffer bildet, voll mit dem Glimmschlauch überzogen sein. Andererseits muss mit dem Glimmstrom der Steg der jeweils glimmenden Ziffer von Ablagerungen befreit werden. Solche Ablagerungen entstehen, weil sich von der glimmenden Ziffer abgedampftes Stegmaterial auf den benachbarten Ziffernstegen niederschlägt. Man bezeichnet den Abbau der Ablagerungen als Selbstreinigen. Die Notwendigkeit des Selbstreinigens bestimmt die untere Grenze des Glimmstromes der Glimm-Ziffernanzeigeröhre. Die obere Grenze des betriebsmäßigen Glimm-Gleichstrombereiches ist damit gegeben, dass ein Mitglimmen der die Ziffernstege haltenden Zuleitungen vermieden werden muss. Damit diese Zuleitungen im Betriebsstrombereich vom Glimmen freibleiben, sind ihre Oberflächen entsprechend behandelt (passiviert).

Der Übergang des Glimmens auf die Zuleitungen benötigt etwas Zeit. Daraus folgt, dass der Betriebsstrombereich für Impulsbetrieb über den Gleichstrom-Betriebsbereich weit hinausgeht. Der hierfür hohe obere Glimmstrom-Grenzwert beträgt etwa das Vierfache des höchstzulässigen Gleichstromwertes. Wie für jede andere Glimmlampe, muss auch bei der Nixie-Röhre der Glimmstrom mit einem Vorwiderstand begrenzt werden. Im allgemeinen liegt dieser Vorwiderstand zwischen Pluspol der Spannungsquelle und der Röhrenanode. Sein Wert beträgt um die 20 kOhm. Er ergibt sich aus dem Kathodenstrom Ik und der Differenz zwischen Versorgungsspannung Ub und Brennspannung Ur (typische Werte sind: Ub = 170 V und Ur = 100 ... 115 V). Der Anodenwiderstand ergibt sich dann bei einem Kathodenstrom von Ia zu R = (Ub - Ur)/Ik. Bei einem typischen Kathodenstrom von 2 mA ergäbe das einen Anodenwiderstand von ca. 22 ... 27 kOhm. Prinzipiell ist es auch möglich, Vorwiderstände in die Kathodenleitung einzufügen. Verwendet man - sofern die Röhre entsprechende Kathoden besitzt - den Dezimalpunkt oder ein Komma, muss dafür ein zusätzlicher Anodenwiderstand eingefügt werden, da diese Elektroden sehr viel kleiner sind als die Ziffern.

Typischerweise liegt der Wert des Anodenwiderstandes im Bereich von 10 bis 80 kOhm. Die Zündspannung sowie der nominale Kathodenstrom lassen sich dem jeweiligen Datenblatt entnehmen (siehe oben). Hat man kein Datenblatt zur Hand, kann man die Größe des Anodenwiderstandes auch durch Probieren ermitteln. Man verwendet 170 bis 180 V als Versorgungsspannung und schließt die Anode über ein 100-kOhm-Potenziometer an. Bei maximalem Widerstandwert schaltet auf die kleinste Kathode (Ziffer 1). Nun kann der Widerstand langsam verringert werden (Strom im Auge behalten!). Wenn die entsprechende Ziffer vollstandig leuchtet, und der Strom im Rahmen bleibt (1 mA bis 5 mA), hat man den passenden Wert gefunden. Achtung: Die Zuleitungen zur Kathode dürfen nicht leuchten. Nun wird noch mit der "8" probiert, ob die auch vollständig leuchtet. Statt des Potis kann dann der nachstgrößere Wert aus der E12-Reihe verwendet werden. Bitte auch an die Maximalleistung des Potis denken, denn hier reicht ein Viertelwatt-Poti nicht mehr (Tipp: 2 Watt Drahtpoti).

Als Anhaltspunkt kann die folgende Tabelle für die ZM1020 (Zündspannung 160 V, Brennspannung 140 V) dienen:

Spannung [V]170250300350
Vorwiderstand [Ω]15'00056'00082'000100'000

Damit eine Ziffer aufleuchtet, muss sie gegen die Anode gezündet werden. Glimmt bereits eine andere Ziffer, muss diese gelöscht werden. Für die Ansteuerung der Kathode braucht man im allgemeinen nur NPN-Silizium-Transistoren für Sperrspannungen von wenigstens 60 V und einige Widerstände.

Die eingezeichnete Diode erhöht die Emitter-Vorspannung gegen den Minuspol und damit auch die für das Schalten der Transistornen nötige Basisspannung auf etwa 1,2 V. Sie kann auch entfallen, wenn die Transistoren durch die ansteuernde Elektronik sauber gesperrt werden. Andererseits kann sie auch durch eine Z-Diode ersetzt werden (3,3 ... 6 V), wenn dies notwendig sein sollte.

Die zehn Transistoren müssen einzeln so angesteuert werden, daß immer einer der Transistoren durchgeschaltet ist. Die Spannung Ur am Anodenwiderstand vermindert sich dann um die Summe der Kollektor-Emitter-Restspannung und der über der Diode abfallenden Spannung.

Die Transistoren sollten einen möglichst geringen Sperrstrom besitzen, da an den gesperrten Ziffern schon recht kleine Sperrströme ein störendes Glimmen bewirken würden. Zum Aufsteuern des Transistors, der der gerade anzuzeigenden Ziffer zugeordnet ist, sollte der Basisstrom wenigstens 1 mA betragen. Günstig ist, wenn die Transistoren so gesteuert werden, dass der zu sperrende Transistor noch nicht ganz gesperrt ist, während der nächste Transistor gerade aufgesteuert wird.

Als Standardtyp für alle Anwendungen eignet sich der Transistor MPSA-42, ein NPN-Transistor mit Ucb = 300 V, Ic = 0,5 A und Ptot = 0,625 W, entwickelt für TV Stufen. Als PNP-Typ kann der MPSA-92 verwendet werden, der äquivalente Daten besitzt. Ebenfalls verwendbar sind BF118, BF179C, BF259, BF338, BSS48, BUW37 (alle mit Metallgehäuse) or BF413, BF420A, BF422A, BF483 (Plastigehäuse).

Für die Ansteuerung von Digitalschaltungen aus eignet sich der TTL-Treiber 74141, der noch, wenn auch in geringen Stückzahlen erhältlich ist. Näheres dazu unter Nixie-BCD-zu-dezimal-Decoder 74141.

Will man die Anode über Logiksignale schalten, geht es ähnlich einfach, wie das folgende Bild zeigt. Eine solche Schaltung ist beispielsweise nötig, wenn der Dezimalpunkt oder das Komma über einen höheren Anodenwiderstand angesteuert werden sollen:

Auch für den Fall, dass man nicht allzu viele Ports am Controller frei hat, gibt es Lösungen. Zum einen könnte man die Anodenzuleitung multiplexen, was den Röhren angeblich nicht so gut bekommt. Die einfachste Lösung ist das Speichern der Ausgabedaten über Latches. Dann kann man die vier Datenleitung gemeinsam zu allen Latches führen und triggert jeweils die gewünschte Stelle.

Noch weniger Leitungen braucht man beim Einsatz von Schieberegistern. Hier genügen drei Leitungen, Daten, Takt und Übernahme - und die Zahl der angeschlossenen Nixies kann beliebig groß werden. Zur Not ließe sich auch noch der BCD-zu-dezimal-Decoder einsparen.

Achtung: Im Gegensatz zu ICs wird bei Röhren die Sockelbeschaltung im Datenbalatt nicht von oben, sondern von unten gezeigt.

In Zeiten allgegenwärtiger LC-Displays verbreiten die Nixies den Charme einer vergangenen Elektronikepoche. Weltweit hat sich rund um die Nixie-Röhren ein breites Angebot an Uhren (Bausätze und Fertiggeräte) entwickelt. Da die Lebensdauer der Röhren schätzungsweise rund 100'000 Stunden beträgt - bei dem für Uhren üblichen Dauerbetrieb also rund 11 Jahre - kann man sich an Nixie-Uhren nicht ewig lange erfreuen. Leider gibt es relativ wenige "ausgefallene" Einsatzgebiete von Nixies.

Infos zum Erzeugen der Betriebsspannung finden Sie unter Anoden-Spannungserzeugung.

Einige Sockelbelegungen finden Sie unter Nixie-Sockel.

Literatur

Fritz Bergtold:
Glimmdioden und Ziffernanzeigeröhren
Richard Pflaum Verlag, 1968

Heinz Greif:
Kaltkathodenröhren
VEB Verlag Technik, 1970

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Copyright © Hochschule München, FK 04, Prof. Jürgen Plate