Mein Nixie Röhren Mini-Tester
von Peter H. Wendt

Rel. 0.9.3.dt, Letzte Aktualisierung: Mittwoch, 2002-01-09


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Angefangen hat das ursprünglich mit der Idee, das Testen von ZM1020 Nixies etwas einfacher zu machen. Also habe ich mir eine kleine Schaltung aus herumliegenden Teilen zusammengelötet, die diese Aufgabe erfüllte. Die Schaltung hatte kein besonderes "Design" - eigentlich nur ein Taktgeber, ein Dezimalzähler plus den zehn Treiberstufen. Die Schaltung war an ein großes Röhrennetzteil angeschlossen, was neben 2 x 6.3 V auch geregelte, einstellbare Anodenspannungen von 180 - 280 V bereitstellt. Funktionierte soweit ganz gut - war aber auf die ZM1020 / 1022 Röhren beschränkt.
Nach einer Weile habe ich einen zweiten Sockel hinzugefügt, als ich einen größeren Posten ZM1040 Röhren kaufen konnte, die eine andere Sockelbeschaltung haben. Nachdem ich den dritten Sockel hinzugefügt hatte, um auch ZM1180 testen zu können, war es ein ziemlicher Drahtverhau - mehr ein Rattennest als ein wirkliches Testwerkzeug. Also habe ich mir eine Europa-Lochrasterkarte genommen und die Sockel dort hinein montiert.

Danach hat sie Sache eine eigene Dynamik entwickelt.

Zuerst und am Wichtigsten: man sollte in der Lage sein, den Anodestrom Ia überprüfen zu können. Für die meisten - wenn auch nicht für alle - Nixies ist der Anodenstrom praktisch gleich dem Kathodenstrom Ik. Da man ohnehin immer nur eine Kathode aktiviert hat, reicht es daher, wenn man an einem Punkt in der Andenleitung ein Multimeter im Milliampere-Meßbereich einschleifen kann.

Zweite Funktion: ein Dezimalzähler, der nacheinander alle 10 Kathoden sequentiell aktiviert, so daß man sehen kann, ob alle Zeichen ordentlich angezeigt werden. Es sollte ein Schalter vorhanden sein, damit man zwischen automatischem Weiterschalten und manueller Funktion umschalten kann. Damit kann man dann individuelle Messungen für jedes dargestellte Zeichen durchführen oder Fotos von den einzelnen Symbolen machen, falls einem daran liegt.

Dritte Funktion: ein Meßpunkt mit einem Auswahlschalter, wo man ein Voltmeter anschalten kann, um die folgende Werte zu ermitteln:

• Betriebsspannung Ub
• Anodenspannung Ua
• Spannung an den Kathodenpins Uk0 to Uk9

Die letztere Funktion ist dann wichtig, wenn man herausfinden möchte, welche "Leerlaufspannung" an den inaktiven Kathodenanschlüssen auftreten, während eine andere Kathode aktiviert ist und um die Wirksamkeit bzw. den Widerstandswert eines spannungsbegrenzenden Widerstands herauszufinden. Wenn man nämlich Treiberstufen mit Transistor verwendet, die nicht tauglich sind, Spannungen von Ub zu schalten, muß man einen Widerstand von den Kathoden auf Masse legen - und der sollte so bemessen sein, daß die Kathode gerade noch nicht aufleuchtet, aber die Leerlaufspannung Ukx den Maximalwert für diesen Transistortyp noch nicht überschreitet.

Der erste Teil des NRMT ("Nixie Röhren Mini Tester") ist die Stromversorgung. Ich benutze hierbei die gleiche Schaltung, wie ich sie für mein Nixie Uhren Projekt entwickelt habe. Es besteht aus zwei kleinen 12 V / 300 mA Trafos, die mit den Sekundärseiten "Rücken an Rücken" verbunden sind. Damit bekommt man einerseits die nötige Kleinspannung für die wenigen Logikelemente, andererseits erhält man eine Hochspannung von ca. 200V, die vom Stromnetz galvanisch getrennt ist und die für die Anodenspannung der Nixies herangezogen wird.

Hier ist die Schaltung:

Für den oben abgebildeten Prototyp habe ich den Trafo auf der linken Seite der Schaltung durch ein 12V / 500 mA Steckernetzteil ersetzt, in dem ich aber die Gleichrichterdioden und Kondensatoren entfernt habe, weil ich Wechselspannung brauche, um die Kleinspannung wieder auf über 200 V hochtransformieren zu können. Das Netzteil betrieb ursprünglich mal ein altes 2400 Baud Modem. Dies ist der sichere Weg, denn so habe ich keinerlei Netzspannung in meinem Gerät.

Das nächste Bauteil im NRMT ist eine Schaltung, die ein Taktsignal liefert - vorzugsweise mit einer einstellbaren Frequenz. Ich habe hierzu das verbreitete IC NE-555 benutzt. Es ist ein 8-pin Chip, der billig und einfach zu bekommen ist und für diesen Verwendungszweck mehr als ausreicht. Diesem Taktgeber folgt ein 4017 Dezimalzähler, der mit jedem Taktimpuls einen Schritt weiter zählt und so nacheinander die Anschlüsse Q0 - Q9 aktiviert. Zwischen den beiden Schaltkreisen befindet sich ein Umschalter für Automatik / Manuell Betrieb sowie ein Taster, um den jeweils nächsten Schritt auszulösen.

Hier ist das Schaltbild:

Jeder der zehn Ausgänge Q0 to Q9 des 4017 ist mit einer Treiberstufe verbunden - so wie ich sie auch schon bei meinem Nixie Uhren Projekt verwende und die nur aus je einem 33 K Widerstand und einem MPSA-42 Transistor bestehen. Für den NRMT benötigt man zehn Treiberstufen wie sie untenstehend auf der linken Seite abgebildet ist.



Schließlich braucht man noch die Verkabelung für die Nixie Sockel und den Instrumenten-Umschalter. Dieser Schalter ist ein 1 Ebenen x 12 Positionen Drehschalter, so wie sie von LORLIN hergestellt werden. In der Zeichnung fehlt (leider) der Schalter mit dem man die Hochspannung Ub ein- und ausschalten kann. Sicher ist sicher ....

1. Testen der Zahlen
   
   

   Ganz einfach. Nixie in den entsprechenden Sockel stecken, Modusschalter auf "Auto" und die Anodenspannung einschalten. Dann nur noch die Nixie beobachten, wie sie von einer Zahl zur nächsten wechselt.
   Werden alle Zahlen angezeigt oder fehlt was ?
   Zeigt die Nixie "internes Feuer" (= unerwünschte Leuchteffekte an Drähten oder internen Verbindungen) ?
   Werden einige Zeichen unvollständig dargestellt ?
   Wenn man damit fertig ist, Anodenspannung abschalten und die nächste Nixie zum Testen einsetzen, falls notwendig.
   
   

2. Messung des Anodenstroms
   
   

   Die Brückenverbindung entfernen und ein Meßgerät im Milliampere-Meßbereich dazwischen schalten. Den NRMT im Modus "Manu" setzen und die Hochspannung einschalten. Das Multimeter sollte einen Wert irgendwo zwischen 0.8 bis 1.1 mA anzeigen, für den die Bauteile dimensioniert sind. Wenn man die "Step" Taste betätigt, wird zur nächsten Zahlenanzeige gewechselt.
   Bleibt der Strom annähernd gleich ?
   Sind große Abweichungen in der Helligkeit feststellbar ?
   Bleiben Helligkeit der Anzeige und fließender Strom bei allen angezeigten Ziffern einigermaßen gleich, so kann man davon ausgehen, daß die Röhre neu oder zumindest noch nicht verbraucht ist. Röhren mit großen Abweichungen sind in der Regel "Langläufer", die das Ende ihrer Lebensdauer fast erreicht haben oder anderweitig defekt (Feinschlüsse, Verbiegungen, Undichtigkeiten ...).
   Wenn man damit durch ist - Hochspannung abschalten und nächste Röhre testen, wenn erforderlich.
   
   

3. Messen der Leerlaufspannung an den inaktiven Kathoden
   
   

   Ein Voltmeter mit einem Meßbereich größer als Ub an den Voltmeter-Anschlüssen anschließen. Vorzugsweise verwendet man dazu ein Voltmeter mit hohem Innenwiderstand von mindestens 1 MOhm oder höher (Röhren-Voltmeter oder Digitalmultimeter).
   Den Modusschalter auf "Manu" stellen und die Hochspannung einschalten.
   Mit dem Instrumentenschalter kann man nun nacheinander die Werte für Ub (Betriebsspannung), Ua (Anodenspannung) oder jeder der Spannungen Uk0 - Uk9 (Kathodenspannungen) auswählen und ablesen. Die Spannung für die jeweils aktivierte Kathode wird dabei nahezu Null sein, weil der Anschluß von der Treiberstufe gegen Masse gezogen wird.
   
   

4. Testen von Kathoden-Ableitwiderständen
   
   

   Der Grundaufbau ist im Wesentlichen identisch mit der vorhergehend beschriebenen Messung der Kathoden-Leerlaufspannungen. Allerdings wird zusätzlich noch ein 2 MOhm Dreh-Potentiometer (isoliert !!) parallel zum Voltmeter geschaltet. Vor dem Messen wird es auf den höchsten Widerstandswert gedreht. Sobald die Hochspannung eingeschaltet ist, kann man mit dem Poti die Leerlaufspannung einer deaktivierten Kathode herunterdrehen ... bis zu dem Punkt, wo diese Kathode ebenfalls so viel Massepotential bekommt, daß sie zu leuchten beginnt. Dann ein Stück zurückdrehen, Hochspannung abschalten und den Widerstandwert des Potis ermitteln.
   (Anmerkung: Wenn man sowieso ein Multimeter zum Testen verwendet: einfach den Meßbereich nach "OHM" umschalten. Vor dem erneuten Messen nicht vergessen wieder auf "VOLT" zurückzuschalten ... !).
   Man wird feststellen, daß es durchaus möglich ist, für alle Kathoden in allen Kombinationen mit aktivierten Kathoden die Leerlaufspannung unter 60 Volt zu drücken, ohne daß die inaktivierten Kathoden mitleuchten. Eine Beispieltabelle ist weiter unten aufgeführt.
   Allerdings wird die Verwendung von Kathoden-Ableitwiderständen eine leichte Verschlechterung des Kontrasts mit sich bringen, da alle Kathoden mehr oder weniger stark auf Massepotential gezogen werden. In der Summe führt dies zu gelegentlichen "Geisterbildern" in der Nixie.
   Grundsätzlich sollte man keine Ableitwiderstände verwenden, sofern es durch den Schaltungsaufbau nicht zwingend notwendig ist, daß alle Kathoden auf definierten Potentialen liegen. Dieser Test ergibt andererseits aber interessante Rückschlüsse, ab welcher Kathodenspannung (in Bezug auf Masse) der Beginn des Entladungsleuchtens wahrnehmbar einsetzt.
   

Das Design dieses NRMT ist auf Nixies beschränkt, die nur eine gemeinsame Anode und keine Matrix-Kathoden haben. Diese "Bi-Quinär" Nixies wie die ZM1030 können ohne Modifikation der Schaltung nicht getestet werden. Bi-quinäre Nixies haben zwei Anodenanschlüssen, je einen für die geraden und die ungeraden Zahlen; die Kathoden sind immer paarweise zusammengefaßt (0-1, 2-3, 4-5, 6-7, 8-9). Der Grund dafür war, Anschlußpins einzusparen und die normalen 7-Pin (Miniatursockel) oder 9-Pin Sockel (Novalsockel) verwenden zu können.

Des weiteren können damit keine Multisegment-Nixies wie die Burroughs B-7971 getestet werden. Bei diesen Röhren wird die Anode fest auf die Betriebsspannung Ub gelegt und die Kathodenströme werden pro Kathode einzeln durch entsprechende Vorwiderstände festgelegt. Der Grund dafür liegt im Funktionsprinzp, da man mehrere Kathoden gleichzeitig einschalten muß, um die Symbole mit den einzelnen Segmenten darstellen zu können. Der Anodenstrom ist dann die Summe aller fließenden Kathodenströme und kann sehr stark variieren.

Natürlich sollte man für so ein Gerät ein besseres Gehäuse verwenden, wie bei meinem Prototypen. Ich habe einfach irgendwann mit einer Lochrasterplatte angefangen und später die Seitenwände ebenfalls aus diesem Zeug gemacht - und sie einfach mit Silberdraht verbunden. Die kleinen Platinen des elektronischen Innenlebens sind ebenfalls nur mit verlöteten Silberdrahtenden in dem Lochraster befestigt. Ich habe mich nicht mal damit aufgehalten, für die Befestigungen Schrauben und Muttern zu verwenden - eigentlich nur bei den Sockeln (3 von 4 jedenfalls).
Das geht sicherlich besser und schöner.

Zusätzlich dazu kann man den Treiberkreis ein wenig umbauen, wie ich es in der Zwischenzeit auch gemacht habe. Einfach die gemeinsame Masseverbindung auftrennen und zwei Meßbuchsen installieren: schon kann man auch den Kathodenstrom messen. Wenn man dazu ein Multimeter benutzt, kann man einen Schalter zum Auftrennen oder Verbinden dieses Meßpunktes hinzufügen - oder man gibt sich mit einer einfachen Steckbrücke zufrieden, so wie ich es schon beim Anodenstrom-Meßpunkt gehalten habe.
Wenn man sich dann ein Instrument für 0 - 250 V Gleichspannung und zwei Instrumente für 0 - 5 (oder 0 - 10 mA) besorgt, kann man sich eine wesentlich professionellere Variante des NRMT bauen. Dann braucht man auch nicht mehr mit irgendwelchen Multimeterstrippen herumhantieren und kommt ohne Jumper und fast ohne Schalter aus.

Ein hübscher Zusatz sind auch LEDs für a) die Niederspannung ("Power On"), b) die Hochspannung Ub ("Anodenspannung Ein") und c) das Taktsignal ("Clock"). Reicht den "Total Control Freaks" natürlich noch nicht aus, ergibt aber eine schnelle Information auf einen Blick über den Status der Meßeinrichtung.

Des weiteren kann man ein Potentiometer installieren, mit dem man den Anodenstrom variabel macht. Da dieser maßgeblich von der Wahl des Anoden-Vorwiderstands abhängt, würde ich anraten, an dieser stelle einen 22 K Widerstand zur Strombegrenzung beizubehalten, falls es irgendwo, irgendwann mal einen Kurzschluß im Anodenkreis gibt. Mit einem 22 K Widerstand ist der rechnerische Kurzschlußstrom bei 200 V etwa 9 mA - in der Praxis wird die unstabilisierte Hochspannung aber zusammenbrechen und beides, effektive Gleichspannung und der Kurzschlußstrom liegen erheblich niedriger. Das Potentiometer würde ich dann auf 47 KOhm wählen. Das ergibt einen Regelbereich von 22 - 69 KOhm, was einem Anodenstrom von etwa 2.7 - 0.9 mA entspricht, wenn man die Anodenspannung mit 140 V annimmt. Das sollte für die meisten Nixies und die üblichen Tests hinkommen und ausreichen.

Und - schließlich - kann man sich noch Adapter für die "Drahtenden-Nixies" bauen, wie z.B. ZM1080 oder Equivalent. Man kann vielleicht von einer defekten ZM1040 oder -besser- ZM1020 den Glaskörper dicht über dem Boden abtrennen und an den inneren Sockelstift-Enden Kabel mit kleinen Krokodil-Klemmen anlöten. Das Ganze dann wieder mit Gießharz oder Heißkleber versiegelt und nicht vergessen, die Klemmenden zu markieren, damit man nachher noch weiß, was an welchen Pin geht.

Die folgende Tabelle zeigt den Einfluß von Kathoden-Ableitwiderständen an einer ZM1180, wobei diese Widerstände die inaktiven Kathoden näher an Masse heranziehen sollen, um die sich aufbauende Leerlaufspannung auf einen -für gewöhnliche Transistoren- ungefährlichen Wert zu reduzieren.
Die Betriebsspannung Ub beträgt hierbei 195 V, die Anodenspannung Ua liegt bei 135 V über einen 54 KOhm Anoden-Vorwiderstand. Der Anodenstrom Ia liegt in diesem Fall bei 1.1 mA. Als Kathoden-Ableitwiderstand wurde ein 470 KOhm Widerstand verwendet.

Die Tabelle zeigt vertikal die Kathode, an der gemessen wurde und horizontal die angezeigte Nummer (= Nummer der entsprechenden Kathode). Die obere Spannung im Tabellen-Kreuzungspunkt ist die ohne, der unter Wert die mit Kathoden-Ableitwiderstand..

Wie man sieht liegen die Werte für die Messungen ohne den Ableitwiderstand in Größenordnungen bis zu 125 V - wogegen die mit dem Widerstand immer unter 60 V bleiben.
Nachdem man das gelesen hat, könnte man rückschließen, daß es in jedem Fall ratsam wäre, Ableitwiderstände zu installieren. Aber - Nein - dem ist nicht so. Wie schon etwas weiter oben erklärt, können die Widerstände von den inaktiven Kathoden nach Masse dazu führen, daß diese -ungewollt- anfangen, zu leuchten. Vielleicht nicht einmal sehr stark, aber in der Summe führt es dazu, daß sich der Kontrast des aktivierten Zeichens durch den "Stör-Nebel" innerhalb der Nixie verschlechtert. Man sollte sich diese Art der Schaltung also wirklich für die Anwendungsfälle aufsparen, wo es wirklich nicht anders machbar ist. Zum Beispiel in Treiberstufen, die mit Transistoren oder Treiber-ICs arbeiten, deren Spannungsfestigkeit bis maximal 60 V reicht.

Dies ist der erste, rohe und unvollständige Entwurf einer Liste von den Nixies, die ich mit dem NRMT bis jetzt getestet habe und die - innerhalb Grenzen - untereinander austauschbar sind. Man sollte sich natürlich nach Möglichkeit ein Datenblatt besorgen, falls dazu die Möglichkeit besteht. Ich habe ausdrücklich die "Primer Pins" und "Screens" außen vor gelassen und nicht beschaltet. Es werden nur die Pins verwendet, die auch tatsächlich Zahlen oder Symbole anzeigen.