Thermometer met IN-14 en IN-19 nixies

Door PE1NSU



WAARSCHUWING

Nixie buizen werken met een hoge spanning. Het aanraken van deze spanning is levensgevaarlijk! Ondanks het feit dat de gebruikte hoogspannings voeding weinig vermogen kan leveren, is ernstig letsel bij aanraken van de spanning niet uit te sluiten. Voorzichtigheid is dus geboden. Voor het nabouwen van de thermometer is daarom ervaring met het werken van hoge spanningen een vereiste. Ondanks dat het ontwerp door mijzelf grondig is gebouwd en getest, ben ik op geen enkele wijze aansprakelijk te stellen voor het gebruik en toepassen van de onderstaande informatie. Alles is dus op EIGEN RISICO!

Inleiding

Wat mij opvalt als ik diverse forums over nixie en VFD buisjes lees, is dat er opvallend veel naar het schema wordt gevraagd van het desbetreffende ontwerp. De software schrijven voor de micro-controller en het kastje geeft meestal geen problemen, getuige de meest fantastische creaties op het internet van o.a. nixie klokken. Maar de hardware is toch andere koek. Persoonlijk vindt ik de software schrijven best wel lastig. Om maar niet te spreken van een leuk kastje maken! Deze pagina heeft als opzet een hardware platform te bieden welke nagebouwd kan worden met goed verkrijgbare onderdelen. Ik hoop dat veel mensen die een leuke nixie thermometer willen bouwen inspiratie vinden in dit schema. Hoe nixie buisjes werken ga ik hier niet beschrijven. Daar is genoeg info over te vinden op het internet. Wel zal ik een beknopte omschrijving geven van het geheel. De software zal voor de meeste mensen geen probleem vormen, maar op verzoek wil ik het (source)programma voor de controller wel mailen. Stel je er echter niet al te veel van voor. Het werkt, maar verdient zeker nog wat aandacht.


De thermometer

Ik heb best lang getwijfeld of ik de IN-14 wel zou kopen. De IN-14 heeft namelijk net zoals enkele andere Russische nixies een omgekeerde twee als vijf. Zou dat er wel mooi uitzien op een klokje of thermometer? Op een gegeven moment weren er echter ook IN-19A's aangeboden op Ebay. Deze nixie geeft in plaats van de cijfers 0 t/m 9 symbolen weer waaronder het graden celcius symbool. Dat heeft me eigenlijk overgehaald om een aantal IN-19 en IN-14 te kopen. Spijt heb ik er niet van, ondanks dat de omgekeerde 5 wel even wennen was. De IN-14 is gewoon een heel mooi buisje om te zien. De prijs van de IN-14 is door de hype op nixie gerelateerde items wel aan de hoge kant geworden. De bovenstaande foto toont het prototype waaraan ik eigenlijk tot de dag van vandaag niets meer aan heb veranderd. Dit is nog steeds het enige exemplaar welke ik heb gebouwd. De thermometer doet al 3 jaar onafgebroken dienst. Dat is meer dan 25000 uur! De nixie buisjes geven zelfs nog geen teken van veroudering. Een kastje is vanwege de hoge spanning in de schakeling wel aan te bevelen!

De functionaliteit is eenvoudig gehouden. Buiten de huidige temperatuur kan de thermometer ook de maximale en minimale gemeten temperatuur wergeven, zoals de onderstaande foto's laten zien. Mijn insteek is in eerste instantie de hardware, niet de software. De software bepaalt uiteindelijk de functionaliteit, en die mag jij zelf bepalen. De onderstaande foto's laten zien welke invulling ik er zelf aan heb gegeven.


IN-19 Temp. maximaal
Weergeven van de hoogst gemeten waarde...

IN-19 Temp. minimaal
...en uiteraard de laagst gemeten waarde

Ik moet wel toegeven dat de software voor de laagst gemeten waarde nog niet goed werkt. Hier zal ik toch nog eens wat aandacht aan schenken. Ik heb er voor gekozen de temperatuur sensor niet op de print te monteren maar door middel van een connector. Het is namelijk gebleken dat indien hij op de print zit gemonteerd, de waarde te hoog uitvalt. Ondanks het feit dat de warmteontwikkeling van de componenten weinig is, is dit voldoende om de thermometer een graad hoger aan te laten wijzen dan de werkelijkheid is. Ik gebruik in mijn geval een 3 polige mini-din connector maar men kan ook een andere connector toepassen. Mocht de sensor niet zijn aangesloten dan zal de thermometer een "n" weergeven. Op de brandende punt kom ik later nog terug. Het getal 85.0 wordt weergegeven als r (nog) geen conversie heeft plaatsgevonden na het inschakelen. Deze waarde wordt door de fabrikant als foutcode toegepast.


IN-19 Geen sensor
Foutweergave: Geen sensor aangesloten...

IN-19 geen conversie
Foutweergave: Opstartwaarde in de temperatuur sensor...

De sport is om een schakeling te ontwerpen met zo min mogelijk onderdelen. Maar natuurlijk mag er geen afbreuk gedaan worden aan de nauwkeurigheid, betrouwbaarheid en veiligheid van de schakeling. Door de toepassing van de juiste componenten is het gelukt om een compact geheel te verkrijgen. Het schema zal nu blok voor blok worden besproken.


Het schema in drie delen


De voeding

Uit de aangeboden gelijkspanning van 9-12 volt worden de twee benodigde voedingsspanningen gemaakt. De 5 Volt voor de logica en de 170 Volt hoogspanning voor de nixie buisjes. De opgenomen stroom van de logica is niet groot, vandaar dat is gekozen voor de overbekende 7805. De regelaar wordt niet warm en hoeft daardoor niet te worden voorzien van een koelplaat. Het schema van de 170 volts voeding komt van internet. Dit schema wordt veelvuldig toegepast en heeft daardoor zijn betrouwbaarheid bewezen. Drie componenten gebruikt in de 170 volts voeding zijn kritisch. In dit ontwerp zijn dat L1, T2 en D1. De MOSFET T2 dient een zo laag mogelijke aan-weerstand te bezitten. Ook moet hij snel te kunnen schakelen en uiteraard bestand te zijn tegen de hoge spanning. Daarom is in deze schakeling gekozen voor de IRF740. Behalve voor de aan-weerstand geldt hetzelfde verhaal voor D1. De toegepaste MUR160 is een zeer snelle gelijkrichter diode welke 600 Volt kan verdragen en 1 Ampère kan voeren. Als laatste de inductor L1. Dit MOET een inductor type zijn en geen choke. Een inductor kan namelijk energie opslaan in de vorm van een magnetisch veld. Een choke doet dit niet of nauwelijks. Het toepassen van een choke zal onherroepelijk de MOSFET vernielen. Het verschil tussen een inductor en een choke zit hem hoofdzakelijk in de toegepaste ferriet-kern. De mogelijkheid om energie in de inductor te kunnen opslaan is eigenlijk de basis waarop dit type voedingen functioneren. De hoge spanning wordt pas opgewekt als de MOSFET stopt met geleiden. Het magnetisch veld wil zichzelf in stand houden wat leidt tot een optreden van een inductiespanning welke tegengesteld is aan de (door de MOSFET) onderbroken) voedingspanning. De inductiespanning is vele malen hoger dan de voedingsspanning en wordt na het afvlakken de benodigde spanning voor de nixiebuisjes.


170 en 5 volt voeding
Het schema van de 180 en 5 volt voeding.


De controller

Het processorgedeelte is simpel van opzet. Twee ingangen worden gebruikt voor de schakelaar en temperatuur sensor. Vrijwel alle andere uitgangen van de processor, behorende bij de poorten RB en RC worden als uitgang gebruikt om de drivers aan te sturen. Als temperatuursensor wordt de DS18B20 toegepast van Dallas-maxim. Deze sensor communiceert met de processor volgens het "one wire protocol". Voor meer informatie over het protocol verwijs ik naar de site van Dallas-maxim. In Application note 2420 wordt goed omschreven hoe men het one wire protocol kan toepassen in een Microchip PIC micro-controller. De DS18B20 heeft een tolerantie van 0,5 en een meetbereik van -40 t/m 125 graden. De resolutie is maximaal 1/16 graad en is te configureren in de sensor. De thermometer is eigenlijk ontworpen voor gebruik binnen. Een mogelijkheid tot het aangeven van een negatieve temperatuur is er eigenlijk niet. Alhoewel...het "n" symbool zou hier voor ook gebruikt kunnen worden... Ik zou zeggen leef je uit in de software. Als processor wordt de 18F2520 van Microchip toegepast. Op het eerste gezicht lijkt dit overkill om deze controller voor deze taak in te zetten. De keuze is echter niet zozeer gedaan voor de hoeveelheid software, maar voor de in-en uitgangen welke deze controller bezit. Verder waren deze micro-controllers al eens (goedkoop) aangekocht voor een ander project en overgebleven. Natuurlijk kan een vergelijkbare 28 pens controller worden gebruikt. Vrijwel alle 18F25xx typen zijn pin-compatible met elkaar en zonder hardware veranderingen uit te wisselen. De controller werkt met een klokfrequentie van 4MHz. Met deze klokfrequentie werkt de interne instructieklok op 1MHz en doet de controller dus 1 instructie elke microseconde. Dit maakt de timing voor het 1 wire gebeuren een stuk makkelijker.


IN19 porocessor-schema
Het schema van het controller gedeelte.


De drivers en nixies

Als drivers voor de IN-14 nixies worden drie stuks K155ID1 IC's gebruikt. Dit is de Russische equivalent van de alom bekende 74141. Het IC herbergt een BCD naar decimaalomzetter met open collector uitgangen en is speciaal voor het aansturen van nixies vervaardigd. Voor de weergave van 0 t/m 9 zijn 10 combinaties nodig. Omdat de BCD waarde uit totaal 4 bits bestaat zijn er 16 combinaties mogelijk. Het driver IC "ziet" de waarden 10 t/m 15 (in totaal 16 combinaties met de 0 meegerekend) als een "verboden combinatie". Wanneer deze combinatie wordt aangeboden zal geen enkele uitgang worden aangestuurd. De nixie blijft dus gedoofd. Hier maakt de software gebruik van om wanneer er geen sensor wordt gedetecteerd de getallen te doven. De punt echter is met een weerstand naar massa gelegd en zal dus altijd branden. Afgeraden wordt de 7441 te gebruiken, hoewel hij technisch gezien zowel pin compatibel is en voor dezelfde toepassing is gemaakt als de 74141 is hij niet exact gelijk. De verboden combinaties zullen in dit type niet onderdrukt worden. Hierdoor zullen 1 of meerdere uitgangen toch laag worden en er segmenten gaan branden. Voor het aansturen van de symbolen in de IN-19A wordt een viertal MPSA42 transistoren toegepast.

Gekozen is voor een opzet waarbij de nixie buisjes niet worden gemultiplexed. Multiplexen is een techniek waarbij de buisjes sequentieel worden aangestuurd. Dit houdt in dat er altijd maar 1 buisje wordt aangestuurd. Omdat dit multiplexen snel geschiedt en het menselijk oog traag is, lijkt het net of ze toch alle vier gelijktijdig brandden. Multiplexen is wel eenvoudiger qua hardware maar de reden om het niet te doen is o.a. het verlies in lichtsterkte. Dit kan wel worden gecompenseerd door meer stroom door de nixies te laten vloeien. Maar een hogere stroom beïnvloedt de levensduur weer nadelig. Vandaar dat ook is gekozen voor een controller met voldoende in-en uitgangen voor directe sturing zonder fratsen.


IN19 driver-schema

Het drivergedeelte. Geen grote verrassingen.

De constructie


IN19 achterkant
De KM155ID1 drivers en nixie buisjes .

De bovenstaande foto toont de achterkant van de thermometer. De gebruikte KM155ID1 is een keramische militaire uitvoering. Ja, hij heeft betere specs (temperatuursbereik is meestal groter en ze zijn dubbel gebond) maar ze ogen gewoon mooi! Uiteraard kan gewoon de K155ID1 worden toegepast of de westerse 74141. Het Russische equivalent doet niets onder qua specificaties dan de 74141. De specificaties zijn zelfs beter en ze zijn beter bestand tegen "mishandelingen". Ja, dat laatste heb ik uit eigen ervaring. Ook ik wil wel eens een foutje maken...


IN19 printen opengeklapt
Sandwich constructie voor een smaller design...

Boven is te zien hoe ik het geheel heb opgebouwd. Gewoon op twee stukken experimenteerprint welke zijn "gesandwiched". Op de onderste print wordt plaats geboden aan de controller en 5 volt spanningsregulator. De bovenste print draagt de buisjes en drivers. Beide printen zijn met elkaar verbonden door losse bedrading. Hiervoor kunnen ook pinheaders voor worden genomen. Maar de lengte die ik nodig had waren niet aanwezig vandaar deze oplossing.


IN19 onderzijde
Onderzijde van de processorprint. Rechts de 170 Volt voeding op een apart printje.

Aan de rechterkant is ook de 170 volts voeding te zien. Hier heb ik eens indertijd een printje voor gemaakt. Omdat ik best wel veel experimenteer en niet steeds dezelfde schakeling op gaatjesprint wil opbouwen. Inmiddels is er een tweede versie gemaakt welke compacter is. Ik heb zo'n printje ontworpen zodat ik niet steeds hetzelfde circuit hoef na te bouwen op gaatjesprint.

Documenteren is iets wat mij niet makkelijk afgaat. Ik zal ongetwijfeld foutjes hebben gemaakt en bepaalde onderdelen meer moeten toelichten. Desondanks hoop ik dat dat de schema's duidelijk genoeg zijn om zelf een probleemloos werkende thermometer te fabriceren. Alle waarden zijn in het schema aangegeven. Wanneer de drie afzonderlijke delen worden uitgeprint kan men ze aan elkaar plakken voor een totaaloverzicht. Persoonlijk vindt ik deelschema's overzichtelijker, maar dat is voor iedereen verschillend. Alle onderdelen zijn goed verkrijgbaar, zowel lokaal als via Ebay. De nixies en drivers zijn via Ebay aangekocht bij een Russische handelaar. Om het project goed reproduceerbaar te houden is geen gebruik gemaakt van SMD componenten. Dit maakt het bouwen op gaatjesprint ook makkelijker. Natuurlijk staat het vrij om SMD onderdelen te gebruiken. Zolang zij maar voldoen aan de gestelde specificaties. De 9-12 volt gelijkspanning komt gewoon uit een standaard adapter. Suggesties zijn uiteraard altijd welkom op vfd[punt]heaven[at]gmail[punt]com.


Veel succes met het nabouwen....

Datasheets

Microchip 18L2520 microcontroller
Dallas 18B20 temperatuursensor
IRF740 MOSFET

Application notes

1 Wire communication with a Microchip controller.