W zimny grudniowy poranek w czeskiej wsi Březolupy pewien mężczyzna zatrzymuje swoją ciężarówkę przed XVII wiecznym zamkiem. Zakłada grube rękawice, wysiada z ciężarówki i otwiera tylną klapę. Następnie bardzo ostrożnie, rozładowuje kolejne skrzynie z ciężkim sprzętem i szkłem.
Ten człowiek to Dalibor Farny, który w 2012 roku postanowił ożywić produkcję lamp Nixie, której ostatnie komercyjne sztuki zostały wyprodukowane, gdy ten był jeszcze dzieckiem.
Wskaźnik mocy reaktora RBMK (https://www.hbomax.com/pl/pl/series/urn:hbo:series:GXJvkMAU0JIG6gAEAAAIo)
Te wypełnione neonem lampy jarzeniowe były wszechobecne w późnych latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku, znajdując swoje zastosowanie w sprzęcie zarówno domowym, jak i przemysłowym. Ich projekt powstał w piwnicy niemiecko-amerykańskiego majsterkowicza w latach trzydziestych XX wieku, aby zostać później skomercjalizowanym przez producenta sprzętu biznesowego Burroughs Corp. Lampy Nixie pokazywały dane niezbędne do lądowania NASA na Księżycu, informowały o aktualnej mocy reaktora w elektrowniach jądrowych, a także pokazywały wzrosty i spadki cen akcji na giełdzie Wall Street. Dla wielu ludzi ciepły blask Nixie przywołał erę bezprecedensowych osiągnięć naukowych i inżynieryjnych, ekscytujących i namacalnych odkryć oraz pozornie nieograniczonego postępu. Co ciekawe, nadal tak się dzieje, nawet dla ludzi, którzy, podobnie jak Farny, dorastali długo po tym, jak lampy zniknęły z powszechnego użytku.
W latach siedemdziesiątych Nixie zostały przyćmione przez diody LED, które były nie tylko znacznie tańsze w produkcji, ale także bardziej wszechstronne. Lampy mogły umrzeć w samotności podobnie jak niezliczona ilość innych przestarzałych urządzeń, ale tak się jednak nie stało. Ich niezwykłe odrodzenie zaczęło się tak naprawdę dopiero około roku 2000, kiedy to niewielka, ale oddana grupa hobbystów, kolekcjonerów i pasjonatów zaczęła wyszukiwać i kupować stare, nigdy nieużywane lampy i projektować na nich własne zegary. Dziś w roku 2023 ruch nadal się rozwija, a Nixie zajmują teraz wyjątkową niszę technologii retro.
Lampa Nixie może wydawać się niepotrzebnie skomplikowanym wynalazkiem dla czegoś tak prostego, jak wyświetlanie liczby. Ale jeśli pomyśli się o tym, co było technicznie możliwe w połowie XX wieku, można szybko dojść do wniosku, że była to najlepsza z możliwych decyzji.
Nixie działają w oparciu o proces zwanym wyładowaniem gazowym. Zjawisko to występuje, gdy naładowane elektrycznie cząstki, zwykle elektrony, przemieszczają się przez gaz z dużą prędkością – około 2 procent prędkości światła. Rozpędzone cząsteczki zderzają się z atomami lub cząsteczkami gazu, jonizując je i tworząc energetyczną plazmę naładowanych jonów i elektronów. Jony wzbudzone do wyższych stanów energetycznych oddają nadmiar energii w postaci fotonów światła. Barwa światła zależy od gazu: jony neonowe emitują czerwono-pomarańczowe światło, wodór wydziela niebieskawo-fioletowy, azot daje spektakularny fiolet, a krypton świeci na biało-niebiesko.
Najwcześniejszym zastosowaniem wyładowania gazowego była rura Geisslera, wynaleziona przez niemieckiego fizyka Heinricha Geisslera w 1857 r. Rura składała się z prostej szklanej bańki z końcówkami elektrycznymi na każdym końcu. Usunięte z niej powietrze zastępowane było neonem, argonem lub innym gazem. Niektóre rurki były wypełnione płynami przewodzącymi, minerałami lub metalami. Przyłożenie prądu stałego o wartości kilku tysięcy woltów jonizowało gaz, czego skutkiem była emisja światła. Naukowcy wykorzystali rury Geisslera, aby lepiej zrozumieć naturę elektryczności, poza tym były ona sprzedawane po prostu jako ozdoba. Rury były również kamieniem milowym na drodze do wynalezienia lamp Nixie.
W późnych latach dwudziestych i wczesnych trzydziestych XX wieku wynalazcy zdali sobie sprawę, że lampy Geisslera może nieco zmodyfikować, używając na przykład odpowiednio wygiętego drutu w postaci cyfr lub liter jako katody. Autorem jednego z najwcześniejszych patentów na taki projekt był niemiecki wynalazca Hermann Pressler i Hans Richter. Niemcy nazwali to „elektryczną lampą wyładowczą”, która działała jako „samoświecący znak”. ” Jak zauważył duet w swoim patencie, przyznanym w 1938 roku, ich lampa była bardziej czytelna niż tradycyjny neon i byłaby tańsza w produkcji, ponieważ nie trzeba by było zginać szklanych rurek, tak aby uzyskać określony znak.
Jednak z drugiej strony potrzebowali oni szklanej obudowy, aby pomieścić gaz, jak i całą konstrukcję lampy co było dość problematyczne i po prostu niepraktyczna. Nic więc dziwnego, że wynalazek nie znalazł wielu chętnych. Dziś tylko zachowało się tylko kilka sztuk takich lamp.
Patent US2142106, którego autorem jest H. P. Boswau (https://patentview.ip-tools.io/?numberlist=US2142106%2CUS2146576%2CUS2310328%2CUS2541041%2CUS2576099&mode=liveview)
Jednak inny wynalazca miał lepszy pomysł. Hans P. Boswau, niemiecki imigrant, który osiedlił się w mieście Lorain w stanie Ohio nad jeziorem Erie, pracował jako główny inżynier w Lorain County Radio Corp. W pewnym momencie Boswau zdecydował, że potrzebuje urządzenia do wyświetlania symboli numerycznych i liter. W dniu 9 maja 1934 r. złożył dwa wnioski patentowe, które zawierają pierwsze pełne opisy tego, co później nazwano lampą Nixie.
Kluczową innowacją Boswau było ułożenie katod jedna za drugą w tej samej bańce, tak aby katody mogły być załączane indywidualnie. W ten sposób można było zbudować pojedynczą lampę z 10 katodami reprezentującymi cyfry od 0 do 9. Co ciekawe, patenty Boswau zostały wydane jemu, a nie jego pracodawcy, więc prawdopodobnie nie zamierzał on używać ich w pracy.
Obecnie jesteśmy otoczenie wszelkiego rodzaju wyświetlaczami, trudno sobie wyobrazić czas, w których tego typu praktycznie nie istniały. W czasach gdy Boswau wymyślał swoją lampę, większość wskaźników miała postać żarówek i tak naprawdę wyświetlanie cyfr nie było potrzebne. Dopiero w 1947 roku wraz z powstaniem tranzystora i narodzeniem się elektroniki cyfrowej powstała potrzeba zaprojektowania wyświetlacza zdolnego wyświetlić cyfry.
Inditron GI-10 (https://www.industrialalchemy.org/articleview.php?item=423)
Kilka firm stanęło do walki. Pierwsze patenty po Boswau na wyświetlacz numeryczny zgłoszony został przez Northrop Aircraft w czerwcu 1950 r. Jednak co ciekawe nie ma żadnych dowodów na to, że firma stworzyła jakąkolwiek lampę. Projekt powstał prawdopodobnie tylko na papierze. Bardziej „rzeczywisty” kandydat pojawił się w maju 1954 r., kiedy National Union Radio Corp., znany producent lamp próżniowych, zaprezentował swoją linię wypełnionych neonami lamp wskaźnikowych, nazywanych Inditron.
Podobnie jak wcześniejszy wynalazek Boswau, Inditron składał się z małej szklanej bańki zawierającej stos ręcznie wygiętych cyfr, które były elektrycznie odizolowane od siebie. Styki każdej z cyfry poprowadzone były przez specjalną uszczelkę na zewnątrz tuby. Cyfry służyły jako katoda, ale nie było stałej anody. Zamiast tego liczby, które nie były używane, działały jako anoda. Powiedzmy, że wyświetlana była cyfra 7. Do jaj wyprowadzenia podłączony był zacisk ujemnym, podczas gdy numery 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 i 9 należało podłączyć do zacisku dodatniego. Nie trzeba dodawać, że obwody wymagane do ciągłej rekonfiguracji anody były bardzo skomplikowane.
Podobnie jak inne firmy, Burroughs, główny producent kalkulatorów, komputerów i innego sprzętu biznesowego z siedzibą w Plymouth w stanie Michigan, również zainteresowany był wyświetlaczami numerycznymi. Brakowało jednak wewnętrznego doświadczenia, aby je opracować, więc zarząd firmy postanowił temu zaradzić. W 1954 roku Burroughs przejął Haydu Brothers, producenta lamp próżniowych z Plainfield w stanie New Jersey, znanego z wysoce precyzyjnych możliwości produkcyjnych. Zatrudniono również inżyniera Saula Kuchinsky’ego, byłego pracownika National Union Radio, który pracował nad Inditronem, do poprowadzenia laboratorium w Centrum Badawczym Burroughs w Paoli . Te dwa posunięcia dały Burroughsowi wszystko, czego potrzebował do opracowania wskaźnika numerycznego.
Firma Haydu Brothers założona została w 1936 roku przez dwóch węgiersko-amerykańskich braci, George’a i Zoltana Haydu oraz ich ojca, Johna Haydu. Szybko zyskał renomę jako producent precyzyjnych części metalowych używanych do budowy lamp próżniowych. Burroughs chciał, aby Haydu wyprodukował bardzo precyzyjne lampy, w szczególności linię lamp przełączających wiązkę, opatrzonych znakiem towarowym Trochotron. Lampy przełączające wiązkę używane były głównie jako szybkie liczniki, ale nie były w stanie wyświetlić liczby. W tym celu Kuchinsky musiał skonstruować nowe urządzenie. Jego zespół zajął się lampą ekspozycyjną podobną do Inditron, ale znacznie ulepszoną. W międzyczasie Kuchinsky pełnił również funkcję dyrektora generalnego dawnego zakładu Haydu w New Jersey, gdzie mógł nadzorować produkcję.
Jedna z ikonicznych lamp Burroughs B7971 (https://www.industrialalchemy.org/articleview.php?item=890)
Roger Wolfe, inżynier z Burroughs, tak wspomina pierwszą próbę uruchomienia nowej lampy „Przez noc poddaliśmy probówkę testowi żywotności. Kiedy przyjechaliśmy następnego dnia, tak dużo materiału katodowego rozpryskało się na kopułce lampy, że cyfry nie były już widoczne. Wynaleźliśmy rurkę o żywotności 12 godzin!”. Po kilku miesiącach zespół odkrył, że dodanie oparów rtęci znacznie wydłuża żywotność lampy. Rozpylanie zostało spowodowane przez przyspieszone jony neonu uderzające w katodę. Ale kiedy jony neonu zderzyły się z cięższymi cząsteczkami rtęci, ich energia spadła poniżej punktu, w którym mogłyby uszkodzić katodę.
W sierpniu 1955 roku Burroughs zaprezentował swoją nową lampę wskaźnikową na Wescon – Western Electronic Show and Convention w Kalifornii -, który przez wiele lat był wiodącym wydarzeniem elektronicznym w USA. Niedługo potem firma zaczęła wysyłać pierwsze lampy do klientów. Urządzenia te były mechanicznie lepsze od wyświetlaczy numerycznych w ofercie National Union: miały dedykowane anody wykonane z siatki drucianej, a zamiast ręcznie wygiętych drutów, cyfry katody zostały wytrawione z cienkiej blachy. Dodatek rtęci przedłużył żywotność lampy, ostatecznie do ponad 200 000 godzin. W tamtym czasie lampy zyskały również swoją charakterystyczną nazwę. Pierwszy rysunek koncepcyjny oznaczony był jako „Numerical Indicator Experiment No. 1”, w skrócie NIX1. Kuchinsky poza byciem inżynierem, był też dobrym marketingowcem i wierzył, że odnoszące sukcesy marki często mają w sobie k lub x (np. Kodak, Xerox itp.). Dlatego ostatecznie NIX1 zmieniono na Nixie.
Dość szybko pojawiło się znacznie więcej firm produkujących lampy Nixie na licencji udzielonej przez Burroughs, która również dostarczała lampy jako produkty OEM, które można było zintegrować z systemami innych firm. Nixie szybko stały się urządzeniem do wyświetlania wartości liczbowych w multimetrach, licznikach i innych urządzeniach naukowych i przemysłowych. W latach sześćdziesiątych ponad dwa tuziny firm w Stanach Zjednoczonych, Europie, Związku Radzieckim, Indiach, Chinach i Japonii produkowało i dostarczało lampy Nixie.
Ten okres, od 1955 do 1960 r., był złotym wiekiem Nixie, ale jego następca była już w przygotowaniu. W 1962 roku Nick Holonyak Jr., pracujący w General Electric Laboratories w Syracuse w stanie Nowy Jork, zdołał ujarzmić elektroluminescencyjną mieszanego kryształu fosforku i arsenku galu, i tak narodziła się dioda elektroluminescencyjna, ale przekształcenie prototypu w produkt nadający się do sprzedaży zajęło jeszcze kilka lat.
Jak sterować lampą Nixie?
Jak już wspomniałem w dzisiejszym nieco dłuższym wstępie, lampy Nixie przeżywają obecnie drugą młodość. Nic w tym dziwnego po prostu wyglądają one całkiem ładnie i wiele osób budując własne urządzenia wybiera właśnie je, rezygnując z współczesnych konstrukcji.
Większość projektów skupia się jednak głównie na kwestiach softowych, dlatego chciałbym przedstawić wam dwie koncepcje sterowania lampami Nixie, ale opiszę je bardziej od strony hardwerowej.
Tranzystor dobry na wszystko
Lampa Nixie sama w sobie nie jest skomplikowanym urządzeniem, posiada tylko wspólną anodę i wiele katod odpowiadających poszczególnym cyfrom. Dlatego jednym z najprostszych sposobów sterowania lampą jest użycie odpowiedniego tranzystora. Nixie może być wpięta w obwód kolektora i sterując odpowiednio prądem bazy, jesteśmy w stanie zapalić odpowiednie cyfry.
Połączenie jest dość proste – lampa zasilana jest wysokim napięciem (zazwyczaj około 170V) przez rezystor ograniczający prąd. Katody podłączone zostały do tranzystorów, których zadaniem jest zamknąć obwód, w momencie, gdy na bazie pojawi się napięcie. Zastanawiające może być, dlaczego cała lampa ma tylko jeden rezystor na anodzie, a nie dedykowany dla każdej katody. Odpowiedzią jest tutaj fakt, że raczej nie chcemy zapalić wielu cyfr jednocześnie, wówczas lampa byłaby nieczytelna. W danej chwili świecić będzie się tylko pojedyncza cyfra, dlatego płynący prąd zawsze będzie taki sam i nie musimy stosować osobnych rezystorów dla każdej z katod.
Trzeba pamiętać, że w tego rodzaju projektach nie można użyć „zwyczajnego” tranzystora. Lampy Nixie zasilane są wysokim napięciem i tranzystor musi być do niego dostosowany. Najważniejszymi parametrami jest tutaj napięcie kolektor-emiter oraz prąd kolektora. Dla przykładu lampa IN-12 zasilana jest napięciem 170V, a jej prąd roboczy wynosi około 3mA. Tranzystor użyty w projekcie musi być dostosowany do tych wartości. Można wykorzystać np. BF458, BF459 lub ich radziecki odpowiednik KT604.
Dedykowane drivery
Drugim dość popularnym sposobem obsługi lamp Nixie jest użycie dedykowanego drivera. Jest to na pewno swego rodzaju uproszczenie, bo nie trzeba stosować stosu tranzystorów, a wystarczy jeden konkretny chip.
Na rynku dostępnych jest kilka typów układów, najpopularniejszymi z nich są: 7441 oraz 74141. Poza tym dość często spotykana jest też konstrukcja Radziecka o oznaczeniu – KM155ID1.
Zadaniem układu podobnie jak w przypadku tranzystorów jest zwieranie odpowiedniej katody lampy do masy, dzięki czemu zapali się odpowiedni znak. Poza tym układ sam w sobie jest dekoderem BCD-BIN, przez co do sterowania pojedynczej lampy wystarczą cztery przewody. Na wejście chipu podawana jest zmienna w postaci kodu BCD np.1001 i wówczas na wyjście Q9 układu pojawi się stan niski, czego efektem będzie zaświecenie się cyfra dziewięć.
Zatruta lampa Nixie
Kupując lampy Nixie, trzeba być świadomym, że w większości nie są to już urządzenia nowe. Może zdarzyć się sytuacja, że po uruchomieniu znak nie będzie wyświetlany prawidłowo. Tak jak na zdjęciu powyżej – pierwsza pionowa linia litery H ze znaku Hz jest lekko przyciemniona na końcach.
Jest to tzw. zatrucie katody i oznacza, że lampa działała już wcześniej dość długo. Ale istnieje sposób, aby lampę odratować, trzeba zwiększyć płynący przez nią prąd do momentu, aż znak wyświetlany będzie poprawnie. Zwiększyć prąd można poprzez zmniejszenie wartości rezystora podłączonego do anody. Gdy lampa świeci już poprawnie, należy zostawić ją tak na kilka godzin. Niestety trzeba być świadomym, że takie działanie nie zawsze jest skuteczne.
Czasami pojawiają się też lampy na tyle wyeksploatowana, że nic już się nie da zrobić, ale można za to zaobserwować ciekawe zjawisko, które wygląda tak jakby, gaz próbował uciec z lampy.
Ciekawe lampy Nixie
Lampy Nixie to nie tylko ułożone równolegle druciki umożliwiające wyświetlenie cyfr od 0 do 9. Pojawiały się też bardziej skomplikowane konstrukcje. Jedną z nich jest lampa o oznaczeniu MG-19B, przypominająca nieco dzisiejsze wyświetlacze 7 segmentowe, przy czym posiada ona dodatkowe dwa segmenty, dzięki czemu możliwe jest wyświetlenie kilku dodatkowych znaków.
Jednym z dziwniejszych Radzieckich wynalazków jest lampa ITM2M. Jest to lampa bazująca na zjawisku pośredniego wyładowania gazowego i podobnie jak Nixie, wypełniona jest gazem jonizującym pod niskim ciśnieniem, ale na tym kończą się wszelkie podobieństwa. Lampy ITM2M zawierają układ 16 niewielkich tyratronów, z których każdy pomalowany został jednym z czterech kolorowych luminoforów. Aktywacja jednego z tyratronów powoduje jonizację gazu w środku, co skutkuje oświetleniem powiązanego luminoforu. Lampy te mają dość złożony system zasilania, do poprawnego działania potrzebują napięć -300VDC, 150VDC i 75VDC.
W zakładach Philipsa mieszczących się w Eindhoven produkowane były ciekawie wyglądające lampy, oznaczone jako Z550. W konstrukcji tej świecące segmenty umieszczono na okręgu, przy ściance lampy. Co ciekawe konstrukcja ta wyposażona była w elektronikę umożliwiającą wybieranie cyfry, którą chcemy zaświecić sygnałem o potencjale 5V.
Zobacz też:
Każdy sprzęt elektroniczny musi być w jakiś sposób zasilany, bez odpowiedniego napięcia nie będzie działać wcale lub zadziała, ale tylko przez ułamek sekundy. Istnieje całkiem sporo rozwiązań i konstrukcji, których zadaniem jest doprowadzić energię do zaprojektowanego obwodu. Jednymi z najczęściej stosowanych są stabilizatory liniowe oraz przetwornice napięcia. Stabilizatory zostawimy sobie na inny materiał, natomiast dziś chciałbym opowiedzieć wam nieco o działaniu i budowie przetwornic. Poza tym przyjrzymy się też ich problemom i spróbujemy je rozwiązać.
Jakiś czas temu na mojej stronie pojawił się pierwszy materiał o tranzystorach bipolarnych. Opowiedziałem wam w nim trochę o ich historii, budowie, uruchomiliśmy wspólnie pierwszy układ, a także zajrzeliśmy do wnętrza tego niezwykłego elementu. Dzisiaj po raz kolejny bierzemy na warsztat ten element, ale przyjrzymy się bliżej jego działaniu. Opowiem wam o podstawowym układzie pracy tranzystora, sprawdzimy jego działanie, a na koniec go podpalimy.
Źródła:
- https://patentview.ip-tools.io/?numberlist=US2142106%2CUS2146576%2CUS2310328%2CUS2541041%2CUS2576099&mode=liveview
- https://www.industrialalchemy.org/articleview.php?item=423
- http://www.jb-electronics.de/html/elektronik/nixies/n_nixie_geschichte.htm?lang=en
- https://www.hbomax.com/pl/pl/series/urn:hbo:series:GXJvkMAU0JIG6gAEAAAIo
- https://www.industrialalchemy.org/articleview.php?item=890
- https://www.industrialalchemy.org/articleview.php?item=3129
- https://www.industrialalchemy.org/articleview.php?item=1116
- https://www.industrialalchemy.org/articleview.php?item=949
- https://spectrum.ieee.org/nixie-tube
- https://en.wikipedia.org/wiki/Nixie_tube
- https://www.steampunkalchemy.com/en/nixie-tubes