Hace muchos años en una edición de la revista Elektor apareció un reloj Nixie origen de este proyecto. La mezcla de una tecnología obsoleta e integrados modernos generaron la necesidad de replicar la idea, con un diseño propio, por puro entretenimiento y sin buscar resolver un problema.
Tubos Nixie
Los tubos Nixie son dispositivos de visualización que aparecen en la década de los 30 del siglo pasado. Hoy día la exposición de información ha cambiado radicalmente, pero estos componentes sobreviven gracias a su inimitable estética retro.
Aunque existe similitud estética entre tubos de vacío y nixie el funcionamiento de ambos poco tiene que ver: los nixie no están vacíos, ni basan su funcionamiento en la emisión termoiónica.
Física de un tubo Nixie
Un nixie contiene una combinación de gases a baja presión (0,01 bar) conocida como Mezcla Penning, normalmente neón con pequeñas cantidades de argón (~1%). La información es mostrada mediante una descarga luminiscente (glow discharge) alrededor de un conductor con la forma de un número, letra o símbolo que nunca supera los 40ºC, razón por la que son denominados «tubos de cátodo frío». Por contra, los tubos de vacío modernos necesitan más de 700ºC, hasta 2.200ºC en los más antiguos de hilo de tungsteno.
La siguiente imagen muestra los instantes más importantes hasta producirse la emisión de luz. Se muestra el ejemplo de un solo indicador (el favicon de esta página web). Para simplificar se ha supuesto que el gas está formado solamente por átomos de Neón.
a) Reposo
El interior del tubo se encuentra en equilibrio y sin perturbaciones externas. De forma aleatoria debido fuentes de excitación naturales como radiación cósmica o temperatura, una cantidad ínfima de estos átomos se encuentran ionizados, es decir, de forma natural existen núcleos de neón separados de alguno de sus electrones.
b) Formación de plasma
Al cerrar el interruptor aparece una diferencia de potencial entre ánodo y cátodo. Bajo este campo, los electrones sueltos emprenden su viaje al ánodo, mientras los iones de neón (positivos) se ven atraídos por el potencial negativo del cátodo. Al mismo tiempo, los electrones de la batería también emprenden su viaje a través del hilo conductor hacia el cátodo estableciéndose una corriente eléctrica I. En el interior del tubo las partículas en movimiento chocan con las que se encuentran en reposo haciendo que estas también se separen, dando lugar a una reacción en cadena denominada «descarga Townsend«.
c) Descarga luminiscente
Los electrones que llegan desde la batería «saltan» del cátodo al interior del tubo, mientras que los iones de neón se aproximan también a esta zona. Tras el choque el átomo se relaja emitiendo el exceso de energía en forma de luz.
Existe una pequeña franja denominada «espacio oscuro de Aston» donde no se produce luz. Esto es debido principalmente a que en las proximidades del cátodo hay un número de electrones superior al de iones, y la probabilidad de un encuentro es muy baja. Por otro lado, los electrones aun no han tenido tiempo para adquirir una energía elevada.
d) Emisión secundaria
Una pequeña parte de la corriente I se debe al impacto directo de iones o átomos contra el metal del cátodo. Cuando esto sucede, las partículas del material son arrancadas, fenómeno conocido como «sputtering» o «pulverización catódica». Estas partículas son mayoritariamente electrones pero también pueden ser metal del cátodo, que al tener carga eléctrica negativa salen disparadas hacia el ánodo chocando con alguna partícula del plasma y contribuyendo a la emisión de luz.
Nixies y luces de neón
El brillo característico de los Nixie es el caso particular de la descarga luminiscente en la clásica luz de neón.
A diferencia de los tubos de neón donde se ilumina todo su interior, en los nixie la distancia tan reducida entre ánodo y cátodo no permite que se manifiesten todas las regiones de la descarga. Gracias a ello se consigue el efecto de iluminar el contorno del cátodo, sin que el tubo brille como una bombilla.
Envenenamiento del cátodo
El envenenamiento del cátodo (Cathode Poisoning) es el fenómeno por el que algunas partes de un símbolo en un tubo nixie no se iluminan.
Un cátodo es «envenenado» cuando no es utilizado durante mucho tiempo mientras uno o varios cátodos próximos a la víctima si lo son. La pulverización catódica que sufre un cátodo encendido emite partículas que pueden depositarse sobre los cátodos cercanos formando una película aislante. Haciendo pasar una corriente por el cátodo afectado el daño puede revertirse por el mismo mecanismo por el que fue provocado.
Para prevenir este fenómeno basta encender todos los cátodos durante breves periodos de tiempo, por ejemplo mediante animaciones tipo casino en momentos puntuales.
Operación de un tubo Nixie
Habitualmente un tubo nixie contiene varios indicadores y su funcionamiento requiere tensiones entre 100V y 200V. Con el positivo de la fuente de alimentación conectado a un terminal común (ánodo), conectando alguno de los terminales libres (cátodos) al negativo de la fuente se enciende el indicador correspondiente.
Observando la curva I-V característica del tubo nixie, se ve la necesidad de aplicar una tensión más elevada para iniciar el brillo que para mantenerlo. Este efecto se consigue intercalando una resistencia entre la fuente y el nixie, reduciendo la tensión en el tubo cuando aumenta la corriente por la resistencia.
Fabricación de un tubo nixie
No existe mejor forma de explicar el proceso de fabricación que el siguiente vídeo de DaliborFarny y sus 40 minutos de detalles del proceso. En su página web relata su historia, una lectura sumamente recomendable de cómo un auténtico artesano establece un negocio en pleno siglo XXI.
Requisitos del proyecto
El proyecto pretende conseguir un reloj que muestre la hora en tiempo real mediante tubos nixie y además:
- Los nixie se podrán apagar de forma programada.
- La alimentación principal se realizará desde la red eléctrica, pero no se perderá la hora ni la configuración en cortes de suministro.
- El control se implementará mediante microcontrolador y será reprogramable sin ser extraído del sistema.
Durante el desarrollo del proyecto se cumplirá que:
- Las partes funcionales que forman el sistema serán diseñadas, no podrán utilizarse soluciones comerciales como un módulo DC/DC o PCB comercial.
- El diseño permitirá una fabricación doméstica, con los medios que puede disponer un aficionado a la electrónica.
Diagrama de bloques del reloj nixie
El reloj nixie estará formado por 3 bloques: fuente de alimentación, tarjeta de control y driver de nixies. Cada bloque se construirá sobre una PCB, la cual será de dos capas para poder fabricarse con herramientas y métodos domésticos.
La tarjeta de control y el driver estarán diseñados para que el driver se apile sobre la tarjeta de control, conectándose con pines macho-hembra.
La tensión de los nixie se llevará a través de un cable aéreo desde la fuente, evitando pasar tensiones elevadas por la tarjeta de control.
Unidad de control. Arduino standalone
Para facilitar el desarrollo de firmware se utiliza la plataforma Arduino. El microcontrolador de la tarjeta Arduino UNO es más que suficiente para cubrir las necesidades del proyecto, pero haber utilizado la tarjeta tal cual rompería la filosofía y requisito de desarrollar todos los elementos funcionales. La tarjeta de control incluye el microcontrolador y periféricos necesarios como RTC y expansores de entrada/salida.
Al disponer de mucha superficie, la tarjeta de control se diseña de forma que cubra los requisitos del reloj nixie sin perder utilidad como tarjeta de desarrollo: la idea es que la PCB pueda reutilizarse en otros proyectos.
Interfaz de programación Arduino standalone
El microcontrolador puede programarse a través del IDE de Arduino siempre que tenga el bootloader correspondiente. Arduino UNO utiliza el puerto UART para cargar firmware, fácilmente accesible desde un PC mediante tarjetas USB-UART tipo FT232 o similar.
El bootloader sólo es accesible inmediatamente después de un reset, algo que Arduino UNO e IDE de desarrollo logran haciendo una solicitud de reprogramación inmediatamente después de reiniciar la tarjeta. Para conseguir esto en un Arduino UNO standalone basta conectar la línea RTS del USB-UART al reset del microcontrolador a través de un condensador, como muestra el siguiente esquema.
Como la tarjeta de control se sitúa bajo los tubos, el conector para programación se colocará en el driver de los nixie. Allí será más accesible al encontrarse en la superficie más externa.
Driver de los tubos
Mientras la tarjeta de control decide como se comportan los nixie, no puede manejar directamente tensiones superiores a 5V.
Para manejar cargas por encima de 100V lo habitual es utilizar transistores de potencia, pero hacer algo así en este proyecto requeriría 40 de ellos. Una solución más económica y eficiente será utilizar un circuito integrado con estos transistores.
Es habitual encontrar al 74141 como driver de tubos nixies. Este es un decodificador BCD -> Decimal con salidas a colector abierto, sin embargo, el datasheet especifica que sus salidas soportan un máximo de 60V. ¿Cómo puede soportar la tensión de un tubo nixie?
El integrado maneja esta situación porque un tubo nixie no puede modelarse como una carga lineal, existen dos situaciones a tener en cuenta:
- Al menos un dígito encendido. Cuando circula corriente la tensión en el ánodo es inferior a la tensión de alimentación debido a la resistencia serie. Por tanto, la tensión en los cátodos apagados no será tan alta y el driver no soporta una tensión elevada.
- Todos los dígitos apagados: Es la peor situación para el driver ya que la tensión en el ánodo será prácticamente la tensión de alimentación. Sin embargo, mientras el tubo se encuentra por debajo de su tensión de ignición se comporta prácticamente como un aislador.
En cualquiera de los dos casos anteriores el 74141 se encuentra protegido por diodos zener en todos los pines de salida. Al poder modelarse a los tubos prácticamente como aisladores cuando se encuentran apagados, su corriente será extremadamente baja. Es de esta forma como unos sencillos zener implementados en el integrado lo protegen de sobretensiones.
Separador horas:minutos
Al analizar el esquema del driver se ve un circuito de control para los dos puntos del separador de horas y minutos. La idea es utilizar dos LED para este indicador, el parpadeo será controlado de forma automática por el RTC, existiendo la posibilidad de pilotar solamente el punto inferior. Con este método en el futuro se podrá indicar un número digital, por ejemplo a una temperatura.
Fuente de alimentación
El reloj nixie necesita dos tensiones muy diferentes, el control se alimenta a 5V, los tubos nixie entre 150V y 200V. Mientras que la lógica necesita alimentación de forma prácticamente constante, los nixie podrían apagarse cuando no sea necesario visualizar la hora, por ejemplo de madrugada o simplemente cuando no hay nadie presente.
Como el consumo previsto es muy bajo (<1W) no es necesario vigilar el factor de potencia, basta un transformador y rectificador convencional. El transformador tendrá su primario conectado a la red siendo posibles varias tensiones en el secundario para facilitar su selección. A partir de la tensión rectificada dos DC/DC generarán las tensiones de trabajo.
Alimentación del control
Un convertidor buck genera 5V para la electrónica digital. Este convertidor se basa en un LM2575, el cual admite hasta 40V a la entrada, permitiendo un transformador de entre 5VAC y 28VAC.
Alimentación de los tubos
La alimentación de los tubos del reloj nixie podría dividirse en dos etapas. Por una lado se tiene el circuito que alimenta el DC/DC que genera la alta tensión de los tubos, por otro, el propio DC/DC.
El circuito que alimenta el DC/DC es un simple interruptor de estado sólido, el transistor T1 será el interruptor de potencia por el que pasará toda la energía que llegará a los nixies, el transistor T2 controlará al transistor anterior en función de la señal HV_ON (HighVoltage_ON), que llegará directamente desde un pin del microcontrolador. Con este circuito es posible controlar una tensión de más de 140V desde un integrado digital que trabaja a tan solo 5V.
Un convertidor DC/DC tipo boost generará la tensión de los tubos nixie, su circuito de control será un 34063 explicado en la entrada: «Convertidor boost y controlador 34065», por lo que no se repetirá aquí.
Prototipo del Reloj Nixie
Tras fabricar las PCB, soldar los componentes y unir todo, se obtiene un prototipo sobre el que desarrollar el firmware.
Repositorio del Reloj Nixie en GitHub
En GitHub se reposita tanto el código como el hardware de este proyecto. Para abrir los archivos es necesario EagleCAD en su versión gratuita y el IDE de Arduino.
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Bibliografía
https://spectrum.ieee.org/nixie-tube
https://www.explainthatstuff.com/how-nixie-tubes-work.html
https://www.glowbug.nl/neon/HowToDriveNixies.html
https://www.tube-tester.com/sites/nixie/different/cathode%20poisoning/cathode-poisoning.htm