令人著迷的 Nixie Clock 製作 (一)

從很多年前開始, 我就對 nixie tube 非常著迷. 曾經陸陸續續在 eBay 上買過不少各式各樣的管子, 也做了一些東西.

這次要介紹的, 是我去年的作品 Nixie2. 這是一個六位的 nixie 時鐘, 用的是淘寶上買的 SZ8 頂視式 nixie 管, 管徑 30mm, 字高大概 1 吋.

(圖片並不是 Nixie2, 而是更早之前的作品. 這是用四隻 IN-14 直立式 nixie tube 做的時鐘, 沒有秒數, MCU 用的還是 AT89C2051, 沒有 RTC, 純靠 MCU 算時間. 完成於 2005 年…)

Nixie Tube 的身世

Nixie tube, 又叫輝光顯示管, 是 LED 發明之前使用最廣泛的顯示裝置. 它的結構很簡單: 在填充低壓氖氣的真空玻璃管中, 安裝許多不同形狀的陰極和一個網狀的共通陽極. 當我們施加足夠的電壓在兩個電極之間時, 由陰極飛出的電子就會撞擊電極周圍的氖氣而讓氣體發光.

藉由控制放電的強度, 我們可以將發光的範圍局限在陰極的表面, 所以發光的部份看起來就是陰極的形狀. 而只要設計各種不同的陰極形狀, 就可以顯示出不同的圖案.

最常見的設計就是一隻管子內有十組陰極, 分別做成數字 0 到 9 的形狀. 只要分別點亮不同的陰極, 就可以用來顯示一位 1 到 9 的數字. 這些陰極是一片一片的金屬, 前後交疊排在玻璃管內, 因此事實上排在後面的陰極發光時, 會有部份被前面未發光的陰極給遮住. 但一般來說陰極的字型或圖案設計都是很細的筆劃, 加上輝光放電會有一定的厚度, 所以被遮蔽的部份看起來其實並不明顯.

照片中網狀的那片就是陽極, 它用來接收所有由陰極飛來的電子, 以形成電流迴路. 陽極下方一片一片, 數字形狀的金屬片就是顯示用的陰極. 因為陰極是前後交疊安排的, 所以不同的數字其實會顯示在不同的深度, 這是 nixie 顯示管的一大特色.

Nixie tube 的陰極是冷陰極, 它不需要像真空管一樣的加熱燈絲, 電子發射所需要的能量都來自於電場. 某些管子的陰極的表面會塗佈一些稀土元素, 用來增加電子的發射率. 因此 nixie tube 在工作時溫度並不高, 一般來說電極的溫度頂多 40 度, 而玻璃管表面則接近室溫.

奇貨可居

LED 差不多是在 1960 年代發明的, 在此之後 nixie tube 就漸漸式微了, 因此現在能買到的 nixie tube 多半都是 1970 年代之前製造的, 有些是用過的, 有些則是全新未使用的備品. 我曾經在 eBay 上買過一批 B-7971 大型 14 段文數字顯示管. 據賣家的說法, 這些管子曾經在 NYSE (紐約證券交易所) 的牆上工作過, 用來顯示股票名稱跟股價.

現在已經沒有工廠在生產新的 nixie tube, 因此二手市場上的 nixie tube 價格越來越高. 幾年前在 eBay 上還可以用一隻十幾塊美金的價格買到像 B7971 這樣的大型管, 但現在不僅一隻喊到幾百塊美金, 而且上架的商品非常少. 套句真空管音響界的話: 這種管子用一隻就少一隻啊.

這次拿來做 Nixie2 的管子來自淘寶, 是正宗 made in China 的國產管. 這隻管子有兩種編號, 分別是 SZ-8 和 QS30, 但其實是一樣的相容管. SZ-8 的玻璃上印有 “宇宙” 字樣的 mark 和 “72.-6” 的生產年月, 而 QS30則印有 “衡陽” 的字樣.

管子寄來時, 裝在一個十隻裝的紙盒裡:

這紙盒看起來有三四十年以上的歷史了, 盒子外面印著 “無錫燈泡廠”, 但我猜跟這些管子的來歷不一定有關係. 賣家在上海, 是一間專營古董電子零件的公司, 賣場裡有很多寶可以挖.

紙盒裡有附一張紙, 上面有關於這隻管子的一些規格:

把它點亮吧

有了管子, 又有管子的參數, 我們就先來把管子點亮吧.

大部份的 nixie tube 起動電壓都在 170V – 180V 之間, 而且跟所有的氣體放電管一樣, nixie tube 也有負電阻效應, 它的電阻會在導通後隨著氣體電離而下降. 有負電阻效應的負載通常要用電流源驅動, 或是要限流, 不然它會暴走: 電阻降低, 電流變大, 電流變大後電阻降得更低, 然後電流又變得更大… 最後就燒掉了.

一般的 nixie tube 在到達起動電壓後就會開始發光, 同時端電壓會比起動電壓降低 30V – 50V. 管電流隨管子的大小而有不同, 像 SZ-8 這樣的小型管, 電流大概在 2-3mA 左右.

因此, 要把它點亮, 我們需要一個 180V 左右的直流電源. 而這個時鐘要顯示六位數, 每隻管子需要 3mA 的電流, 六隻一起亮的話就需要大概 20mA 左右的電流. 不過實際上在驅動時, 會用掃瞄的方式以減少 I/O 的需求, 而每隻管子的暫態電流要隨著 duty cycle 的減少而增加, 以維持平均亮度不變.

這幾年我做的 nixie tube 電源大概都是用這組電路, 差別只在於隨著不同管子需要的電壓和電流, 調整回授設定, 和更換適合的 boost 電感, MOSFET, 和高壓整流濾波零件.

MC34063 是一顆非常好用的 switching power controller IC, 它的歷史非常久遠, 早在 1983 年 Motorola 的 databook 裡就看得到它, 所以它的輩份大概跟 7805, NE555 這種存在我童年中的 IC 差不多, 不過我小時候不會做 switching power, 所以以前沒有用過它.

MC34063 裡面的結構非常優雅:

裡面有個用外部電容控制的振盪電路, 參考電壓源, 比較器, 用 SR 正反器為核心的控制邏輯, 以及 switch 驅動電路. 不管是 buck, boost, 還是 inverting 電路, MC34063 做的事情都一樣: 不斷地比較回授電壓及參考電壓, 當回授電壓不足時, 在每個 clock 的正週期把 switch 打開, 反之則把 switch 關掉.

和現在常用的 switching regulator 來比, MC34063 的交換頻率相對來講算很低的, 適合的工作範圍大概在幾十KHz 到一百多KHz, 因此它不能用太小顆的電感, 以免電感飽合. 不過 MC34063 裡面有個 current sense 的電路, 可以配合一個外部的小電阻讓它測量流過電感的電流, 做 cycle-by-cycle 的電流限制. 當它偵測到電感上的電流過大時, 通常代表電感已經飽合, 無法再儲存更多的能量, 這時 MC34063 就會用另一個更大的電流對振盪器的電容充電, 讓它快速到達週期結尾, 提早結束這一個週期, 以避免電感飽和時的大電流對電路造成傷害.

Boost converter 的輸入輸出電壓比跟 on/off 的 duty ratio 有關, 因為我們要把 12V 打到 180V 這麼高的電壓, 所以 on/off 的 duty ratio 高達 15:1 以上, 而輸入和輸出的電流比也是這個比例. 所以如果我們在 180V 端需要 20mA 輸出, 在 12V 端就需要至少 300mA 的輸入, 但這只是平均電流, 實際上作用在 switch 和電感上的電流並不是平均分佈的, 峰值會是平均值的好幾倍. MC34063 內部的 switch 可以容許 1.5A 的 peak current, 以我們的應用來說勉強夠用, 但為了效率和工作溫度著想, 我決定還是用 external switch 來設計, 以免 MC34063 太吃力.

External switch 最好的選擇就是 power MOSFET, 如果直接把 MC34063 的 switch emitter 接到 MOSFET, 並用另一個電阻來放電, 就可以構成這樣的電路:

這是很典型的 MC34063 外接 power MOSFET switch 做法, 大部份的參考電路都是這個樣子, 我早期做的幾組 nixie tube clock 也都是用這個電路當高壓電源.

但這個電路有個問題: power MOSFET 的 gate charge 通常不小, 利用 MC34063 內部的 switch 對 gate 充電把它打開當然沒問題, 但當 MC34063 的 switch 關掉時, gate 只能透過 R1 放電. 如果 R1 太小, MC34063 對 gate 充電的電流就會被它分掉, 影響打開的速度. 如果 R1 太大, gate 關掉時的放電速度就會太慢. MOSFET 不管開或關, 如果太慢的話, 就不能迅速進入飽和區, 而會有太多時間停留在線性區消耗能量, 增加 switching loss, 也降低系統整體的效率.

這一切問題的根源在於 MC34063 的 switch 輸出並不是 push-pull driver, 而只有一顆電晶體, 所以它並不適合拿來直接驅動 MOSFET. 其實在 MC34063 被設計出來的那個年代, power MOSFET 並不是 switching power 功率元件的主流, 那時用的都是 BJT. 而 BJT 是電流驅動元件, 並不需要放電路徑, 所以 MC34063 這樣的設計也是很合理的.

解決的辦法就是在外面加上主動式的放電路徑取代電阻放電, 讓 MOSFET 的關閉速度能和開啟速度一樣快. 我曾經在 MC34063 的輸出後面加上一對 NPN/PNP 電晶體構成的 totem-pole driver, 但後來覺得其實只需要加放電的電晶體就好了, 充電的路徑就用原來 MC34063 的輸出就夠了, 最後就變成了現在這樣的設計.

L1 的輸出端電壓高達 180V 以上, 所以 Q1 及後面的整流濾波電路耐壓非常重要. IRF840 是我常用的 power MOFSET, 耐壓 500V, Rds(on) 0.85 ohm, 對這樣的電路來說, 這個規格其實有點超過.

FR107 是高壓的整流二極體, 其實這是幾年前我做 Geiger tube driver 時剩下來的零件. 蓋格管需要 400V 以上的高壓驅動, 所以當年我做了好幾級的倍壓整流電路來產生高壓, 而整流用的二極體就是 FR107, 它的耐壓高達 1000V, 其實用在這裡也很超過. 這邊用 400V 的 FR104 就很夠了, recover time 也會短一點.

C2 是高壓的電解電容, 其實它不用太大, 因為我們並不在意高壓電源輸出的 ripple 大小, 只要不要離譜到讓 nixie tube 會閃就夠了.

實作

這是我幫 Nixie2 畫的電路板, 左上角就是這組高壓 boost 電源.

裝好之後看起來是這樣:

雖然大部份的零件都可以找到 SMT 的版本, 但因為這是 DIY 的 project, 我希望零件的取得以方便為主, 總不能老是凹供應商送一些無關公事的零件樣品來, 所以如果是光華買得到的零件我就會盡量用, 即使是 DIP 包裝的也沒關係.

用光華牌零件最麻煩的問題就是有些零件在買回來之前是沒辦法確定 package 的, 像圖中的高壓電解電容, 在我去源達買回來之前, 我沒辦法知道它到底多高, 多胖, pin pitch 是多少. 所以像這樣的零件, 我都得先去買了回來, 量過尺寸之後再畫電路板.

裝好之後,  就可以準備上電測試了. 這個電路的電壓相當高, 具有一定的危險性, 所以上電之前一定要檢查再檢查, 確定零件都裝對. 尤其是輸出的那個電解電容, 如果極性裝反的話, 一通電就會爆開來, 相當危險.

給了 12V 輸入後, 看一下 power supply 上給出來的電流沒有太離譜, 再用電錶小心測量 FR107 整流二極體的輸出:

一如預期, 這邊有 180V 左右的直流高壓. 你看看你看看, 這電壓高到電錶都顯示閃電, 告訴我們要小心觸電, 所以做實驗和測量時一定要非常小心,  鹹豬手千萬不要亂摸.

電壓對了, 就可以試著來點 SZ-8 了. 根據 datasheet, SZ-8 需要 20K ohm 左右的限流電阻, 所以我把高壓輸出焊兩條線出來, 再串上兩個 10K ohm 的電阻:

然後就可以用鱷魚夾去夾 SZ-8 的管腳了.

這是 “9” 的筆劃亮起來的樣子. 照片中可以看到, 陰極的某些部份不是很亮, 這是 nixie tube 在長時間未使用之後的通病, 稱之為 “cathode poisoning”. 成因是陰極表面的某些部份沉積了髒東西, 讓電子發射率降低, 所以就會有些地方看起來沒那麼亮. 解決的辦法也很簡單, 像通馬桶一樣, 可以用大電流強灌個幾次, 讓陰極順暢一點, 以後看起來就會亮得比較均勻了.

等我全部組裝好再來好好通一通這些年久失修的老管子.

特性測量

管子點亮了, 順便來測一下管子的特性好了.

先來量量導通後的電壓:

點亮後, 管子的端電壓只剩下 130V 左右, 這就是前面講過的負電阻效應.

再來量量管電流:

跟規格書上寫的差不多. 所以 20K ohm 的限流電阻是合理的數值. 不過等到後面我們要用掃瞄的方法驅動管子時, 限流電阻的值還得再微調.

我們來看一下輸入的電源:

輸入給 12V 時, 吃了差不多 100mA 的電流. 根據前面的計算, 180V 如果需要 3mA 的電流, 12V 大概要 15 倍的電流, 也就是 45mA 左右, 顯然這個 boost 電路的效率只有 50%. 那剩下的 50% 哪裡去了呢 ? 我們用紅外線熱像儀看一下:

電感在發熱! 原來是電感的損耗. 看看其它零件, MC34063 沒有熱點, MOSFET 也沒有, 因此可以推測電感並沒有飽和, 否則 MOSFET 也要一併承受電感的飽合電流, 應該會一起熱起來. 而且根據我的經驗, 電感如果有飽合的話, 因為電感上的波形為不連續, 像這種繞線電感通常會叫. 但此時電感並沒有叫, 只是發熱而已. 所以應該只是單純的銅損.

那為什麼電感會熱呢 ? 我剛剛裝機的時候, 手上沒有確定感值的電感, 我怕感值太小會飽和, 就找了一顆看起來圈數很多的電感焊上去, 但沒注意到它的線很細. 線太細的電感, DC 電阻會比較大, 能量就在這邊用掉了.

最後來看一下 nixie tube 本身的熱分佈:

發熱的地方集中在接受電子的陽極網片, 因為游離的電子撞擊陽極時, 有很大一部份的動能會變成熱, 所以陽極會發熱, 相對來講發射電子的陰極就不太會發熱. 不過即使如此, 陽極的溫度也不高,  最高溫大概 40 度左右, 而且這是管內網片表面的溫度. 至於玻璃的表面, 用手摸起來跟室溫差不多.

關於電源的部份就談到這裡. 接下來我會繼續把這張板子一步一步裝好, 從驅動電路, RTC 電路, MCU 的控制, 一直到最後的 firmware 設計. 我預計花 3-4 篇的篇幅把這個設計好好的記錄下來, 也歡迎有興趣的讀者一起來討論.