Nixie-putki

Kymmenen numeron GN-4 Nixie-putki

Nixie-putki eli kylmäkatodinäyttö on sähköinen laite, joka näyttää numeroita tai muuta tietoa hyödyntämällä hehkupurkausta.

Kylmäkatodinäyttö sisältä

Lasiputkessa on johdinsilmukka-anodi ja useita katodeja, jotka on muotoiltu luvuiksi tai muiksi merkeiksi. Yhden katodin virransyöttö ympäröi sen oranssilla hehkupurkauksella. Putki on täytetty matalapaineisella kaasulla, yleensä pääosin neonilla, johon on lisätty usein vähän elohopeaa tai argonia (Penningin kaasusekoituksessa).

Vaikka koje muistuttaa tyhjiöputkea, sen toiminta ei perustu kuumennetun katodin termiseen elektroniemissioon. Tämän vuoksi sitä kutsutaankin kylmäkatodiputkeksi, joka on eräs kaasulla täytetyn putken tyyppi, ja se on neonputken muunnelma. Putket eivät yleensä ylitä 40 °C lämpötilaa useimmissa huoneenlämmön toimintaolosuhteissa. Saman aikakauden tyhjiöfluoresenssinäytöt perustuvat aivan eri tekniikkaan: niissä on kuumennettava katodi, ohjaushila ja muotoillut anodit. Nixie-putkessa ei ole lämmitintä eikä ohjaushilaa vaan tyypillisesti yksi anodi (johdinsilmukan muotoinen eikä sitä pidä sekoittaa ohjaushilaan) ja paljaasta metallista muotoillut katodit.

Historia

Systron-Donnerin taajuuslaskin, jossa on Nixie-putkilla toteutettu näyttö vuodelta 1973

Pieni tyhjiöputkien valmistaja, Haydu Brothers Laboratories, valmisti ensimmäiset Nixie-putket, ja Burroughs Corporation, joka osti Haydun, toi ne markkinoille vuonna 1955. Nixie-sana on peräisin Burroughsin NIX I:stä, joka on lyhenne sanoista "Numeric Indicator eXperimental No. 1", vaikka se saattoi olla ollut sanan merkityksen laajeneminen, jolla perusteltiin "myyttistä luomusta". Monet yritykset valmistivat putkesta satoja muunnelmia 1950-luvulta 1990-luvulle asti. Nixie-putken markkinoille tuonut Burroughs Corporation omisti Nixie-nimen tuotemerkkinä, joten muiden yritysten myymillä kylmäkatodinäytöillä oli muita tuotemerkeiksi rekisteröityjä nimiä, kuten Digitron, Inditron ja Numicator. Kojeen varsinainen yleisnimi on käännettynä kylmäkatodineonlukemanäyttö, mutta Nixie-putkea alettiin pian käyttää yleisnimenä.

Burroughsilla oli myös toinen Haydun putki, jota voitiin käyttää digitaalisena laskurina, ja jolla voitiin ohjata suoraan näyttönä käytettävää Nixie-putkea. Sitä kutsuttiin Trochotroniksi ja myöhemmässä muodossaan "Beam-X Switch" -laskuriputkeksi, jonka toinen nimi oli magnetroniristikenttäputki, koska se oli muunnos magnetronista. Trochotroneja käytettiin UNIVAC 1101 -tietokoneessa, kelloissa ja taajuuslaskimissa.

Ensimmäiset Trochotronit ympäröitiin ontoilla lieriömäisillä magneeteilla, joiden päissä oli navat. Magneetin sisäisen kentän kenttäviivat olivat yhdensuuntaisia putken akselin kanssa. Koje oli termistä emissiota käyttävä tyhjiöputki, jonka sisällä oli keskuskatodi, kymmenen anodia ja kymmenen "patakohtiota". Kun kohtiot altistettiin magneettikentälle ja jännitteelle, elektroneista muodostui paksu kerros (kuten ontelomagnetronissa), joka meni ainoastaan yhdelle anodille. Kun patakohtiot saivat ennalta määritellyn levyisen ja jännitteisen virtasykäyksen, elektronikerros siirtyi seuraavalle anodille, ja pysyi siellä seuraavaan eteenpäin siirtävään sykäykseen asti. Magneettikentän suunta määritteli laskennan suunnan eikä sitä voinut kääntää. Kojeen myöhemmässä versiossa eli "Beam-X Switch":issä iso ja raskas ulkoinen lieriömagneetti korvattiin kymmenellä pienellä metalliseoksesta valmistetulla sauvamagneetilla, jotka toimivat myös kohtioina.

Tämä ИН-19А (IN-19A) Nixie-putki näyttää merkkejä, mukaan lukien %:n ja ° C:n

Hehkua siirtävissä laskuriputkissa, jotka ovat pääosin toiminnaltaan samanlaisia kuin Trochotronit, oli hehkupurkaus yhdellä pääkatodeista, ja se näkyi lasikuoren läpi. Useimmissa käytettiin neoniin pohjautuvaa kaasuseosta ja kymmenjärjestelmää, mutta nopeimmat muunnelmat pohjautuivat argoniin, vetyyn ja muihin kaasuihin, ja ajanlaskuun oli saatavilla muutamia 12 luvun laskureita. Näyttökatodien väliset "opaskatodien" ryhmät (joissa oli yleensä kaksi, mutta joskus kolme tai yksi) liikuttivat hehkua portaittain seuraavalle pääkatodille. Tyypi, joissa on kahdesta kolmeen opaskatodia, voivat laskea molempiin suuntiin. Dekatron oli Yhdistyneessä kuningaskunnassa tunnettu hehkua siirtävien putkien tuotenimi. Tyyppien, joissa oli yhteydet jokaiseen yksittäiseen näyttökatodiin, mikä mahdollisti putken asettamisen käsin mihin tahansa arvoon, tuotenimeksi tuli Selectron-putki. Yksinkertaisemmat tyypit voitiin ainoastaan nollata tai käyttää joitakin harvoja esiasetettuja lähtöarvoja.

1930-luvulla patentoitiin laitteita, jotka toimivat samoin kuin alkuperäinen Nixie-putki, ja National Union Co. toi ensimmäiset massatuotetut näyttöputket markkinoille vuonna 1954 tuotenimellä Inditron. Niiden rakenne oli kuitenkin hiomattomampi, keskimääräinen kestoikä lyhyempi, ja niille ei löytynyt kovin montaa käyttökohdetta, mikä johtui niiden monimutkaisesta reuna-alueesta.

Rakenne ja toiminta

Nixie-putken yleisimmässä versiossa on kymmenen katodia, jotka on muotoiltu numeroiden 0-9 muotoisiksi sekä toisinaan myös desimaalipiste tai kaksi, mutta on myös muunnelmia, joissa on eri kirjaimia, opasteita ja merkkejä. Koska numerot ja muut merkit on järjestetty peräkkäin, jokainen niistä näkyy eri syvyydessä, mikä antaa Nixie-putkille omanlaisensa ulkonäön. Samantapainen laite, Pixie-putki, käyttää kaavainta, jossa on numeroiden muotoiset reiät muotoiltujen katodien sijaan. Joissakin venäläisissä Nixie-putkissa, kuten ИH-14:ssä (IN-14:ssä), käytettiin ylösalaisin olevaa lukua 2 lukuna 5, tiettävästi valmistuskustannusten säästämiseksi, koska sille ei ole muutakaan selkeää teknistä tai esteettistä syytä.

ИH-14 (IN-14) Nixie-putket, joissa lukee "25". Huomaa, miten 5 on ylösalainen 2.

Jokainen katodi voidaan saada hehkumaan tunnusomaisesti neonin punaoranssin värisenä syöttämällä muutaman milliampeerin 170 V tasavirtaa, joka on läpilyöntijännitteen alapuolella. Virran rajoitus toteutetaan tavallisesti muutaman kymmenen tuhannen ohmin anodivastuksella. Nixie-putkilla on negatiivinen resistanssi, ja ne ylläpitävät hehkunsa tyypillisesti 20-30 V läpilyöntijännitteen alapuolella. Tyypeissä on joitakin värimuunnelmia, jotka johtuvat käytettävistä erilaisista kaasuseoksista. Myöhempiin pidemmän käyttöiän putkiin on lisätty elohopeaa katodipölyynnyksen vähentämiseksi, minkä vuoksi niiden lähettämä valo on siniseen tai sinipunaiseen vivahtavaa. Nämä värit suodetaan joissakin putkissa pois lasin punaisella tai oranssilla suodinpinnoitteella.

Eräs Nixie-putken eduista on se, että katodit on muotoiltu typografisesti todellisten merkkien muotoisiksi. Ne eivät ole numeerisessa järjestyksessä suurimmassa osassa tyypeistä, vaan ne järjestetty siten, että etummaiset katodit pimentävät takimmaisia mahdollisimman vähän. Yksi tällainen järjestys on 6 7 5 8 4 3 9 2 0 1 edestä taakse. Venäläisissä ИH-12A (IN-12A) ja ИH-12Б (IN-12B) -putkissa käytetään järjestystä 1 6 2 7 5 0 4 9 8 3 edestä taakse , jossa 5 on ylösalaisin oleva 2. 12B-putkissa on desimaalipiste pohjalla, kaukana vasemmalla, lukujen 8 ja 3 välissä.

Käyttökohteet ja kestoikä

Kuvassa näkyy Nixie-putken pinottu numerojärjestys. (ZM1210)

Kaksi NL-5441 -kylmäkatodinäyttöä

Nixie-putkia käytettiin numeronäyttöinä ensimmäisissä jännitemittareissa, monitoimimittareissa, taajuuslaskimissa ja monissa muissa laitteissa. Niitä käytettiin myös kalleissa digitaalisissa kelloissa tutkimus- ja sotilaskäytössä, ja ensimmäisissä sähköisissä työpöytälaskimissa, kuten ensimmäisessä niistä eli vuoden 1961 Sumlock-Comptometer ANITA Mk VII:ssä, ja jopa ensimmäisissä sähköisissä puhelinkeskuksissa. Myöhemmissä aakkosnumeerisissa muunnelmissa käytettiin 14-osaista näyttöä, jolle löytyi käyttöä lentoasemien aikataulunäytöissä ja pörssin nauhakirjoitinten näytöissä. Joissakin hissien kerrosnäytöissä käytettiin Nixie-putkia.

Nixie-putken keskimääräinen käyttöikä vaihteli ensimmäisten 5 000 tunnista kehittyneimpien tyyppien jopa 200 000 tuntiin ja ylikin. Kylmäkatodinäytön hajoamiseen ei ole yksittäistä suurta syytä lukuun ottamatta mekaanista vikaa. Jotkin lähteet esittävät, että hehku, joka ei ulotu koko kirjoitusmerkin alueelle eli "katodimyrkytys" tai hehkun esiintyminen muualla putkessa, eivät ole hyväksyttäviä syitä.

Nixie-putket ovat herkkiä monille vioille, joita ovat mm:

• yksinkertainen murtuminen
• halkemat ja vuodot, jotka päästävät ilmaa ilmatiiviiseen putkeen
• katodimyrkytys, joka estää osaa tai kokonaista merkkiä tai merkkejä hehkumasta
• kasvanut läpilyöntijännite, joka aiheuttaa välkkymistä tai muuta häiriötä valolle
• metallikohtioiden katodipölyynnys lasikuoressa, mikä estää katodien näkymisen
• sisäisten piirien katkokset ja oikosulut, jotka voivat johtua väärinkäytöstä tai katodipölyynnyksestä

Jos Nixie-putkea käytetään ohjearvoista poikkeavilla sähköarvoilla, se edistää sen hajoamista varsinkin, jos käytetään ylivirtaa, joka lisää kohtioiden katodipölyynnystä, mikä on joissakin äärimmäistapauksissa johtanut putken katodien täydelliseen pirstoutumiseen.

Katodimyrkytystä voidaan vähentää rajoittamalla putken läpi kulkeva virta selvästi enimmäisarvon alle, käyttämällä ilmiötä ehkäiseviä materiaaleja (esimerkiksi. silikaatitonta ja alumiinitonta ainetta) Nixie-putken valmistuksessa tai ohjelmoimalla laite näyttämään kaikki numerot jaksottain, jotta myös harvoin käytetyt luvut aktivoituvat.

Ainakin vielä vuonna 2006 useat valmistajat valmistivat yleisiä Nixie-putkityyppejä varaosiksi, mikä takaa niiden ja laitteiden, joissa niitä on käytetty, pitkäikäisyyden. Nixie-putket ovat edelleen yleisiä hyvissä käyttöolosuhteissa, vaikka monet niistä ovat olleet käytössä 30-40 vuotta tai enemmän. Tällaisia tuotteita voi löytää helposti ylijääminä todella halvalla. Nixie-putkia valmistettiin paljon Neuvostoliitossa vielä 1980-luvullakin, joten venäläisiä ja itäeurooppalaisia kylmäkatodinäyttöjä on saatavilla.

Vaihtoehdot ja seuraajat

Muita samaan aikaan käytössä olleita numeerisia näyttötekniikoita olivat taustavalaistut transparenssinäytöt, valoputket, taka- ja reunavalaistut valo-opastenäytöt (joissa kaikissa käytettiin hehku- tai neonlamppuja valaisemiseen), Numitron-hehkulankanäytöt, Panaplexin 7-osaiset näytöt sekä tyhjiöfluoresenssinäyttöputket. Ennen kuin Nixie-putket yleistyivät, numeeriset näytöt olivat pääosin mekaanisia, ja niissä käytettiin askelmekanismia numeroiden näyttämiseen joko suoraan käyttämällä moottoreiden pyörittämiä lieriölaakereita, joihin oli painettu luvut, tai epäsuorasti johdottamalla askelkytkinten lähdöt ilmaisinvaloille. Myöhemmin askelkytkimiä käytettiin joissakin vanhanmallisissa kelloissa ohjaamaan Nixie-putkia.

Loistediodit ja tyhjiöfluoresenssinäytöt syrjäyttivät Nixie-putket 1970-luvulla, usein 7-osaisina näyttöinä. Tyhjiöfluoresenssinäytöissä käytetään kuumaa hehkulankaa elektronien emittoimiseen, ohjaushilaa ja loisteaineella pinnoitettuja anodeja, jotka ovat samanlaisia kuin kuvaputkessa. Anodeista on muotoiltu numeroiden lohkoja, kuvapisteitä tai kokonaisia kirjaimia, merkkejä tai sanoja. Nixie-putket tarvitsevat yleensä 180 volttia hehkuakseen, mutta tyhjiöfluoresenssinäytöt tarvitsevat melko pienen käyttöjännitteen, joten niitä on helpompi ja halvempi käyttää. Tyhjiöfluoresenssinäyttöjen sisäinen rakenne on yksinkertainen, joten niiden kuva on kirkas, terävä ja rajoittamaton. Tyhjiöfluoresenssinäytön lasikuorta ei ole täytetty matalapaineisella kaasuseoksella kuten Nixie-putkessa, vaan se on tehty tyhjiöksi.

Nixie-putkien ohjaamiseen oli saatavilla korkeajännitteisiä piirisiruja, kuten 7441/74141. Loistediodit sopivat paremmin pienjännitteisiin mikropiireihin, mikä oli etu esimerkiksi taskulaskimissa, digitaalikelloissa ja kädessä pidettävissä mittalaiteissa. Ledit ovat paljon pienempiä ja vankempia, koska niissä ei ole haurasta lasikuorta, ja ne kuluttavat vähemmän virtaa kuin saman käyttötarkoituksen tyhjiöfluoresenssinäytöt tai Nixie-putket.

Uudelleensyntyminen

Nixie-kello, jossa on kuusi ZM1210-putkea, jotka on valmistanut Telefunken .

Nixie-putkirannekello Applen toisen perustajan, Steve Wozniakin ranteessa.

Monet elektroniikkaharrastajat ovat osoittaneet kiinnostusta Nixie-putkien elvyttämiseen johtuen heidän tyytymättömyydestään nykyaikaisten digitaalisten näyttöjen ulkonäköön ja nostalgisesta kiintymyksestä vanhanaikaisen tekniikan tyyliin. Myymättömiä putkia, jotka ovat olleet varastoissa vuosikymmeniä, ostetaan ja käytetään etenkin kotitekoisissa digitaalikelloissa. Kylmäkatodinäyttöjä pidettiin kultakautenaan yleisesti liian kalliina massatuotettuihin kuluttajatuotteisiin kuten kelloihin. Nykyinen kysynnän paisuminen on saanut etenkin suurten putkien hinnat nousemaan merkittävästi, ja suurimmat Nixie-putket ovat pääosin keräilijöiden käsissä. Rodan CD47/GR-414:ia (220 mm korkea) on myyty satojen dollareiden kappalehinnalla, sillä nämä putket ovat todella harvinaisia. Myös muiden suurten, yli 25 mm korkeiden, lukuja näyttävien Nixie-putkien hinnat ovat kaksin- tai kolminkertaistuneet tai kasvaneet jopa enemmän vuosien 1998 ja 2005 välillä.

Putken itsensä lisäksi tarvitaan myös suhteellisen korkeajännitteinen piiri putkea ohjaamaan. Alkuperäiset 7400-sarjan yhdennetyt ohjauspiirit, kuten 74141 BCD -dekooderiohjain, ovat olleet pitkään pois tuotannosta, ja ne ovat harvinaisempia kuin NOS-putket. Valko-Venäjän luettelon mukaan 74141 ja sen neuvostovastine K155ID1 ovat edelleen tuotannossa. Nykyisin on saatavilla halpoja ja nykyaikaisia liitostransistoreja korkeajännitteisillä nimellisarvoilla (esim. MPSA92 ja MPSA42), mikä on epätavallinen esimerkki alkuperäisen mikropiirirakenteen korvaamisesta erillisillä transistoreilla.