Maak je eigen retroklok met nixiebuisjes

Charmante oude buisjes

Ze raken in rap tempo uitgestorven, maar je kent ze vast nog wel uit je oude magnetron of je vorige wekker: een klok met vier blauwe of rode cijfers. Zo’n klok kan ook enkel cijfers weergeven, waarbij elk cijfer bestaat uit zeven losse streepjes. Nu in vrijwel elk apparaat een lcd of zelfs een oledscherm zit, zijn dergelijke klokjes eigenlijk hopeloos ouderwets, maar het kan nog veel ouderwetser.

Tot begin jaren tachtig van de vorige eeuw was een ander type indicator in zwang, dat eveneens slechts cijfers kon weergeven. Een glazen buis waarin de cijfers met een oranje gloed oplichten. Om vier cijfers te kunnen weergeven, waren dus vier van dergelijke buisjes nodig. Wellicht heb je dergelijke nixiebuisjes nooit in het echt gezien. Toen vfd en led, de blauwe en rode cijfers van hierboven, hun intrede deden, werden apparaten met nixiebuisjes in een razend tempo vervangen door modernere apparatuur. Inmiddels zijn nixiebuisjes echter aan een bescheiden comeback bezig. Liefhebbers zijn vooral gecharmeerd van de warme uitstraling van de oranje oplichtende cijfers en het ambachtelijke karakter van de glazen buisjes, die geen van alle helemaal gelijk zijn. Het is leuk om op basis van die charmante oude buisjes een nieuw product te maken en het meest voor de hand liggend is een klok.

Het mooie is dat je het jezelf daarbij zo makkelijk of moeilijk kunt maken als je wilt. De echte elektronicanerd begint from scratch . Die ontwerpt zelf de schakeling en de printplaat, schrijft zelf het programma waarop de klok draait en ontwerpt een eigen behuizing. Een microcontroller als een Arduino of de daarin gebruikte ATmega328P-chip kan daarbij de basis vormen. Die kan het programma bevatten dat de tijd bijhoudt. Aanvullende elektronica moet de tijdcode dan vertalen naar de hoge spanningen die de buizen nodig hebben om te ontbranden. Er zijn op internet tientallen voorbeelden te vinden van dergelijke zelfbouwprojecten, vaak met een uitgebreide buildlog.

Als je daar de kennis, tijd of ervaring niet voor hebt, kan het gelukkig ook minder hardcore. Hier kiezen we voor een tussenvorm; we bouwen een klok op basis van een kit, een bouwpakket met daarin een printplaat en losse onderdelen. Dat wil zeggen dat we zelf het soldeerwerk moeten doen, nixiebuizen op de kop moeten tikken en een behuizing moeten maken. We hebben daarbij gekozen voor een klok met vier buisjes in plaats van een kit met zes buizen, die ook permanent de seconden weergeeft. Dat maakt de kit uiteraard goedkoper. Het is niet bij alle kits het geval, maar het model dat wij hebben gekozen, bevat bovendien een chip waarop de benodigde programmatuur al is geïnstalleerd. We hoeven dus zelf niets meer te programmeren en ook geen software te installeren.

Nixie

Terug in de tijd

De geschiedenis van de nixiebuisjes gaat terug tot halverwege de vorige eeuw. Het was de tijd waarin elektrische apparaten steeds geavanceerder werden, mede doordat de eerste actieve elektronische componenten, zoals transistoren en triodes, voor het eerst massaal konden worden geproduceerd, ook in de vorm van met gas gevulde buizen. Denk aan de buizenradio's die vroeg in de vorige eeuw op de markt verschenen. Het was ook de tijd waarin de eerste computers werden gebouwd. Het was daarmee een tijd waarin veel behoefte was aan een methode om getallen nauwkeurig weer te geven. Tot die tijd waren meters met een wijzerplaat de voornaamste manier om getallen weer te geven, maar die methode is vrij onnauwkeurig. Vandaar dat naarstig naar andere manieren werd gezocht.

De eerste patenten voor buisjes gevuld met gas die cijfers kunnen weergeven, dateren uit de jaren dertig. Het zou echter nog jaren duren voordat nixiebuisjes werden geproduceerd. Pas halverwege de jaren vijftig verschenen de eerste modellen op de consumentenmarkt, geproduceerd door de Amerikaanse bedrijven National Union en Burroughs. Uit die tijd stamt ook de naam. Het eerste prototype dat Burroughs produceerde, stond intern bekend als 'numeric indicator experimental No. 1', afgekort tot NIX1. Die naam bleef hangen, verbasterd tot nixie. Burroughs en vele andere fabrikanten zouden talloze modellen maken.

Oude Nixie-reclame

In het Westen werden nixiebuisjes begin jaren tachtig vervangen, eerst door vfd, wat staat voor vacuum fluorescent display , en snel daarna door led. Beide hebben als groot voordeel dat ze veel minder spanning nodig hebben. Waar nixiebuisjes al snel 170V vragen, kan een ledblokje met 5V toe, waardoor bijvoorbeeld een apparaat met ledcijfers makkelijk kan draaien op batterijen. De doorbraak van led maakte daarmee bijvoorbeeld de opkomst van draagbare rekenmachines mogelijk.

Achter het destijds nog bestaande IJzeren Gordijn verliep de opkomst van vfd en led minder snel. In de Oostbloklanden is dan ook langer gebruikgemaakt van nixiebuisjes. Ze zijn daar nog tot begin jaren negentig geproduceerd. Dat is de reden dat de meeste buizen die nu via eBay te koop zijn, van Oost-Europese afkomst zijn. Veel van de buizen die nu op de markt verschijnen, komen uit oude legervoorraden uit landen als Rusland, Oekraïne en Bulgarije.

De werking van een nixiebuis

Het oranje schijnsel dat door de cijfers van een nixiebuis wordt afgegeven, heeft wat weg van de gloeilampen die we tot een aantal jaar geleden overal in huis hadden hangen. Toch is de werking anders. Waar bij een gloeilamp zoveel stroom door een dunne draad wolfram wordt gejaagd dat die witheet wordt, vindt in een nixiebuis een heel ander proces plaats, een proces dat enigszins lijkt op dat in een tl-buis.

Nixie patent

Bron: U.S. Patent and Trademark Office, mei 1934, Hans P. Boswau, 'glow indicator'

Een nixiebuis bestaat doorgaans uit een verzameling draden die gebogen zijn in de vorm van de cijfers 0 tot en met 9, maar er zijn ook modellen die in plaats van cijfers symbolen als %, Hz, V en Ω weergeven. De draden zijn strak achter elkaar geplaatst, maar worden van elkaar gescheiden door keramische isolatoren. Het geheel is geplaatst in een geblazen glazen buis die gevuld is met een mengsel van gas, voornamelijk neon, met wat vleugjes argon en kwikdamp, luchtdicht afgesloten onder lage druk. De druk is doorgaans slechts een honderdste van de luchtdruk. In de buis bevindt zich ook een fijnmazig metalen rooster, dat goed te zien als de buis uit is, maar vrijwel onzichtbaar wordt zodra een cijfer oplicht.

Nixie patent

Het rooster vormt de anode en elk van de tien cijferdraden is een kathode. Als op de anode en een van de cijferdraden voldoende spanning wordt gezet, zal het cijfer oplichten. In tegenstelling tot een tl-buis, blijven de kathodes daarbij relatief koud. Bij een tl-buis wordt de kathode zo'n 100°C, bij nixiebuisjes niet veel meer dan lichaamstemperatuur. Als er een spanning van zo'n 180V op de anode en een van de kathodes wordt gezet, zal het gas in de buis ioniseren. Als de positief geladen ionen en negatief geladen elektronen van het geïoniseerde gas in aanraking komen met de metaalatomen die door de kathode worden afgescheiden, vormt zich een zeer dunne, gloeiende schil om de kathode die precies de vorm van de draad volgt, waardoor het lijkt of de draad wordt verhit als bij een gloeilamp. Als er spanning op een andere kathode wordt gezet, zal die draad oplichten.

Het verschil tussen een gloeilamp en een nixiebuis is dat een gloeilamp niet alleen een hoge spanning vraagt, maar ook een hoge stroom. Een gloeilamp wordt bovendien heet. Een nixiebuis vraagt met 180V een behoorlijk hoge spanning, maar met 2 à 4 mA een relatief lage stroom en wordt dus nauwelijks warm. Hij is daarmee veel zuiniger dan een gloeilamp en ook makkelijker in een elektronische schakeling te verwerken.

Van militaire modellen tot Philips

Hoewel nixie-buizen niet meer geproduceerd worden, zijn ze hier en daar nog te koop. Het gaat daarbij steevast om modellen die minstens drie decennia geleden de fabriek hebben verlaten. Wie op eBay gaat zoeken naar nixiebuizen, zal snel merken dat er veel verschillende modellen in omloop zijn.

Nixiebuizen zijn er in soorten en maten. Zo zijn er liggende en staande modellen, ofwel modellen waar de aansluitingen onder aan een langgerekte, staande glazen buis zitten en modellen waarbij de aansluitingen achter op een kortere, liggende buis zijn geplaatst. Verder zijn er modellen waarbij de aansluitingen bestaan uit korte, metalen pinnen en modellen met dunne, lange draden. De eerste zijn bedoeld om in een voet te worden geplaatst, net als bij de meeste radiobuizen het geval is. De laatste soldeer je rechtstreeks op de printplaat. Voordeel van modellen die in een voet worden geplaatst, is uiteraard dat ze makkelijk vervangbaar zijn. Niet dat het snel nodig is om nixiebuisjes te vervangen; de meeste modellen kunnen jaren mee.

Verder zijn er modellen van verschillende fabrikanten. Er is daarbij onderscheid tussen Amerikaanse, West-Europese, Oost-Europese en Aziatische modellen. Handig is dat met name in West- en Oost-Europa een universeel systeem werd gebruikt om de verschillende modellen aan te duiden. Verschillende fabrikanten fabriceerden buizen van hetzelfde type. Zo werd een West-Europees model als de ZM1000 gefabriceerd door zowel Valvo en Siemens als Philips. Het zijn echter vooral Oost-Europese buizen die nog vrij makkelijk verkrijgbaar zijn, herkenbaar aan de aanduiding IN, gevolgd door een cijfer. Het zijn vaak modellen die zijn nagemaakt van westerse modellen. Zo lijkt een model als de IN-8-2 veel op de Z570M. Hetzelfde speelt bij het populairste model. De ZM1040 is met cijfers van 3cm hoogte een van de grootste modellen die in grote aantallen zijn geproduceerd, en is daarom zeer gewild. Voor de weinige exemplaren die nog op de markt zijn, worden bedragen vanaf vijftig euro per stuk gevraagd. De Russische evenknie is de IN-18 (ИН-18 in het Cyrillisch). Die is zelfs nog iets langer en beter verkrijgbaar, maar inmiddels vrijwel net zo duur.

De gangbaarste modellen zijn kleiner. Zo heeft de Russische IN-14 cijfers die 18mm hoog zijn. Afhankelijk van de conditie waarin hij verkeert, kost een IN-14 zo'n acht euro op eBay. Het meest gewild zijn geheel ongebruikte exemplaren, op eBay meestal aangeduid als NOS, ofwel new old stock, buizen uit een oude voorraad die nooit zijn gebruikt. Het kan nog kleiner. Zo produceerde Burroughs de B-5870ST, met een cijferhoogte van 13mm, die is terug te vinden in het horloge dat Apple-oprichter Steve Wozniak bezit. De Russische IN-2 en IN-17 hebben zelfs cijfers die slechts 9mm hoog zijn.

Overigens werden met name in Oost-Europa de meeste nixiebuizen gebruikt voor militaire doeleinden. Dat komt bij sommige modellen tot uiting in een spartaans ontwerp. Zo werd niet altijd evenveel aandacht besteed aan het ontwerp van de getallen. Vandaar dat bij een model als de IN-14 het cijfer 2 werd hergebruikt als 5 door hem op z'n kop en gespiegeld in de behuizing te plaatsen. Dat geldt niet voor alle Russische modellen. Voor de vergelijkbare IN-8-2 is wel een aparte 5 ontworpen.

Verder zijn er buizen te koop die van een rode laklaag zijn voorzien. Die werd aangebracht omdat bij veel modellen een lichte blauwe of paarse gloed te zien is, die veroorzaakt wordt door de kwikdamp die aan het gasmengsel is toegevoegd. Dankzij die toevoeging gaan de buizen beduidend langer mee. De gloed werd destijds als ongewenst ervaren en door de rode coating uitgefilterd. Zeker westerse fabrikanten brachten daarom buizen in een gecoate en ongecoate variant op de markt. Zo is de ZM1042 de ongecoate variant van de rode ZM1040. Mocht je een gecoate buis op eBay tegenkomen: je kunt de coating er eenvoudig af krijgen door de buis even in een warm sopje te leggen.

We stelden dat nixiebuizen niet meer worden geproduceerd. Dat is niet helemaal waar. De laatste fabrieken zijn begin jaren negentig gesloten, maar doordat er inmiddels weer vrij veel belangstelling is voor nixiebuizen, is er ook weer nieuwe aanwas. De Tsjechische ingenieur Dalibor Farny heeft er een paar jaar over gedaan om uit te vissen hoe nixiebuizen kunnen worden geproduceerd en maakt nu op kleine schaal de R|Z568M. Het is een variant op de klassieke Z568M van het Oost-Duitse RFT, met cijfers van 50mm hoog. Als je met de R|Z568M een klok wilt bouwen, moet je flink in de buidel tasten; ze kosten 145 dollar per stuk.

De FunKlock-kit

De kit die we hier gaan bouwen, is de FunKlock van het Engelse eenmansbedrijfje PV Electronics. De kit is goedkoop, makkelijk te bouwen en in verschillende variaties verkrijgbaar. We gaan hier uit van de goedkoopste variant: een kit zonder buisjes. Die kost 45 euro. PV Electronics kan echter ook een versie met buisjes leveren, wat natuurlijk wel zo makkelijk is. Je krijgt dan vier nixies van het type IN-12, een buis van Sovjet-makelij, vaak zelfs nog met opdruk CCCP. Die versie kost 62 euro. Voor nog eens 17 euro krijg je er ook nog een plexiglazen behuizing bij en mocht je dat niet chic genoeg vinden, kun je voor een een cnc-gefreesde aluminium behuizing kiezen, die 45 euro kost.

Paul aan het nixxen

De FunKlock is een instapmodel, een klok met relatief weinig componenten. Het is daarmee ook een klok die wat opties ontbeert die andere modellen wel hebben. De belangrijkste: de klok leidt de tijd af van een kristal dat op een vaste frequentie trilt. Dat is behoorlijk nauwkeurig, maar lang niet zo nauwkeurig als de tijd die via internet wordt bijgehouden. Er zijn ook kits die via wifi of radiosignalen tijdcodes ontvangen. Bij de FunKlock is dat niet het geval.

Nixie FunKlok

Omdat het leuk is om op eBay zelf naar buisjes te zoeken, gaan wij uit van de versie zonder. Veel voordeel levert dat niet op; als je buisjes via eBay op de kop wilt tikken, zul je niet veel goedkoper uit zijn. Voor vier buisjes ben je bij de verschillende Oost-Europese handelaren al snel twaalf euro kwijt, inclusief verzendkosten. De IN-12 is het goedkoopste model dat nog verkrijgbaar is. Mocht je zelf gaan zoeken, van de IN-12 bestaan twee varianten: de IN-12A en IN-12B. Beide hebben cijfers van 18mm hoog. Het enige verschil is dat de IN-12B naast alle cijfers ook een punt kan weergeven, een functie die in deze kit niet wordt gebruikt. Het maakt dus niet uit welk type je bestelt of geleverd krijgt. Als je de kit en de buisjes hebt ontvangen, kun je aan de slag.

Wat moet je kunnen, wat heb je nodig?

Als je de kit in elkaar wilt zetten, is het uiteraard handig als je enige soldeerervaring hebt, hoewel de kit geen echt kleine of lastig bereikbare onderdelen bevat. Zo zijn er geen smd-componenten in de schakeling opgenomen. Heb je geen soldeerervaring, dan is het handig om eerst wat te oefenen met eenvoudige en goedkope elektronicakitjes. Voor het bouwen heb je eigenlijk maar vier stuks gereedschap nodig: een soldeerbout met een fijne punt, elektronicasoldeer van niet meer dan 1mm doorsnede, een multimeter en een kniptangetje. Verder zul je zelf voor een voeding moeten zorgen. Geschikt zijn voedingen die 12V dc en minimaal 300mA kunnen leveren, en voorzien zijn van een ronde aansluiting van 2,1mm met de positieve pool in het midden. Dat is een veelvoorkomend model, dat makkelijk verkrijgbaar is.

Als je alle benodigdheden hebt verzameld, kun je aan de slag. PV Electronics levert geen instructie mee, maar heeft die wel degelijk beschikbaar. Via de site is een pdf met een uitgebreid stappenplan te downloaden. Daar wordt echter minder goed in uitgelegd dat het belangrijk is om voordat je gaat solderen, uit te zoeken welke onderdelen je precies voor je hebt liggen. Zo is het handig om weerstanden van dezelfde waarde bij elkaar te leggen. De waarde van de weerstanden bepaal je aan de hand van een kleurtabel die op internet is te vinden, of meet je na met de multimeter. Hetzelfde geldt voor de condensatoren. De elektrolytische zijn makkelijk te herkennen. De kleine keramische exemplaren niet. Die zijn te herkennen aan een getal op de bruine, cirkelvormige behuizing. Als het goed is, heb je drie stuks van 100nF, te herkennen aan opdruk 104, heb je een condensator van 15pF met opdruk 15 en een van 33pF met opdruk 33. Bij de meeste andere onderdelen is de typeaanduiding op de behuizing geprint. Alleen de spoel, de zekering en het kristal verdienen nog aandacht, al zijn die aan de hand van de foto in de handleiding makkelijk te herkennen.

Nixieklok solderen

Verder is het zaak de volgorde in de handleiding aan te houden en vooral om de tussentijdse tests uit te voeren die daarin worden beschreven. De kit is zo gemaakt dat je eerst het gedeelte bouwt dat de 12V van de voeding omzet naar de 5V waarop het grootste gedeelte van de schakeling draait. Daarna soldeer je het deel in elkaar dat de spanning juist opvoert naar de 170V die de nixiebuizen nodig hebben om te ontbranden. Voor beide delen van de schakeling is een testpunt te vinden op de printplaat. Met de multimeter kun je testen of je die twee delen van de schakeling goed hebt gesoldeerd. Controleer je werk diverse keren voordat je de voeding voor het eerst aansluit en gaat meten. Let daarbij goed op dat je geen ic’s, diodes, transistors of elektrolytische condensatoren verkeerd om hebt gemonteerd. Soldeer de rest van de componenten pas als de tests geslaagd zijn.

De behuizing

Omdat nixiebuisjes ontbranden bij een spanning van 170V, is het gevaarlijk om de printplaat aan te raken als de klok in bedrijf is. Het is daarom raadzaam de klok van een behuizing te voorzien. Dat is niet alleen mooier, maar ook veiliger. Je kunt een kant-en-klare behuizing bestellen, maar ook zelf iets in elkaar knutselen. Mocht je inspiratie zoeken, dan zijn er op internet genoeg voorbeelden te vinden van de mooiste behuizingen, van hout, metaal en allerlei ander materiaal. Bij PV Electronics zijn technische tekeningen van de kit te vinden, met de maatvoering van de klok.

Wij hebben zelf een behuizing van doorzichtig plexiglas ontworpen. We hebben daarvoor gebruikgemaakt van Inkscape, een gratis vectortekenprogramma dat beschikbaar is voor Windows, macOS en Linux. Je kunt uiteraard ook andere vectortekenprogramma's gebruiken. Het ontwerp hebben we vervolgens met een lasersnijder laten uitsnijden. De combinatie van een vectortekenprogramma en lasersnijden is prettig, omdat je de onderdelen met een nauwkeurigheid van 0,2 millimeter kunt laten uitsnijden. Wij hebben gebruikgemaakt van de diensten van Snijlab, een bedrijf in Rotterdam waar je online je bestellingen kunt plaatsen, maar er zijn meer bedrijven die de behuizing voor je kunnen uitsnijden. Snijlab geeft echter uitgebreide uitleg over het gebruik van Inkscape, Adobe Illustrator of een cad-programma als Rhinoceros 3D, en over het aanleveren van bestanden.

Hier kun je ons ontwerp downloaden, dat je zonder enige restricties mag gebruiken. Je kunt het gebruiken als basis voor je eigen ontwerp of ons ontwerp laten uitsnijden. Mocht je ons ontwerp maken: voor het in elkaar zetten van de behuizing heb je een stuk m3-draadeind en wat m3-moeren nodig. Om precies te zijn: een draadeind van 50cm, zestien gewone moertjes en acht dopmoeren. Draadeind en moeren zijn voor een paar euro bij de bekende doe-het-zelfketens te krijgen. Verder hebben we een kleine mod toegepast op het ontwerp van PV Electronics. De twee schakelaars die de kit bevat, haakse microswitches, hebben we vervangen door rechte, zodat de knoppen niet boven, maar achter uit de behuizing steken. Als je onze behuizing wilt maken, heb je dus twee nieuwe schakelaars nodig, die niet in de kit zijn inbegrepen. Bij componentenleverancier Reichelt staat de schakelaar bekend als Taster 3301D, bij concurrent RS Online onder Stock No. 758-1975.

Als je de elektronica in de behuizing hebt gebouwd, is de klok klaar en heb je een apparaat gebouwd dat veel bekijks zal krijgen. Wie op internet gaat zoeken naar nixieklokken, zal veel zelfbouwprojecten vinden. Daar zijn de mooiste exemplaren bij, met grotere buizen en fantasievollere behuizingen. Hier hebben we echter gekozen voor een eenvoudige opzet. Deze klok is goedkoop, makkelijk te maken, hip en heel erg nerdy. Dus wat houdt je tegen? Hij kan binnenkort ook bij jou in de huiskamer staan schitteren.

Nixieklok resultaat