Szklana bańka jest wypełniona gazem i po odpowiednim zasileniu pomarańczowym światłem świeci gaz w otoczeniu jednej z katod.

Wiadomo, że przy małym napięciu zasilania gaz jest neutralny, nie zawiera nośników prądu, więc lampa taka w ogóle nie przewodzi prądu i nie świeci. Dopiero napięcie wyższe od napięcia zapłonu (napięcia progowego) zaświeca lampę. Zasada działania polega na tym, że odpowiednio duże napięcie powoduje rozrywanie atomów czy cząstek gazu na jony dodatnie i ujemne, czyli w gazie pojawia się wiele nośników prądu. Zjawisko to ma charakter lawinowy – po zapłonie liczba nośników wzrasta i prąd mógłby osiągnąć bardzo dużą wartość. Dużą, wręcz niebezpieczną dla lampy.

Dlatego we wszelkich lampach gazowanych (neonówkach i świetlówkach) trzeba ograniczać prąd pracy. W małych neonówkach i wskaźnikach Nixie ograniczenie prądu zapewnia zwyczajny rezystor.

Wystarczy mały, popularny rezystor. Wprawdzie napięcie zasilania jest dość duże, ale podczas pracy na tym rezystorze występuje niewielka część napięcia zasilania, a prąd jest niewielki, rzędu 2 miliamperów dla niedużych lamp Nixie.

Rysunek 9 przedstawia w uproszczeniu zasadę sterowania cyfrowego wskaźnika Nixie. Pojedynczy rezystor ograniczający jest włączony w obwodzie anody, natomiast zaświecanie poszczególnych znaków zapewniają, ogólnie biorąc, klucze. Zasada jest taka, że w danej chwili powinien być włączony tylko jeden z kluczy (lub żaden).

Rysunek 9

Tymi kluczami zwykle są tranzystory NPN, jak pokazuje rysunek 10. Albo pojedyncze, albo zawarte w jakimś układzie scalonym.

Rysunek 10

I tu niespodzianka! W przypadku pokrewnego układu pracy według rysunku 11, tranzystory muszą mieć dopuszczalne napięcie emiter – kolektor co najmniej równe 170 V. Natomiast w układzie z lampami Nixie, według rysunku 10, można zastosować tranzystory o znacznie niższym napięciu maksymalnym!

Rysunek 11

Starsi wiekiem elektronicy wiedzą, że w rodzinie TTL były co najmniej dwa układy scalone, przeznaczone do współpracy z lampami Nixie: 7441 oraz 74141. I w kartach katalogowych tych kostek można znaleźć informacje, że na wyjściu pracują tranzystory niskonapięciowe. Rysunek 12 to drobne fragmenty karty katalogowej dekodera 74141. Znajdujemy tu informację, że maksymalne napięcie w stanie wyłączenia wyjścia nie powinno przekraczać 60 V. A z innych materiałów katalogowych można się domyślić, że diody Zenera włączone na wyjściu mają napięcie przebicia około 70 woltów.

Rysunek 12

Dziś rzadko wykorzystywane są energożerne kostki 7441 i 74141. Zamiast nich powszechnie stosuje się pojedyncze tranzystory według rysunku 11, bez żadnych diod Zenera. Bez problemu można też zastosować MOSFET-y małej mocy.

A teraz pomału przechodzimy do praktyki. Sterowanie wyświetlaczami Nixie okazuje się zaskakująco proste. W roli kluczy z rysunku 10 można zastosować tranzystory bipolarne według rysunku 11.

Ja w ramach tego artykułu chciałem tylko udowodnić, że niepotrzebne są do tego tranzystory wysokonapięciowe. Można takowe wykorzystać, ale z powodzeniem można też zastosować „zwykłe”, niskonapięciowe. Aby to wykazać, z pokazanego na fotografii 13 woltomierza V628, wymontowałem jedną lampę i przeprowadziłem stosowne testy.

Fotografia 13

W tym woltomierzu sterownikami lamp są układy scalone 74141, co widać na fotografii 14.

Fotografia 14

Ja w ramach testów zaświecałem jedną z cyfr wylutowanej lampy za pomocą tranzystora.

Poniższy rysunek 15 to fragment karty katalogowej użytej lampy Nixie. W polskim woltomierzu V628 zastosowano lampy Z5730M produkcji RFT (NRD = DDR), stąd niemiecki opis. Większość zawartych tu informacji ma małe znaczenie praktyczne. Najważniejsze są dane wyróżnione zieloną podkładką. Maksymalne napięcie zasilania to 170 woltów. Minimalny prąd pracy to 1,5 mA, maksymalny 2,5 mA, czyli prąd pracy powinien wynosić około 2 miliamperów.

Rysunek 15

Fotografia 16 została wykonana podczas testu. Na bazę tranzystora (przez rezystor 1 kΩ) podawany jest przebieg prostokątny z niewidocznego tu generatora. Trzy kanały oscyloskopu mierzą napięcia w układzie, a jeden kanał – spadek napięcia na rezystancji 1 kiloom, włączonej w emiterze tranzystora NPN, czyli mierzony jest tu prąd emitera.

Fotografia 16

Rysunek 17 wskazuje, że wszystko jest w porządku. Przebieg niebieski pokazuje zmiany napięcia bazy w skali 2 V/dz – tu poziomem zerowym jest znacznik z cyferką 1.

Rysunek 17

Linia zielona to niezmienne napięcie zasilające 170 V (skala 50 V/dz). Przebieg czerwony to zmiany napięcia na kolektorze (skala 50 V/dz). Przebieg pomarańczowy to zmiany napięcia na rezystorze emiterowym, czyli jest to prąd emitera (w skali 500 mV/dz czyli 0,5 mA/dz). Dla tych trzech przebiegów poziom zerowy napięcia pokazuje pomarańczowy znacznik z cyferką 4.

Najważniejszy jest przebieg czerwony – pokazuje, że w chwili zatkania tranzystora (2N5551), napięcie na kolektorze wzrasta zaskakująco mało!

Napięcie zasilania wynosi 170 woltów, a napięcie na kolektorze tranzystora wzrasta do mniej niż 50 woltów! Niemożliwe? Możliwe z uwagi na specyficzne właściwości lampy wskaźnikowej Nixie.

Gdy tranzystor zostaje wyłączony, prąd przestaje płynąć i lampa gaśnie. A jeżeli gaśnie, to w gazie giną nośniki prądu i ogromnie rośnie jej rezystancja. Tworzy się dzielnik napięcia zawierający rezystor anodowy, lampę i (zatkany) tranzystor.

Pierwszy test i rysunek 17 zrealizowałem, gdy w układzie pracował tranzystor 2N5551, który ma dopuszczalne napięcie U_CE równe 180 woltów. Potem sprawdziłem, że układ równie dobrze pracuje z popularnym tranzystorem BC557, który według katalogu ma dopuszczalne napięcie U_CE = 45 V.

Co bardzo ważne dla tego artykułu, celowo sprawdziłem też działanie z tranzystorem BC548, który ma dopuszczalne napięcie UCE tylko 25 V. Układ pracował równie dobrze!

Tranzystory BC548B są od lat najpopularniejsze wśród polskich hobbystów. W praktyce do sterowania lampami Nixie należy raczej stosować też bardzo popularne BC547 lub BC546. Nie ma potrzeby stosowania tranzystorów wysokonapięciowych! I to jest najważniejszy wniosek tego artykułu.

Tylko dla najbardziej dociekliwych

Podane informacje mogą wydać się jasne, a wręcz oczywiste. Układ jest przecież dziecinnie prosty, a elementy – wręcz prymitywne…

W rzeczywistości wcale nie jest to takie proste, jak sugeruje rysunek 17! Owszem, naprawdę do sterowania lampami Nixie nie trzeba tranzystorów wysokonapięciowych, ale szczegóły są tajemnicze i interesujące!

Otóż po pierwsze, można się słusznie zastanawiać, skąd bierze się napięcie niecałe 50 V na kolektorze tranzystora w układzie z rysunku 18, jeżeli lampa zgasła i nie przewodzi prądu? Jeżeli nie przewodzi i stanowi rozwarcie, to napięcie na kolektorze powinno być równe zeru!

Rysunek 18

A nie jest. To akurat można wyjaśnić bardzo łatwo. Otóż, jak pokazuje pochodzący z katalogu rysunek 15, napięcie zapłonu lampy to 150 V. W układzie testowym do kolektora tranzystora włączona jest sonda (o tłumieniu 10:1 o rezystancji 10 megaomów). I to właśnie zgodnie z rysunkiem 19, przez rezystancję sondy płynie znikomo mały prąd, niecałe 5 mikroamperów, co daje wskazanie napięcia prawie 50 woltów. A dlaczego akurat tyle? To wynika z właściwości lampy Nixie, która ma „garbatą” charakterystykę, zawierającą też odcinek o ujemnej rezystancji dynamicznej. Gdyby rezystancja sondy oscyloskopu była znacząco różna, napięcie byłoby nieco inne, ale podobne. To akurat jest proste.

Rysunek 19

Ale są bardziej tajemnicze szczegóły. Fotografia 16 i rysunek 17 są zrobione przy rozciągnięciu czasowym 50 ms na działkę. Natomiast przebiegi na rysunku 20 i na rysunku 21 pokazują momenty włączania i wyłączania tranzystora w tym samym układzie, ale w rozciągnięciu odpowiednio 10  µs i 1 µs na działkę.

Rysunek 20

Rysunek 21

Jak widać, w momentach przełączania przebiegi są zaskakujące. Głównie „z winy” lampy Nixie, a po części wskutek przyjętego sposobu pomiaru.

A na koniec jeszcze bardziej interesujące porównanie. Na rysunku 17 ledwo widać (czerwone) szpilki napięcia na kolektorze w momentach wyłączania. Rysunek 22 prezentuje w rozciągnięciu 200 µs/dz przebiegi z rysunku 17 i 21 w układzie z wysokonapięciowym tranzystorem 2N5551. Widać wyraźnie, że przy wyłączaniu na kolektorze pojawia się krótki impuls napięcia o wielkości ponad 150 woltów!

Rysunek 22

Rysunek 23 oraz fotografia 24 pokazują przebieg w układzie z 25-woltowym tranzystorem BC548. Impuls jest mniejszy i wyraźnie spłaszczony. Spłaszczenie to efekt (niegroźnego, odwracalnego) chwilowego przebicia niskonapięciowego tranzystora!

Rysunek 23

Fotografia 24

Niniejszy artykuł jest zachętą do eksperymentów z lampami gazowanymi, których działanie nie tylko robi duże wrażenie, ale jest wynikiem interesujących zjawisk fizycznych.

Analizę szczegółów pozostawiam najbardziej zaawansowanym Czytelnikom, a w razie zainteresowania, do tych szczegółów mogę wrócić w oddzielnym artykule, ewentualnie przy omawianiu neonówek i innych lamp wyładowczych.

Piotr Górecki