Nixie displej za CNC Sinumerik 501

Danas je nabavljen numerički programator i displej sa osam Nixie znamenki kao dio kompleta strojnog CNC kontrolera Sinumerik 501 njemačke tvrtke Siemens iz 1972.godine.

Tvrtku Siemens &Halske (današnji Siemens AG) su davne 1847. godine osnovali njemački izumitelj Wernervon Siemens i precizni mehaničar Johann Georg Halske kao kompaniju za gradnju telegrafskih i drugih električnih mreža, a do danas se razvila u jednu od vodećih svjetskih tvrtki na području elektronike, elektrotehnike, telekomunikacija i drugih srodnih grana tehnike.

CNC strojevi (eng. Computer Numerical Control) su računalom upravljani alatni strojevi gdje se računalno kodirane naredbe pretvaraju u pomake alatnog stroja. Prvi takav numerički upravljački sustav naziva Sinumerik tvrtka Siemens je lansirala na tržište1964. godine. Programski podaci su se učitavali prekobušene trake. Siemensova serija CNC kontrolera Sinumerik nastavila se razvijati se sve do danas te je proizvedeno oko 10000 različitih sustava tog tipa. Za naš konkretni sustav Sinumerik 501 nismo pronašli nikakve poveznice. Moguće da su se koristila tri takva displeja za X, Y i Z os pomaka stroja i/ili prikaz još nekih drugih podataka.

Nixie cijevi su izumljene su 1952. godine (Burroughs Corporation) i bile su u upotrebi do kraja 1970-ih godina kada su ih već svugdje zamijenili drugi tipovi displeja (VFD, LED, LCD). Ime Nixie zapravo je akronim prvog naziva za ove elektronske cijevi – eksperimentalni numerički indikator (Numerical Indicator eXperimental: NIX-i), a kasnije se taj naziv više nije mijenjao. Nixie cijev je staklena cijev ispunjena plinom neonom (ili nekom drugim inertnim plinom) uz mali dodatak žive. Unutar cijevi se nalazi jedna ili više katoda od tanke žice oblikovane u željeni simbol. Iste su obavijene anodom od metalne mrežice dovoljno rijetke strukture da se kroz nju bez problema vide katode. Kad se anoda i jedna od katoda priključe na istosmjerni napon od oko 150 V plin oko te katode počne svjetlucati. U našem primjeru svaka Nixie cijev ima ukupno deset katoda (svaku za jednu znamenku) napravljenih od tanke žice i poslaganih jedna iza druge u cijev. Danas su Nixie cijevi ponovno postale popularne uglavnom za izradu različitih retro-nostalgičnih digitalnih satova.

Prema višepolnim priključnicama na stražnjoj strani uređaja odmah je jasno da je displej bio dio složenog namjenskog sustava te je bez originalne dokumentacije nemoguće znati ni funkciju konektora ni funkciju pojedinih pinova unutar istih.

Sinumerik 501 je napravljen kao modularni uređaj pa ćemo prvo identificirati integrirane krugove i druge aktivne elemente kako bi dobili pojam o mogućoj ulozi pojedinog modula.

Unutrašnja strana mehaničkog kodera sa rotirajućim numeričkim kotačićima i pripadajuće priključnice. Znamenki kodera ima isti broj kao i znamenki Nixie displeja tako da su ova dva sklopa vjerojatno programski povezana.

Uz svaki modul sa Nixie cijevima dolazi još jedan upravljački modul.

Četiri donekle različita modula sa Nixie cijevima. Drugi i treći modul su zapravo isti osim što je na jednom modulu umjesto integriranog kruga SN7441 (BCD dekoder i driver za Nixie cijevi) proizvođača Texas Instruments ugrađen isti čip proizvođača National Semiconductor. Posljednji modul na slici nije numerički nego sadrži samo pozitivni i negativni predznak.

Iako Nixie cijevi na sebi nemaju nikakvu oznaku, ovdje se gotovo sigurno radi o Siemensovim cijevima ZM1180. Sve Nixie cijevi u principu su vrlo slične i razlike uglavnom leže u dimenzijama i oblicima cijevi. S obzirom da potrebni anodni napon iznosi oko 150 V, a struja ne prelazi 3 mA, često se napajaju izravno iz mreže 220 V preko diode i odgovarajućeg otpornika na kojem nastaje potrebiti pad napona (47kΩ). Zahvaljujući niskim strujama mogu se koristiti jeftini upravljački tranzistori pa u konačnici sklapanje uređaja sa Nixie cijevima nije puno kompliciranije niti skuplje od upotrebe LED pokazivača. Razliku u cijeni naravno najviše čine same Nixie cijevi koje su puno skuplje i teže dobavljive od LED pokazivača, tako da nabavka starog uređaja sa Nixie cijevi uvijek veseli, pogotovo ako su cijevi još i ispravne (očekivani životni vijek im je cca1000 – 10000 sati).

Prva Nixie cijev sadrži samo prikaz pozitivnog i negativnog predznaka, a ostalih osam Nixie cijevi sadrži deset numeričkih znamenki. Tako se i modul sa predznacima razlikuje od numeričkih modula, a i modul prve znamenke se donekle razlikuje od modula svih ostalih znamenki. Svih osam numeričkih modula sadrži čip SN7441 (Texas Instruments ili National Semiconductor) što je BCD dekoder i driver za Nixie cijevi. Ostalo su različiti logički integrirani krugovi, a razlika je samo u tome što modul prve znamenke ima jedan logički čip FLH161 manje:

• FLH101 (Siemens) x2 – četiri NAND vrata sa dva ulaza (7400)
• FLH201 (Siemens) x2 – četiri NAND vrata sa dva ulaza (7401)
• FLH111 (Siemens) – tri NAND vrata sa tri ulaza (7410)
• FLH121 (Siemens) – dva NAND vrata sa četiri ulaza (7420)
• FLH141 (Siemens) – dva NAND vrata sa četiri ulaza (7440)
• FLH161 (Siemens) – dvije AND-OR-INVERT kombinacije sa dva ulaza (7451)
• SN7476 (Texas Instruments) x2 – dva J-K flip flopa

Prvi modul je modul pozitivnog ili negativnog predznaka.

Modul prve znamenke sa jednim FLH161 manje od ostalih numeričkih modula.

Moduli ostalih numeričkih znamenki (2-8) razlikuju se samo u proizvođaču čipa SN7441 (Texas Instruments ili National Semiconductor).

Postoji šest različitih upravljačkih modula uz svaki Nixie modul. Jedino se modul u prvom redu desno (sa 10 tranzistora) ponavlja uz četiri znamenke (3, 4, 5, 6).

Modul uz Nixi cijev za predznacima:

• FLH101 (Siemens) x4 – četiri NAND vrata sa dva ulaza (7400)
• FLH141 (Siemens) – dva NAND vrata sa četiri ulaza (7440)
• FLH121 (Siemens) – dva NAND vrata sa četiri ulaza (7420)

Modul uz prvu znamenku:

• FLH101 (Siemens) x4 – četiri NAND vrata sa dva ulaza (7400)
• FLH141 (Siemens) x2 – dva NAND vrata sa četiri ulaza (7440)
• FLH121 (Siemens) – dva NAND vrata sa četiri ulaza (7420)

Modul uz drugu znamenku je samo povezni i ne sadrži elektroničke elemente.

Modul uz treću, četvrtu, petu i šestu znamenku:

• FLH101 (Siemens) x3 – četiri NAND vrata sa dva ulaza (7400)

Modul uz sedmu znamenku:

• FLH101 (Siemens) x2 – četiri NAND vrata sa dva ulaza (7400)
• FLH141 (Siemens) x6 – dva NAND vrata sa četiri ulaza (7440)

Modul uz osmu znamenku. U okruglim metalnim kućištima su četiri naponska komparatora TDC2710, a integrirani krug je FLH101 (Siemens) koji sadrži četiri NAND vrata sa dva ulaza (7400).

Povezivanje konektora modula i vanjskih priključnica izvedeno je žicama (bez tiskane pločice). Sve žice su jednake i uvezene u snopove te je praktično nemoguće fizički pratiti pojedine povezne putove.

Iz svega prikazanog vidimo da moduli ne sadrže nikakve brojače, nego se sa prikazom određene znamenke upravlja zasebnim linijama preko mreže logičkih krugova koji u konačnici na svojem izlazu dalju određeni BCD kod za pojedinu znamenku unutar pojedine Nixie cijevi. Sasvim sigurno je da se uz svu ugrađenu logiku znamenkama ne upravlja pojedinačno, moguće je da se koristi BCD ili neki drugi namjenski kod, a nije isključena ni mogućnost multipleksiranja. Upravljački moduli sa logičkim krugovima vjerojatno nisu nužno vezani uz pojedini Nixie modul gdje su mješteni. Ovakav razmještaj modula je vjerojatnije odabran radi uštede prostora.

Ovdje je gotovo nemoguće, a i nema nekog smisla, pratiti pojedine linije ili crtati elektroničku shemu jer se radi o specifično upravljanoj logici. Osim jednakih usnopljenih poveznih žica, obrnuti inženjering uvelike otežava to što su svi moduli s obje strane premazani nekim zaštitnim izolacijskim lakom. Ako se želi ostvariti bilo kakav električni kontakt sa izvodima elementima ili tiskanim vezama prvo je potrebno sastrugati taj izolacijski lak. S obzirom da je lak proziran nikad niste sigurni da li je dovoljno uklonjen. Očito da ovi moduli nisu bili predviđeni za popravak nego samo za zamjenu.

Ipak, pokušati ćemo nekako islijediti linije osnovnih napajanja kako bi napravili probno uključenje ovog Nixie displeja. Za logičke integrirane krugove i Nixie drivere treba nam napajanje od 5 V. Za naponske komparatore TDC2710 danas je već nemoguće naći neku tehničku dokumentaciju, no pretpostavljam da se radi o integriranim krugovima koji su vrlo slični, ako ne i jedna od inačica komparatora LM710. Maksimalni dozvoljeni naponi napajanja za taj čip su +14V / -7V pa ćemo uzeti da se napajaju standardnim naponima +12V / -5V. Nixie cijevi rade na nominalnom naponu 145 V (maksimalno 180 V). Vidimo da su ugrađeni su anodni otpornici od 33 kΩ što bi sa uračunatim padom napona uz struju anode cca 2,2 mA značilo da je napon napajanja oko 220 V.

Slijeđenjem tiskanih veza i poveznih žica konektora došli smo do prikazanog rasporeda pinova na naponskom konektoru. Ispod njega je standardni industrijski Centronics 36-pinski konektor (IEEE-1284 Tip B) koji definitivno služi za prijenos podataka, no ne možemo znati da li se radi o jednosmjernoj ili dvosmjernoj komunikaciji niti o kojem se protokolu prijenosa podataka radi. Koliko se može vidjeti, na svaki Nixie modul vode četiri žice tako da su ovo moguće BCD kodne linije za svaku Nixie cijev. Okrugli konektor na desnoj strani za sada nećemo dirati.

Za prvi test doveli smo samo napone +5 V i +220 V. Zasvijetlile su sve Nixie cijevi osim posljednje. Linija od +5 V vuče gotovo 1 A struje što ukazuje na neku grešku, vrlo vjerojatno loše filtarske elektrolitske kondenzatore. Čini se da intenzitet svjetla polako pada od prve znamenke prema posljednjoj. Svakako je ovdje potrebno izvršiti zamjenu svih elektrolitskih kondenzatora.

Upravljanje preko rotirajućeg kodera nema nikakav utjecaj na prikaz znamenki, no to je i za očekivati jer nismo doveli sve linije napajanja. Displej prvo pokaže sve nule, a onda se prebaci na petice. Ovu nestabilnost također uzrokuje loša filtracija napajanja. U svakom slučaju, u ovoj fazi nam je bio cilj samo provjeriti da li Nixie cijevi daju znakove života. Sada bi trebalo zamijeniti sve elektrolite, a onda pokušati definirati pinove na ostalim konektorima. Svakako ćemo se time jednom i pozabaviti 🙂