Индикаторная трубка ( англ . Nixie tube , англ . Nixie tube , NIK -see ), или дисплей с холодным катодом [ 1] — электронное устройство , используемое для отображения цифр или другой информации с помощью тлеющего разряда .
Стеклянная трубка содержит анод из проволочной сетки и несколько катодов , имеющих форму цифр или других символов. Подача питания на один катод окружает его оранжевым тлеющим разрядом . Трубка заполнена газом под низким давлением, обычно в основном неоном и небольшим количеством аргона , в смеси Пеннинга . [2] [3] В более поздних никси, чтобы продлить срок службы устройства, добавлялось небольшое количество ртути для уменьшения отравления катода и распыления .
Хотя внешне он напоминает вакуумную лампу , его работа не зависит от термоионной эмиссии электронов с нагретого катода. Следовательно, это лампа с холодным катодом (разновидность газонаполненной лампы ) и вариант неоновой лампы . Такие лампы редко превышают температуру 40 °C (104 °F) даже в самых суровых условиях эксплуатации в помещении при температуре окружающей среды. [4] Вакуумные флуоресцентные дисплеи той же эпохи используют совершенно другую технологию — они имеют нагретый катод вместе с управляющей сеткой и формованные фосфорные аноды; у Nixies нет нагревателя или управляющей сетки, обычно один анод (в виде проволочной сетки, не путать с управляющей сеткой) и формованные голые металлические катоды.
Трубки Nixie были изобретены Дэвидом Хагелбаргером. [5] [6] Первые дисплеи Nixie были сделаны небольшим производителем электронных ламп Haydu Brothers Laboratories и представлены в 1955 году [7] корпорацией Burroughs , которая приобрела Haydu. Название Nixie было получено Берроузом от «NIX I», аббревиатуры «Numeric Indicator eXperimental No. 1», [8] хотя это могло быть бэкронимом , призванным оправдать вызывание мифического существа с этим именем . Сотни вариаций этой конструкции были изготовлены многими фирмами с 1950-х по 1990-е годы. Корпорация Burroughs представила «Nixie» и владела названием Nixie в качестве торговой марки . Дисплеи, подобные Nixie, производимые другими фирмами, имели зарегистрированные торговые марки, включая Digitron , Inditron и Numicator . Правильным общим термином является «неоновая считывающая трубка с холодным катодом» , хотя фраза « трубка Nixie» быстро вошла в разговорную речь как общее название.
У Берроуза даже была другая трубка Haydu, которая могла работать как цифровой счетчик и напрямую управлять трубкой Nixie для отображения. Это называлось «трохотрон», в более поздней форме известное как счетчиковая трубка «Beam-X Switch»; другое название было «магнетронная трубка с переключением луча», ссылаясь на их происхождение от магнетрона с разделенным анодом . Трохотроны использовались в компьютере UNIVAC 1101 , а также в часах и частотомерах.
Первые трохотроны были окружены полым цилиндрическим магнитом с полюсами на концах. Поле внутри магнита имело по существу параллельные силовые линии, параллельные оси трубки. Это была термоэлектронная вакуумная трубка; внутри находились центральный катод, десять анодов и десять «лопатных» электродов. Магнитное поле и напряжение, приложенное к электродам, заставляли электроны образовывать толстый лист (как в резонаторном магнетроне), который шел только к одному аноду. Приложение импульса с определенной шириной и напряжением к лопаткам заставляло лист продвигаться к следующему аноду, где он оставался до следующего импульса продвижения. Направление счета определялось направлением магнитного поля и, как таковое, не было обратимым. Более поздняя форма трохотрона, называемая Beam-X Switch, заменила большой, тяжелый внешний цилиндрический магнит десятью маленькими внутренними стержневыми магнитами из металлического сплава, которые также служили электродами.
Счетные трубки с переносом тлеющего разряда, схожие по своей основной функции с трохотронами, имели тлеющий разряд на одном из нескольких основных катодов, видимых через верхнюю часть стеклянной оболочки. Большинство использовали газовую смесь на основе неона и считали по основанию 10, но более быстрые типы были основаны на аргоне, водороде или других газах, а для хронометража и подобных применений было доступно несколько типов с основанием 12. Наборы «направляющих» катодов (обычно два набора, но некоторые типы имели один или три) между индикаторными катодами перемещали свечение пошагово к следующему основному катоду. Типы с двумя или тремя наборами направляющих катодов могли считать в любом направлении. Известное торговое название для счетных трубок с переносом тлеющего разряда в Соединенном Королевстве было Dekatron . Типы с подключением к каждому отдельному индикаторному катоду, что позволяло предварительно устанавливать состояние трубки на любое значение (в отличие от более простых типов, которые можно было напрямую сбросить только на ноль или на небольшое подмножество их общего числа состояний), получили торговое название трубок Selectron .
По крайней мере одно устройство, которое функционировало так же, как и трубки Nixie, было запатентовано в 1930-х годах [9] . Было несколько соответствующих патентов, поданных Northrop и другими примерно в начале 1950-х годов, и первые массово производимые трубки-дисплеи были представлены в 1954 году National Union Co. под торговой маркой Inditron. Однако конструкция первых Inditron была грубее, чем у более поздних Nixies, в них отсутствовала общая анодная сетка, так что неосвещенные цифры удерживались под анодным напряжением, чтобы функционировать как эффективный анод. Их средний срок службы был короче, и они не нашли большого применения из-за своих сложных потребностей в приводе.
Наиболее распространенная форма Nixie-трубки имеет десять катодов в форме цифр от 0 до 9 (и иногда десятичной точки или двух), но есть также типы, которые показывают различные буквы, знаки и символы. Поскольку цифры и другие символы расположены друг за другом, каждый символ появляется на разной глубине, что придает дисплеям на основе Nixie особый вид. Связанное устройство — пикси-трубка , которая использует трафаретную маску с отверстиями в форме цифр вместо фигурных катодов. Некоторые российские Nixies, например, ИH-14 (IN-14), использовали перевернутую цифру 2 в качестве цифры 5, предположительно для экономии производственных затрат.
_Nixie_Tubes_Displaying_%2225%22.jpg/1280px-%D0%98H-14_(IN-14)_Nixie_Tubes_Displaying_%2225%22.jpg)
Каждый катод можно заставить светиться характерным неоновым красно-оранжевым цветом, прикладывая около 170 вольт постоянного тока при силе тока в несколько миллиампер между катодом и анодом. Ограничение тока обычно реализуется как анодный резистор сопротивлением в несколько десятков тысяч Ом . Nixies демонстрируют отрицательное сопротивление и будут поддерживать свое свечение обычно при напряжении от 20 В до 30 В ниже напряжения зажигания. Некоторые цветовые различия могут наблюдаться между типами, вызванные различиями в используемых газовых смесях. В более долговечные трубки, которые были изготовлены позже в хронологии Nixie, добавлена ртуть для уменьшения распыления [4], что приводит к синему или фиолетовому оттенку излучаемого света. В некоторых случаях эти цвета отфильтровываются красным или оранжевым фильтрующим покрытием на стекле.
Одним из преимуществ лампы Nixie является то, что ее катоды имеют типографский дизайн, форму для удобства чтения. В большинстве типов они не располагаются в числовой последовательности сзади вперед, а располагаются так, чтобы катоды спереди минимально заслоняли зажженный катод. Одно из таких расположений — 6 7 5 8 4 3 9 2 0 1 спереди (6) назад (1). [10] [11] Российские лампы ИH-12A (IN-12A) и ИH-12B (IN-12B) используют расположение цифр 3 8 9 4 0 5 7 2 6 1 спереди (3) назад (1), причем 5 — это перевернутая 2. Лампы ИH-12B имеют нижнюю крайнюю левую десятичную точку между числами 8 и 3.
Nixies использовались в качестве числовых дисплеев в ранних цифровых вольтметрах , мультиметрах , частотомерах и многих других типах технического оборудования. Они также появлялись в дорогостоящих цифровых дисплеях времени, используемых в исследовательских и военных учреждениях, и во многих ранних электронных настольных калькуляторах , включая первый: Sumlock-Comptometer ANITA Mk VII 1961 года и даже первые электронные телефонные коммутаторы . Более поздние буквенно-цифровые версии в формате четырнадцатисегментного дисплея нашли применение в знаках прибытия/отправления в аэропортах и на биржевых тикерах . Некоторые лифты использовали Nixies для отображения номеров этажей.
Средняя долговечность ламп Nixie варьировалась от 5000 часов для самых ранних типов до 200000 часов и более для некоторых из последних введенных типов. Не существует формального определения того, что представляет собой «конец жизни» для Nixie, за исключением механических неисправностей. Некоторые источники [2] предполагают, что неполное свечение глифа (« отравление катода ») или появление свечения в другом месте трубки было бы неприемлемым.
Газоразрядные индикаторы подвержены многочисленным отказам, в том числе:
Выход Nixie за пределы их указанных электрических параметров ускорит их выход из строя, особенно избыточный ток, который увеличивает распыление электродов. Несколько экстремальных примеров распыления даже привели к полному разрушению катодов Nixie-трубок.
Катодное отравление можно уменьшить, ограничив ток через трубки до значения, значительно ниже их максимального номинала [12] , используя газоразрядные индикаторы, изготовленные из материалов, которые исключают этот эффект (например, не содержат силикатов и алюминия), или программируя устройства для периодического циклического отображения всех цифр, чтобы активировать редко отображаемые цифры. [13]
В качестве свидетельства их долговечности и долговечности оборудования, включавшего их, по состоянию на 2006 год [обновлять]несколько поставщиков все еще поставляли распространенные типы Nixie-трубок в качестве запасных частей, новые в оригинальной упаковке. [ требуется ссылка ] Устройства с дисплеями Nixie-трубок в отличном рабочем состоянии все еще в изобилии, хотя многие из них использовались в течение 30-40 лет или более. Такие предметы можно легко найти в качестве излишков и получить по очень низкой цене. В бывшем Советском Союзе Nixie все еще производились в больших объемах в 1980-х годах, поэтому российские и восточноевропейские Nixie все еще доступны.
Другие технологии числовых дисплеев включают световоды, проекционные дисплеи с обратной подсветкой и боковые световодные дисплеи (все они используют отдельные лампы накаливания или неоновые лампы для освещения), считыватели накаливания Numitron , [14] семисегментные дисплеи Panaplex и вакуумные люминесцентные индикаторные трубки. До того, как лампы Nixie стали популярными, большинство числовых дисплеев были электромеханическими, использующими шаговые механизмы для отображения цифр либо напрямую с помощью цилиндров с напечатанными цифрами, прикрепленными к их роторам, либо косвенно путем подключения выходов шаговых переключателей к индикаторным лампочкам. Позже, несколько старинных часов даже использовали форму шагового переключателя для управления лампами Nixie.
В 1970-х годах на смену газоразрядным индикаторам пришли светодиоды (LED) и вакуумные флуоресцентные дисплеи (VFD), часто в виде семисегментных дисплеев . В VFD используется горячая нить накала для испускания электронов, управляющая сетка и покрытые фосфором аноды (похожие на электронно-лучевую трубку ), имеющие форму, позволяющую отображать сегменты цифры, пиксели графического дисплея или целые буквы, символы или слова. В то время как для работы газоразрядных индикаторов обычно требуется 180 вольт, для работы VFD требуется относительно низкое напряжение, что делает их более простыми и дешевыми в использовании. VFD имеют простую внутреннюю структуру, что обеспечивает яркое, четкое и беспрепятственное изображение. В отличие от газоразрядных индикаторов, стеклянная оболочка VFD откачивается, а не заполняется определенной смесью газов под низким давлением.
Для управления Nixie были доступны специализированные высоковольтные драйверные микросхемы, такие как 7441/74141 . Светодиоды лучше подходят для низких напряжений, которые обычно используются в полупроводниковых интегральных схемах , что было преимуществом для таких устройств, как карманные калькуляторы, цифровые часы и портативные цифровые измерительные приборы. Кроме того, светодиоды намного меньше и прочнее, без хрупкой стеклянной оболочки. Светодиоды потребляют меньше энергии, чем VFD или трубки Nixie с той же функцией.
Ссылаясь на неудовлетворенность эстетикой современных цифровых дисплеев и ностальгическую привязанность к стилю устаревших технологий, значительное число энтузиастов электроники проявили интерес к возрождению Nixies. [15] Нераспроданные трубки, которые десятилетиями лежали на складах, извлекаются и используются, наиболее распространенным применением являются самодельные цифровые часы. [11] [16] [10] В период своего расцвета Nixies, как правило, считались слишком дорогими для использования в массовых потребительских товарах, таких как часы. [10] Этот недавний всплеск спроса привел к значительному росту цен, особенно на большие трубки, что сделало мелкосерийное производство новых устройств снова жизнеспособным.
Помимо самой трубки, еще одним важным соображением является относительно высоковольтная схема, необходимая для управления трубкой. Оригинальные интегральные схемы драйверов серии 7400, такие как драйвер декодера BCD 74141 , давно сняты с производства и встречаются реже, чем лампы NOS . 74141 все еще доступна как NOS у различных поставщиков в Интернете, а советский эквивалент, K155ID1, все еще находится в производстве. Однако современные биполярные транзисторы с высокими номинальными напряжениями теперь доступны дешево, такие как MPSA92 или MPSA42.
Прототип Nixie Tube и патентный материал были предоставлены музею его изобретателем Дэвидом Хагелбаргером.
70 появляются примерно в одном и том же месте. Таким образом, любая из десяти цифр может быть отображена, заставив соответствующий катод светиться.
