Die Scope Clock mit D7-16

Dieses Projekt entstand schon kurz nach dem Bau „meiner“ ersten Nixie-Uhr.
Beim Stöbern durch diverse Elektronikforen bin ich schließlich auf diese Seite gestoßen: Scope Clock von OZ2CPU.
Die Darstellung der Uhrzeit auf einer Oszillographenröhre hat mich damals sofort fasziniert – und ehrlich gesagt hat sich daran bis heute nichts geändert.
Nach positiven Erfahrungen mit der Nixie-Uhr lag es nahe, mich auch an dieses Projekt zu wagen.

Die ersten Schritte

Der erste Schritt war die Beschaffung einer passenden Oszillographenröhre. Meine Wahl fiel zunächst auf eine Röhre vom Typ B4S2 der Firma RFT.

RFT B4S2

Ich begann mit den eher unscheinbaren Baugruppen - der Hochspannungserzeugung und den Ablenkstufen.
Beides entstand im fliegenden Versuchsaufbau. Ziel war es, die Röhre überhaupt erst einmal zum Leuchten zu bringen und ein stabiles Ablenksystem aufzubauen.
Alle Gitter wurden mit den nötigen Spannungen versorgt, ganz klassisch über einfache Spannungsteiler.

Hochspannungsteil erste Version	Spannungsmessung mit genügend Reserve
X/Y Ablenkverstärker	nochmals geänderter Hochspannungsteil
erstes Licht	sauberer Fokus
1. Test der Ablenkverstärker

Erste Version der Uhr

Nachdem die analogen Grundlagen funktionierten, habe ich die Controllerschaltung aus dem ursprünglichen Projekt auf Lochraster aufgebaut und mit der 50 Hz-Software programmiert.

Darstellung der Uhrzeit

Allerdings zeigten sich relativ schnell einige Probleme:
Das Bild wurde leicht verzerrt dargestellt – vermutlich aufgrund einer nichtlinearen Ablenkung in einer Achse. Eine Störung durch ein externes Magnetfeld (z.B. vom Trafo) konnte ich ausschließen, da sich die Asymmetrie beim Drehen der Röhre um die Tiefenachse mitgedreht hat.
Zusätzlich hing sich die Software nach etwa zwei Minuten Laufzeit reproduzierbar auf.
Damit war klar: So würde das auf Dauer nichts – es musste eine andere Basis her.

Zweiter Anlauf

Auf der Suche nach einer stabileren Lösung bin ich auf folgendes Projekt gestoßen: Scope-Clock auf Jogis Röhrenbude.
Auf dieser Webseite werden eine ganze Reihe von wirklich tollen Röhrenprojekten in Form von Leserbriefen veröffentlicht. So auch ein Scope Clock Projekt von Sascha Ittner mit einer anderen Röhre. Eine Platine in Industriequalität war ebenfalls relativ günstig verfügbar. Die sehr gute Beschreibung erleichterte den Aufbau erheblich.

Des Weiteren habe ich den Controller und die Software entsprechend einer Erweiterung angepasst, welche von Erhard Schemainda beschrieben wurde. Dabei wurde u.a. die Bildwiederholfrequenz von 25 Hz auf 50 Hz erhöht. Erhard Schemaindas Seite ist leider nicht mehr online – die Umsetzung funktionierte auf Anhieb.
Die Änderungen:

Controller: mit AT89LP4052 ersetzt (natürlich mit anderer Firmware)
Pullup-Widerstände R4 und R5 entfallen
Quarz: jetzt 16Mhz
Schwingkreis aus L1 und C28: entfällt

Platinen unbestückt	Platine mit Widerständen und Dioden
voll bestückt	mit alternativem Controller

Der Netztrafo

Für den ersten Aufbau nutzte ich noch einen ziemlichen Verhau aus verschiedenen Transformatoren, die in Summe die benötigten Spannungen und Ströme liefern konnten. Nachdem die Uhr damit grundsätzlich problemlos lief, entschied ich mich für einen "custom-made" Transformator der Firma Experience electronics. Die benötigten Spannungs- und Stromwerte habe ich dem Schaltplan von Sascha Ittner entnommen und mit einer kleinen Reserve an den Hersteller weitergegeben. Auf den Bildern unten ist das Ergebnis zu sehen, mit dem ich sehr zufrieden bin.
Transformatoren erzeugen elektromagnetische Streufelder, die Einfluss auf die Darstellung einer Kathodenstrahlröhre haben können. Diese Felder üben eine Kraft (die Lorentzkraft) auf den Elektronenstrahl aus und können dadurch Bildverzerrungen verursachen.
Um diesen Effekt zu minimieren, wurde der Transformator möglichst weit vom Ablenksystem der Röhre entfernt platziert und zusätzlich so ausgerichtet, dass die Haupt-Streufeldrichtung möglichst parallel zur Röhrenachse verläuft. In dieser Orientierung wirkt das Magnetfeld nur minimal auf den Elektronenstrahl, wodurch sichtbare Verzerrungen reduziert werden konnten.

kleiner Trafo

David vs. Goliath

Und wieder das Gehäuse…

Elektrisch funktionierte die Uhr nun einwandfrei – wie schon bei früheren Projekten blieb allerdings das Thema Gehäuse erst einmal liegen. Nach rund 20 Jahren wurde es dann aber doch Zeit, der Uhr ein passendes Zuhause zu spendieren :-).

Buche auf der Fräse	Anprobe
Rückseite	Verleimen
Kanten abgerundet	Kanten abgerundet Rückseite
geölt	Einbau der Elektronik
Berührungsschutz	Rückseite mit Tastern, C7/C8-Spannungsversorgung und Feinsicherung
erste Uhrzeit	mit der ESP8266 Zeit synchronisiert

Zeitsynchronisation und Webinterface

Auch dieser Uhr habe ich eine moderne Art der Zeitsynchronisation spendiert. Dabei kommt die gleiche ESP-Platine zum Einsatz, wie bei der Nixie-Uhr. Lediglich die Software wurde dafür etwas angepasst:
Anstelle eines NMEA-Telegramms wird nun ein DCF77-Signal simuliert.

ESP8266-Software

interaktive Demo des Webinterfaces

Das Webinterface besteht wieder aus vier Seiten. Je nachdem, ob der ESP mit dem Internet verbunden ist, kann der dargestellte Inhalt variieren. Im iFrame links wird der STA-Mode simuliert, also die Ansicht bei bestehender Internetverbindung. Viel Spaß beim Klicken. :-)

1. Startseite
- Hier werden die aktuelle Uhrzeit sowie die Weckzeit angezeigt.
- Über einen Timepicker kann man die Weckzeit stellen.
- Der Slider legt die maximale Alarmdauer fest.
- Über Checkboxen können die Wochentage ausgewählt werden, an denen ein Alarm stattfinden soll.
2. Einstellungen
- SSID: Name des Heim-WLANs
- Passwort: Passwort zum Heim-WLAN
- Hostname: Netzwerkname des ESP + eindeutige [ChipID]
- Timeserver: Zeitquelle, normalerweise aus dem Internet
- SSID AP: Name des eigenen Accesspoints. (Ist keine Internetverbindung möglich, stellt der ESP einen eigenen Hotspot bereit, über den die Zugangsdaten eingegeben werden können.)
- AP Passwort: Passwort zum Accesspoint
- DCF77 invert hier kann das DCF77 Signal invertiert werden.
3. Admin-Seite
- Diese Seite ist in der realen Version nur über ein separates Admin-Passwort erreichbar, in der Demo jedoch dauerhaft freigeschaltet.
- Login: Login zur Admin-Seite
- Passwort: Passwort zur Admin-Seite
- OTA-Server: Update-Server → hier liegen evtl. neue Firmwarefiles. Die dort gefundenen Firmwarefiles werden unter „select Firmware“ angezeigt.
- EEPROM löschen und Reboot:
  Dabei wird der individuelle EEPROM-Inhalt gelöscht und beim nächsten Start werden die „Werkseinstellungen“ geladen.
- Flash: Damit beginnt der Updateprozess. In der echten Version erfolgt noch eine Prüfung mit diversen Sicherheitsabfragen.
4. OTA-Seite
- Hier kann man den Updateprozess beobachten. Zu dieser Seite gelangt man automatisch, wenn der Updateprozess gestartet wurde.
- Nach dem Update wird der ESP automatisch rebootet.

Mechanische und elektrische Anpassungen

Die verwendete Röhre reagiert recht empfindlich auf das Erdmagnetfeld. Dadurch ist es notwendig, bei einem Standortwechsel einige Einstellungen nachzuführen. Dieser Effekt war mir zwar schon bekannt, ich wusste aber noch nicht wie störend ich das auf Dauer empfinden würde, die Potis jedes Mal von der Unterseite bedienen zu müssen.

So entschied ich mich, nachdem das Gehäuse im Prinzip schon fertig war, die Potis von außen zugänglich zu machen. Betroffen sind X- und Y-Size sowie X- und Y-Shift. Aufgrund der vergleichsweise geringen Durchfahrtshöhe der Fräse war die Aufspannung des fertigen Gehäuses allerdings recht abenteuerlich.

sehr wenig Platz

Löcher für die Potis

Die ursprünglich verbauten 20-Gang-Spindeltrimmer wurden durch 10-Gang-Potis ersetzt. Durch die geringere Ganganzahl musste ich die Potis deutlich genauer an den tatsächlich benötigten Regelbereich anpassen, um die gleiche Feinfühligkeit wie mit den Spindeltrimmern zu erreichen. Die jeweiligen Minimal- und Maximalwerte wurden dabei experimentell ermittelt.

Bei den Size-Potis wurde der kleinste benötigte Wert bereits als fester Widerstand vorgeschaltet, sodass das Poti nur noch den verbleibenden Bereich bis zum Maximalwert abdecken muss.
Die Werte sind dabei:
R10 (ursprünglich 20kΩ) jetzt 5k mit Vorwiderstand 1,8kΩ
R14 (ursprünglich 20kΩ) jetzt 10k mit Vorwiderstand 3,9kΩ

Bei den Shift-Potis wurde der nicht benötigte Einstellbereich symmetrisch ausgelagert und der Wert des Potis entsprechend verkleinert.
Die Werte sind dabei:
R31 (ursprünglich 2kΩ) jetzt 1kΩ und R27 und R33 (ursprünglich 1kΩ) jetzt 1,5kΩ
R41 (ursprünglich 2kΩ) jetzt 500Ω und R37 und R43 (ursprünglich 1kΩ) jetzt 1,8kΩ

Aber Achtung!!!

Diese Modifikation hat nicht nur Vorteile.
Im Originalprojekt sind die Ablenkeinheiten für X und Y identisch ausgelegt. Dadurch spielt die Einbaulage der Röhre praktisch keine Rolle – die Zuordnung der Achsen ergibt sich allein aus der Verdrahtung.

Warum sind die Ablenkeinheiten bei mir nicht mehr identisch aufgebaut?
Der Grund liegt im inneren Aufbau der Röhre.
Die Ablenkplatten sind nicht symmetrisch angeordnet – ein Plattenpaar sitzt näher an der Kathode, das andere näher am Schirm.
Dadurch unterscheiden sich die benötigten Ablenkspannungen bei identischer Auslenkung des Elektronenstrahls:
Kathodennahe Platten benötigen für die gleiche Auslenkung des Elektronenstrahls eine deutlich geringere Spannung als schirmnahe Platten.
Im ursprünglichen Projekt fällt das kaum ins Gewicht, da beide Achsen über einen großzügigen Einstellbereich verfügen. Durch meine enger gefassten Regelbereiche wird dieser Unterschied jedoch relevant – und die Einbaulage der Röhre spielt plötzlich eine entscheidende Rolle.

Die Modifikation macht die Schaltung etwas weniger universell und erschwert im Zweifel auch die Anpassung an andere Röhrentypen. Der ursprüngliche, größere Einstellbereich war hier deutlich toleranter ausgelegt.

Hinzu kommt, dass ich meine Röhre bewusst um 90° gegenüber dem Originalprojekt gedreht eingebaut habe. Auf der Röhre befindet sich eine aufgedruckte Nummer (sieht stark nach einer Bundeswehr-Versorgungsnummer aus) – mir war wichtig, dass diese oben und nicht seitlich zu sehen ist.
Daher habe ich mich an der Darstellung im Datenblatt orientiert und die Röhre entsprechend montiert.

Das bedeutet konkret:
Die Ablenkplatten D3/D4 übernehmen bei mir die X-Ablenkung und D1/D2 die Y-Ablenkung – also genau andersherum als im ursprünglichen Aufbau.
Die entsprechende Verdrahtung ist der Tabelle unten zu entnehmen:

Röhrenpin	Signal	Beschreibung	Pin Con3
1	f	Heizung 6,3V 80mA	10 (schwarz)
2	f	Heizung 6,3V 80mA	9 (braun)
3	g1	Sperrgitter -250...0V	8 (rot)
4	k	Kathode	7 (orange)
5	g3	Fokusgitter 500V	6 (gelb)
6	D2	Ablenkplatte (bei mir Y) 40...45V	2 (grau)
7	D1	Ablenkplatte (bei mir Y) 40...45V	1 (weiß)
8	a	Anode 600...1000V	5 (grün)
9	D3	Ablenkplatte (bei mir X) 21...24V	4 (blau)
10	D4	Ablenkplatte (bei mir X) 21...24V	3 (violett)
11	n.c.	nicht verbunden

So eine Holzplatte ist natürlich viel zu dick für die Verschraubung eines Potis. Der nachträgliche Einbau machte es auch unmöglich, Vertiefungen auf der Innenseite einzufräsen.

An dieser Stelle kam mir wieder ein langjähriger Bekannter zu Hilfe: Dieter Freind, der mich schon des Öfteren mit Fräs- und Drehteilen versorgt hat. Der Ablauf ist dabei für mich denkbar einfach – ich schicke ihm eine technische Zeichnung, die ein Metaller vermutlich eher als Skizze bezeichnen würde, und ein paar Tage später halte ich genau das passende Teil in den Händen – und das in überragender Qualität. Das Ganze entsteht bei ihm im privaten Keller, auf zum Teil selbst gebauten Maschinen.

So hat Dieter auch hier die passenden Adapterhülsen aus Messing gedreht – vielen Dank dafür!

Bearbeitung Radius	Gewinde bohren
Bauteil abstechen	fertig :-)
wunderschön	liebevoll verpackt

Laserbeschriftung und Endmontage

Bevor die neuen Potis endgültig montiert werden konnten, fehlte noch eine saubere Beschriftung der Bedienelemente. Da die Potis nun von außen zugänglich sind, sollten die Funktionen natürlich auch direkt am Gehäuse erkennbar sein. Glücklicherweise musste ich dafür nicht lange suchen: Mein Nachbar ist Inhaber von Clotna Holz Design und besitzt unter anderem eine Laser-Graviermaschine. Damit bot sich die Möglichkeit an, die Beschriftung direkt in das Holz einzubrennen.

Bevor es an das eigentliche Gehäuse ging, wurden zunächst einige Testgravuren auf einem Reststück aus dem gleichen Holz durchgeführt. Dabei haben wir verschiedene Kombinationen aus Laserleistung und Verfahrgeschwindigkeit getestet, um einen möglichst sauberen und kontrastreichen Schriftzug zu erhalten.

Vielen Dank an Clotna Holz Design für die Unterstützung bei der Laserbeschriftung und die hervorragende Umsetzung.

Test verschiedener Laserparameter

fertige Gravur im Gehäuse

Nachdem die passenden Parameter gefunden waren, wurde schließlich das eigentliche Gehäuse beschriftet. Das Ergebnis passt optisch hervorragend zum geölten Buchenholz und wirkt insgesammt stimmig. Anschließend konnten auch die zuvor von Dieter angefertigten Messinghülsen und die neuen Potis endgültig montiert werden. Die Adapterhülsen ermöglichen trotz der vergleichsweise dicken Holzwände eine stabile und saubere Befestigung.

Wie man auf den Bildern erkennen kann, sind die Achsen der Potis leicht in den Messinghülsen versenkt. Das war von Anfang an so vorgesehen und wurde bewusst in Kauf genommen. Zum einen ergibt sich dadurch eine saubere und geschützte Optik, zum anderen sollen die Einstellungen nicht versehentlich verändert werden können. Mit einem gewöhnlichen Schraubendreher lassen sich die Metallachsen bei Bedarf dennoch problemlos erreichen.

Insgesamt hat der Umbau die Wirkung der Uhr nochmals deutlich verändert. Die Kombination aus geöltem Holz, Messing und den Edelstahlelementen harmoniert meiner Meinung nach ausgesprochen gut und verleiht dem gesamten Aufbau eine deutlich hochwertigere Anmutung.