最近になって電子工作でニキシー管を扱ったのでいろいろまとめてみました。
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データシートを読む
まずはデータシートを確認します。これはネットで拾ったIN-12のもの。
とりあえず理解するためにロシア語から翻訳します。OCRにかけてテキストを抽出してDeepL翻訳で読んでいきます。最初はchatGPTにPDFを投げて翻訳しようとしましたが肝心の数値を改ざんされてしまったのでこのやり方にしました。
以下はピンアサインなどを除いた文を翻訳したもの。
シンボル型グロー放電インジケータ
IN-12A及びIN-12Bは幅広い用途の装置において電気信号をデジタル形式で視覚的に表示するために設計されています。
第1端子は矢印で示されています。
ピン配置 RSH31a OST 11 P0 073.008-72 (18ピン及び14ピンは存在しません)
端子の記号は、管をピンの縁側から見た場合を示しています。
主な電気的および光学的特性
放電開始電圧：最大170V
表示電流 数字：最大2.5mA, コンマ：最大0.3mA
カソード輝度：最小100cd/m2
視野角：最小30°
許容動作モード
電源電圧：200V以上
放電維持電圧：120～170V
直流電源供給時の動作電流 数字：2～3.5mA, コンマ：0.7mA
50Hz半波整流回路使用時の平均動作電流 数字：2mA, コンマ：0.2mA
使用上の注意
1. 使用および操作に関する指示 — OST 11 339.003-75 に準拠。
2. ピンは管のベースから 4 mm 以上離してはんだ付けすること。
回路設計で必要なのは、電気的および光学的特性と許容動作モード(訳文ママ)の部分ですね。電極間に最大でも170Vをかければ放電して、数字は2.5mA、コンマは0.3mA流せば表示されるようです(このあと書かれている数値を見るに絶対最大定格ではなさそう)。
電源電圧は200V以上として、推奨動作電流は数字が2～3.5mA、コンマが0.7mAだそうです。放電時の電極間の電圧(放電維持電圧)は120~170Vの間とあります。
点灯させてみる
200Vの電源を使用して、100kΩの電流制限抵抗をはさんで”8″を表示させます。
このとき、電極間の電圧（放電維持電圧）は 127.5V、電流制限抵抗の両端には 76.7V がかかっていました。
抵抗に流れる電流は、オームの法則より
- 76.7V ÷ 100kΩ ＝ 0.767mA
となり、実測値とほぼ一致します。
つまり、電源電圧と放電維持電圧が分かれば、任意の表示電流を流すための電流制限抵抗は計算で求められることになります。
しかし、データシートに記載されている放電維持電圧は 120～170V と幅が広く、この値だけを使って抵抗値を決めるのは現実的ではありません。
実際に放電維持電圧を測定してみると、表示電流が 2～3.5mA の範囲では 134.3～141.6V となっており、表示電流によって放電維持電圧がわずかに変動することが分かりました。
結局のところ、データシートを見るだけでは電流制限抵抗の値を決定するのは難しいようです。試験点灯で放電維持電圧のおおよその値を把握し、最終的にはカット＆トライで決めていくのが現実的だと感じました。
表示電流の微調整については、電源電圧を変化させる方法が有効だと思います。ネット上のニキシー管工作の例を見ると、多くのケースでチョッパ型昇圧回路を使って電源を構成しており、この方式であれば、ある程度電圧を可変にできます。
参考として、電源電圧200V の場合、表示電流を 2mA 流すために必要な電流制限抵抗は 32kΩ となりました。
市販の電源モジュール
ニキシー管を動作させるためには200V程度の直流電源が必要となります。しかし一から部品をそろえて昇圧回路を組んだりするのは大変です。そんなときに便利な電源モジュールがAmazonで売っています。「ニキシー管 電源」で検索するとたくさんでてきます。その中で一番安いのを買ってみました。
送料無料で722円でした。もうひとつ別の種類のモジュールも注文したのですが税関で引っかかって届きませんでした。
MAX1771を使った電源です。電圧は150～220Vの間で調整できます。シャットダウン機能がついていて、SHDNピンをHIGHにすると出力をオフにできます。この機能を使わないときはGNDにつないでおきましょう。
配線が付属していましたが、出力の配線の色が間違っていました。基板を確認してどこにつながっているか確かめておきましょう。
動作させてみました。200Vで15mA連続で出力できることを確認しました。このときの入力が12V400mAで、効率は65%程度。
ニキシー管の劣化
ニキシー管の寿命は長く、適切な動作環境下では10年以上持つとされています。全盛期のモデルには公称寿命が20万時間のものもあるとか。
ニキシー管が劣化するとおこる現象としてスパッタリングというものがあります。
これは、放電中に電極から放出された金属原子がガラス内面に蒸着し、めっきのような状態になることで、表示が見えにくくなる現象です。
写真の左が正常な状態、右がスパッタリングが進行したものになります。右のニキシー管は、時計として約8年間使用してきたもので、現時点ではまだ表示に大きな影響は出ていませんが、内部では確実に変化が進んでいることが分かります。
また、ガラスが破損するなどして気密が失われると、ニキシー管は点灯しなくなります。内部のガス環境が保たれていることが、動作の前提条件になります。
さらに、特定の電極だけを長時間使用し続けた場合、使用していないカソードに絶縁膜のようなものが形成され、正常に表示できなくなることがあります。この現象はカソードポイズニングと呼ばれています。
カソードポイズニングが発生した電極に対して、一時的に定格を超える電流を流すことで表示が改善する、という情報もありますが試したことはありません。
ニキシー管の制御とデコーダICについて
ニキシー管の制御について。アノードに200V程度の電圧をかけて、カソードにそれぞれスイッチをつけてGNDにつなぎます。アノードには電流制限抵抗をはさんでおきます。
こうして点灯させたい所の接点をつなぐことですきな表示をさせることができます。このスイッチをトランジスタなどで置き換えるとマイコンで制御することができます。ただ、数字の数だけカソードがあるので制御しなければならないピンが多くて大変です。
そこでニキシー管制御用のデコーダIC(K155ID1など)というものがあります。このICをニキシー管のカソードにつなぐことで、マイコンの4つのピンで10個のカソードを制御することができます。
あらかじめ決められた信号をICに入力することで任意のカソードをGNDに落として点灯させることができます。
スタティック点灯
ニキシー管を使って4桁の数字を表現したいとき、それぞれの管にデコーダICをつないで計16個のピンを使えばいいことになります。
このように、各ニキシー管を個別に制御し、表示させたい電極に常に電流が流れている状態を
スタティック点灯と呼びます。この名称は、後述するダイナミック点灯と対比する呼び方です。
スタティック点灯では、すべての管が常時点灯しているため、ちらつきがなく、表示がきれいに見えるというメリットがあります。
一方で、表示させる管の本数が増えると、
- 消費電力が大きくなる
- 制御しなければならないマイコンのピン数が増える
といった問題があり、規模の大きな表示装置には不向きな方式でもあります。
ダイナミック点灯
ニキシー管や7セグメントLEDなどを効率的に制御するために、ダイナミック点灯というものがあります。ダイナミック点灯は複数の管を同時に点灯させるのではなく、それぞれの管を個別に点灯させて高速で切り替えることで、あたかもすべての管が点灯しているように見せるやり方のことです。
一番左の桁を点灯、消灯、続いて次の桁へ…という流れを高速に繰り返します。
このスピードを速くしていくとすべての桁が同時に点灯しているように見えます。
基本的な構成としては、各桁のアノード側にトランジスタやフォトカプラを入れ、
桁ごとにオン／オフできるようにします。
一方、カソード側はすべての桁で共通化し、デコーダICに接続します。
この構成により、
- アノード側で「どの桁を点灯させるか」
- カソード側で「どの数字を表示するか」
を独立して制御できるようになります。
ダイナミック点灯を採用すると、スタティック点灯に比べて回路を大幅に簡略化できます。アノード側の切り替え回路は必要になりますが、カソード側は全桁共通にできるためです。さらに、実際に点灯しているのは常に1桁だけなので、消費電力も少なく抑えられます。
ただし、すべての点で優れているわけではありません。ダイナミック点灯では、切り替え速度が遅いと表示のちらつきが目立つようになります。1つの桁に注目したとき、次に点灯するまでの時間が20ms以上になると、ちらつきを感じやすい印象です。
また、各桁が実際に点灯している時間は短いため、そのままでは表示が暗くなりやすいという問題もあります。
そのため、実際の工作例ではデータシートで推奨されている電流より多めに流して、明るさを補うことがよく行われます。
ダイナミック点灯の注意点 「ゴースト」について
ゴーストとは、本来は点灯していないはずの数字が、うっすらと光って見えてしまう現象のことです。この現象を理解するためには、実際のスイッチング動作にどれくらいの時間がかかっているのかを知る必要があります。
具体例で考えてみます。ニキシー管のアノード側のスイッチングを、フォトカプラの TLP627 で行うとします。TLP627を使ったスイッチング回路を組み、そのときのアノード電圧をオシロスコープで観測してみます。
上段がアノード電圧（100V/div）、下段がマイコンの出力信号です。掃引速度は 1ms/div に設定しています。マイコンの出力がオフになると、アノード電圧はすぐには下がらず、少し遅れて減少していく様子が確認できます。
この波形では、アノード電圧が放電維持電圧の下限である約120Vまで下がるのに、およそ1msかかっています。この電圧が十分に下がりきる前に、次の桁に対応するカソード制御信号を出してしまうと、意図しない数字が表示されてしまいます。これがゴースト現象です。
この問題を防ぐには、アノード制御をオフにしてから次のカソード制御信号を出すまでの間に、一定の待ち時間を設けます。アノード電圧が十分に低下してから次の桁の制御に移ることで、ゴーストを防止できます。なお、デコーダICのスイッチング速度はフォトカプラに比べて十分に速いため、特別に意識する必要はありません。
今回使用している TLP627 は、内部にダーリントン接続トランジスタを採用しているため、スイッチング速度が比較的遅いという特性があります。より高速にスイッチングできる素子をアノード制御に使用すれば、この待機時間をさらに短縮することが可能です。
以上、ニキシー管の基本的な使い方でした。次は実際に作ったものを紹介します。
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