Danas je nabavljen mjerni most za mjerenje otpora, induktiviteta i kapaciteta (RLC metar) oznake IB-2, sastavljen iz KIT kompleta američke tvrtke Heathkit iz 1955. godine.
Tvrtka Heathkit osnovana je 1926. godine te posluje i danas, a kroz čitavo razdoblje poznata je po prodaji elektroničkih setova elemenata (KIT kompleta) iz kojih su kupci samostalno sklapali elektroničke uređaje. KIT kompleti tvrtke Heathkit uključuju mjerne, ispitne i testne instrumente za elektroniku, zatim audio, radio i TV uređaje, robote, računala i drugo. Tvrtka je KIT komplete proizvodila u razdoblju 1947. – 1992. godine, a nakon toga se prebacila na proizvodnju edukacijske opreme i senzora pokreta za kontrolu rasvjete. Posao sa senzorskom rasvjetom je 2000. godine prodan, a 2011. godine Heathkit je ponovno pokušao pokrenuti posao sa KIT elektroničkim kompletima, no već iduće godine proglašen je bankrot. Nakon toga dolazi do promjene vlasništva, reorganizacije i rekonstrukcije tvrtke tako da od 2018. godine tvrtka Heathkit ponovno nudi internetsku prodaju širokog spektra različitih KIT elektroničkih kompleta te komponenti i pribora za elektroniku.
Impedance Bridge IB-2 omogućuje pet vrsti mjerenja:
- R – mjerenje otpora u rasponu 0,1 Ω do 10 MΩ
- C – mjerenje kapaciteta kondenzatora u rasponu 10 pF do 100 µF
- L – mjerenja induktiviteta u rasponu 10 µH do 100 H
- D – mjerenje faktora gubitaka kondenzatora u rasponu 0,002 do 1
- Q – mjerenje faktora dobrote induktiviteta u rasponu 0,1 do 1000
Točnost mjerenja je u granicama ±3% za mjerenje otpora i kapaciteta, ±10% za mjerenje induktiviteta i ±20% za mjerenje faktora gubitaka i dobrote.
Za mjerenje otpora se koristi Wheatstone most, za mjerenje kapaciteta i faktora gubitaka kondenzatora koristi se mjerni most na principu usporedbe sa serijskim spojem otpornika i kondenzatora poznatih vrijednosti, za mjerenje induktiviteta faktora dobrote ispod 10 koristi se Maxwellov most, a za mjerenje induktiviteta faktora dobrote iznad 10 koristi se Hayov most.
Wheatstone most za mjerenje otpora se napaja internim istosmjernim naponom, a svi ostali mostovi izmjeničnim naponom preko internog sinusnog generatora frekvencije 1 kHz. Također, za preciznija mjerenja moguće je koristiti pogodne vanjske izvore napajanja mostova preko priključnice EXT. GEN. (viši istosmjerni naponi za Wheatstone most i različite frekvencije za L i C mjerenja). Jednako tako za finija mjerenja moguće je na priključnicama EXT. DET. koristiti neki osjetljiviji vanjski galvanometar.
Impedance Bridge IB-2 ima četiri mjerne skale. Desno je CLR skala koju čini kombinacija sklopke sa podjelama od 0 do 9 i potenciometra sa podjelama od 0 do 1 (najmanja podjela 0,01). Time se praktično dobiva raspon vrijednosti od 0 do 10 sa finoćom od 0,01. Ovom skalom se mjere C, L i R vrijednosti koje se množe ovisno o opsegu odabranom sklopkom MULTIPLY. Lijevo je potenciometar sa dvije skale kojima se mjere faktori gubitaka i dobrote (D i Q). Skale su sa podjelama 0 do 10 i 10 do 1000, a odabir skale se vrši sklopkom SCALE/RANGE.
Možemo vidjeti da bi se teoretski ovdje mogao izmjeriti otpor od 1 mΩ (0,01 x 0,1 Ω) no za to ipak postoje praktična ograničenja jer niz faktora može utjecati na precizno mjerenje tako malih otpora. To su u prvom redu prijelazni otpori na samim mjernim spojevima, unutrašnji otpori mjernih žica, unutrašnji otpor mjernog mosta i drugi parazitski otpori koje je potrebno na neki način kompenzirati. Iako se Wheatstone mostom teoretski mogu mjeriti i vrlo mali otpori njegova praktična izvedba za takva mjerenja iz navedenih razloga mora biti specifična (4-žično povezivanje kako otpor mjernih žica ne bi utjecao na mjerenje), a i tada je teško dobiti zadovoljavajuću osjetljivost mjernog mosta, pogotovo ako se ne koristi osjetljivi galvanometar (nul-metar) i dovoljno visok napon napajanja mosta. Za mjerenje vrlo malih otpora redovito se koristi Thomsonov mjerni most.
Za mjerenje kapaciteta i induktiviteta mogu se koristiti različite metode i različiti mjerni mostovi napajani izmjeničnom strujom. Najčešće korišten most za mjerenje kapaciteta je komparacijski most sa serijskim spojem otpornika i kondenzatora u jednoj mjernoj grani, a za mjerenje induktiviteta se najčešće koristi Maxwellov most (ponegdje se naziva Maxwell-Wienov most). Međutim, za mjerenje zavojnica sa visokim faktorom dobrote pogodniji je Hayov most jer bi za takvo mjerenje otpornik u jednoj grani Maxwellovog mosta morao imati nepraktično veliku vrijednost. Upravo ovi mostovi se koriste i u našem mjeraču Impedance Bridge IB-2.
Kod mjerača kapaciteta i induktiviteta treba biti svjestan činjenice da takvi uređaji ne mjere izravno kapacitet ili induktivitet, nego mjere induktivni ili kapacitivni otpor, odnosno složenu impedanciju elementa koja se sastoji od kapacitivne, induktivne i omske komponente. Niti jedan otpornik, kondenzator ili zavojnica ne može realno biti konstruiran potpuno idealno tako da sadrži samo čistu R, L ili C komponentu. Svi ti elementi sadrže kompleksnu impedanciju koja se osim od nazivne sastoji i određenog dijela druge dvije (parazitske) komponente. Tako se stvarni kondenzator ne ponaša samo kao kapacitet već sadrži i određene parazitske otpore i induktivitete. Jednako tako stvarna zavojnica se ne ponaša samo kao čisti induktivitet već sadrži određene parazitske otpore i kapacitete. Otpornik na istosmjernoj struji pokazuje samo radni otpor, no u izmjeničnom strujnom krugu također do izražaja dolaze i njegove kapacitivne i induktivne komponente. Te neželjene (parazitske) komponente se mogu do određene mjere smanjiti posebnim konstrukcijama elemenata, no nikad se ne mogu u potpunosti izbjeći.
Teoretski, kapacitet kondenzatora i induktivitet zavojnice ne ovise o frekvenciji ako ih zamišljamo kao savršene elemente. Međutim, s obzirom da svaka ta komponenta praktično pokazuje svoju kompleksnu impedanciju, koja svakako ovisi o frekvenciji, onda i praktično mjerenje kapaciteta i induktiviteta ovisi o frekvenciji. Ukoliko imate neki noviji RLC metar sa mogućnosti izbora više mjernih frekvencija, svakako ste primijetili kako će instrument na različitim frekvencijama pokazati različite vrijednosti kapaciteta ili induktiviteta istog elementa, koje se na pojedinim frekvencijama mogu i znatno razlikovati. Ovome su razlog upravo te parazitske reaktancije. Da stvar bude gora, na određenoj frekvenciji se postiže rezonancija kapacitivne komponente sa parazitskom induktivnom komponentom kod kondenzatora, odnosno induktivne komponente sa parazitskim kapacitetom kod zavojnice. Oko te frekvencije onda mjerene vrijednosti naglo rastu prvo u jednom smjeru reaktancije, na točnoj rezonantnoj frekvenciji vrijednost pada na nulu, a zatim slijedi rast vrijednosti u drugom suprotnom smjeru reaktancije (kondenzator se prikazuje kao zavojnica). Možemo reći da kapacitet kondenzatora i induktivitet zavojnice ovise isključivo o upotrijebljenim materijalima i fizičkoj izvedbi istih te ne ovisi o frekvenciji, no kod mjerenja tih vrijednosti ne može se izbjeći stvarna kompleksna impedancija tih elemenata koja svakako ovisi o frekvenciji.
Nazivni kapacitet (ili induktivitet) koji piše na elementu stoga praktično gledano predstavlja tu vrijednost na određenoj mjernoj frekvenciji. Proizvođači na komponente ne otiskuju vrijednosti ispitnih napona jer su te vrijednosti uglavnom standardizirane iako naravno svaki proizvođač za neke specifične slučajeve može odrediti svoj standard. Tako se za kondenzatore do 1 nF uzima ispitna frekvencija od 1 MHz, a za kondenzatore 1 nF do 10 µF ispitna frekvencija je 1 kHz. Za elektrolitske kondenzatore iznad 10 µF ispitna frekvencija je 120 Hz. Osim adekvatne frekvencije potrebno je osigurati i adekvatnu amplitudu mjernog napona kako bi se osigurala dovoljna struja za svladavanje moguće vrlo niskih impedancija pojedinih elemenata. Amplitude mjernih napona se kreću u rasponu 0,5 – 5 Vrms. Sve ovo su orijentacione vrijednosti i za točno mjerenje je potrebno poznavati specifikacije i uvjete mjerenja koje propisuje proizvođač, a također je potrebno i dobro poznavati vlastiti RLC mjerač glede njegovih mogućnosti, ograničenja, tolerancija i zadanih uvjeta mjerenja.
Naš Impedance Bridge IB-2 ima samo jednu mjernu frekvenciju od 1 kHz i podesivu amplitudu mjernog napona pomoću potenciometra GEN. LEVEL. Za elemente čije vrijednosti su tvornički deklarirane za druge mjerne frekvencije moramo koristiti vanjske generatore te frekvencije (EXT. GEN.) kako bi mjerenje bilo usporedivo. Za mjerenje se koriste mostovi sastavljeni od R i C elemenata koji će biti u ravnoteži samo ako su amplitude i faze impedancija u granama mosta u ravnoteži. Jednostavno objašnjeno, promjenjivim elementima mosta mijenjamo RLC vrijednosti dok ne pronađemo one vrijednosti pojedinačnih elemenata kompleksne impedancije koje odgovaraju onima na elementu kojeg mjerimo. U praksi se uvijek gleda da ti promjenjivi elementi mjernog mosta budu otpornici jer je lakše naći (izraditi) precizne otpornike nego kondenzatore i zavojnice, a također je i konstrukcija potenciometra puno jednostavnija od promjenjivih zavojnica i kondenzatora. Tako su i kod naših mjernih mostova promjenjivi elementi samo otpornici.
Elektronička shema sadrži puno složenih sklopki te je teško uočiti pojedinačne krugove za svaku vrstu mjerenja. Za početak ćemo izdvojiti sheme napajanja mjernih mostova i sheme detektorskog kruga sa nul-metrom.
Impedance Bridge IB-2 sadrži četiri elektronske cijevi: dvije pentode 1U4 i 1L4 rade u krugu oscilatora izmjeničnog napona 1 kHz za napajanje izmjeničnih mjernih mostova, a druge dvije pentode 1U4 i 1L4 rade u krugu mjernog pojačala za galvanometar (nul-metar).
Pentode 1U4 i 1L4 američkih proizvođača General Electric i Tung-Sol.
Mrežni transformator ima dva sekundarna namotaja: preko jednog se osigurava anodni napon za elektronske cijevi (max 110 V), a preko drugog napon grijanja elektronskih cijevi (1,4 V / 50 mA). Taj napon se također koristi za kontrolnu lampicu (PILOT) i napajanje istosmjernog mjernog mosta. Grijači po dvije elektronke spojeni su u seriju tako da ova linija daje napon od cca 2,8 V. Kao što se vidi na tvorničkoj shemi, anodni napon se ispravlja preko jedne diode, a napon od 2,8 V se ispravlja preko mosnog diodnog ispravljača.
Autotransformator 220/110 V i mrežni transformator 110 V na 120 V i 5,35 V. Mrežni dio može biti različito izveden kod različitih inačica uređaja. Ponegdje je ugrađen jedan mrežni transformator sa dva primarna namotaja koje je moguće spojiti za mrežni napon od 110 ili 220 V. Također i sekundarni namotaji mogu davati različite napone koji se onda dalje reguliraju otpornicima.
Slika lijevo: Siemensov mosni selenski ispravljač (30 V / 250 mA) za liniju 2,8 V (grijanje elektronskih cijevi, pilot kontrolna žaruljica i napajanje istosmjernog mjernog mosta) zamijenjen je sa četiri poluvodičke diode. Slika desno: Rani model silicijske ispravljačke diode za liniju 120 V (anodni naponi).
Izmjenični napon za napajanje mosta dobiva se iz posebnog oscilatora sa pentodom 1U4 (RC oscilator sa pomakom faze) i pentodom 1L4 (izlazno pojačalo). Fino podešavanje frekvencije može se ugoditi trimer-kondenzatorom od 330 pF. Sinusni napon frekvencije 1 kHz uvodi se na mjerne mostove preko posebnog transformatora, a omjer transformacije se mijenja na primarnom namotaju ovisno o odabranom mjernom opsegu (MULTIPLY).
Transformator za napajanje izmjeničnih mjernih mostova.
Detektorski, odnosno mjerni krug može se konfigurirati na četiri načina. Za izmjenične mostove se koristi izmjenično mjerno pojačalo sa pentodama 1U4 i 1L4 te ispravljačka dioda (AC INT.), dok se za istosmjerni most ovo pojačalo ne koristi. Kod mjerenja otpora preko istosmjernog mosta instrument je izravno spojen na most (DC METER), no za početno ugađanja mosta paralelno instrumentu se spaja shunt otpornik od 2,2 Ω kako bi se instrument zaštitio od prevelike struje dok je most daleko izvan ravnoteže (DC SHUNT). Za sva mjerenja je umjesto internih napajanja moguće koristiti i neko vanjsko istosmjerno, odnosno izmjenično napajanje (AC EXT.).
Kao ispravljačka (detektorska) dioda za mjerni instrument koristi se neki tip suhog ispravljača, moguće sirutor (inačica bakar-oksidnog ispravljača) ili manje vjerojatno selenski ispravljački element (vidi objavu Multimetar Normameter GW Ohm). Otisnuta oznaka je “Bradley Labs, Inc – USA”.
Mjerni mostovi se preko sklopki konfiguriraju od RC elemenata ovisno o vrsti mjerenja.
Elektronička shema Wheatstone mjernog mosta za mjerenje otpora. Otpornici u dvije grane mosta (promjena mjernih opsega) ovdje se mijenjanju paralelno. Postoji vrlo puno praktičnih izvedbi Wheatstone mjernog mosta, a teži se naravno tome da se uz upotrebu što manje preciznih otpornika, preklopnika i drugih komponenti dobije što širi i što precizniji raspon mjerenja.
Most za mjerenje kapaciteta i gubitaka kondenzatora. Ovo je najčešće praktično korišten mjerni most za tu namjenu. Potenciometrima R3 ugađa se fazni pomak, odnosno mjeri kut gubitaka kondenzatora.
Maxwellov (Maxwell-Wienov) most najčešći je tip mosta za mjerenje induktiviteta i faktora dobrote zavojnica. Kad bi promjenjivi elementi bili C1 i R1 onda bi ugađanje ovih elementa bilo međusobno neovisno što bi olakšalo traženje ravnoteže mosta. Međutim, iz praktičnih razloga ovdje se mijenjanju elementi R1, R2 i R3 i time onda nisu zadovoljeni uvjeti neovisnog ugađanja. Mogućnost dobrog ugađanja dobiva se kad je faktor dobrote (ωLx/Rx) veći od 1.
Za mjerenje zavojnica sa visokim faktorom dobrote (Q) pogodniji je Hayov most jer bi za takvo mjerenje otpornik u jednoj grani Maxwellovog mosta morao imati nepraktično veliku vrijednost. Iz formula vidimo da ovdje frekvencija napajanja mosta ima utjecaj na određivanje Lx i Rx što nije bio slučaj kod ostalih mostova. Međutim, ako se ovaj most koristi samo za mjerenje induktiviteta sa visokim Q faktorom onda točno poznavanje frekvencije nije nužno jer je vrijednost 1/Q2 iz nazivnika formule za Lx zanemarivo prema jedinici. I ovdje se zbog praktičnih razloga ne ugađa C1, već R1, R2 i R3.
Kondenzatori sa dielektrikom od tinjca ili liskuna (mica) koriste se još od sredine 19. stoljeća. Tinjac ima dobru dielektrična i mehanička svojstva te omogućuje izradu kvalitetnih kondenzatora za visoke frekvencije. Zbog nestašice ili visoke cijene liskuna razvili su se kondenzatori sa keramičkom ili papirnatom izolacijom.
Na slici lijevo su “MICAMOLD” kondenzatori u kućištu od lijevanog bakelita. Naziv MicaMold sugerira da se radi o liskunskim kondenzatorima, no ovi kondenzatori su upravo razvijeni kako zamjena za liskunske kondenzatore, tijekom 2. svjetskog rata kad je vladala nestašica liskuna. Stoga neki tipovi kondenzatora pod tim nazivom ne sadrže liskunski već papirnati dielektrik. Općenito se smatra da MicaMold kondenzatori manjeg kapaciteta (do nekoliko nF) stvarno sadrže tinjac, a oni većeg kapaciteta imaju dielektrik od papira.
Na slici desno je primjerak preciznog siver-mica kondenzatora (srebrni tinjac, srebrni liskun) američkog proizvođača L.E.M. Kod ovih kondenzatora tinjac je sa obje strane presvučen srebrom. Ovakav tip kondenzatora razvila je Dubilier Condenser Company 1920. godine. To je vrlo kvalitetan kondenzator i u našem slučaju se nalazi u mostu za mjerenje kapaciteta i gubitaka kondenzatora.
Kondenzatori američkih proizvođača Magnavox i Astron. Ovakvi kondenzatori iz 1950/60-tih godina su i danas traženi za restauracije starih uređaja, posebice za audio pojačala kod kojih audiofili žele sačuvati originalni zvuk. Ovdje nećemo ulaziti u raspravu da li se stvarno može osjetiti razlika u zvuku zbog zamjene starog kondenzatora nekim modernim ekvivalentom. No činjenica je da bilo kakva promjena kondenzatora neminovno nosi za sobom i neke razlike u kapacitetu (standardne tolerancije), a svakako i razlike u složenim impedancijama (ekvivalentni otpor i induktivna reaktancija) koje se mijenjaju duž audio frekvencijskog opsega. To se onda može odraziti na linearnost frekvencijske karakteristike što će dobro uho moguće zamijetiti u boji izlaznog zvuka.
Dvostruki elektrolitski kondenzator za RC filtar anodnog napona američke tvrtke Industrial Condenser Corporation. Ovaj papirnati kondenzator je sasvim sigurno davno osušen i potrebno ga je zamijeniti. Općenito gledano, osnovna elektronička restauracija ovog uređaja nije komplicirana ni skupa, no jednostavno je šteta baciti ovaj lijepi vintage kondenzator i umjesto njega ugraditi neki moderni ekvivalent. Uz današnju modernu instrumentaciju više se nitko ionako neće koristiti ovakvim RLC metrom pa je stoga najbolje sačuvati unutrašnjost u izvornom obliku. Točno da bi bilo lijepo osposobiti i testirati rad uređaja, no onda bi trebalo provjeriti i zamijeniti baš sve komponente kritičnih tolerancija koje čine grane mjernih mostova, a jednako tako je potrebno provjeriti i očistiti sve sklopke i potenciometre. Bez toga ne možemo ocjenjivati stvarnu točnost, performanse ni mogućnosti uređaja.
Precizni mjerni otpornici u granama mjernih mostova.
Računanje i mjerenje kompleksnih impedancija nije jednostavno te zahtjeva specifično znanje i stručnost iz tog područja elektronike. Danas se relativno jeftino mogu nabaviti RLC mjerni instrumenti koji automatski odabiru frekvencije, konvertiraju impedanciju u kapacitet i induktivitet te računaju sve nadomjesne parametre realnog elementa uključujući fazne kutove između struje i napona, faktor dobrote, faktor gubitka, modul impedancije, praktično sve ekvivalentne serijske i paralelne kompleksne impedancije. Međutim, sve to ništa ne znači ako ne znamo makar osnovnu teoriju tih mjerenja i ako ne znamo koji su parametri zapravo važni za primjenu određenog elementa u nekom elektroničkom sklopu.