Namjensko mjerno pojačalo RIZ

Danas je dobiveno na razmatranje (zahvala gospodinu Vuku, ekspertu za cijevna pojačala i kolekcionaru Iskrinih vintage uređaja) namjenski konstruirano mjerno pojačalo koje se vjerojatno koristilo u proizvodnim pogonima RIZ-a (Radioindustrija Zagreb) za ispitivanje nekih specifičnih elektroničkih elemenata, krugova ili sklopova. Uređaj datira s početka 1970-tih godina.

Testni uređaj opremljen je sa dva mjerna instrumenta: ampermetrom sa zakretnim svitkom mjernog raspona do 100 mA i digitalnim voltmetrom sa Nixie cijevima mjernog raspona do 1,999 V. Nadalje, vidimo da je moguće odabrati četiri vrste mjerenja (IC, IL, IR, VF) te mjerne napone od 5 V, 10 V i 15 V. Postoje dva seta priključnica, jedne označene sa EMITER, a druge sa DETECT. Na priključnicama EMITER moguće je fino regulirati struju ili napon (EMITER/ADJ).

Sve upućuje da se sa priključnica EMITER dovodi neka mjerna struja/napon na testni uređaj, a zatim se na priključnicama DETECT mjeri izlazni odziv tog uređaja. Izmjerili smo stoga napone koji se pojavljuju na priključnicama pri svakoj vrsti mjerenja.

Na vrsti mjerenja IC na priključnici EMITER dobivamo nešto nalik trokutastom naponu frekvencije 50 Hz i amplitude cca 4 Vpp što bi mogao biti i neki mrežni šum. Na priključnici DETECT pak dobivamo svojevrsnu kombinaciju pravokutnog i impulsnog pozitivnog napona frekvencije 50 Hz i amplitude cca 30 Vpp.

Na vrsti mjerenja IL na priključnici EMITER dobivamo svojevrsni impulsni napon ili punovalno ispravljeni napon frekvencije 100 Hz i amplitude cca 3,4 Vpp koji je moguće pozivno biasirati na napon u rasponu 9,6 – 13,8 V kontrolom EMITER/ADJ. Na priključnici DETECT pak dobivamo istosmjerni napon od 5 V, 10 V ili 15 V ovisno o vrijednosti odabranoj sklopkama na prednjoj ploči.

Na vrsti mjerenja IR na priključnici EMITER dobivamo istosmjerni napon od 2 V. Na priključnici DETECT pak dobivamo sinusni izmjenični napon frekvencije 50 Hz i amplitude cca 400 Vpp. S obzirom da transformator ne daje tako visoke napone, ovo je vjerojatno također neki mrežni šum generiran na visokoj impedanciji osciloskopa.

Na vrsti mjerenja VF na priključnici EMITER, isto kao i na opsegu IL, opet dobivamo svojevrsni impulsni napon frekvencije 100 Hz i amplitude cca 3,4 Vpp koji je moguće pozivno biasirati na napon u rasponu 9,6 – 13,8 V kontrolom EMITER/ADJ. Na priključnici DETECT pak isto kao i na opsegu IR dobivamo sinusni izmjenični napon frekvencije 50 Hz i amplitude cca 400 Vpp.

Nakon svega dobili smo prilično zbunjujuće kombinacije napona na vanjskim priključnicama i zapravo su jedini sigurni istosmjerni naponi od 2V, 5 V, 10 V i 15 V dok su izmjenični valni oblici snimljeni osciloskopom moguće posljedica mrežnih šumova ili neispravnosti originalnih sklopova uređaja. Oznake IC, IL, IR sugeriraju na struje kroz kapacitet, induktivitet ili omski otpor, pa je moguće da su se ovim uređajem mjerile radne i reaktivne (jalove) komponente struja/napona, no problem je što na svakoj vrsti mjerenja dobivamo različite mjerne napone na priključnicama, od niskih istosmjernih i impulsnih do visokih izmjeničnih napona. Kako god bilo, ne možemo nikako utvrditi za koja je točno mjerenja konstruiran ovaj namjenski uređaj, ne možemo ni znati da li je ispravan glede izmjerenih napona, pa idemo pogledati od čega se sastoji.

Ako izuzmemo prednju ploču sa instrumentima i kontrolama, unutrašnjost sadrži dva mrežna transfromatora (jedan za digitalni voltmetar i drugi za napajanje mjernog pojačala) i tiskanu pločicu sa ispravljačima napona i mjernim pojačalom.

Mrežni transformator za napajanje mjernog sklopa sa sekundarnim namotajima od 13V i 19,5V u praznom hodu (lijevo) te mrežni transformator za digitalni voltmetar sa sekundarnim namotajima 160V, 2 x 27V i 6,6V u praznom hodu (desno).

Mjerno pojačalo je konstruirano na Veroboard univerzalnoj pločici dimenzija 12×28 cm. VEROBOARD je trgovačka marka britanske tvrtke Vero Technologies Ltd za proizvodnju Stripboard pločica. Tvrtka je sa plasiranje svojih Veroboard pločica započela početkom 1960-tih godina te je i danas prisutna na tržištu. Stoga se naziv Veroboard često koristi kao sinonim za Stripboard. Na slici desno je bolji pogled na sklopku za izbor vrste mjerenja. Koriste se parcijalno samo tri sekcije sklopke.

Za konstrukciju elektroničkih sklopova koriste se dvije vrste univerzalnih pločica: Breadboard i Stripboard. Breadboard pločice služe za povezivanje elektroničkih elemenata bez lemljenja. Ispod rupičaste maske nalaze se elastični kontakti koji mehanički spajaju element utaknut u pojedinu rupicu. Takve pločice se koriste za eksperimentiranje, testiranje i razvoj pojedinih elektroničkih sklopova i nisu trajnog karaktera.

Stripboard pločice pak su klasične tiskane pločice sa rupicama i bakrenim tiskanim vezama na koje se leme elementi. Rupice mogu biti nepovezane ili povezane raznim uzorcima linija, slično kao što su povezane i na Breadboard pločicama. Posebno su prikladne za brzu i trajnu konstrukciju jednostavnijih elektroničkih sklopova za koje je namjensko dizajniranje i razvijanje pločice neisplativo. Također, ove pločice omogućuju lakše kasnije nadogradnje ili preinake sklopova. Veroboard je britanska trgovačka marka za Stripboard pločice.

Na pločici smo izbrojali šest ispravljačkih dioda i dvadesetak tranzistora od kojih je većina u krugu ispravljača i regulatora napona napajanja, simetričnih ±15 V za operacijska pojačala, te drugih testnih istosmjernih (5 V, 10 V, 15 V) i izmjeničnih napona. Ključni elementi su svakako dva operacijska pojačala oznake QFT-2 američke tvrtke Philbrick/Nexus.

Prva operacijska pojačala konstruirana su u Americi već tijekom 2. svjetskog rata od strane američkog znanstvenika Loebe Julie. Nakon rata nekoliko manjih tvrtki kreće u razvoj operacijskih pojačala za analogna računala, a najpoznatija je bila Philbrick Researches koju je osnovao američki inženjer George A. Philbrick. Tako je krajem 1940-tih, početkom 1950-tih godina Philbrick konstruirao svoje prvo operacijsko pojačalo sa elektronskim cijevima koje se baziralo na Loebe Julie dizajnu. Čim se razvila proizvodnja tranzistora Philbrick konstruira operacijsko pojačala sa germanijskim tranzistorima. Operacijska pojačala su se izrađivala kao gotovi blok moduli već spojeni za pojedine matematičke operacije čime su bili vrlo pogodni za razvoj različitih sklopova. U 1960-tim godinama, razvojem sve većeg broja drugih konkurentskih tvrtki, tvrtka Teledyne je kupila tvrtke Philbrick i Nexus te je nastala nova tvrtka Philbrick/Nexus čiji naziv vidimo na našim operacijskim pojačalima. U kasnijim prestrukturiranjima i tržišnim utakmicama tvrtke Philbrick/Nexus postaje Teledyne Philbrick, zatim Teledyne Semiconductor, pa TelCom Semiconductor i na kraju završava kako dio današnjeg Microchipa.

Operacijsko pojačalo QFT-2 američke tvrtke Philbrick/Nexus prvi put je predstavljeno 1968. godine (gain 200 000, slew rate 10V/µsec, input bias current 10 pA). U svojim prepoznatljivim crnim blok-modulima tvrtka je osim različitih tipova operacijskih pojačala u različitim spojevima proizvodila i različite pretvarače (D/A, A/D, frekvencija u napon, napon u frekvenciju, RMS/DC), množitelje, djelitelje, multipleksore, napajanja i drugo.

S obzirom da našem uređaju kao takvom ne nalazimo neku uporabnu vrijednost, po želji vlasnika iskoristiti ćemo njegovu najljepšu komponentu, a to je digitalni voltmetar sa Nixie cijevima Digilin Digital Instruments Type 2332-532.

Američka tvrtka Digilin Inc. poslovala je u razdoblju 1969-1977. godine. Bila je jedna od vodećih američkih tvrtki za proizvodnju digitalnih panel instrumenata sa Nixie cijevima i LED displejom, te prenosivih baterijskih digitalnih multimetara. Uz oznaku Digilin na prednjoj ploči instrumenata obično bi stajao naziv Digital Instruments ili Dynamic Sciences. Na osnovu oglasa ove tvrtke koje danas možemo naći u časopisima za elektroniku iz 1969. i početka 1970-tih godina čini se da je temeljni instrument bio upravo digitalni voltmetar sa 3 ½ znamenki, mjernog opsega do 1,999 V i točnosti 0,1 %. Razlike su najviše očitovale u izvedbi napajanja (mrežno interno, mrežno vanjsko, baterijsko). Osim panel izvedbi voltmetara, najpoznatiji proizvod tvrtke Digilin bio je multimetar Type 340 također baziran na istom panel voltmetru.

Osim prospekata, nemamo nikakve druge podatke o ovim digitalnim panel voltmetrima, no prema priključnicama na zadnjoj strani jasno je da riječ o vrlo fleksibilnom instrumentu koji se mogao spajati na različita napajanja i mjerna sučelja. U našem slučaju na konektor su zalemljene žice za analogni naponski mjerni ulaz, no instrument se također može koristiti i bez A/D pretvornika izravno preko digitalnih 4-bitnih BCD linija što ga čini pogodnim za primjenu uz digitalne (računalne) sklopove.

Tijekom testa primijetili smo da se naš digitalni instrument nakon nekoliko minuta rada ugasi te eventualno ostanu svijetliti samo tinjalice koje označavaju prvu znamenku 1 i indikaciju negativnog napona. Sve upućuje na loše kondenzatore u krugu napajanja.

Transformator, povezne žice i naponski konektor za digitalni voltmetar očito nisu originalni, pa je konstruktor uređaja uredno popisao koje žice vode koji napon na ispravljačku pločicu instrumenta.

Voltmetar se sastoji od tri pločice: pločica sa ispravljačima, filtrima i stabilizatorima napajanja, pločica sa mjernim pojačalom i A/D pretvornikom, te pločica sa logičkim krugovima, dekadskim brojačima i BCD/decimalnim driverima za Nixie cijevi.

Upotrijebljene su Nixie cijevi ZM1000 trgovačke marke Amperex. Za rad cijevi potreban je minimalan anodni napon od 170 V (4,5 mA). Proizvođač elektronskih cijevi i poluvodiča Amperex Electronic Corporation osnovana je tijekom 1920-tih godina i izvorno je bila američka tvrtka, no 1955. godine ju je kupio nizozemski Philips koji je marku Amperex nastavio koristiti za distribuciju svojih elektronskih cijevi na američko tržište.

Pločica sa ispravljačima, filtrima i stabilizatorima napona napajanja

Prvo smo provjerili izmjenične sekundarne napone iz mrežnog transformatora i utvrdili da oni na 220 V odgovaraju natpisima na kućištu: 5 V, 2 x 25 V i 150 V. Iz ovoga se trebaju dobiti tri istosmjerna napona:

5 V za rad logičkih integriranih krugova
cca 2 x 24 V za mjerno pojačalo i A/D pretvornik
minimalno 170 V za anodni napon Nixie cijevi

Pregledom pločice može se vidjeti da su na njoj već rađene neke preinake i zamjene komponenti. U ispravljačkoj grani 5 V originalne diode zamijenjene su mosnim ispravljačem (B125 C800), a dobiveni istosmjerni napon zatim se regulira serijskim segulatorom sa tranzistorom i zener diodom. Izmjereno je 4,88 V.

U ispravljačkoj grani 2 x 24 V rade četiri diode u mosnom spoju. U tom krugu vidimo još dvije zener diode, 1N969 za 22 V i 1N970 za 24 V što sa pripadajućim tranzistorima čini stabilizatore za -22 V i +24 V. Izmjereno je -21,5 i + 23,8 V no mi ćemo u daljnjem tekstu zaokružiti ove vrijednosti. I ovdje je već vršena zamjena filtarskih kondenzatora i tranzistora za stabilizaciju napona.

U ispravljačkoj grani 170 V radi samo jedna dioda (poluvalno ispravljanje) i osim filtarskog kondenzatora 12 µF / 250 V nema druge stabilizacije. Stoga je izmjeren napon od 218 V u praznom hodu, što je vršni napon na koji se nabije filtarski kondenzator i taj napon će sigurno pasti nekoliko desetaka volti kad se spoje Nixie cijevi.

Uz to, na pločici se nalazi bar još sedam tranzistora koji ne pripadaju krugu stabilizacije ovih napona. Naime, pločica preko 14-pinskog konektora napaja logiku i Nixie cijevi (5 V, 170 V), a preko 16-pinskog konektora napaja mjerno pojačali i A/D pretvornik (-22 V, +24 V). Također, kroz pločicu napajanja preko ovih konektora se prenose i signalne linije iz A/D pretvornika prema upravljačkoj logici i brojačima, a to je moguće izvedeno preko tranzistorskih stupnjeva za odvajanje ili logičkih sklopki. Tu je i jedan precizni višeokretni potenciometar koji nema veze sa krugom napajanja jer mu se svi izvodi vode na 16-pinski konektor prema mjernom pojačalu, a kasnije smo utvrdili da je to potenciometar za kalibraciju voltmetra.

Kako god bilo, vrlo je teško pratiti sve vodove na ovoj dvostranoj tiskanoj pločici jer su neki prekriveni montiranim elementima tako da nećemo crtati shemu ovog napajanja. Nećemo ići napamet ni u uobičajenu zamjenu svih elektrolita prije nego li točno utvrdimo u čemu je problem koji uzrokuje gašenje Nixie cijevi nakon nekoliko minuta rada. Pratiti ćemo tijekom rada stabilnost opisana tri napona, pa ako se utvrde kakvi problemi s napajanjem kada voltmetar prestane sa radom onda ćemo popraviti problematični krug.

Pločica sa mjernim pojačalom i A/D pretvornikom

Mjerno pojačalo i A/D pretvornik (ADC) su potpuno tranzistorski, sadrže ukupno 21 tranzistor. Bez elektroničke sheme teško ćemo razlučiti funkciju pojedinog tranzistora, no jedna komponenta se uvijek može prepoznati na takvim A/D pretvornicima. To je nešto bolji tip kondenzatora kapaciteta cca 470 nF – 1 µF u krugu dual-slope integratora A/D pretvornika. U našem slučaju to je posve sigurno veliki žuti kondenzator (oznake nisu čitljive). Manji žuti kondenzator i susjedna dioda vjerojatno su u krugu oscilatora pravokutnih impulsa za digitalne brojače.

Za pretvaranje analogne veličine napona u digitalnu binarnu vrijednost pogodnu za prikaz na digitalnim displejima koristi se analogno-digitalni pretvornik (ADC). Postoji više vrsta ADC-a, no za mjerne instrumente se najčešće koristi ADC sa dvostrukim nagibom ili sa dvije rampe (eng. dual-slope ADC). Takvi tipovi ADC-a su vrlo precizni i otporni na šumove (može potiskivati mrežne smetnje), a najveća mana im je sporost. Stoga se ne mogu koristiti za primjerice A/D konverziju audio signala, no za električna mjerenja su sasvim dostatni i zbog preciznosti vrlo prikladni.

Princip rada dual-slope ADC-a opisali smo u objavi Digitalni multimetar Systron Donner 7004A pa se ovdje nećemo ponavljati.

Ukratko, integrator veličinu ulaznog napona pretvara u proporcionalnu duljinu vremena. Oscilator konstantnom frekvencijom generira impulse za brojanje koji su ograničeni duljinom vremena iz integratora. Što je ulazni mjereni napon viši, to će integrator biti dulje vrijeme otvoren i to će više impulsa iz oscilatora stati u taj vremenski okvir. Dekadski digitalni brojači broje impulse i što je impulsa više to će na izlazu biti prikazan veći broj u BCD kodu. BCD kod se zatim prevodi u dekadski izlaz za pogon pojedinih segmenata (znamenki) Nixie cijevi. Naravno, u svemu tome mora postojati i kontrolna sklopna logika koja će upravljati početkom i završetkom rada integratora (punjenje i pražnjenje kondenzatora) te oscilatora i sukladno tome pravilno resetirati brojače. Također je potrebno sinkronizirano upravljati naponima Nixie cijevi da bi one bile aktivne za prikaz vrijednosti tek u trenutku kad potpuno završi jedan čitav ciklus A/D pretvorbe i brojači ostanu zaustavljeni na jednoj specifičnoj vrijednosti. Da bi se kondenzator integratora punio konstantnom brzinom potrebno je osigurati konstantnu struju punjenja što se postiže strujnim izvorom. Svakako postoji i barem jedan izvor referentnog napona za kalibraciju instrumenta.

Logički krugovi, dekadski brojači i BCD/decimalni driveri za Nixie cijevi

Dva integrirana kruga 7473 (dvostruki JK Flip-Flop) sa pripadajućim tranzistorima dio su kontrolne logike za kontrolu rada brojača te dvije tinjalice od kojih jedna predstavlja prvu znamenku 1, a druga je indikacija negativnog napona.

Tri integrirana kruga 7490 (BCD brojač) spojena su serijski i broje impulse iz ADC-a u rasponu 0 do 999 te izbrojenu vrijednost pretvaraju u 4-bitni BCD kod. Na njihove izlaze nadovezuju se tri integrirana kruga 7441 (BCD/Decimal dekoder i driver za Nixie cijevi) koji BCD kod pretvaraju u decimalne izlaze za pogon brojčanih segmenata Nixie cijevi.

Sad kad smo upoznali osnovne sklopove ovog digitalnog voltmetra možemo se vratiti našem problemu. Dakle, Nixie cijevi voltmetra se neobjašnjivo gase nakon nekoliko (desetaka) minuta rada. Točnije rečeno, nakon cca pola sata (nekad prije, nekad kasnije) voltmetar prvo postaje nestabilan (znamenke se nekontrolirano izmjenjuju), a zatim se ubrzo i ugase sve tri Nixie cijevi. Nakon što se voltmetar neko kraće vrijeme drži bez napajanja, kod ponovnog uključenja opet radi na neko određeno vrijeme.

Problem bi prvo trebalo tražiti na pločici sa Nixie cijevima jer se tu nalazi Nixie driver i svi ostali logički integrirani krugovi koji rade na napon 5 V. No prije napona od 5 V svakako je najlogičnije prvo kontrolirati anodni napon od 170 V jer potpuno i istovremeno gašenje sve tri Nixie cijevi upućuje na izostanak upravo ovog napona.

Kao što smo rekli u opisu rada kontrolne logike ADC-a, ista između ostalog kontrolira pravovremeno paljenje i gašenje Nixie cijevi s obzirom na početak i kraj jednog ciklusa A/D pretvorbe i brojanja. To znači da anodni napon ne dolazi izravno na cijevi nego preko neke logičke sklopke. S obzirom na visok napon, posve je sigurno da se ovaj napon ukapča preko tranzistorske sklopke. Dosta je teško pratiti veze na ovim pločicama, no nekako smo uspjeli naći tranzistor koji upravlja anodnim naponom 170 V. Sada trebamo pratiti njegov rad.

Upravljački tranzistor za anodni napon 175 V nalazi se odmah ispod crvenog Amphenol preciznog višeokretnog potenciometra. Oznaka mu je TE4410 (7101TSC). Danas je teško naći relevantne podatke za ovakve tranzistore. Također, u redu elemenata ispod tog tranzistora uočavaju se dvije diode: jedna mala staklena crvena dioda liči na moderne diode, dok je druga crne boje sa bijelim, sivim i crvenim prstenom te time vrlo slična susjednim otpornicima. U slučaju neispravnosti ovih elemenata danas se popravak može pokušati jedino sa modernim zamjenskim komponentama.

Test je pokazao da inače stabilan napon od 175 V počinje biti nestabilan od trenutka kad voltmetar počinje nekontrolirano prikazivati znamenke, a kad se voltmetar ugasi anodni napon padne na 85 V što više nije dovoljno za paljenje Nixie cijevi. Ista vrijednost napona je i na ulazu u tranzistor, no to ništa ne znači jer krug elektroničke sklopke može biti vrlo složen i kombinirati više tranzistora i logičkih integriranih krugova. Svakako je moguće da upravo ovaj izlazni tranzistor s vremenom počinje probijati i opterećivati krug napajanja što dovodi do pada napona. Mi ne možemo ovdje napraviti sve moguće testove eliminacije jer rad sa tijesno sklopljenim modulima na dvostranim pločicama bez električne sheme nije baš praktičan. Zato ćemo prvo detaljnije testirati samu pločicu napajanja.

Ovo su rezultati dobiveni mjerenjima i najviše se problematičnim čini napon od 4,7 V izmjeren na logičkim čipovima. Naime, tolerancija TTL integriranih krugova na napon je vrlo niska. Najbolje je da napon napajanja bude točno 5 V, a nikako ne bi trebao pasti ispod 4,75 V. E sad, ostaje pitanje kakve to veze ima sa padom anodnog napona koji se pojavi ničim izazvan nakon nekog vremena i ponekad se brzo oporavi čak i bez isključivanja napajanja. U takvim uvjetima je vrlo teško tražiti grešku.

Slijedeće mjerimo fluktuaciju (ripple) istosmjernih napona nakon prestanka rada Nixie cijevi. Ripple na grani 5 V iznosi 160 mVpp, na grani 24 V je 200 mVpp, a na grani -22 V iznosi 100 mVpp. Dozvoljeni ripple za većinu elektroničkih sklopova je do 100 mVpp. Vjerojatno ni ripple do 200 mVpp ne bi trebao ovdje stvarati probleme, no s druge strane ovo je uređaj vrlo male potrošnje i ovako veliki ripple nije za očekivati. Što se tiče anodnog napona 175 V tu je ripple oko 8 V, no to je očekivano za poluvalni ispravljač i ta fluktuacija ne smeta Nixie cijevima. Također se svakih cca 4,6 sekundi dogodi se kratkotrajni prekid napona koji kontrolira upravljačka logika da se spriječi neželjeni prikaz znamenki.

Ripple anodnog napona od 175 V. Vertikalna podjela je 20 V, vremenska baza je 40 ms. Vidimo da je ripple uslijed poluvalnog ispravljanja (50 Hz) amplitude cca 8 Vpp, lijepo se vide i periodički prekidi napona koje kontrolira upravljačka logika no sve ovo još uvijek spada u sasvim prihvatljiv anodni napon.

Želimo se potruditi da ne idemo na nasumičnu zamjenu svih sumnjivih komponenti jer time nećemo ništa naučiti. Stoga, ćemo prvo probati utvrditi da li je uzrok pada napona greška na pločici napajanja ili na pločici sa Nixie cijevima. U tu svrhu ćemo odspojiti obje pločice sa pločice napajanja, te granu od 175 V opteretiti otporom od 15 kΩ kako bi simulirali potrošnju tri Nixie cijevi od cca 10 mA. Treba nam otpornik snage barem 2 W. Pri tome je nastao pad napona na 162 V što je nešto više nego u normalnim pogonskim uvjetima no tako ćemo bolje moći testirati stabilnost ispravljača. Riple je pod ovim opterećenjem blizu 13 Vpp.

Ripple anodnog napona operećenog strujom cca 10 mA. Veličina i frekvencija fluktuacija jasno ukazuje da riječ o jednostavnom poluvalnom diodnom ispravljaču sa filtarskim kondenzatorima relativno malog kapaciteta od 12 µF.

Čekamo nekoliko desetaka minuta i pratimo stabilnost napona. Nakon pola sata, pa čak i nakon sat vremena napon ostaje stabilan. To znači da problem vrlo vjerojatno nije u naponskoj liniji 175 V i zamjenom diode ili kondenzatora nećemo otkloniti kvar.

Sada imamo najgoru moguću situaciju. Za svako testiranje moramo čekati 10, 20 ili 30 minuta, a komponenta koja uzrokuje problem će vjerojatno biti ispravna na “hladnom” testu, gdje ta “lažna ispravnost” nastupi odmah čim se isključi napajanje.

Slijedeći korak će nam stoga biti premostiti tranzistor za kontrolu anodnog napona. Tako ćemo konačno moći isključiti napajanje ali i same Nixie cijevi kao mogući uzrok kvara. Iz predostrožnosti ćemo odlemiti tranzistor kako ne bi došlo do nekakvog proboja visokog napona na priključak baze i dalje na logičke integrirane krugove.

Odlemljeni tranzistor se na “hladnom” testu pokazao ispravnim (NPN). Bez ovog tranzistora nema kontroliranih kratkotrajnih prekida napajanja Nixie cijevi (zatamnjenja prikaza) pa onda jedva primjetno trepere neke paralelne znamenke tijekom prikaza. Ovo je doista jedva primjetno, no primijeti se :-).

Nixie numerički indikatori tijekom testiranja.

Nakon cca pola sata posve stabilnog rada nastupila je nestabilnost. Ovaj put se Nixie cijevi naravno nisu ugasile jer dobivaju izravan anodni napon, no izbacuju nasumične brojeve koje nemaju veze sa mjerenim naponom. Sada zaključujemo da upravljački tranzistor vjerojatno nije neispravan, kao ni grana +175 V, a ni Nixie cijevi.

Ostaje nam za provjeriti druga dva napona, no problem može biti i u samom ADC-u i oscilatoru takta i upravljačkih impulsa. Stoga smo prvo potražili upravljačke signale koje ADC mora slati na kontrolnu logiku (start, stop, reset impulsi).

Našli smo ovaj upravljački signal frekvencije 2,3 Hz koji odgovara radu sklopke na frekvenciji 4,6 Hz (vidi signal snimljen tijekom praćenja anodnog napona). Također smo otkrili da ovaj pravokutni signal postane izrazito zagađen šumom i isprekidan kada brojke na Nixie cijevima počinju divljati. Osim ovog, našli smo razne impulsne signale čija frekvencija se mijenja u rasponu 3000-30 Hz kako se mijenja ulazni napon u rasponu 0-1,999 V. Očito da su ovo signali iz ADC-a koji uključuju start i stop impulse za trajanje rampe, reset impulse za brojače, oscilator takta i signal kontrole (start, stop) rada istog. Signali nisu uvijek posve čisti i razina šuma raste kako brojke na Nixie cijevima sve više divljaju.

Čini se da se i ripple u pozitivnoj grani +24 V sve više i više pogoršava kako se više bavimo ovim instrumentom. U nekim trenucima ripple dosegne čak 1 Vpp. Definitivno ne mogu ovdje ponovno provoditi testove od pola sata za ispitivanje stabilnosti i potrošnje struje sada i ove grane napajanja +24 V /-22 V. Međutim, posve jasno se uočava da je netko već vršio popravke na ovoj grani. Tranzistor u metalnom kućištu za regulaciju napona -22 V sasvim sigurno nije originalni, a vrlo ružno su prelemljeni i filtarski elektrolitski kondenzatori od 22 µF koji su veći od širine rupa i vjerojatno također neoriginalni. Iako su kondenzatori ispravni ipak smo ih izlemili kako bi malo popravili oštećene tiskane veze koje možda dolaze i u kakav kratki spoj s okolnim komponentama. No, time nismo ostvarili nikakav napredak.

Dio pločice sa granom napajanja +24 V /-22 V. Vidi se da je jedan tranzistor u krugu regulacije zamijenjen, a zamjenom elektrolita oštećene su tiskane veze. Uklonili smo odlijepljene veze koje mogu uzrokovati kratke spojeve i nadomjestili ih žičanim kratkospojnicima.

Pločica napajanja sa elementima i sklopovima koje smo uspjeli identificirati.

Ripple od 1 Vpp je već zabrinjavajući i sada sumnja pada na elemente za regulaciju pozitivne grane simetričnog napajanja +24 V. Naravno, test je pokazao da su svi ovi elementi u hladnom stanju ispravni.

Prvo ćemo zamijeniti NPN tranzistor TE5135 (7050) sa tranzistorom opće namjene 2N2222. Ripple je nakon zamjene tranzistora i dalje visokih 330 mVpp, voltmetar je na granici stabilnosti, pa čekamo što će se dogoditi kroz neko vrijeme.

Tijekom ovog testa voltmetar je ostao stabilan preko dva sata te možemo zaključiti da će tako i ostati. Zapravo, ovo bi nazvali granicom stabilnosti jer zadnja znamenka neki put promijeni vrijednost. No, sreća je bila kratka vijeka jer već prilikom drugog testa, u jednom trenutku ripple je opet počeo rasti što je popračeno divljanjem brojeva na Nixie cijevima. Sada se čini da je nestabilnost voltmetra izravno povezana sa nestabilnosti simetričnog (ili bolje rečeno dvostrukog) napona +24 V / -22 V. Do 200 mVpp voltmetar je stabilan, na 300 mVpp počinju prve nestabilnosti, a na 500 mVpp već dolazi do gašenja.

Najbolje bi bilo napajati voltmetar nekim vanjskim izvorom simetričnog napona uz praćenje potrošnje struje, no naponske linije su razgranate na pločici po dvostranim vezama na više smjerova prema elementima i konektoru te je teško odrediti i razdvojiti točke spajanja za bilo kakve testove i mjerenja. Ono što svakako moramo napraviti to je test stabilnosti ovih napona kako bi utvrdili da li do nestabilnosti dolazi zbog samog ispravljača ili zbog pretjeranog opterećenja istog nekim drugim kvarom. No temeljni problem u svemu ovome je što nema pravila kada će doći do nestabilnosti i nema načina da se bilo kakvim standardnim testovima komponenti pronađe ona koja uzrokuje ovakvo stanje.

Nekako smo razdvojili liniju +24 V i izmjerili da je potrošnja struje na istoj do 4,1 mA. U praznom hodu, nakon zamjene tranzistora, ripple je ispod 100 mVpp u praznom hodu, a već pri ovom malom opterećenju odmah skoči na preko 300 mVpp. Tako mala potrošnja struje za ovakvo napajanje ne smije izazvati toliki porast ripple fluktuacija. Također, na grani -22 V ripple je znatno manji, svega 40 mVpp u praznom hodu (prije zamjene tranzistora je bio 100 mVpp). Od svih ovih silnih mjerenja zapazili smo da i vrijednost napona i ripple uvijek nešto variraju (±10 %) i te varijacije ne možemo s ničim povezati jer uvijek mjerimo sa istim mrežnim naponom i pod istim uvjetima opterećenja. Tranzistor je donekle popravio ukupnu stabilnost ovog dvostrukog ispravljača, no sa našim napajanjem i dalje nešto nije u redu. Moramo nacrtati shemu tog dijela napajanja.

Sada vidimo da je riječ o dobrom starom klasičnom dizajnu tranzistorskog regulatora serijski vezanog u naponske grane i stabiliziranog zener diodom. U svaku granu su dodani otpornici za ograničenje struje, a pozitivna grana je dodatno opterećena krugom za kalibraciju voltmetra te stoga i dodatno filtrirana kondenzatorom vezanim paralelno zener diodi. Istina da je ukupno gledano filtracija ovog regulatora minimalna, no ako je sve to tako radilo u originalu nema razloga da ne radi i sada. Još bi nekako shvatili da je napon kroz čitavo vrijeme loše filtriran, no stalne varijacije i fluktuacije koje se pogoršavaju (nekad prije, nekad kasnije, nekad još kasnije) tijekom normalnog rada ipak ukazuju da ovdje postoji i neka skrivena problematična komponenta.

Mrzim zamjenu komponente po komponentu dok se ne nađe ona neispravna, no kako drugačije otkriti ovaj specifičan kvar. U nedostatku drugog rješenja pribjegli smo snimanju termo-kamerom da vidimo koje se komponente najviše ili prekomjerno griju.

Ovo je termo slika pločice napajanja bez opterećenja. Gore se značajnije griju dioda i otpornici za visoki napon 175 V što je i za očekivati, tranzistor za regulaciju 5 V se dobro hladi, no prilično se grije njegova zener dioda. U donjem dijelu, gdje se nalaze elementi simetričnog napajanja, potpuno neočekivano više se grije zener dioda i otpornik u grani -22 V koja ima zadovoljavajući ripple i izlazni napon. Zener dioda za +24 V (ispod DIL 14 konektora) se grije puno manje, a otpornik je hladan. Moguće da je značajno porastao otpor jednoj od te dvije komponente te kroz njih teče puno manja struja. No opet, regulacija sasvim dobro radi jer se ulazni napon od 30 V uredno regulira na 23,5 V (istina, trebalo bi biti 24 V no to je očekivana tolerancija za serijski regulator). S druge strane, pad napona u pozitivnoj grani je puno veći nego u negativnoj, no tome svakako doprinosi krug kalibracije koji opterećuje ovu granu. Otpornik za ograničenje struje kroz ovu zener diodu je treća komponenta koja se najviše grije. Ova zagrijavanja zapravo ne prelaze 50°C i mogu biti posve normalna, no dobar su orijentir za dobivanje slike o raspodjeli struja kroz pojedine komponente.

Kad se sve zbroji, ni nakon termo snimke nismo ništa pametniji 🙂

No tada, (prvi) problem je napokon otkriven na mjestu gdje bi ga posljednje tražili. Naime, niti jedna rupica na dvostranoj tiskanoj pločici nema vodljivi kontakt s jedne na drugu stranu štampe. Na jednu rupicu je spojen srednji izvod transformatora i odatle se dalje po gornjoj i donjoj strani razvodi linija mase. Loše zalemljena žica nije ostvarivala dobar kontakt sa donjom vezom od koje masa između ostalog vodi i na filtarske kondenzatore. Nekoliko puta sam mjerio napone na kondenzatorima i oni su naravno bili prisutni i sad je jasno da nisu ni mogli bili filtrirani kako treba. S druge strane, ispravna linija mase sa gornje strane je cijelo vrijeme osiguravala posve normalan rad samih regulatora.

Zamislite da su na našoj shemi filtarski kondenzatori od 22 µF koji dolaze odmah nakon otpornika spojeni zajedno ali ne i sa točkom mase. Time smo dobili serijski spoj dva kondenzatora izravno na pozitivnu i negativnu liniju napona. To je praktično kapacitivni djelitelj napona, a pošto su oba kondenzatora ista, mjerenjem napona čak i izravno na izvodima oba kondenzatora dobiti ćemo polovicu od 46 V, dakle uredno ćemo mjeriti nešto oko 23 V i na jednom i na jednom drugom kondenzatoru, uz male varijacije, ovisno o trenutnom opterećenju i uvjetima mjerenja. Štoviše, čak i ovako (ne)spojeni kondenzatori donekle filtriraju napon.

Tiskana pločica nikako nije napravljena za lak i jednostavan servis. Iako je dvostrana, postoji bezbroj rupa koje se nalaze samo na jednoj strani, a izvod komponente s druge strane strši u prazno nezalemljen. Tiskane veze su vrlo tanke i malo duže zagrijavanje ih odmah odvaja od pločice (razlog tome je i starost pločice). Veliki dio veza prolazi ispod komponenti i vrlo teško ih je pratiti. Pločica je uz to već sva izmučena prijašnjim intervencijama. U takvim uvjetima za masu se kod ispitivanja uvijek odabere točka sa najlakšim pristupom, a onda je ovakve skrivene i podle zamke neki put stvarno teško otkriti 🙂

Zadnja opcija kod popravka ovog napajanja bila je zalemiti dodatne filtarske kondenzatore prije i poslije regulacije čime bismo svakako riješili problem. No, tada ne bi znali što je originalno bilo u kvaru kod ovog napajanja i kod takvog popravka nikad ne možemo biti sigurni kako će se dalje manifestirati “preskočen” kvar. Naravno, ne možemo ni sad biti posve sigurni da je to bio jedini kvar koji je dovodio do destabilizacije rada i gašenja voltmetra, to će u ovom slučaju tek vrijeme moći pokazati…

I da, vrijeme je pokazalo da ovime problem nije do kraja otklonjen, voltmetar se (ponekad) i dalje destabilizira i gasi. Sada imamo posve stabilan napon i vrlo mali ripple (20 mVpp) na linijama +24 V /-22 V, linija 175 V je provjereno u redu i preostala nam je linija od 5 V. Tu još uvijek mjerimo priličan ripple od 100 mVpp ali i nešto niži napon od 4,7 V. Riječ je opet o tranzistorskom stabilizatoru kontroliranom zener diodom. Upotrijebljen je silicijski NPN tranzistor MPS U02 (Motorola) 40 V / 800 mA i Zener dioda za 5,6 V (1N 5232 Motorola).

Sve komponente ovog regulatora na hladnom testu pokazale su se ispravnima. Zener dioda od 5,6 V se uzima da kompenzira pad napona od 0,6 V na spoju B-E tranzistora tako da na izlazu trebamo mjeriti točnih 5 V reguliranog napona. Međutim, mjerimo svega 4,7 V (već smo rekli da se TTL čipovi obično počinju buniti kad se napajaju sa manje od 4,75 V). Potrošnja struje u ovoj grani je cca 220 mA što bi trebalo biti normalno. Prva pomisao je da je na tranzistoru pad napona veći nego bi trebalo, oko 0,9 V.

Do kraja smo izbjegavali “raskapanje” ove naponske grane od 5 V, no nakon što smo ispitali sve drugo sumnja je još ostala jedino na ovoj grani. Izlemili smo tranzistor, zener diodu i otpornik te tako električki potpuno izolirali ovu naponsku granu. Doveli smo stabilni napon od 5 V iz vanjskog izvora i čekamo što će se tijekom vremena dogoditi…

Sa stabilnih 5 V i voltmetar je napokon stabilan 🙂

No, gdje je greška u čitavom krugu? Zener dioda 5,6 V na testu pokazuje zenerov napon od 5,55 V što je u granicama tolerancije. Za tranzistor također mjerimo odlično strujno pojačanje hFE 283.

Da bi eliminirali grešku tranzistora ili zener diode, sada smo umjesto vanjskog napajanja ugradili integrirani stabilizator napona 7905 izravno na pločicu. Međutim, napon iz regulatora odmah pri spajanju opterećenja pada na 4,7 V umjesto da se zadrži na 5 V.

Također smo primijetili i da je ulazni napon iz Graetza sa 8,7 V bez opterećenja pao na svega 6,2 V pod opterećenjem. Za siguran rad standardnih regulatora ulazni napon trebao biti barem 2-3 V viši od izlaznog, dakle 7-8 V (u najboljem slučaju barem 6,5 V). Izlazni napon iz Graetza je punovalni 100 Hz što znači da sve diode rade. Sve je ovo vrlo čudno.

Odspojili smo sekundarni namotaj mrežnog transformatora za 5 V i na Graetz doveli izvor nešto većeg izmjeničnog napona tako na regulatoru dobijemo ulazni napon 7,5 V. Sada regulator radi normalno i na čipovima imamo 5 V. Neka sve tako odstoji kojih pola sata…

Voltmetar stabilno radi sa povećanim izmjeničnim naponom na ulazu u ispravljač 🙂

Ovdje su sada moguće dvije situacije. Transformator koji se koristiti uz voltmetar nije originalni i kad je motan očito se za namotaj za dobivanje 5 V nije ostavilo dovoljno prostora za pad napona na regulatoru. Pod opterećenjem, ovaj napon sekundara bi trebao biti barem 8 V za stabilan rad regulatora. Moguće je i da se i nešto dogodilo u unutrašnjosti ovog namotaja (djelomični kratki spoj ili slično), zbog čega je pao izlazni napon za cca 2 V, a time i regulirani napon za 0,3 V i zbog čega je voltmetar doveden na samu granicu stabilnosti rada.

Druga je mogućnost da je zamjena originalnih ispravljačkih dioda Graezom B125C800 (125 V / 800 mA) dovela do toga da sam ispravljački most troši više struje i time stvara veći pad napona (otpor dioda u vodljivom smjeru). Udvostručili smo kapacitet filtarskog kondenzatora nakon Graetza no to nije puno pomoglo.

Kako god bilo, mi sad nećemo raskapati ovaj transformator i istraživati namotaje, dovoljno da smo (nadamo se) otkrili uzrok svih problema. Nećemo ni Graetz ponovno mijenjati diodama jer je pločica na tom dijelu već sva uništena i nismo sigurni da će to dovesti do poboljšanja. Najpraktičnije rješenje bila bi ugradnja LDO (Low Drop Out) regulatora kojima je dovoljan ulazni napon viši za svega 0,5-1 V. Našli smo jednog naziva BA50BC0 sa Drop Out 1 V i jednoga naziva PQ05RD11 sa Drop Out 0,5 V. Ubacili smo za početak BA50BC0 i ostavljamo Nixice da svijetle…

Voltmetar stabilno radi sa LDO regulatorom 🙂

Nakon svega ovoga lako je biti pametan. Što nisi odmah provjerio ovo ili ono, što nisi prvo zamijenio ovo, trebao si prvo ono, a tek onda ovo… Svaki elektroničar za sobom nosi neka drugačija iskustva i ideje nisu uvijek iste. Često budemo sami sebi smiješni kako nam nešto banalno nije odmah palo na pamet ili kako se nismo u nekom trenutku sjetili nečega što smo već odavno znali i naučili. No, zbog svega toga je elektronika i zabavna i uvijek su moguća različita rješenja i načini kako za gradnju tako i za popravak sklopova, odnosno za otkrivanje uzroka kvarova i neispravnosti. Važno je samo ne odustati. Upornost se najčešće na kraju isplati 🙂

Uzrok nestabilnosti i gašenja voltmera bio je prenizak napon napajanja logičkih integriranih krugova od 5 V i nefiltrirani pozitivni i negativni napon napajanja ADC-a od 24 V i -22 V. Očito da su ovi naponi bili točno na samoj granici tolerancije te je voltmetar radio sve dok napon u nekom trenutku nije pao ispod tog praga, vjerojatno možda samo za još koji mV niže.

Kako je došlo do ova dva problema nije posve jasno. Napon od 5 V je bio nizak jer je prenizak ulazni napon u regulator i isti nije mogao pod opterećenjem (220 mA) isporučiti puni napon. Do pada ulaznog napona pak je došlo ili zbog kvara na transformatoru ili zbog loše proračunatog transformatora ili zbog zamjene originalnih ispravljačkih dioda. Dvostruki naponi od 24 V i -22 V nisu bili dobro filtrirani jer nije bila dobro zalemljena žica srednjeg izvoda transformatora, ista nije povezivala gornju i donju štampu na tiskanoj pločici. Naučili smo da sa starim dvostranim tiskanim pločicama treba biti oprezan jer postoji mogućnost da rupe za elemente nisu metalizirane te se gornja i donja štampa mora povezati samim elementima tijekom lemljenja ili okomitim kratkospojnicima.

Nakon rješavanja svih problema stabilnosti sa našim Digilin digitalnim voltmetrom preventivno smo zamijenili i sve filtarske elektrolite. Voltmetar je u radu vrlo stabilan. Ukoliko mu kratko spojite mjerne ulaze Nixie će pokazivati vrlo stabilnih 000 uz kontrolirano treperenje tinjalice za negativu vrijednost (frekvencijom cca 1 Hz) kroz čitav tijek rada. Isto tako, kad se dovede neki mjerni napon sve tri znamenke se brzo fiksiraju na mjerenu vrijednost i nema treperenja zadnje znamenke kako to zna biti kod nekih jeftinijih digitalnih voltmetara.

Gospodin Vuk želi koristi ove lijepe numeričke Nixie cijevi isključivo u prezentacijske svrhe. Znamenke na sve tri Nixie cijevi moraju se nasumično izmjenjivati na svim cijevima istovremeno. Jednako vrijedi i za dvije tinjalice (znamenka 1 i oznaka negativnih vrijednosti).

Postoje dva osnovna pristupa rješenju ovog zadatka: analogni i digitalan. U slučaju da se odlučimo za analogni pristup tada koristimo ADC na koji dovodimo neki stalno izmjenjivi “random” napon u opsegu 0-1,999 V. U koliko pak idemo na digitalan pristup, tada nam ADC nije potreban i Nixie cijevi možemo kontrolirati izravno po pojedinačnim znamenkama, preko BCD koda ili preko brojača sa BCD izlazom (Binary-Coded-Decimal counter).

Što god odaberemo, random kontrolu je puno teže izvesti nego neko linearno brojanje. Ironija je u tome što sad vrlo dobro znamo da će Nixie cijevi zapravo same od sebe izbacivati random znamenke ukoliko se u određenoj mjeri destabilizira napajanje 🙂 Ovu činjenicu ipak ne možemo iskoristiti jer bi to bilo potpuno nekontrolirano upravljanje i nepredvidivo na duže vrijeme.

Što se tiče analognog pristupa ovdje nam posve dobro može poslužiti bilo kakav izmjenični napon (vrlo) niske frekvencije. Test je pokazao da se znamenke najbolje izmjenjuju na trokutastom ili sinusnom naponu frekvencije oko 0,5 Hz i napona 3,8 Vpp. Takav napon polako raste i pada od vršnih negativnih to vršnih pozitivnih vrijednosti što onda uključuje i paljenje tinjalice za negativne vrijednosti. ADC voltmetra naravno ne može procesuirati svaki mV promjene napona pa su mjerenja donekle sa preskocima što razbija dojam linearnog rasta prikazane vrijednosti (iako je on na znamenci 10 mV, a posebno na znamenci 100 mV ipak vidljiv). Naravno, povećanjem frekvencije trokutastog napona ili upotrebom nekog valnog oblika sa nelinearnim porastom napona (npr. sinusni valni oblik) random prikaz još više dolazi do izražaja, no sa frekvencijom se ne smije pretjerato jer će ADC zablokirati. Ukoliko ćemo raditi jedan takav oscilator svakako će imati u nekom opsegu varijabilnu kontrolu frekvencije pa će se moći namjestiti najbolji vizualni efekt.

Za digitalni pristup pak moramo prvo otkriti koje linije imamo izvedene na vanjski 24-pinski konektor i koja je uopće shema spoja kontrolera za Nixie cijevi.

Dali smo si truda nacrtati djelomičnu shemu kruga za upravljanje Nixie cijevima preko BCD koda ili preko brojača. Nemoguće je iscrtati kompletnu shemu jer mnoge tiskane veze na pločici prolaze ispod elemenata i ne vide se, a osim toga veliki broj logičkih signala se vodi preko tranzistorskih sklopki te je teško islijediti sve ove linije. Također, kompletna shema upravljačkih logičkih sklopova sa ove pločice ionako ne bi puno značila jer su ti krugovi povezani sa ADC-om koji ulazni napon pretvara u proporcionalan broj impulsa te generira RESET impulse za pravilno resetiranje brojača na kraju svakog ciklusa brojanja.

Na pločici sa Nixie cijevima vidimo jedan upečatljiv Amphenol precizni potenciometar koji gotovo sigurno služi za kalibraciju oscilatora (generatora takta) ADC-a. Naime, ADC mora dati točno jedan impuls za napon 1 mV, točno 10 impulsa za 10 mV, točno 1000 impulsa za 1 V itd. Potenciometrom se fino namješta frekvencija oscilatora kako bi on bio usklađen sa integratorom ADC-a. Rekli smo da integrator ulazni napon pretvara u proporcionalno vrijeme, a oscilator mora u tom vremenskom okviru dati točno određen broj impulsa, kako bi konačan numerički prikaz bio kalibriran sa stvarnom veličinom napona kojeg mjerio.

No već i iz sheme koju smo nacrtali možemo puno toga saznati o našem voltmetru. Integrirani krug 7490 je dekadski brojač. Sastoji se od svega 4 JK Flip-Flopa i može se spojiti da broji do 2, do 5 ili do 10. Kada su pinovi 1 (CLK-B) i 12 (Q-A) spojeni zajedno kao u našem slučaju, tada 7490 broji do 10, odnosno od 0 do 9. Izbrojenu vrijednost dobijemo na njegova četiri izlaza (A, B, C, D) u obliku digitalnog BCD koda (Binary-Coded-Decimal counter).

Brojače 7490 možemo spajati serijski te tako dobijemo brojanje do 100, 1000, itd. Za ovo je potrebno povezati pin 11 (Q-D) prethodnog brojača sa ulaznim pinom 14 (CLK-A) narednog brojača kao što se to lijepo vidi na našoj shemi. Posljednja u lancu brojanja je tinjalica za koju je dovoljan brojač koji broji do 2, odnosno od 0 do 1, a za to je dovoljan samo jedan Flip-Flop. Kao što vidimo, osim dekadskih brojača (svaki sa četiri Flip-Flopa), naša logička pločica sadrži još tri Flip-Flopa (koriste se dva čipa 7473 od kojih svaki sadrži 2 Flip-Flopa, no za naš voltmetar su iskorištena samo tri Flip-Flopa). Jedan Flip-Flop je dakle brojač za znamenku 0/1 (tinjalica), drugi se vrlo vjerojatno koristi za resetiranje brojača, a treći za kontrolu tinjalice 0/1 za indikaciju negativnih vrijednosti napona.

Na konektor pločice izvedeni su BCD ulazi za svaku Nixie cijev, ulazi za okidanje tinjalica, napajanja od 5 V i 175 V, impulsni ulazi za brojače, te još nekoliko linija koje vode na logičke upravljačke krugove (tranzistorske sklopke i Flip-Flopove). Preko ovih konektora se dakle pločica može koristiti samostalno uz vanjska napajanja 5 V i 175 V te digitalne upravljačke signale (BCD kod ili impulsi za brojače). Za ovo je naravno najpogodniji mikrokontroler. Isti se može programirati za generiranje BCD koda za što nam treba 12+2 izlaza ili za generiranje impulsa (brojčanih i reset) za što su nam dovoljna dva izlaza. Ovo zadnje je naravno praktičnije. Jedan generator pravokutnih signala (diskretni oscilator ili mikrokontroler) generira određeni broj impulsa (od 0 do 1999), a drugi prije početka novog brojanja generira impuls za resetiranje brojača na nulu. Ako želimo postići random prikaze, onda prvi oscilator može biti kontinuiran, a drugi u nekim random vremenskim razmacima generira reset impulse. Ovo je naravno ideja i trebalo bi ju testirati da se vidi hoće li se time dobiti zadovoljavajući vizualni efekt.

U svakom slučaju, ako želimo digitalni pristup, potrebno je isključiti ADC da bi se brojačima moglo upravljati izravno vanjskim signalom. Vjerojatno je za to neki pin na konektoru koji vodi do upravljačke logike potrebno spojiti na masu (ili slično) jer samim vađenjem ADC-a nećemo do kraja isključiti logiku za upravljanje Nixie cijevima. S obzirom da voltmetar nije moj, ovdje ću odustati od daljnjih eksperimenata da ne bi došlo do kakvog oštećenja digitalnih krugova.

Spomenimo još samo kako su do danas razvijeni gotovi integrirani krugovi u kojima je sadržan kompletni ADC sa BCD izlazom (npr. CA3162) i njime se može na vrlo jednostavan i praktičan način konstruirati digitalni voltmetar.

Test je pokazao da “random” prikaz funkcionira do frekvencije cca 1 Hz. Nakon toga promjene napona postanu prevelike za brzinu ADC-a i prikaz je uglavnom statičan. Na frekvenciji 0,001 Hz moguće je vizualno pratiti porast svake znamenke za jedan, dakle tu je promjena napona dovoljno spora da voltmetar mjeri i prikazuje svaku promjenu istog za 1 mV. Negdje na sredini, oko 0,5 Hz dobiti ćemo najbolji random prikaz na svim Nixie cijevima i na dvije tinjalice.

Moramo odmah reći da je jedno od rješenja za gradnju oscilatora valnih oblika niske frekvencije upotreba nekog specijaliziranog čipa za tu namjenu. Od analognih čipova trenutno je najpopularniji ICL 8038 (Intersil) koji može generirati pravokutni, sinusni i trokutasti signal u opsegu 0,001 Hz do 450 kHz. Takvom čipu gotovo je dovoljno dodati samo vanjske kontrole (potenciometre i sklopke) da se dobije funkcionalan generator signala. Međutim, deklarirani frekvencijski opseg ipak treba uzeti sa rezervom. Kod analognih čipova obično dolazi do sve veće degradacije valnih oblika kako idemo prema najnižim ili prema najvišim frekvencijama. Općenito gledano, u punom opsegu moguće je generirati jedino sinusni valni oblik bez većih degradacija valnog oblika, dok će se pravokutni i trokutasti valni oblici kod ICL 8038 početi degradirati već na frekvencijama nižim od 50 Hz i višim od 200 kHz. Također, kod sva tri valna oblika doći će do pada amplitude izlaznog signala kako idemo prema nižim i višim graničnim vrijednostima. Neki generatori signala koji je prodaju kao “low frequency” zapravo imaju samo dodatno pojačalo kako bi se povećala izlazna amplituda sinusnog signala koja neminovno pada na nižim i višim frekvencijama, no to ne popravlja i degradirane valne oblike signala.

Od digitalnih (DDS) čipova za generiranje valnih oblika danas već postoji više izbora. Jedan od aktualnih je AD 9833 koji može generirati pravokutni, sinusni i trokutasti signal u opsegu 0,004 Hz do 12,5 MHz. Kod DDS čipova degradacije valnih oblika su puno manje i obično nastaju samo na višim frekvencijama uslijed pojave harmonika što se može lako riješiti dodatnim niskopropusnim filtrima.

Gotovi (KIT) moduli sa ovakvim čipovima mogu se nabaviti po cijeni cca 50-100 kn i kad se razmisli za te novce se ne isplati raditi vlastite oscilatore sa tranzistorima ili operacijskim pojačalima. Za naše potrebe svakako bi bolje odgovarao neki modul za DDS čipom jer ćemo dobiti bolji trokutasti napon vrlo niske frekvencije.

Ovdje moramo spomenuti još jedan vrlo zanimljiv čip NE566 (analogni). To je naponski kontroliran oscilator sa pravokutnim i trokutastim izlaznim naponom. Prema specifikacijama radi u opsegu 0,1 Hz do 1 MHz. Dovoljan mu je vanjski kondenzator za određivanje frekvencijskog opsega rada i potenciometar za fino namještanje frekvencije unutar tog opsega.

No, prije nego krenemo u narudžbu idemo prvo vidjeti što se može napraviti od materijala koji imamo na lageru. U tijeku je eksperiment sa izradom generatora linearnog pilastog napona za naš projekt Projekt “Osciloskop Clock Radio”.

Iz operacijskih pojačala se vrlo jednostavno izrađuju generatori pravokutnih ili trokutastih valnih oblika. U osnovi se pojačalo spaja kao generator pravokutnih impulsa (relaksacijski oscilator), a zatim se RC filtrom ili drugim operacijskim pojačalom u spoju integratora iz pravokutnog dobiva trokutasti oblik izlaznog napona.

Što se tiče našeg trokutastog valnog oblika, moramo ispuniti dva osnovna zahtjeva: napon mora biti simetričan i konstantne amplitude dakle od -1,999 V do +1,999 V (3,998 Vpp). Za dobivanje simetričnog napona treba nam simetrično napajanje. Postoje istina i drugi načini za dobivanje simetričnog izlaznog napona, no mi ionako ovdje već imamo takav izvor (+24 V / -22 V) pa ćemo ga onda i iskoristiti uz adekvatne regulatore.

Da bi našli najjednostavnije rješenje prvo smo testirali RC mrežu sa generatorom pravokutnog napona niske frekvencije.

Kombinacijom kondenzatora od 2200 µF i otpornika od 10 kΩ dobili smo dobar trokutasti napon u opsegu 0,005 Hz – 0,01 Hz. Kondenzatori od 470 µF pak će biti dovoljni za frekvencije oko 0,5 Hz. S obzirom da je za našu primjenu važna i točna amplituda izlaznog napona RC filtar je potrebno dobro proračunati da na njemu ne dođe do prevelikog gušenja amplitude izlaznog signala. Testiranje filtara za tako niske frekvencije ide vrlo sporo jer je potrebno nekoliko minuta da se odradi svega jedna perioda frekvencije. No, kod ovog našeg projekta sve ide sporo, prvo čekanje da se nađe kvar na samom voltmetru, a sad čekanje da se nađu pravi elementi za dobivanje trokutastog napona niske frekvencije 🙂 Inače u tvorničkim podacima za elektroničke elemente gotovo nikad nema podataka za najniže granične frekvencije. S jedne strane je to normalno jer rijetko gdje se koriste oscilatori frekvencija reda nekoliko mili-herca. Tako nam preostaje samo testiranje, a ono se na tim frekvencijama odvija vrlo sporo.

S obzirom da smo uvjerili kako našim RC filtrom možemo dobiti vrlo linearan trokutasti napon, vrijeme je da pronađemo i oscilator pravokutnog napona koji dobro radi na niskim frekvencijama. Uobičajeni timer/oscilator 555 radi odlično na bilo kojoj niskoj frekvenciji, no problem je što iz njega ne dobivamo simetrični izlaz (napon je 0-4 V umjesto -2 do +2 V). Ovo se može popraviti tako da se izlazni signal uzima preko serijski spojenog kondenzatora, no tu je potrebno odabrati točnu vrijednost kondenzatora za svaku frekvenciju kako bi izlaz bio potpuno simetričan. To će biti nepraktično ukoliko želimo graditi oscilator promjenjive frekvencije. Tako se opet vraćamo na operacijska pojačala.

Za klasični astabilni multivibrator sa operacijskim pojačalom TL071 testovi su pokazali da je ispod 0,1 Hz teško postići stabilne oscilacije, odnosno multivibrator često ostaje trajno blokiran u jednom od stanja. Na slici su ispisane maksimalne vrijednosti elementa za postizanje najniže frekvencije multivibratora. Daljnjim povećanjem kapaciteta kondenzatora ili vrijednosti otpornika preko kojeg se puni (1 MΩ) multivibrator postaje nestabilan.

Oscilatori bazirani na inverteru ili Schmitt-ovom okidnom sklopu, jednako kao i oni bazirani na timeru 555 neće dati simetričan izlazni oblik pravokutnog napona. Sa TTL čipovima je također problem što mogu raditi samo sa 5 V naponom, tako da u najboljem slučaju iz njih možemo dobiti ±2,5 V. Probat ćemo stoga napajati 555 simetričnim naponom i vidjeti da li tako možemo kontrolirati naponske razine (offset) izlaznog napona.

Test je pokazao da 555 sa simetričnim napajanjem radi odlično. Sada imamo stabilan generator pravokutnog napona u vrlo širokom rasponu frekvencija i funkcionalan filtar kojim pravokutni napon pretvaramo u trokutasti. No, trebamo li uopće taj dodatni filtar. Relativno linearan pilasti napon možemo uzeti i sa kondenzatora samog timera 555.

Pravokutni i trokutasti oblik napona sa 555 na frekvenciji 0,001 Hz (1 mHz).

Pravokutni i trokutasti oblik napona sa 555 na frekvenciji cca1 Hz.

Snimke prikazuju pravokutni i trokutasti napon iz 555 pri simetričnom napajanju ±5 V. Uz kondenzator od 47 µF i potenciometar od 1 MΩ dobiti ćemo raspon frekvencija 0,01 Hz do 1 Hz. Sa kondenzatorom 100 µF voltmetar će “brojati” znamenke od 100 mV frekvencijom cca 1 Hz i naravno deset puta brže svaku nižu znamenku. To daje uredan prikaz sa dojmom brojanja na najnižoj frekvenciji i prilično neuredan prikaz random izmjenjivanja brojeva na najvišoj frekvenciji pa ćemo stoga ostaviti kondenzator od 100 µF.

Iako rampe ovog napona nisu posve linearne, nisu ni daleko od toga i za naše potrebe je to više nego pristojan oblik trokutastog signala. Sa ±5 V simetričnog napajanja dobiti ćemo pravokutni napon nešto manji od ±5 V i pilasti napon čija amplituda je taman koji mV manja od ±2 V što je za naše potrebe idealno. Najbolje je to što ova amplituda ostaje posve stabilna u čitavom frekvencijskom opsegu.

Primijetili smo da 555 neki puta prvu poluperiodu pravokutnog napona zaoscilira na nesimetričnih 0 – 10 V umjesto na simetričnih -5V – 0 – +5V i na kondenzatoru se prilikom uključivanja ili isključivanja napajanja može pojaviti naponski šiljak. Time tijekom prve poluperiode napon može izaći izvan mjernog opsega voltmetra. Stoga ćemo izlazni signal za voltmetar limitrati dvjema antiparalelno spojenim zener diodama za 2 V.

Kako na našem uređaju s početka priče imamo analogni instrument, ne bi bilo loše spojiti isti da prikazuje trenutnu amplitudu, odnosno brzinu promjene pilastog napona. S obzirom da napon sadrži pozitivne i negativne vrijednosti isti je potrebno ispraviti diodama u mosnom spoju. Također, kad već imamo pravokutni izlaz, njega možemo iskoristiti za LED signalizaciju pozitivnih i negativnih poluperioda.

Taman kad smo pomislili kako smo sve lijepo odradili, naš voltmetar se odjednom ničim izazvan OPET ugasio 🙂 No, čini se da ovaj put imamo novi zanimljiv slučaj. Naime, voltmetar se nakon restarta napajanja sam od sebe pretvorio u brojač. Znamenke su počele same od sebe povećavati vrijednost za jedan frekvencijom cca 1 Hz na znamenki 10 mV. Kad je brojanje stiglo do 1999, voltmetar se ugasio. Nakon ponovnog restarta napajanja, voltmetar je proradio, no naravno, kako je to sa našim voltmetrom uobičajeno, nakon nekog vremena se opet ugasio ili bi se prebacio u mod brojanja 🙂

Ovaj put su svi naponi provjereno stabilni i isti ne mogu biti uzrok ovoj pojavi. Sada moramo početi sumnjati na same logičke integrirane krugove na pločici. Naravno, nije isključeno ni da oscilator ADC-a doista šalje kontinuirane impulse na brojače jer ne radi upravljačka logika. Problem je što za bilo kakvo snimanje logičkih stanja na čipovima opet moramo čekati da nastane poremećaj u prikazu, a to se može desiti ili za jednu minutu ili za jedan sat. Očito je greška u logici jer neki puta se numerički prikaz sam od sebe aktivira nakon što se netom posve ugasio.

S obzirom da smo već identificirali pinove na konektoru pločice najbolje je prvo snimiti ispravnost BCD kodova na izlazu iz brojača, odnosno na ulazu u dekadske konvertere. Ovdje bi nam sada odlično poslužio kakav 12-kanalni logički analizator, no takav instrument nemamo pa logička stanja moramo provjeriti jedno po jedno, što nije baš ni praktično ni dovoljno dobro, jer dok mjerimo jedno stanje ono drugo se već moglo promijeniti. Poslužit ćemo se zato 4-kanalnim osciloskopom tako barem odjednom vidimo jedan čitav BCD kod.

No, prije toga krenimo od lakšeg. Naša logika u glavi govori da bi krivac mogli biti brojači koji iz nekog razloga generiraju nepostojeće BCD kodove koje decimalni konverteri ne mogu pretvoriti u znamenke. Za početak ćemo stoga potpuno odvojiti ulaz na brojače i reset pinove tako da eliminiramo grešku upravljačke logike ili ADC-a. Kad smo već sve opet rastavili, pogledajmo termalnu sliku i ove logičke pločice.

Temperature su kao što vidimo u granicama normale, najviše 42°C. Očekivano se umjereno griju svi čipovi (najmanje BCD/dekadski konverteri). Od pasivnih elemenata blago se griju komponente kroz koje prolazi visoki napon 175 V, a to su anodni otpornici i prekidački tranzistor anodnog napajanja za zatamnjivanje prikaza Nixie cijevi do završetka brojanja. Nigdje ne vidimo pretjerano zagrijavanje komponenti što bi ukazivalo na njihovu neispravnost.

Odspojili smo dakle ulaz impulsa u brojače i resetirali sve znamenke na nulu (0-000). Ovdje sada ne smije doći do nikakve nestabilnosti tog 0-000 prikaza jer brojači ne smiju ništa brojati sami od sebe.

Sa isključenim ulazom na brojače prikaz je posve stabilan i postojan, što znači da su brojači i dekadski konverteri ispravni. Sad smo u problemu jer se uzrok kvara sve više sužava na upravljaču logiku, ADC i oscilator takta, a ove sklopove ćemo vrlo teško ispitati. Da vidimo prvo kakav signal imamo na izlazu iz ADC-a.

ADC kao što vidimo šalje kratkotrajne pakete negativnih impulsa na ulaz brojača i to je ono što se ovdje od njega i očekuje. Međutim na RESET pinovima brojača ne bilježimo nikakve impulse.

Nacrtali smo kompletnu shemu pločice sa logičkim krugovima.

Sklop sa atabilnim multivibratorom (Tr1, Tr2) i tranzistorska sklopka Tr-3 kontroliraju Flip-Flop za prikaz negativnih vrijednosti i ovi sklopovi su ispravni te ih možemo eliminirati. Već prije smo utvrdili da su brojači i dekadski konverteri također ispravni. Sad kad imamo preglednu situaciju, u oči opet upada linija kontrole anodnog napona, ista ona koju smo prvu testirali. Vidi se kako anodni napon kontroliraju tranzistori Tr-4, Tr-5 i Tr-6 jedan Flip-Flop. Prvo mjesto za provjeru ovaj puta će biti dioda preko koje se šalju impulsi na Tr-4 za prekidanje anodnog napona Nixie cijevi. Pomalo je čudno što na jednom i drugom kraju diode mjerimo napon blizu 175 V. Izlemili smo diodu i ona se na brzom testu pokazala ispravnom, no to u našem slučaju ništa ne znači jer je na početku ionako sve ispravno. Zamjenom diode anodni napon je prisutan samo na jednom kraju diode (katodi). Čekamo rezultat…

Nakon zamjene diode Nixie cijevi se više ne gase, no problem nestabilnosti prikaza je i dalje prisutan. Zapravo, sada voltmetar radi upravo onako kako i želimo, nekontrolirano izmjenjuje brojeve na sve tri Nixie cijevi. Slijedeće odspajamo ulaz u brojače sa ADC-a.

Nakon svih ovih zahvata i bez ADC-a Nixie cijevi su stabilne i čini se da digitalni dio voltmetra sada (nadamo se) radi kako treba, no to opet samo vrijeme može potvrditi. Probali smo snimiti izlaz iz ADC-a kada isti ne bi trebao generirati nikakve impulse za brojanje (kratko spojene ulazne priključnice). Čini se da i u tom mirnom stanju odnekud nastaju kratkotrajni impulsni šiljci koji okidaju brojače.

Ovo je snimka izlaza iz ADC-a za brojač. Na gornjoj slici vidimo da se svakih 220 ms, odnosno frekvencijom od oko 4,6 Hz) pojavi kratki paket pozitivnih impulsa (nekad širi, nekad uži) koji okida brojače. To znači da naš digitalni voltmetar radi brzinom od oko 4,6 mjerenja u sekundi. Ako je ulazni napon veći, paket će biti širi i sadržati više impulsa te će i izbrojana vrijednost će biti veća i obrnuto.

Na donjoj slici lijevo je snimak stanja kada su ulazne priključnice kratko spojene. Iako u tom slučaju iz ADC-a ne bi trebalo biti nikakvih izlaznih impulsa, ipak se pojavljuje jedan titravi impuls širine oko 4 µs i amplitude oko 2,2 V koji je dovoljan za okidanje brojača čime zadnja znamenka mijenja vrijednost iz 0 u 1. Prema tvorničkim podacima brojači 7490 prepoznaju pozitivni impulse kao logičke jedinice ukoliko im je amplituda veća od 2 V. Također dovoljna je širina impulsa od svega 15-30 ns (ovisno u ulazu) da isti bude prepoznat i izbrojan.

Na donjoj slici desno je snimak stanja kada je na ulazne priključnice doveden maksimalni napon. Širina paketa je sada 8 ms što odgovara broju od 1999 impulsa širine 4 µs. Frekvencija impulsa u paketu je oko 200 kHz. Prema tvorničkim podacima brojači 7490 mogu brojati impulse do frekvencije (brzine) 32 MHz.

To znači da naš ADC radi daleko ispod graničnih vrijednosti za brojače 7490, te brojači sa ispravnim prepoznavanjem tih impulsima ne bi trebali imati nikavih problema.

Posljednji testovi nakon zamjene diode pokazuju da je voltmetar (ponovno) stabilan, a prijašnju nestabilnost ADC-a (nekontrolirano brojanje) izazvao je loš kontakt spojnog konektora sa pločicom napajanja. U svakom slučaju, ovaj mjerni instrument sada možemo koristiti kao voltmetar u analognom načinu rada ili kao brojač u digitalnom načinu rada. I u jednom i u drugom slučaju možemo ga linearno kontrolirati sa našim 555 oscilatorom.

Što se pak tiče random prikaza brojeva, u analognom načinu rada služimo se trikom, tako da ubrzamo linearnu promjenu napona do te mjere gdje ADC svojom brzinom mjerenja (cca 4,6 u sekundi) neće moći pratiti te linearne promjene. Mala nelinearnost rampi trokutastog napona ovdje zapravo dodatno pomaže da izmjena brojeva bude više neponovljiva. Ipak ovdje postoje određena ograničenja. Brzina promjene ulaznog napona ne smije biti prevelika jer integrator ADC-a neće dobiti ispravan uzorak za digitalizaciju. Kod premale brzine pak nećemo vizualno dobiti random efekt. Stoga je za najbolji random efekt brzinu linearne promjene napona potrebno podesiti u uski pojas maksimalne frekvencije tik prije nego ADC zablokira (na nižim frekvencijama znamenka od 100 mV se još uvijek izmjenjuje linearno).

Za gradnju digitalnog random generatora pak svakako trebamo sinkronizirati rad barem dva generatora pravokutnih impulsa. Jedan za brojanje i jedan za resetiranje brojača. Međutim, svako brojanje će biti popraćeno i istovremenim prikazom svakog dostignutog broja, odnosno brojevi će se uzlazno izmjenjivati sve do trenutka dok ne prebroje posljednji impuls i stanu na izbrojenoj vrijednosti. Ukoliko taj efekt ne želimo, nego samo čistu promjenu sve tri znamenke istovremeno, onda nam je potreban još jedan oscilator takta (4,6 Hz) koji će gasiti Nixie cijevi od trenutka početka do trenutka završetka brojanja.

Random pulsni generatori (RPG), generatori slučajnih brojeva (PRNG) ili deterministički generatori slučajnih bitova (DRBG) koriste se za razna kodiranja u kriptografiji ali također i za druge aplikacije gdje se iz ulaznih podataka žele dobiti posve slučajne i neponovljive vrijednosti izlaznih podataka, npr. u video igrama za generiranje različitih (slučajnih) postavki scena. Slučajni brojevi generiraju se pomoći posebnih algoritama i to uopće nije jednostavan zadatak. Naime, svaki algoritam sam po sebi sadrži neku matematičku formulu po kojoj se izračunava slučajni broj i stoga postoji velika opasnost da se ti brojevi nakon nekog vremena počnu ponavljati čime prestaju biti slučajni i moguće ih je predvidjeti. Do danas je razvijeno puno algoritama za generiranje slučajnih brojeva, no rijetki su dovoljno dobri da se praktično nikako ne može razbiti algoritam i otkriti slijedeći slučajni broj.

Za naše “prezentacijske” svrhe svakako se nećemo upuštati u pisanje takvih algoritama. Najviše što možemo napraviti zapravo je programiranje mikrokontrolera da izmjenjuje nekoliko desetaka ili nekoliko stotina nasumično definiranih brojeva, što naravno nije dovoljno dobro za kriptiranje ali je dovoljno dobro za vizualnu simulaciju izmjene “random” brojeva na displeju. Ako bi išli korak dalje, onda bi se svakako morali poslužiti kakvim gotovim dobrim računalnim algoritmom za PRNG.

Napravili smo jednu od mogućih shema spajanja našeg digitalnog voltmetra kako bi dobio neku svoju edukacijsku, eksperimentalnu ili čisto pokazno demonstracijsku funkciju.

Sklopkom sa četiri segmenata ukapča se analogni ili digitalni način rada. U digitalnom načinu rada odspaja se izlaz ADC-a sa brojača, ulazne priključnice se vode na digitalne ulaze (brojač IN i RESET), a ukoliko se koristi interni 555 oscilator tada se na ulaz vode pravokutni impulsi (simetrični izlaz 10 Vpp ispravlja se brzom diodom u pozitivni izlaz 5 V). U analognom načinu rada ADC ulaz se spaja na ulazne priključnice, a ukoliko se koristi interni 555 oscilator tada se na ulaz dovodi simetrični trokutasti napon (dvjema antiparalelno spojenim zener diodama amplituda ulaznog napona se ograničava na 2 V).

Oba izlaza sa 555 također se vode na zasebne priključnice čime dobivamo testne signale za eksperimentiranja. Frekvencija timera 555 može se podešavati u vrlo širokom rasponu preklapanjem kondenzatora (grubo) i potenciometrom (fino).

Također, ugrađena su dva tipkala, za setiranje i resetiranje brojača, te opcionalno sklopke sa priključnicama za svaki BCD ulaz. Tako preko BCD priključnica uređaj može poslužiti za eksperimente sa digitalnim sklopovima, logičkim krugovima, mikroprocesorima i slično, a preko (mikro)sklopki za ručno postavljanje BCD koda u edukacijske i pokazne svrhe.

Analogni instrument pokazuje amplitudu i brzinu naponskih promjena u analognom načinu rada. Za digitalni način rada moguće je ugraditi LED diodu kao indikaciju logičke jedinice.

Vrijeme da na kraju nešto i napravimo od cijelog tog uređaja. Na prednjoj ploči već imamo većinu kontrola za realizaciju naše sheme, osim BCD kontrola koje možemo u ovom prototipu i izostaviti. Krećemo u rastavljanje uređaja.

Sada možemo i malo bolje vidjeti originalnu pločicu uređaja. Većina elemenata ovdje je u krugu ispravljača i stabilizacije napona napajanja i mjernih napona, no mi nećemo iskoristiti ovu pločicu, s jedne strane jer su elementi stari i upitne ispravnosti, a s druge strane bi nam trebalo puno više vremena da raspetljamo sklopove na pločici nego da izradimo vlastito napajanje.

Fali nam jedno tipkalo i četiri SPDT sklopke za prebacivanje između analognog i digitalnog upravljanja Nixie cijevima. SPDT sklopka (single-pole, double-throw) može se prevesti kao jednopolna sklopka sa dvostrukim prebacivanjem, no takve sklopke se kod nas u elektrici nazivaju izmjenične sklopke (gdje se ne misli na izmjenični napon nego na izmjenično preklapanje na jedan ili drugi kontakt). Našli smo jednu takvu robusnu sklopku u duhu 1970-tih koja će se ovdje dobro uklopiti u postojeći dizajn.

Za preklapanje kondenzatora za kontrolu frekvencije 555 ćemo iskoristiti postojeći preklopnik za vrste mjerenja.

Vidi se kako je riječ o kombiniranom preklopniku sa pet sekcija, svaki sa 2×6 preklapanja. U našem slučaju sklopka je blokirana za četiri preklapanja, što je nama i dovoljno, te ćemo od ukupno deset segmenata sa šest preklapanja iskoristiti samo dio jednog segmenta sa četiri preklapanja. U originalu također nije bilo iskorišteno više od 20% preklopnika. Možda bi mogli ovu sklopku zamijeniti nekom modernom, no treba ostati u duhu vremena koliko god je to moguće 🙂

Mrežni transformator daje izlaze za 12 i 18 V (izmjereno 13 V i 19,5 V). Za napajanje timera 555 treba nam simetričnih 5 V. Standardni regulator 7805 radi sa ulaznim naponima do 35 V, no na regulator 7905 može se dovesti najviše 25 V. Kad se isprave i filtriraju naponi sa naših sekundara, oni će biti i preko 25 V. Regulator vjerojatno neće pregoriti na nekoliko volta višem ulaznom naponu ali regulacija neće raditi kako treba i napon na izlazu će biti veći od 5 V. Najbolje bi ovdje stoga bilo upotrijebiti neki drugi transformator sa nižim sekundarnim naponima. Našli smo jednog od 2×7 V koji će biti idealan za naše potrebe.

Originalni transformator (lijevo) za naše potrebe daje prevelike sekundarne napone od 12 V i 18 V, pa smo pronašli jedan sa sekundarom od 2 x 7 V. Ispravljač i stabilizator izradili smo na univerzalnoj tiskanoj pločici gdje ćemo montirati i elemente oscilatora.

Stabilizirana napajanja sa regulatorima 78xx (pozitivni) i 98xx (negativni) vrlo su jednostavna za izradu, no potrebno je posebnu pažnju posvetiti tome da se ispravno polariziraju svi elektrolitski kondenzatori i ispravno povežu pinovi regulatora koji nisu jednakod rasporeda za 78xx i 79xx. Na izlazne linije dodali smo iz preventivnih razloga diode, s obzirom da ćemo u jednom dijelu koristiti “plivajuću” masu.

Sad kad imamo napajanje, vraćamo se na 555. Kad već radimo praktični uređaj ne bi bilo loše iskoristiti puni frekvencijski opseg rada 555. Prema nekim podacima 555 može raditi do frekvencije 500 kHz, a neki bolji čipovi uz maksimalno napajanje (15 V) navodno rade čak do 2 MHz. Mi smo testom za naš 555 potvrdili da radi do cca 300 kHz (napajanje 10 V). Za kontrolu frekvencije koristimo potenciometar od 1 MΩ kako bi dobili što širi raspon i četiri izmjenjiva kondenzatora za puni opseg rada. Serijski potenciometru spojili smo i jedan fiksni otpornik od 1 kΩ jer smo primijetili da može doći do nestabilnosti rada 555 u spoju astabilnog multivibratora, odnosno oscilatora, ukoliko je potenciometar skroz zatvoren. Tako dobivamo slijedeće frekvencijske opsege:

100 µF za opseg 0,003 – 0,5 Hz
1 µF za opseg 0,5 – 65 Hz
10 nF za opseg 60 – 6800 Hz
100 pF za opseg 5 – 230 kHz

U početnoj zamisli planirali smo simetrični pravokutni izlaz iz 555 ispraviti diodom za dobivanje pozitivnih impulsa koji predstavljaju logičke jedinice (TTL 5 V). Ovo se pokazalo ne baš najboljim rješenjem jer s jedne strane trebamo brze diode, a s druge strane opet nećemo dobiti čist signal zbog samih karakteristika dioda (pad napona u propusnom smjeru 0,7 V i struja curenja u nepropusnom smjeru).

Dosjetili smo se jednom boljem rješenju. Kad već imamo stabilnih 5 V napajanja, onda ćemo u digitalnom načinu kontrole 555 napajati sa jednostrukim naponom 5 V čime ćemo dobiti idealan pozitivni pravokutni signal od 5V, a u analognom načinu kontrole napajanje ćemo prebaciti na simetrično kako bi dobili simetrični trokutasti napon. Za ovo nam treba još jedna SPDT sklopka.

Sklopku sa pet SPDT sekcija nemamo, pa ćemo iskoristiti ono što imamo, a to su releji. Imamo dva Iskrina releja: PR16L08 sa četiri SPDT sklopke i PR15E06 sa dvije SPDT sklopke. Ovi releji praktično rade već sa 5 V napajanja, a mi ćemo ih napajati za cca 15 V koliko dobivamo sa mosnog ispravljača.

Releji serije PR15 dolaze sa dvije SPDT sklopke, serija PR16 ima četiri SPDT sklopke, a postoji i serija PR17 sa šest SPDT sklopki koju nemamo na zalihama. Kontakti se izrađuju za maksimalne vrijednosti 100 V / 2 A ili 220 V / 5A. U našem slučaju slovne oznake L i E označavaju kontakte za maksimalne struje od 2 A, dok posljednje znamenke označavaju tip namota:

E06 – 4450 namota, otpor cca 325 Ω, pogonski napon od 6,6 V do 23 V
L08 – 3100 namota, otpor cca 150 Ω, pogonski napon od 7 V do 16 V

U ovoj fazi već je potrebno definirati pozicije pojedinih kontrola na prednjoj ploči jer imamo puno spojnih žica i ne možemo sve lemiti u “zraku”. Prvo ćemo ugraditi elemente i kontrole mrežnog napajanja. Krećemo od zelene indikacijske (pilot) žaruljice.

Kao indikacija mrežnog napona koristi se žaruljica 12 V / 100 mA. S obzirom da je efektivnih 7,5 V sa jednog sekundara transformatora premali napon, a 15 V efektivno sa preko oba namotaja malo preveliki napon, žaruljicu bi mogli napajati istosmjernim naponom 10 V sa našeg simetričnog ispravljača. Druga je mogućnost umjesto žaruljice koristiti svjetleću diodu (LED). S obzirom da će se čitav uređaj jednom možda ugrađivati u kakvo manje ili modernije kućište, a i da bi se izbjegli problemi nabavke zamjenske žaruljice kada ova pregori, mi ćemo ovdje postojeću žaruljicu zamijeniti LED diodom.

Indikacijske LED diode rade na naponima od 1,8 – 3,7 V ovisno o tipu i boji LED diode. Najniži napon (1,8 – 2,1 V) dovoljan je za standardne crvene LED promjera 6 mm. Za ostale LED nominalni naponi su otprilike ovakvi:

Osim indikacijskih LED, danas su raširene i pojedinačne LED veće snage (obično 0,5 W i 1 W) koje daju bijelo svjetlo i služe za razna osvjetljenja. Ove LED, opet ovisno o tipu, mogu raditi na naponima 3 do 6 V i sa potrošnjom struje od 150 do 350 mA.

Kod svih tipova LED dioda od velike je važnosti da se ne premaše nominalni naponi za koje su predviđene jer to uvelike smanjuje njihov životni vijek, a preveliki naponi (iznad 50 %) već ih mogu uništiti trenutno (slično kao i kod žaruljica sa žarnom niti). Zato se za sve napone napajanja iznad nominalnih, serijski sa LED diodom spaja otpornik kojim se dijeli napon i ograničava struja kroz LED diodu.

Isti efekt sniženja napona može se postići i serijskim spajanjem više LED dioda gdje se ukupni napon napajanja onda razdjeljuje na svaku pojedinačnu diodu. Ovo se najčešće koristiti kod gradnje raznih jačih osvjetljenja gdje je potreban veći broj pojedinačnih LED dioda. Ukoliko na primjer trebamo deset LED dioda snage 1 W da bi dobili neku LED žarulju snage 10 W, iste možemo spojiti paralelno ili serijski. Ako je jednoj LED potrebno 3V/100 mA, onda nam kod paralelnog spajanja treba izvor od 3 V / 1 A, a kod serijskog spajanja izvor 30 V / 100 mA. Puno jeftinije je napraviti ovaj drugi izvor sa višim naponom i malom strujom te se stoga takvi kombinirani LED paneli za osvjetljenja u praksi redovno rade sa serijskim spojevima LED dioda. Međutim, kod takvog svjetlećeg tijela, kad pregori jedna LED prestati će svijetliti i sve ostale LED jer je serijski krug prekinut. U slučaju pak da jedna LED zbog neispravnosti ode u kratki spoj, onda će sve ostale LED dobiti veći napon jer se sad ukupni napon raspoređuje na manje dioda pa uskoro pregori i neka druga dioda. Zato napajanja za serijski spojene LED imaju sustav za ograničenje struje (zbog malih struja obično je to serijski spojen otpornik), tako da struja (napon) u serijskom krugu nikako ne može premašiti nominalne vrijednosti.

Najniži napon koji možemo dobiti iz našeg mrežnog ispravljača je 5 V istosmjerno ili izmjenično. Želimo izbjeći nepotrebno opterećenje ispravljača i regulatora, tako da za napajanje LED onda možemo koristi jedan sekundarni namotaj sa efektivnim naponom 7 V koji nakon poluvalnog ispravljanja diodom pada na efektivnih 5 V. Osim toga, na poluvalno ispravljenom naponu LED će jedva primjetno treperiti što je odličan efekt za indikaciju izmjeničnog mrežnog napona 🙂

Sheme prikazuju raspored struja i napona na zelenim svjetlećim diodama i pripadajućim otpornicima. U prvom slučaju koristi se standardna zelena LED dioda koja postiže svoj puni sjaj na cca 2 V / 10 mA. Vidimo da ukupna snaga takvog kruga 50 mW od čega se 60% ukupne snage troši na otporniku. U drugom slučaju imamo zelenu LED diodu jačeg intenziteta svjetla koja postiže svoj puni sjaj na cca 3 V / 20 mA. Ukupna snaga ovog kruga je dvostruko veća (100 mW), a od toga se 40% snage troši na otporniku.

Standardna indikacijska crvena LED (6 mm) pali se već na 2 V / 0,3 mA dok puni sjaj postiže na 10 mA. Standardna zelena LED treba otprilike istu struju ali na punom sjaju ne postiže intenzitet svjetla kao crvena LED. Ako želimo ujednačeno svjetlo sa crvene i zelene LED, onda se crvenoj LED struja može ograničiti na 1 mA, a zelenoj na 10 mA. U svakom slučaju LED diode nikako ne smijemo napajati izravno sa 5 V bez ograničenja struje jer će vrlo brzo pregorjeti. Mi ćemo za naše potrebe koristiti posebnu izvedbu zelene LED koja daje puno jače svjetlo i kojoj je za puni sjaj potreban napon od 3 V i struja od 20 mA. Potreban otpornik se računa po jednostavnoj formuli:

R = Un – Ud / Id

gdje je:

R – potreban otpornik
Un – napon napajanja
Ud – napon na diodi
Id – struja kroz diodu

Nama je dakle potreban otpornik od 100 Ω (5 – 3 / 0,02 = 100). Na diodi će biti napon od 3 V, a na otporniku će biti napon od 2 V i prema tome najveća disipacija snage na njemu od 40 mW (2 x 0,02), tako da je i više nego dovoljan standardni otpornik od 1/4 W. Inače, kod napona od 5 V za standardne LED diode se stavlja otpornik od 330 Ω koji ograničava struju na cca 10 mA.

Smanjenje struje/napona otpornikom nije baš ekonomično rješenje jer vidimo da se u našem slučaju 40% ukupne snage troši na otporniku. Kada bi LED napajali sa naponom 12 V trebali bi otpornik od 450 Ω na kojem bi disipacija snage bila 180 mW. Što je napon viši, potreban nam je otpornik veće vrijednosti i veće snage. Da želimo našu LED (3 V / 20 mA) spojiti na mrežni napon 230-240 V onda će se na otporniku od cca 12 kΩ razvijati snaga blizu 5 W što je doista neučinkovito. Preko ispravljačke diode napon će se smanjiti dvostruko, no i dalje trebamo otpornik snage 2,5 W, u najboljem slučaju oko 1 W za pogon obične crvene LED za puni intenzitet (2 V / 10 mA). Zato je za izravnu indikaciju mrežnog ili još viših napona najbolje koristiti žaruljice ili tinjalice, a ako želimo koristiti LED punog intenziteta onda se napon učinkovitije snižava tako da se umjesto otpornika koristi impedancija serijski spojenog kondenzatora na 50 Hz, uz kombinaciju ispravljačke diode.

Kao primjer dajemo shemu uređaja iz objave Tesla Saver ECO gdje se samo za napajanje dvije zelene indikacijske LED diode preko mrežnog napona koristi serijski spojen kondenzator, nakon njega mosni diodni ispravljač, zatim filtar napona i na kraju serijski otpornik za ograničenje struje. Kod ovog uređaja, koji se reklamira kao nešto što “štedi potrošnju električne energije”, vidimo da se radi o uređaju koji zapravo samo troši umjesto da štedi električnu energiju, a unutrašnja potrošnja bi bila još veća da je za napajanje LED korištena samo jedna ispravljačka dioda i jedan serijski vezan otpornik.

U našem pak konkretnom primjeru koristila se žaruljica 12 V / 0,1 A što troši snagu od 1,2 W, dok bi LED visokog intenziteta svjetla na 12 V napajanja zajedno sa otpornikom (450 Ω / 180 mW) trošila svega 240 mW. To je ušteda na energiji od 80% i ovdje je ugradnja indikacijske LED isplativa čak i na 12 V napajanja. Krug sa LED diodom imao bi još veću učinkovitost da se umjesto kombinacije LED diode i otpornika koriste dvije LED diode spojene u seriju, no to nema praktičnog smisla za gradnju indikacijske LED.

Zaključak je taj da kada koristimo LED diodu na višem naponu od nominalnog obavezna je upotreba serijski vezanog otpornika za dijeljenje napona i ograničenje struje. Međutim, što je napon viši to će se na otporniku trošiti više snage, tako da je kod proračuna otpornika najbolje pokusom utvrditi najmanju vrijednost otpornika kod kojeg ćemo dobiti zadovoljavajući intenzitet svjetla jer to dosta ovisi o tipu i boji diode. Kod napona puno viših od nominalnih nije svejedno hoćemo li ograničiti struju na 1 mA, 10 mA ili 20 mA jer što je veća struja to će na otporniku biti veća disipacija (potrošnja) snage. Stoga u različitim praktičnim primjenama nema potrebe da LED diode svijetle jače nego je to potrebno. Za našu primjenu mi smo jačinu struje postavili za najveći sjaj diode jer ista mora dovoljno intenzivno svijetliti preko zelenog stakla originalne indikatorske lampice (kontrolno svjetlo mora biti vidljivo i u normalno osvjetljenim prostorijama), a i napon napajanja od 5 V nije previsok tako na otporniku nije velika disipacija snage ni kod najjače struje.

Evo dokle smo stigli sa modifikacijom sheme i sa realizacijom projekta…

Sada kada smo se uvjerili da svi sklopovi rade ispravno i da na izlazu iz 555 dobivamo ispravni pravokutni i trokutasti napon u čitavom frekvencijskom opsegu, slijedeći korak je spajanje digitalnog i analognog voltmetra.

Prvi test je pokazao da sve radi sukladno očekivanjima, osim jedne stvari na koju nismo obratili pažnju. To je RESET linija koju šalje ADC. Naime, s obzirom da nismo crtali shemu ADC-a i ne znamo koji su signali na konektoru istog, mi smo kod digitalnog načina rada jednostavno odvojili izlazni signal iz ADC-a prema brojaču. Pri tome smo zaboravili da ADC šalje i RESET signale frekvencijom oko 4,6 Hz, tako da sada u digitalnom načinu rada ne možemo napraviti brojanje duže od 220 ms. Imamo dva moguća rješenja: ili ćemo u digitalnom načinu rada potpuno isključiti napajanje ADC-a ili ćemo preko još jedne SPDT sklopke kontrolirati i RESET izlaz iz ADC-a. Ni jedno ni drugo rješenje nije baš najelegantnije jer moramo opet raskapati po pločicama digitalnog voltmera. Sasvim sigurno je za elektroničko isključenje ADC-a dovoljno neki pin na konektoru spojiti na masu (ili slično) no kad nemamo elektroničku shemu ne možemo tražiti pinove napamet jer lako možemo uništiti ADC ili cijeli voltmetar.

S obzirom da konektor na mrežnom transformatoru voltmetra ima viška pinova, odlučili smo se za prekidanje simetričnog napajanja za ADC. Moramo prekidati barem dvije linije napajanja za što nam treba dvostruka sklopka. Za ovo možemo opet upotrijebiti relej ili neku trostruku sklopku za analogno/digitalno prebacivanje (istovremeno prekidanje napajanja releja i dvije linije napajanja ADC-a). Najbliže takvoj sklopki imamo onu robusnu sklopku sa četiri SPDT sekcije od koje smo odustali zbog releja. Na kraju smo kao najbolje rješenje odabrali ugradnju jedne raspoložive dvostruke sklopke, a za treću sklopku smo iskoristili preostalu SPDT sekciju na jednom releju.

Sada kad analogni i digitalni način rada funkcionira dobro, vrijeme je da ugradimo neke indikacije. Prva od njih bi bila LED indikacija logičkih stanja na ulazu u brojač. Tako će crvena LED označavati logičku nulu (digitalni način) i negativna stanja napona (analogni način), a zelena led će označavati logičku jedinicu (digitalni način) i pozitivna stanja napona (analogni način). Idemo prema najjednostavnijem rješenju te koristimo pravokutni signal iz 555. Ovaj signal je pozitivan (+5V) kada je prisutna logička jedinica ili pozitivni analogni napon, odnosno vrijednost mu je nula volti ili je negativan (-5V) kada je prisutna logička nula ili negativni analogni napon.

LED indikatori razine i polariteta napona mogu se izvesti na više načina sa različitim elektroničkim komponentama. Najjednostavnije je za to koristiti logičke integrirane krugove koji su već podešeni da reagiraju na naponske razine pojedinih logičkih stanja: za logičku nulu to su naponi manji od cca 1 V (preporučeno ispod 0,5 V), a za logičku jedinicu to su naponi veći od cca 2 V (preporučeno iznad 2,7 V).

Slika prikazuje vrlo jednostavan indikator logičkih razina sa svega jednim NOT logičkim vratima (inverter). Ova vrata imaju jedan ulaz i jedan izlaz: kad je na ulazu logička nula, na izlazu će biti logička jedinica i obrnuto, kad je na ulazu logička jedinica, na izlazu će biti logička nula. Kada na ulaz IN našeg sklopa dovedemo logičku jedinicu (+5V) prva LED će normalno svijetliti jer kroz nju prolazi napon od 5V. Pošto je na ulazu jedinica, na izlazu iz invertera će biti nula te druga LED neće svijetliti. U drugom slučaju, kada na ulazu IN našeg sklopa nema napona (logička nula) prva LED neće svijetliti jer kroz nju ne prolazi nikakav napon. Isto tako, pošto je sad na ulazu u inverter nula, na izlazu iz invertera će biti jedinica (+5V) te će svijetliti druga LED.

Inverter ili NOT logička vrata sadrže mnogi logički integrirani krugovi, a isti se vrlo jednostavno može napraviti i iz NAND ili NOR logičkih vrata. Kod logičkih integriranih krugova imamo dva osnovna izbora glede tehnologije proizvodnje: TTL ili CMOS. TTL (Transistor-Transistor Logic) čipovi se baziraju na bipolarnim (BJT) tranzistorima, dok se CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) čipovi baziraju na unipolarnim (MOSFET) tranzistorima. Svaka od ovih tehnologija ima svoje specifičnosti (prednosti i nedostatke) pa odabir najviše ovisi o mjestu primjene. Kada radimo sa TTL čipovima važno im je osigurati stabilno napajanje od što točnijih 5 V, dok CMOS čipovi obično bez problema rade u širokom rasponu napajanja 3-18 V. Kada radimo sa CMOS čipovima, zbog njihove vrlo visoke ulazne impedancije, poželjno je nožice čipa prije ugradnje držati uzemljenima kako ne bi došlo do nekog prodora statičkog elektriciteta koji može uništiti osjetljive ulazne krugove unutar čipa. Iz mojeg iskustva mogu reći da CMOS čipovi i nisu baš toliko osjetljivi na taj statički elektricitet kako se to svuda napominje, no dobro je isprazniti statički elektricitet sa prstiju prije diranja takvog čipa (dodirnuti neku uzemljenu površinu) ili koristiti uzemljenu narukvicu. Što se tiče naponskih nivoa za prepoznavanje logičke jedinice i nule, situacija je otprilike ovakva:

Vidimo da CMOS (uz napajanje 5 V) daje puno preciznije izlazne razine (gotovo točnih 0 V i 5 V), a i nešto bolje razlaže ulazne razine. S praktične strane gledano isti logički čipovi mogu biti proizvedeni u TTL i CMOS tehnologiji. Razlikovati ih možemo po oznakama ili po rasporedu pinova. Originali TTL logički čipovi od 1968. godine označavani su 74xx oznakom. Oko 1975. godine počeli su se proizvoditi CMOS logički čipovi sa oznakom 4xxx. Kako ne bi došlo do zamjene, CMOS čipovi su također imali i nešto drugačiji raspored pinova od TTL čipova koji su sadržavali iste logičke krugove. Međutim, tada se počela proizvoditi i CMOS 74HCxx serija čipova koja je mogla raditi na većim brzinama (povećanje sa 3 MHz na 25 MHz) i koji su imali pinove kompatibilne sa TTL čipovima. Tako je na primjer TTL 7400 kompatibilan sa CMOS 74HC00, no ne i sa CMOS CD4000 iako sva ova tri čipa sadrže četiri ista logička NAND vrata. TTL čipovi obično imaju prefiks SN74xx, a CMOS čipovi prefiks CD4xxx, no SN74HCxx su CMOS čipovi kompatibilni sa TTL. Kako god bilo, ukoliko želimo biti sigurni na kojoj tehnologiji se bazira neki logički krug, najbolje je potražiti tvorničke podatne po točnim oznakama otisnutim na čipu.

Ukoliko koristimo NOT inverter ili neka druga logička vrata za izravni pogon jačeg potrošača, poput LED diode, moramo znati koliku struju su tranzistori od kojih su napravljena ta logička vrata uopće u stanju dati na svom izlazu. Obično su to male struje (reda nekoliko mA), a za postizanje većih struja koriste se vanjski driver tranzistori ili pak se više invertera međusobno spoji paralelno. Izravno paralelno spajanje invertera za jače struje puno bolje funkcionira kod CMOS čipova sa MOSFET tranzistorima, nego kod TTL čipova sa BJT tranzistorima.

U zalihama smo pronašli svega dva CMOS čipa koja odgovaraju našim potrebama:

MC14011BCP (Motorola) iz 1989. godine koji sadrži četiri NAND vrata sa maksimalnom izlaznom strujom 10 mA
HEF4001BP (Philips) iz 1996. godine koji sadrži četiri NOR vrata sa maksimalnom izlaznom strujom 10 mA

S obzirom da nemamo nikakav standardi CMOS hex-inverter spojiti ćemo NOR vrata sadržana u 4001 kao invertere. Ovdje želimo iskoristiti invertere u smislu ulaznog prepoznavanja i preciznog izlaznog davanja logičkih nivoa, pa ćemo obje LED diode kontrolirati preko invertera.

Shema ne može biti jednostavnija. Ulazni signal (nula ili jedinica) za jednu diodu se invertira jednom, a za drugu diodu dva puta, tako da će jedna dioda svijetliti na jednom, a druga na drugom logičkom stanju. Ukoliko ulaz nije definiran (razina ulaznog napona izvan granica logičkog prepoznavanja), svijetliti (naizmjenično treperiti) će obje diode. S obzirom da je maksimalni izlaz 10 mA, stavili smo otpornik od 470 Ω čime je struja kroz diode ograničena na oko 6 mA.

Indikatorske diode logičkih stanja imaju smisla do frekvencije maksimalno 5 Hz, nakon čega izmjene stanja postanu toliko brze da obje diode vidimo kao treperava svjetla. Nakon 50 Hz više se ni treperenje ne razlučuje okom i čini se da diode svijetle konstantno. Ovu indikaciju možemo stoga koristiti samo na prvom frekvencijskom opsegu 0,003 – 0,5 Hz gdje će funkcionirati i pokazivanje napona preko analognog voltmetra. Općenito gledano, tri viša frekvencijska opsega nemaju više neku demonstracijsku funkciju u prikazu rada voltmetara jer su izmjenične frekvencije previsoke, osim ako na tim opsezima voltmetre ne pretvorimo u mjerače frekvencije.

Sada imamo još jedan problem. U digitalnom načinu rada dobivamo pravokutni napon +5 Vpp. U analognom načinu rada koristimo simetrično napajanje čime dobivamo pravokutni napon +10 Vpp ili simetrični napon +5V/-5V. Jedan od ova dva napona moramo također svesti na pravokutni +5 Vpp kako bi indikacijska logika dobro funkcionirala.

Lijevo su pravokutni signali iz 555 u digitalnom i analognom načinu rada mjereni prema masi čipa 555. Desno su pravokutni signali iz 555 u digitalnom i analognom načinu rada mjereni prema masi napajanja (srednji izvod transformatora). Za indikaciju naponskih razina analogne napone je potrebno oblikovati da budu isti kao digitalni.

U prvom slučaju napon možemo ograničiti zener diodom za 5 V no to će vjerojatno utjecati i sam 555 u analognom načinu rada. Snižavanje napona otpornikom (djeliteljem napona) bi svakako funkcioniralo, no snižavanjem analognog napona sniziti ćemo i digitalni napon, tako da bi ovdje opet trebalo ubaciti SPDT sklopku, što nećemo više raditi.

U drugom slučaju, može se upotrijebiti ispravljačka dioda. Obične diode dobro će rezati pravokutni napon do frekvencije cca 100 Hz, a nakon 1 kHz već će prilično doći do izražaja spora reakcija diode i ispravljeni napon će se početi izobličavati u kose rampe. Stoga moramo koristiti brze diode ili prekidačke diode (tzv. Fast Recovery Diode) koje funkcioniraju i na višim frekvencijama.

Ispravljanje simetričnog pravokutnog napona +5V / -5V običnim (sporim) diodama (dva različita tipa). Vidi se da na frekvencijama od 1 kHz već postaju izraženi problemi brzine reakcije što rezultira kosim silaznim rampama, a na 10 kHz napon više ne stigne ni pasti na najnižu vrijednost.

U zalihama smo našli dvije brze diode izvađene iz nekih SMPS (prekidačkih) napajanja:

FML-G12S za napone do 200 V, struje do 5 A i frekvencije do 25 MHz
BYV 28-200 za napone do 200 V, struje do 3,5 A i frekvencije do 33 MHz

Brzih prekidačkih dioda ima više vrsta. Za brzo prekidanje signala visokih frekvencija najbolje su PIN diode. Naša BYV 28-200 spada u lavinske diode. Lavinske diode su vrlo slične zener diodama, razlika je u strukturi PN sloja i načinu na koji dolazi do lavinskog proboja. Zener diode se izrađuju za niže napone, a lavinske za više napone. Slične ovim diodama su TVS (Transient Voltage Suppression) diode koje služe za zaštitu od visokonaponskih pikova, statičkog elektriciteta i slično (ESD – Electrostatic Discharge). Sve ove diode se koriste u reverznom spoju u kojem dolazi do lavinskog ili Zener efekta i zapravo imaju vrlo slične karakteristike, no ovisno o mjestu primjene dizajnirane su za različite uvjete rada (blokada niskih ili visokih napona, blokada kontinuiranih ili impulsnih napona i slično).

Na testu su se obje diode pokazale dobrima za našu primjenu i oštro režu negativne poluperiode pravokutnog napona u čitavom frekvencijskom opsegu. Što se tiče našeg konkretnog projekta, činjenica je da preko LED dioda ionako nećemo moći pratiti promjene logičkih stanja bržih od nekoliko Hz tako da brze diode i nisu nužne, no možda se odlučimo analogni instrument pretvoriti u mjerač frekvencije pa nam ispravljanje pravokutnog napona na punom opsegu bude od koristi. Uglavnom nova revizija sheme izgleda ovako.

Iskrin analogni instrument nosi oznaku BN11 i izmjerili smo da mu je osjetljivost 10 mA za puni otklon skale. Mi želimo mjeriti napone do 2 V (koliki je opseg digitalnog voltmetra) što znači da ukupan otpor mjernog kruga mora iznositi 200 Ω ( 2 V / 0,01 A = 200 Ω). Unutrašnji otpor zavojnice zakretnog svitka instrumenta je vrlo mali, svega 2,2 Ω, tako da nam treba predotpornik od cca 198 Ω. Moramo primijetiti kako je ukupni otpor ovakvog mjernog kruga relativno mali, odnosno potrošnja struje je velika (0-10 mA) ovisno o mjerenom naponu, pa moramo testirati ima li to utjecaja na rad našeg 555 oscilatora. Za usporedbu, unutrašnji otpor digitalnog voltmetra je 100 kΩ što je neusporedivo više od ovih 200 Ω kod analognog voltmetra.

Kako smo i pretpostavili, otpor od 200 Ω previše opterećuje napon na kondenzatoru oscilatora 555, praktično ga posve prazni. Čak i otpori reda nekoliko stotina kΩ još uvijek vuku preveliku struju sa kondenzatora i remete njegov rad. To se posebno očituje na niskim frekvencijama, gdje je punjenje i pražnjenje kondenzatora vrlo sporo i gdje bilo kakvi paralelno spojeni otpori imaju vremena potrošiti dio struje, odnosno u realnom vremenu djelomično prazniti kondenzator čime se onda smanjuje napon i kvari linearna karakteristika punjenja kondenzatora. Treba nam dakle pojačalo za odvajanje koje ima što je moguće veći ulazni otpor i što je moguće manji izlazni otpor.

Idealni elementi za ovu namjenu su operacijska pojačala. Ona, ovisno u tipu, u spoju naponskog slijedila (buffer pojačala) mogu imati ulazni otpor veći od 1 TΩ i izlazni otpor manji 100 Ω. U zalihama imamo operacijsko pojačalo CA3140 koje ima ulazni otpor od 1,5 TΩ. Testom smo potvrdili da ovo pojačalo svojim velikim ulaznim otporom doista ne utječe na promjenu napona na kondenzatoru i praktično troši zanemarivo malu struju sa izvora.

Sada imamo trokutasti signal koji možemo bez problema opteretiti niskim impedancijama, no ne i preniskim. Testom smo naime utvrdili da se izlaz iz našeg pojačala CA3140 ne smije opteretiti otporom većim od 1,2 kΩ. Gledano s praktične strane, izlaz iz CA3140 može dati i više nego dovoljnu struju za digitalni voltmetar s unutrašnjim otporom 100 kΩ. Kako bi operacijsko pojačalo iskoristili malo bolje, dodati ćemo potenciometre za regulaciju pojačanja i offseta (namještanje nule na izlazu kada na ulazima nema nikakvih signala). Potenciometrom za offset ćemo tako moći točno izjednačiti pozitivni i negativni vršni napon, a potenciometrom za pojačanje maksimalne vršne napone možemo podesiti na točno 1,999 V.

Sada kada imamo savršeni izmjenični trokutasti napon 3,998 Vpp za digitalni instrument, trebamo iz ovog napona napraviti pozitivni trokutasti napon za analogni instrument. Za ovo imamo dvije mogućnosti: punovalno ispravljanje napona ili pomicanje čitavog trokutastog napona u pozitivno naponsko područje pomoću istosmjernog prednapona.

Izmjenični trokutasti signal iz operacijskog pojačala možemo “pomaknuti” u pozitivno područje na dva načina: zbrajanjem izmjeničnog napona sa istosmjernim naponom od 2 V ili punovalnim ispravljanjem, odnosno pretvaranjem negativnih u pozitivne poluperiode napona.

Punovalno ispravljanje napona

S obzirom da moramo precizno ispravljati relativno niske napone ovdje onda u obzir dolazi punovalni precizni ispravljač sa operacijskim pojačalima. Jedan takav mjerni krug vidjeli smo u objavi RLC mjerni most Iskra MA 4302. Jednako kao što smo vidjeli kod dioda kada smo trebali ispraviti pravokutni napon, tako i ovdje moramo odmah napomenuti da ispravljačka mjerna pojačala sa standardnim elementima neće raditi na višim frekvencijama. Nama frekvencije više od nekoliko Hz ionako ovdje nisu bitne jer kazaljka instrumenta zbog vlastite inercije ne može slijediti promjene brže od 1 sekunde na punom otklonu skale. Mjerno pojačalo nam treba samo za prvi frekvencijski opseg (0,003 – 0,5 Hz) dok na višim frekvencijama analogni instrument može eventualno raditi kao mjerač frekvencije.

Napravili smo najjednostavniji mogući ispravljač sa operacijskim pojačalom TS272 i diodom 1N4148. Dioda 1N4148 je također brza dioda za napone do 100 V, struje do 450 mA i frekvencije do 250 MHz (4 ns). Zahvaljujući tome naš ispravljač radi do frekvencija 10 kHz nakon čega nastaju izobličenja zbog samih operacijskih pojačala.

Punovalno ispravljanje trokutastog napona preko operacijskog pojačala.

Operacijsko pojačalo TS272A može izravno napajati analogni mjerni instrument impedancije 200 Ω i test je pokazao da kazaljka instrumenta može lijepo pratiti promjene napona frekvencije manje od 0,5 Hz. Već na 10 Hz promjene napona za zakretni svitak mjernog instrumenta su toliko brze da kazaljka praktički više ni ne podrhtava.

Istosmjerni bias napona

Za našu primjenu vjerojatno bi bolje bilo da ne idemo na punovalno ispravljanje napona jer se time zapravo udvostručuje frekvencija i smanjuje opseg upotrebe analognog instrumenta. Ukoliko pak idemo na dodavanje istosmjerne komponente napona i time na “podizanje” svih naponskih vrijednosti na pozitivne vrijednosti, osim što zadržavamo istu frekvenciju, dobivamo i širi raspon napona (4 Vpp umjesto 2 Vpp). To znači da i unutrašnji otpor voltmetra možemo povećati sa 200 Ω na 400 Ω.

Međutim, dodavanje istosmjerne komponente napona (bias, offset) izmjeničnom signalu niske frekvencije nije lako kao što se čini. Ukoliko želimo dodati istosmjerni napon ulaznom ili izlaznom izmjeničnom signalu isti se mora galvanski odvojiti od pojačala, odnosno samog generatora izmjeničnog signala. Mi pak ovdje moramo izbjegavati veze signala preko kondenzatora jer isti kvare amplitudu i linearnost izmjeničnog trokutastog signala u širokom frekvencijskom opsegu, a osim toga, na vrlo niskim frekvencijama čak i kondenzatori vrlo velikog kapaciteta predstavljaju izuzetno veliku impedanciju (otpor). Napravili smo nekoliko simulacija i pokusa sa operacijskim pojačalima i našli da je jedan od načina za postizanje podesivog offseta bez kondenzatora stvaranjem svojevrsne virtualne mase za izlazni signal.

Ovakav spoj funkcionira dobro, no ne može se opteretiti prevelikim opterećenjima. Mogli bismo umjesto mase uzeti negativan pol napajanja, no time čitav signal odlazi previsoko u pozitivne vrijednosti, pa opet imamo problem regulacije točnog bias napona ovaj puta u negativne vrijednosti. Druga je mogućnost napraviti nesimetričnu regulaciju napajanja (+5V / – 2V) no to se ne isplati samo za ovaj stupanj.

Operacijska pojačala možemo spajati na sve moguće kombinacije glede dva ulaza i jednog izlaza. Pošto izbjegavamo upotrebu kondenzatora za istosmjerno odvajanje, onda je bias napon preko potenciometra kao djelitelja napona najbolje dovoditi na zasebni (neinvertirajući) ulaz operacijskog pojačala kako bi taj napon bio potpuno odvojen od ulaznog napona i krugova za vođenje istog. Naime, miješanje bias signala sa drugim krugovima pojačala dovodi do izobličenja izlaznog oblika signala, bilo zbog rezanja amplituda ulaznog trokutastog napona ili zbog miješanja sa pravokutnim signalom koje u određenim uvjetima samoosciliranja počinje proizvoditi operacijsko pojačalo.

Stoga smo napravili spoj gdje bias napon dovodimo na zaseban neinvertirajući ulaz pojačala, a ulazni signal na invertirajući ulaz.

Ovakav spoj funkcionira dobro i podiže naš trokutasti signal u pozitivno područje. Potenciometrom za regulaciju pojačanja možemo podizati pozitivni bias napon (i istovremeno donekle pojačavati i izmjenični napon) sve dok vršna vrijednost izmjeničnog napona ne dostigne napon napajanja od 5 V. Pojačalo jednako funkcionira sa jednostrukim i simetričnim naponom napajanja. Ovdje smo upotrijebili operacijsko pojačalo CA3140 i isto može izravno pogoniti naš instrument niske impedancije.

Iako ovaj sklop u potpunosti odgovara našim zahtjevima, mi i dalje želimo pronaći spoj kojim je na što jednostavniji način moguće kontinuirano mijenjati bias ulaznog napona u pozitivne i/ili negativne vrijednosti bez upotrebe kondenzatora. Ovo vjerojatno nećemo moći postići sa spojevima za zajedničkom masom pa prelazimo stoga na testove sa mosnim i diferencijalnim spojevima pojačala bez zajedničke mase između ulaznog i izlaznog signala.

Za početak smo napravili mosni spoj dva operacijska pojačala.

Da bi izbjegli miješanje bias napona sa ulaznim i drugim naponima, upotrijebili smo spoj gdje se bias napon dovodi na zasebne neinvertirajuće ulaze oba pojačala, dok se ulazni izmjenični signal dovodi na invertirajuće ulaze. Znamo da u mosnom spoju izlazi iz pojačala moraju biti međusobno protufazni. S obzirom da su nama za ulazni signal na raspolaganju samo dva invetrirajuća ulaza, onda na jedan invertirajući ulaz dovodimo ulazni trokutasti signal izravno, a na drugi invetrirajući ulaz dovodimo invertirani ulazni signal sa izlaza prvog pojačala. Tako na ulazima i izlazima iz pojačala imamo dva međusobno protufazna signala.

Spoj sa operacijskim pojačalima u ovakvom mosnom spoju funkcionira, no izlaz se opet ne može opteretiti prevelikom strujom. Da bi ovakvim spojem mogli pogoniti naš voltmetar sa svega 200 Ω impedancije potrebna su nam snažna operacijska pojačala, viši napon napajanja ili dodatno izlazno pojačalo. Rješenje bi moglo biti upotreba tzv. instrumentacijskog pojačala koje se sastoji od dva ulazna buffer pojačala (za svaki ulazni signal po jedno), a izlazni signali se zatim vode na treće, diferencijalno pojačalo.

Instrumentacijsko (mjerno) pojačalo se može napraviti iz bilo koja tri operacijska pojačala, no gotovi moduli sadrže specijalna pojačala i vrlo precizne otpornike čime je osigurana vrlo velika ulazna impedancija, mali offset, drift i šum, te veliko pojačanje, točnost i stabilnost takvog pojačala. Obično se izrađuju za male ulazne napone i pogodna su za izravno spajanje mjernih mostova.

S obzirom da mi tražimo što jednostavnije i jeftinije rješenje sa dostupnim materijalom, prelazimo na spojeve sa tranzistorima.

Slika prikazuje najjednostavniji i posve funkcionalan sklop diferencijalnog pojačala sa tranzistorima prilagođen za našu primjenu. Kao što smo već vidjeli u objavama za elektronske voltmetre, mjerni instrument može biti spojen između emitera (katoda) ili između kolektora (anoda). Riječ je o istosmjernom pojačalu pa stoga koristimo simetrično napajanje kako bi ulazni izmjenični napon mogli pomicati prema pozitivnim ili prema negativnim vrijednostima. Tranzistori podnose veće struje od operacijskih pojačala te bez problema pogone naš nisko-impedancijski voltmetar.

Kod diferencijalnih pojačala za izmjenične napone neminovno dolazi do faznog pomaka između ulaznog i izlaznog izmjeničnog napona. Svaka promjena amplitude napona na jednom ili drugom ulazu diferencijalnog pojačala mijenja odnos protufaznih signala na izlaznim priključnicama, a to onda rezultira i fazno pomaknutim izlaznim naponom. U našem slučaju bi taj fazni pomak trokutastog napona za analogni voltmetar u odnosu na trokutasti napon za digitalni voltmetar značio nesinkronizrano pokazivanje napona ova dva voltmetra. Također, trokutasti signal je izvorno u astabilnom multivibratoru 555 sinkroniziran sa pravokutnim naponom, koji nam koristi za LED indikaciju logičkih stanja. To znači da se LED diode ne bi palile na minimalnim ili maksimalnim vrijednostima dostignutim na analognom voltmetru već negdje između njih, ovisno o faznom pomaku.

Vratimo se ponovno na sve naše eksperimentalne sheme. Temelj za kontrolu frekvencije je pravokutni napon koji proizvodi 555 i on služi za LED indikaciju logičkih stanja. Trokutasti napon sa kondenzatora 555 je iste frekvencije kao i pravokutni napona te se preko buffer pojačala dovodi na digitalni voltmetar. Već ovdje vidimo da promjena logičkih stanja ne prati promjenu polariteta napona za digitalni voltmetar. Stoga, ako želimo sinkronizirati promjenu polariteta napona i promjenu indikacijskih LED, onda moramo jedan od napona (bilo pravokutni za LED indikaciju ili trokutasti za voltmetar) fazno pomaknuti za 90°.

Ovdje ponovno moramo izbjegavati bilo kakve krugove sa kondenzatorima (RC mreže) jer je to vrlo teško izvesti za širok raspon frekvencija. To znači da u obzir dolaze samo digitalni djelitelji faze pravokutnog napona. Pri tome je jedan od zahtjeva da izlazni pravokutni napon mora zadržati svoj ravnomjerni radni ciklus (duty cycle), odnosno izmjene stanja pravokutnog napona moraju ostati ravnomjerne u omjeru 50:50%. Ovo i nije tako jednostavno izvesti kako se čini.

Jedan od kandidata je upotreba D flip-flopa. D flip-flop se koristi kao element za memoriranje jednog bita (Data) ili kao element za kašnjenje (Delay) pa otuda i u nazivu slovo D. Pomoću svega dva D flip-flopa možemo dobiti fazne pomake ulaznog signala za 90°, 180° ili 270° no izlazni signal će biti dvostruko ili četverostruko niže frekvencije. Stoga nakon faznog pomicanja moramo koristiti digitalne množitelje da frekvencije vratimo na početnu vrijednost. Za frekvencijski pomak 90° izlazna frekvencija će biti dvostruko manja, a digitalne udvostručivače frekvencije sa zadržavanjem radnog ciklusa 50:50 (izbjegavanje kondenzatora) opet nije jednostavno izvesti. Također, za D flip-flopove ulazni signal mora biti vrlo čist jer će svako izobličenje ili šum ulaznog signala utjecati na fazni pomak na izlazu. Danas su razvijeni gotovi DPLL sklopovi (Digital Phase Locked Loop) i digitalne linije za kašnjenje koje se također najčešće baziraju na D flip-flopovima i koje bi također mogli primijeniti za pomicanje faze signala. Općenito gledano, dobivanje pouzdanog faznog pomaka pravokutnog signala u širokom rasponu niskih frekvencija sa zadržavanjem jednakog radnog ciklusa svakako zahtijeva eksperimente sa različitim dostupnim logičkim krugovima dok se (ne) dobiju željeni rezultati.

Ovaj zadatak ćemo ostaviti za kasnije, sada prvo moramo odlučiti koji napon ćemo koristiti za pogon analognog voltmetra.

Ukoliko želimo uskladiti pokazivanje napona kod digitalnog i analognog voltmetra onda nam svakako treba punovalno ispravljeni napon jer se tu poklapaju naponske nule i naponski maksimumi kod oba instrumenta.

Ukoliko pak želimo uskladiti paljenje indikacijskih LED dioda točno na početku pozitivnih i negativnih poluperioda napona onda nam nešto više odgovara DC biasiran napon jer će se tu indikacija promjene stanja vršiti uvijek kada kazaljka dosegne najmanji ili najveći otklon (kod punovalno ispravljenog napona indikacija će se vršiti samo na svakom najvećem otklonu kazaljke). Međutim, ni u jednom slučaju LED indikacija neće pratiti stvarne promjene pozitivnog i negativnog napona na digitalnom voltmetru jer i dalje imamo ono kašnjenje faze od 90°. Uz malo eksperimenata našli smo način kako na jednostavan način zaobići taj problem: izmjenični trokutasti signal pretvoriti ćemo u izmjenični pravokutni signal kojim izravno možemo napajati indikacijske LED.

Ovaj jednostavni spoj operacijskog pojačala ulazni trokutasti simetrični napon pretvara u pravokutni napon. Promjene stanja vrše se na naponskoj nuli trokutastog signala te takav napon može izravno poslužiti za indikaciju pozitivnih i negativnih poluperioda punovalno ispravljenog napona. Ovime smo otkrili da se fazni pomak pravokutnog napona za 90° može napraviti tako da se isti prvo pretvori u trokutasti napon, a zatim opet u pravokutni 🙂

Sada se želimo pozabaviti pokazivanjem analognog i digitalnog voltmetra na višim frekvencijama (iznad 5 Hz) gdje kazaljka više ne može pratiti brze promjene napona, a jednako tako se i znamenke na Nixie cijevima prebrzo izmjenjuju što stvara vizualni dojam kako sve istovremeno svijetle titravom svjetlosti.

Za te više frekvencijske opsege instrumente ćemo koristi kao mjerače frekvencije. Za to nam treba neki sklop koji frekvenciju pretvara u proporcionalnu vrijednost napona, odnosno pretvarač frekvencije u napon. Ima puno načina kako se to može izvesti. Osim što danas već postoje jeftini gotovi moduli i specijalizirani integrirani krugovi za tu namjenu (npr. LM331, LM2907, LM2917, AD652 i mnogi drugi) pretvorba frekvencije u napon može se izvesti i pomoću tranzistora, operacijskih pojačala, logičkih krugova, timera 555 i slično.

Osnovni korak u pretvorbi frekvencije u napon je ulazni izmjenični signal pretvoriti u impulse jednake širine i amplitude. Tako ćemo kod niskih frekvencija u jedinici vremena dobiti manje impulsa, a kod viših frekvencija više jednakih impulsa. Više impulsa znači i veći srednji napon, pa će instrument na višim frekvencijama imati veći otklon.

Mi raspolažemo timerima 555 pa ćemo naš mjerač frekvencije bazirati na tom integriranom krugu. Za generiranje pravokutnih impulsa imali smo 555 spojen kao astabilni multivibrator. U tom spoju 555 neprestano sam sebe okida impulsom sa izlaza, pa dobivano kontinuirani pravokutni izlazni napon. Za mjerenje frekvencije pak će naš 555 biti spojen kao monostabilni multivibrator. U tom spoju jedno okidanje na ulazu, prouzročiti će i samo jedan impuls na izlazu. Taj izlazni impuls se pomoću vanjskih RC elemenata može podesiti da bude točno određene širine i amplitude. Dakle kakav god (negativni) impuls doveli na ulaz na izlazu ćemo uvijek dobiti impuls jednake širine, odnosno duljine trajanja.

U praksi naravno postoje određena ograničenja. Frekvencijski opseg 10 Hz – 200 kHz je prilično širok i ne može se čitav precizno prikazati na analognoj skali našeg instrumenta. Naš 555 napajamo sa samo 5 V i kao što smo već vidjeli kod oscilatora, na tom naponu 555 radi do najviše 200 kHz (testom smo našli da se na 10 V frekvencija se može dići do 700 kHz). Također, ulazni impulsi za okidanje monostabila ne smiju biti širi od izlaznih impulsa. To znači da za mjerenje visokih frekvencija RC konstanta monostabila mora biti određena tako da izlazni signali budu što uži (kraći). No ako podesimo kratke impulse, oni će na nižim frekvencijama biti vrlo rijetki i srednja vrijednost napona će biti vrlo mala i nedovoljna za otklon kazaljke. Ako pak podesimo da izlazni impulsi iz monostabila budu širi, onda će na višim frekvencijama dolaziti do preklapanja ulaznih impulsa, odnosno izlazni impuls još neće završiti, a već će se pojaviti novi ulazni okidni impuls. To će dovesti do stalnog mijenjanja širine izlaznih impulsa, a osim toga i do njihovog izobličenja uslijed miješanja i nastalih harmonika. Stoga, ukoliko želimo linearne skale i mogućnost preciznog očitanja frekvencije, frekvencijski opseg 10 Hz – 200 kHz moramo podijeliti na manje opsege.

Testom smo našli da se 555 može vrlo linearno i precizno koristiti sa našim analognim instrumentom u opsezima 10 Hz – 1 kHz i 1 kHz – 10 kHz. Opseg do 100 kHz, a zatim i do 200 kHz već je puno teže linearizirati jer su s jedne strane potrebni vrlo uski impulsi, a s druge strane to su i puno širi opsezi. Vjerojatno ne bi bilo loše napraviti ulazni djelitelj frekvencije tako da se visoke frekvencije prvo pretvore u niže pa da 555 može raditi sa sporijim impulsima.

Za određivanje RC konstante i time širine izlaznih impulsa koriste se vanjski otpornik i kondenzator. Ovisno o naponu napajanja, kvaliteti samog 555 i kvaliteti upotrijebljenih RC elemenata moći ćemo dobiti neku najmanju širinu izlaznih impulsa ispod koje onda već dolazi do prevelikih izobličenja, nestabilnosti i šumova ili monostabil jednostavno više ne radi. Što su RC elementi manjih vrijednosti to će izlazni signal iz monostabila biti uži. Mi smo ovdje pokušali jedan trik. Otpornik smo posve izbacili i pin-7 (Discharge) spojili izravno na pozitivan pol napajanja. Time smo dobili najmanji mogući otpor od nula oma. Isto tako, kondenzator smo posve izostavili čime smo dobili najmanji mogući kapacitet (samo unutrašnji kapacitet 555). Ovime se onda dobivaju i najkraći mogući impulsi, u našem slučaju u trajanju od cca 11 µs, no pravokutni impuls nije posve čist nego na jednom rubu nastaju svojevrsna istitravanja.

U teoriji bi sa ovom širinom impulsa mogli mjeriti frekvencije do 85 kHz, no s obzirom da impuls nije čist, već na frekvencijama blizu 10 kHz (100 µs) dolazi do interferencija i miješanja čime se stvaraju širi izlazni impulsi, a širina se nastavlja mijenjati sa svakom daljnjom promjenom frekvencije. Takav signal naravno nije upotrebljiv za linearno mjerenje, a dodatnoj nelinearnosti na višim frekvencija doprinosi i sama reakcija mjernog sistema sa zakretnim svitkom na male promjene vrlo gustih impulsa. Ipak, u našem slučaju za puni opseg 10 Hz – 200 kHz dobiva se prilično dobra orijentaciona mjerna skala, puno bolja nego ju postižemo sa kombinacijama vanjskih RC elemenata.

S obzirom da uz analogni na raspolaganju imamo i digitalni mjerni instrument, onda ćemo analogni instrument koristiti kao neki orijentacioni za puni frekvencijski opseg, dok ćemo za precizno mjerenje koristiti digitalni brojač. Kad bi analogni voltmetar htjeli koristiti za precizno mjerenje frekvencije, frekvencijski opseg bi morali podijeliti na barem pet dijelova i za svaki koristiti drugu širinu impulsa, sam 555 bi morali napajati sa baren 12 V, a i uz sve to vjerojatno bi bilo problema na najvišim frekvencijama pa bi se morali ugraditi dodatni filtri ili djelitelji frekvencije.

Najjednostavnije rješenje za digitalni brojač frekvencije je upotreba 555 kao monostabila za određivanje vremenskog okvira unutar kojeg će se vršiti brojanje. Nama treba okvir od 1 sekunde za brojanje frekvencije do 1999 Hz i okvir od 10 ms za brojanje frekvencije do 199,9 kHz (x100 Hz). Za ograničenje ulaznih impulsa u određeni vremenski okvir koristiti ćemo AND logička vrata. Ova vrata će na izlazu dati logičku jedinicu samo ako je na oba ulaza logička jedinica. To znači da će preko AND vrata na brojač dolaziti impulsi (logičke jedinice) samo u vremenu dok je monostabil otvoren (logička jedinica).

Ulazni pin 555 (pin 2 – TRIGGER) izuzetno je visoke impedancije i time osjetljiv na najmanje ulazne napone. Praktično ga možete aktivirati dodirom prsta. Stoga ga stabiliziramo otpornicima u krugu djelitelja napona. Trigger se aktivira negativnim impulsom. Mi pak ovdje želimo tipkalo START koristiti i za ručno aktiviranje kontinuiranog brojača i za ručno aktiviranje brojača frekvencije. S obzirom da sa tog tipkala dobivamo pozitivan impuls sa napajanja, moramo ga nekako pretvoriti u negativni impuls. Također, želimo spriječiti greške koje mogu nastati ako se tipkalo predugo drži pritisnutim, duže od trajanja izlaznog vremenskog okvira. Stoga smo testiranjem došli do konstrukcije jednostavnog RC ulaznog kruga koji pritiskom na tipkalo i uključenjem pozitivnog napona (bez obzira koliko se dugo drži), na izlazu uvijek daje jedan kratak negativni impuls koji nastaje nakon otpuštanja tipkala, odnosno za vrijeme pražnjenja kondenzatora.

Evo revizije naše sheme.

Napajanje 555 je sada samo simetrično jer nema potrebe za simetričnim i nesimetričnim napajanjem. Također smo izbacili logički krug za indikaciju logičkih stanja jer to jednostavnije možemo napraviti preko simetričnog pravokutnog napona. Dodali smo krug za pomak faze 90° tako da sada dvije LED diode pokazuju stvarna logička stanja signala u digitalnom modu i stvarne pozitivne i negativne napone u analognom modu. Ugrađeno je pojačalo za odvajanje (buffer) kako ne bi utjecali na trokutasti napon na kondenzatoru 555 i kako bi taj napon mogli podesiti po amplitudi i simetriji za ispravan prikaz na voltmetrima. Analogni voltmetar dobiva punovalno ispravljeni napon te će realno prikazivati pozitivne i negativne vrijednosti napona. Ugrađeni su krugovi za mjerenje frekvencije pomoću analognog i digitalnog mjernog instrumenta.

Iako smo broj SPDT sklopki nešto reducirali, mogli bi umjesto releja ili mehaničkih sklopki razmisliti o upotrebi nekih elektroničkih analognih SPDT sklopki poput integriranog kruga MAX333 koji sadrži četiri SPDT analogne sklopke. Što se tiče vanjskih ulaznih signala, mogli bi ugraditi zaštite od pogrešnog polariteta napona i prenapona te proširene mjerne opsege.

Općenito gledano, moguće su još mnoge nadogradnje i modifikacije ovog našeg prezentacijskog instrumenta, no negdje moramo povući crtu. Cilj nam je bio koristiti samo jeftine elektroničke komponente opće namjene. Utrošena tri komada 555 timera, četiri operacijska pojačala i jedna AND logička vrata mogu biti sadržana u svega četiri integrirana kruga te ukupna cijena svih komponenti ne prelazi 50-tak kuna čak i u domaćim dućanima.

Tijekom razvoja ovog uređaja koristili smo signal generator koji daje savršene pravokutne i trokutaste napone, a pojedine sklopove smo također testirali samo u idealnim uvjetima bez opterećenja. Stoga, kada smo većinu toga zalemili na pločicu, realni sklop je imao određene nedostatke.

Najveći problem stvara ispravljanje simetričnog pravokutnog napona pomoću brze diode. Diodu možemo spojiti samo serijski jer bi paralelni spoj blokirao negativnu poluperiodu i za indikacijske LED te one ne bi radile kako treba. Međutim, u takvom spoju izlazni pravokutni napon se pod opterećenjem drastično izobličava i nije upotrebljiv za okidanje digitalnog brojača. Kako ne bi opet komplicirali sa dodatnim sklopovima ispravljača ili buffer pojačala, pokušali smo nešto posve neuobičajeno. Naime, integrirani krug 7408 koji koristimo za digitalni brojač frekvencije sadrži četiri AND vrata od čega smo mi iskoristili samo jedna logička vrata. Stoga smo pokušali sa jednim slobodnim AND vratima simetrični pravokutni napon pretvoriti u pozitivni pravokutni napon. Spoj je vrlo jednostavan. Znamo da AND vrata na izlazu daju logičku jedinicu samo ako su oba ulaza na logičkoj jedinici. Tako smo jedan ulaz trajno spojili na +5V (logička jedinica), a na drugi ulaz dovodimo simetrični napon. Na izlazu pak će se pojaviti napon samo u vrijeme trajanja pozitivne poluperiode, jer negativnu poluperiodu logički krug prepoznaje kao logičku nulu. Ovo odlično funkcionira i sada brojač frekvencije radi bez problema. Evo nove revidirane električne sheme.

Broj kontrola za prednju ploču se polako povećava i sad već imamo problema sa montažom elemenata. Stoga je vrijeme da točno definiramo što od kontrola želimo na prednjoj ploči te napravimo dizajn iste. Originalna aluminijska ploča debljine 3 mm idealna je za montažu bilo kakvih elemenata, no već je jednom bila prenamijenjena te je prepuna različitih, uglavnom prevelikih i loše raspoređenih rupa. Najlakše bi naravno bilo nabaviti novu ploču, no to nije ni jednostavno ni jeftino. Ovako debele ploče uglavnom se prodaju na industrijskoj razini i teško je uopće naći nekoga tko bi vam prodao komad iz čega bi se izrezalo 315×235 mm koliko je potrebno za ovo Iskrino kućište. Najgore je što jedna stranica prelazi standardnih 300 mm za ploče u maloprodaji, pa morate kupiti onu od 600×600 mm koja košta oko 100 eura. Naravno, alternativa je naći neku plastiku ili šper-ploču, no mi ćemo ipak pokušati još jednom iskoristiti originalnu ploču.

Jedan od problema je taj što dimenzije prednje ploče prelaze standardni A4 format tako da je za ispis prednje ploče na jednom komadu papira potreban A3 printer u boji. Ovo nismo imali, pa smo ploču morati printati na dva komada papira i kasnije ih spojiti. Nismo koristili ni neki vrhunski foto printer, ni neki vrhunski foto papir, ni neke vrhunske boje za printer, tako da se uočavaju neke nepodudarnosti u nijansama boja na dva ispisa, no ovo je najbolje što možemo s time što imamo. Ispise smo zalijepili zajedno preko prozirne ljepljive folije cijelom prednjom stranom. Da bi dobili na čvrstoći ove prednje maske, zadnju stranu smo također prekrili ljepljivom vrpcom. Alternativa je koristiti usluge profesionalnog ispisa (foto studiji).

Drugi problem je predstavljala postojeća rupa od 12 mm koju nismo mogli zaobići i u koju želimo smjestiti LED indikaciju otvorenih logičkih vrata za brojač frekvencije (GATE), dakle indikaciju vremena u kojem brojač broji. Kontrolne žaruljice, sklopke i potenciometri do 1960-tih godina uglavnom su bili veći i robusniji od današnjih i rupe za njihovu montažu su 12-22 mm i više. Današnje LED, sklopke i potenciometri pak uglavnom traže rupe od 5-8 mm. Da bi nekako popunili tu rupu od 12 mm, iskoristili smo veće tijelo jednog tastera i iz njega napravili indikacijsku LED.

U konačnici smo napravili dizajn da maksimalno iskoristimo postojeće rupe i da podsjeća na karakteristične Iskrine uređaje iz 1970-tih godina. Evo usporedbe originalne i naše prednje ploče.

Preostaje nam završno spajanje i podešavanje ovog našeg instrumenta, a time dolazimo i do konačne elektroničke sheme. Opet smo napravili male izmjene tako da se sada u digitalnom načinu rada pomoću digitalnog instrumenta mogu brojati impulsi ili frekvencija u punom opsegu rada oscilatora. Također smo dodali zener diode za zaštitu instrumenta od prevelikih ulaznih napona kada se vanjski signali preko priključnice IN.

Analogni mjerni instrument

Analogni mjerni instrument na najnižim frekvencijama (sklopka u položaju 1) pokazuje trenutno dostignut napon izmjeničnog trokutastog signala. Na višim frekvencijama (sklopka u položaju 2,3,4) promjene napona su prevelike da bi ih kazaljka instrumenta mogla pratiti, te se na tim frekvencijama uključuje analogni mjerač frekvencije.

Ovime se može vidjeti odziv analognog instrumenta i LED dioda na stalne promjene napona. Analogni instrument može do određene frekvencije pratiti promjene napona, no kad one postanu prebrze, instrument zbog tromosti sistema i vlastitog elektromagnetskog prigušenja počinje sužavati hod kazaljke i polako prelaziti u stabilno stanje gdje se mjeri srednja vrijednost tog poluvalnog napona.

Digitalni mjerni instrument

Digitalni mjerni instrument može raditi u analognom načinu kao voltmetar (ANALOG) ili u digitalnom načinu kao brojač frekvencije ili brojač impulsa (DIGITAL).

U analognom načinu (ANALOG) digitalni voltmetar mjeri trenutni napon trokutastog izmjeničnog signala. S obzirom da je brzina ADC-a našeg voltmetra 4 mjerenja u sekundi, na najnižim frekvencijama (sklopka u položaju 1) može se lijepo vidjeti kontinuirani porast napona u rezoluciji 1 mV u pozitivne i negativne vrijednosti. No ukoliko se frekvencija poveća, sporost ADC-a više neće moći pratiti brzi linearni porast napona pa će dolaziti do određenih “preskoka” mjerenja prvo na rezoluciji 1 mV, a zatim kako frekvencija sve više raste tako i na rezoluciji 10 mV i 100 mV. U konačnici, na dovoljno visokoj frekvenciji, voltmetar će hvatati gotovo slučajne uzorke napona te će se činiti da pokazuje slučajne (random) brojčane vrijednosti.

U digitalnom načinu rada (DIGITAL) ADC se isključuje i instrument radi kao brojač. Može raditi kao kontinuirani brojač impulsa (COUN.) ili kao brojač frekvencije (FREQ.) sa vrijednostima prikazanim u Hz (za niže frekvencije) ili kHz (za više frekvencije).

U modu kontinuiranog brojača impulsa (COUN.) instrument kontinuirano broji periode ulaznog pravokutnog napona. Što je frekvencija veća, brojanje će biti brže i obrnuto.

U modu brojača frekvencije (FREQ.) instrument mjeri frekvenciju ulaznog pravokutnog napona. Tipkalo START tijekom mjerenja frekvencije (FREQ.) služi za pokretanje vremenskog okvira brojača GATE (1 sekunda za Hz ili 1/1000 sekunde za kHz), nakon čega slijedi prikaz frekvencije na displeju. Pritiskom na RESET brojač se opet resetira na nulu te se može pokrenuti novo brojanje pritiskom na START. Tipkalom RESET prikaz na digitalnom voltmetru u bilo kojem trenutku se može postaviti na nulu.

LED indikacija

U analognom načinu rada (ANALOG) LED indikacijske diode pokazuju da li je u tijeku pozitivna ili negativna poluperioda trokutastog napona (POS./NEG.). U digitalnom načinu rada (DIGITAL) LED indikacijske diode pokazuju da li je u tijeku logička nula ili logička jedinica (1/0).

Indikacija je vidljiva do određene frekvencije, no kod viših frekvencija tromost ljudskog oka više ne razaznaje brza paljenja i gašenja LED te se čini da one svijetle kontinuirano.

Priključnice

Na priključnicu OUT doveden je pravokutni napon iz internog oscilatora. Na tu priključnicu može se spojiti osciloskop, mjerač frekvencije ili neki drugi mjerni instrument za paralelnu usporedbu reakcije toga vanjskog instrumenta naspram internih instrumenata.

Na priključnicu IN može se umjesto internog oscilatora pravokutnog napona koristiti neki vanjski generator takvog napona (impulsi 5 V). Interni ili vanjski izvor napona odabire se sklopkom INTERNAL/EXTERNAL.

nastavit će se….

Namjensko mjerno pojačalo RIZ

Srodno

Leave a comment Otkaži odgovor

kolovoz 2022
P	U	S	Č	P	S	N
« srp				lis »
1	2	3	4	5	6	7
8	9	10	11	12	13	14
15	16	17	18	19	20	21
22	23	24	25	26	27	28
29	30	31

Podjeli ovo:

Srodno

Leave a comment Otkaži odgovor