Danas je nabavljen uređaj za otkrivanje podzemnih električnih kablova Tonfrequenzgenerator T16/801, njemačke tvrtke HDW-Elektronik iz 1980-tih godina.
Njemačka tvrtka Howaldtswerke-Deutsche Werft (HDW) je nastala 1968. godine spajanjem dvije brodogradilišne tvrtke: Howaldtswerke (osnovane 1838. godine) i Deutsche Werft (osnovane 1918. godine). Danas je poznata kao dio TKMS-a, u vlasništvu ThyssenKruppa. O odjelu HDW-Elektronik se teško nalaze relevantni podaci. Vjerojatno je osnovan u 1980-tim godinama, no ubrzo nakon osnivanja je izdvojen iz mreže HDW brodogradilišta te je preseljen i preimenovan u Salzgitter Elektronik GmbH. Početkom 1990-tih godina ovu tvrtku je preuzeo Hagenuk GmbH. HDW-Elektronik je tijekom postojanja proizvodio uređaje za lociranje zakopanih kablova i uređaje za otkrivanje mjesta greške na kablovima (eho-lokatore).
Za HDW Tonfrequenzgenerator T16/801 nisam našao nikakve podatke, no svakako je riječ o uređaju za detekciju zakopanih (podzemnih) kablova pomoću kontinuiranih ili isprekidanih audio signala na frekvencijama 1090 Hz i 9800 Hz. Ove frekvencije se dovode na kabao izravno ili indukcijom preko elektromagnetske zavojnice. Time kroz kabao teče izmjenična struja zadane audio frekvencije, te on zrači promjenjivo elektromagnetsko polje iste frekvencije. Ovo EM polje detektira sonda prijemnika. Što je sonda bliže kablu, to je detektirano EM polje jače. Amplituda najjačeg signala zatim okvirno određuje na kojoj dubini je zakopan kabao.
Za otkrivanje mjesta gdje se nalazi podzemni kabao, kao i za praćenje njegove rute, potrebna su dva odvojena uređaja: generator tonskog signala koji se spaja na jedan kraj kabla (izravno ili indukcijski) i prijemnik induciranog EM polja te frekvencije iz kabla, koji je podesno dizajniran za pretraživanje površine zemlje iznad mjesta gdje očekujemo da prolazi kabao (obično sa usmjerenim EM sondama). Za traženje kablova pod mrežnim naponom može se za detekciju koristiti frekvencija gradske mreže (50 Hz) tako da nije potreban poseban generator. U nekim pokusima (samogradnjama) se u kabao generira tonom modulirana noseća frekvencija primjerice unutar srednjevalnog radio opsega (525 – 1710 kHz), tako da se detekcija vrši upotrebom komercijalnog AM radio prijemnika.
Naš uređaj Tonfrequenzgenerator T16/801 je samo generator tonskih frekvencija 1090 Hz i 9800 Hz, koje se dovode izravno na kabao preko priključnice „max. 150 V“ ili indukcijski preko zavojnice (sonde) koja se spaja na 5-polnu priključnicu sa simbolom petlje (antene). U kompletu bi trebao biti još prijemnik (detektor) sa EM sondom, preko kojeg se detekcija vrši izravno slušanjem audio frekvencije preko slušalica (slušna indikacija). Osim slušne detekcije, prijemnik može biti opremljen i nekim indikacijskim mjernim instrumentom za paralelnu vizualnu indikaciju.
Slične uređaje već smo vidjeli u objavama Hermann Sewerin, Gaspatex, RSG 9aT i Iskra IC 019.
Iako je osnovni princip rada ovakvih uređaja jednostavan, u praksi je potrebno osigurati najbolje uvjete za ovakvu vrstu detekcije. Poželjno je da kabao zrači elektromagnetsko polje optimalne jačine, a da je prijemnik ili detektor što osjetljiviji samo na frekvenciju tog EM polja. Ovisno o vrsti i dubini tla u kojem se nalazi kabao, nastati će i određena gušenja EM zračenja koja često nisu jednaka duž cijele dužine kabla. Stoga je podešavanje optimalne snage injektiranog signala iz generatora i podešavanje optimalne osjetljivosti prijemnika ključno za uspješnu detekciju. Ako pogledamo upute za korištenje uređaja T16/801 otisnute na stražnjoj ploči kućišta vidi se da podešena amplituda izlaznog signala mora biti u granicama unutar zelenog polja indikacijskog instrumenta.
Tonfrequenzgenerator T16/801 se može napajati preko mrežnog napona, preko internih baterija ili preko nekog vanjskog izvora istosmjernog napona 12-14 V (automobilski akumulator).
Na lijevoj strani su sklopovi mrežnog napajanja, regulatora napona i punjača baterija, u sredini je tonski oscilator i mjerno pojačalo, a desno su elementi izlaznog pojačala sa transformatorom. Naš uređaj je došao bez izlaznog transformatora kojim se usklađuje izlazna impedancija generatora sa impedancijom ispitivanog kabla ili indukcijske sonde.
Lijevo na hladilu su tranzistori regulatora napona napajanja, a desno su izlazni tranzistori audio pojačala.
Pločica našeg uređaja je dvostrana i čitava konstrukcija je prilično nezgrapna tako da bi ovdje bilo dosta teško izvesti kompletnu elektroničku shemu. Stoga smo nacrtali samo izlazni stupanj i kako bi trebao izgledati nedostajući izlazni transformator.
Može se vidjeti da je ovo push-pull pojačalo sa izlaznim komplementarnim parom tranzistora BD 437/438. Jasno se uočava i VBE multiplikator (rubber dioda) sa tranzistorom BC107 koji služi za osiguranje prednapona za izlazne tranzistore čime oni rade u AB klasi bez crossover distorzije. Serijski u izlaznoj liniji napajanja primara transformatora nalazi se kondenzator koji blokira bilo kakvu pojavu DC napona na primaru transformatora čime je spriječeno da isti dođe u neko naponsko zasićenje. S obzirom da sa izlaza vode dvije linije povratno na ulazne krugove pojačala, onda je na ulazu vrlo vjerojatno diferencijalno pojačalo. Ovo nisam crtao jer je doista teško „skidati“ shemu sa ovakve konstrukcije. Kako god bilo, sve ukazuje na protufazno (push-pull) komplementarno pojačalo u AB klasi, odnosno jednu od topologija gradnje audio pojačala kakve se susreću kod klasičnih hi-fi tranzistorskih audio pojačala veće snage.
Testovi su potvrdili da na izlazu iz pojačala dobivamo frekvencije od 1,09 kHz i 9,8 kHz. Sklopka SIGNAL-MODE ima četiri položaja. Na dva srednja položaja se dobivaju konstantni frekvencijski izlazi naznačenih frekvencija. Crtkano su impulsni izlazi naznačenih frekvencija gdje paketi signala traju 0,9 sekundi, a pauze između njih su 0,4 sekunde. Na dijelu pločice gdje su elementi oscilatora uočava se više preciznih i običnih trimer potenciometara tako da se mogu ugoditi točne frekvencije kao i točni impulsni omjeri. Impulsni izlazi se kod detekcije čuju kao isprekidani audio ton što može biti bolje čujno (bolje razlučivo) za detekciju, posebice ako je signal jako slab. Također, isprekidani ton je svakako ugodniji za dugotrajnije slušanje nego kontinuirano „cviljenje“, primjerice kada vršimo detekciju cijele trase podzemnog kabla.
Signal frekvencije 1,09 kHz je bez crossover i drugih distorzija.
Signal frekvencije 9,8 kHz je izobličen u negativnim poluperiodama. S obzirom da ovih izobličenja nema na 1,09 kHz problem može biti u samom krugu oscilatora.
Impulsni način rada sa frekvencijskim paketima 1,09 kHz i omjerom signal pauza od 0,9/0,4 sekunde.
Impulsni način rada sa frekvencijskim paketima 9,8 kHz i omjerom signal pauza od 0,9/0,4 sekunde.
Push-pull pojačala se razvijaju desetljećima (praktično od prvih elektronskih cijevi) te postoji veliki broj praktičnih konstrukcija i rješenja takvih pojačala za različite primjene. Push-pull pojačala su i danas u širokoj primjeni kako za analognu tako i za digitalnu elektroniku. Razlika je u tome što danas čitavo kompleksno push-pull pojačalo kupimo u obliku gotovog integriranog kruga i rijetko tko se ima potrebe zamarati njegovom unutrašnjom konstrukcijom.
Tri operacijska pojačala TAA 762 (Siemens) koja vidimo na pločici našeg uređaja su vrlo jednostavne konstrukcije sa 8 tranzistora, vjerojatno najjednostavnije izvedbe ovakvih pojačala općenito. Napomenimo da je prvo integrirano operacijsko pojačalo μA702 (Fairchild) iz 1964. godine sadržavalo 9 tranzistora.
Interna shema operacijskog pojačala TAA 762.
Ulazni signali (invertirajući i neinvertirajući ulaz) se praktično kod svakog operacijskog pojačala dovode na diferencijalno pojačalo, a diferencijalno pojačalo je i vrlo često prvi stupanj diskretnih audio push-pull pojačala gdje se pomoću njega kompenzira pojava neželjenog istosmjernog napona na izlazu (DC drift). U slučaju TAA 762 diferencijalno pojačalo uključuje tranzistore Q1 i Q2. Glavno obilježje takvog pojačala je da izlaz na kolektoru T1 jednak razlici napona na dva ulaza (baze Q1 i Q2), odnosno izlaz ne prati ulazne razine kao takve nego ovisi isključivo o razlici dva ulazna napona.
Umjesto zajedničkog emiterskog otpornika diferencijalnog pojačala (long tailed pair) koristi se strujno zrcalo sa tranzistorima Q3 i Q4. Upotreba strujnih zrcala umjesto otpornika tipična je za integrirane krugove i rijetko se primjenjuje u diskretnoj izvedbi pojačala. Razlog za to je čisto praktičan. Za diskretnu izvedbu strujnog zrcala trebali bi imati dva tranzistora posve istih karakteristika što je vrlo teško (i skupo) proizvesti. Stoga se koriste otpornici za ograničenje struje. Kod integriranih krugova pak se tranzistori jednakih karakteristika puno lakše proizvode jer se izrađuju posve istim postupcima na istom supstratu, jedan do drugoga. Nadalje, ta dva tranzistora u konačnici zauzimaju manje mjesta i jeftiniji su za izvedbu u integriranom krugu nego da se koriste otpornici za ograničenje struje. Stoga je izbjegavanje velikih otpornika i upotreba strujnih zrcala vrlo tipična za integrirane izvedbe pojačala. Tu treba napomenuti da upotreba strujnog zrcala umjesto otpornika također poboljšava i samo pojačanje kao i odziv diferencijalnog pojačala. Glede odziva, problem može nastati kada se oba ulazna napona jednako mijenjaju pri čemu njihova razlika ostaje ista, no pojačalo svejedno reagira promjenom izlaznog napona. Kolektorski otpornici su kod TAA 762 i dalje zadržani. Izlaz iz diferencijalnog pojačala (kolektor Q1) vodi se na pri stupanj pojačanja sa Q5 i Q6, a zatim na izlazni Darlington stupanj sa otvorenim kolektorom (Q7 i Q8).
Ako pogledamo internu shemu nekog naprednijeg operacijskog pojačala, primjerice vrlo uobičajeno operacijsko pojačalo opće namjene 741, vidjeti ćemo da je njegova konstrukcija vrlo slična diskretnoj konstrukciji izlaznog push-pull pojačala kod uređaja T16/801.
Interna shema operacijskog pojačala LM 741.
Interna shema operacijskog pojačala LM 741 je dobar primjer daljnjeg razvoja i složenosti operacijskog pojačala u odnosu na rane primjere jednostavnih operacijskih pojačala poput TAA 762. Tako se kod 741 na ulazu umjesto jednostrukog nalazi kaskadno diferencijalno pojačalo sa Q1 i Q2 te Q3 i Q4. Tranzistori Q3 i Q4 rade kao pojačala za zajedničkom bazom i osnovna uloga im je bolja međusobna izolacija ulaznih signala kako se ne bi stvorile neke neželjene veze između njih. Tranzistori Q5, Q6 i Q7 konfiguriraju strujno zrcalo sa aktivnim opterećenjem (Q7). To opterećenje predstavlja visoku impedanciju čime se povećava pojačanje diferencijalnog pojačala. Ovo strujno zrcalo je modifikacija Wilsonovog strujnog zrcala kako bi se mogla vršiti pomicanja offseta invertirajućeg i neinvertirajućeg ulaza operacijskog pojačala na odgovarajuće razine (OFFSET NULL). Wilsonovo strujno zrcalo ćemo prepoznati po tri ili četiri tranzistora, a osnovna prednost ispred Widlarovog strujnog zrcala sa dva tranzistora (Q8/Q9, Q10/Q11, Q12/Q13) je u većoj izlaznoj impedanciji čime se postiže manja ovisnost izlazne struje o izlaznom naponu zrcala. Izlaz iz diferencijalnog pojačala je na kolektoru Q4/Q6.
Za stabilizaciju rada diferencijalnog pojačala kao i slijedećih stupnjeva pojačanja kod LM 741 se koriste još tri strujna zrcala. Strujna zrcala sa parovima tranzistora Q8/Q9 na ulaznom krugu i Q12/Q13 na izlaznom krugu sprječavaju fluktuacije napona koje nastaju na ulazima operacijskog pojačala i koje mogu utjecati na tok struje unutarnjeg kruga. Tranzistor Q13 pri tome djeluje kao aktivno opterećenje za pojačalo Q16/Q17. Treće strujno zrcalo sa Q10/Q11 djeluje kao povećana impedancija između negativnog pola napajanja i ulaza kako diferencijalno pojačalo ne bi bilo osjetljivo na opterećenje ulaznog kruga.
Tranzistori Q16 i Q17 u Darlingtonovom spoju čine pojačalo u A-klasi, dok je tranzistor Q22 za zaštitu od preopterećenja ovog pojačala. Izlazni stupanj pojačala je sa tranzistorima Q14 i Q20 u push-pull spoju (emitersko slijedilo) dok je tranzistor Q15 za zaštitu od preopterećenja (kratkog spoja).
Tranzistor Q14 sa otpornicima R7 i R8 čini VBE multiplikator kakav smo vidjeli i kod uređaja T16/801 i njegova uloga je osiguranje referentnog napona za pojačalo Q16 i Q17 kako bi se spriječile bilo kakve varijacije na izlazu iz pojačala s obzirom na napon napajanja. Ujedno, VBE multiplikator osigurava prednapon baza izlaznog push-pull stupnja tako da pojačalo radi u AB klasi (bez crossover distrozije).
Sheme diskretnih audio pojačala, a posebice interne sheme integriranih pojačala mogu biti vrlo složene i sa različitim rješenjima kojima se osigurava stabilizacija rada u svim segmentima kao i zaštita od raznih preopterećenja. Ukoliko želite imati potpuno razumijevanje rada jednog takvog pojačala, možete na njemu studirati godinama. Za osnove elektronike je dovoljno ako već možete prepoznati karakteristične spojeve tranzistora u takvim pojačalima poput diferencijalnih pojačala, RC i izravno vezanih pojačala, Butstrep i kaskadnih pojačala, Darlingtonovih i Sziklai spojeva, emiterskih slijedila i protufaznih (push-pull) stupnjeva, zatim okretača faze, strujnih zrcala, Vbe multiplikatora, aktivnih opterećenja, zaštita od preopterećenja i slično. Sve ove spojeve praktično stalno susrećemo u najrazličitijim elektroničkim uređajima koje opisujem u ovom blogu. Većina tih spojeva je postojala i primjenjivala se još u doba elektronskih cijevi i nastavlja se primjenjivati i u najsuvremenijim integriranim krugovima. Ovo ne vrijedi samo za pojačala nego jednako tako i primjerice za oscilatore i multivibratore, mješače, modulatore i demodulatore, za stabilizatore i regulatore napajanja i mnoge druge elektroničke sklopove. Neki sklopovi su osmišljeni i proračunati čak i prije nego je tehnologija uopće bila dovoljno razvijena da ih praktično proizvede.