Danas je nabavljen procesni kalibrator naziva „MJERAČ – DAVAČ mV i mA“ sa oznakom hrvatske tvrtke ATM vjerojatno proizveden 1990. godine (prema serijskom broju koji počinje s 90). Ovaj stari ATM procesni kalibrator na prvi pogled izgleda jednostavno, no skriva vrlo zanimljiva inženjerska rješenja karakteristična za to razdoblje. U članku analiziram njegov rad i pokušaj popravka.
Povijest tvrtke ATM
Izvorno poduzeće ATM (Automatika i Tehnika Mjerenja) osnovano je 1963. godine u Zagrebu, spajanjem tadašnjeg Odjela za automatizaciju i tehniku mjerenja iz poduzeća Braća Kavurić i znanstvene ustanove Zavod za kalorična mjerenja i regulacije. Kroz desetljeća, ATM je izrastao u vodeće regionalno ime za razvoj i proizvodnju mjerne i regulacijske opreme. Tijekom procesa pretvorbe i privatizacije početkom 1990-ih godina iz tog sustava nastale su specijalizirane tvrtke Marus-ATM i ATM-Mating (ili Automatikamating). Marus-ATM se fokusirala prvenstveno na mjerno-regulacijske uređaje i sisteme. Oni su nastavili održavati i proizvoditi opremu koja se oslanja na originalne ATM dizajne, uključujući kalibratore, senzore i sličnu opremu. ATM-Mating pak se više usmjerila na specifične elemente poput mjernih prigušnica, Venturi cijevi i procesne opreme za protok i tlak.
Što je procesni kalibrator?
Procesni kalibratori služe za kalibraciju, simulaciju, dijagnostiku i provjeru ispravnosti senzorskih sustava, odnosno utvrđivanje da li problem u samom senzoru, poveznim žicama ili pak u uređaju koji procesira signal sa senzora. Pod senzorima se misli na razne elektro-pretvarače koji neku fizikalnu veličinu pretvaraju u električnu. Sličan uređaj već smo opisali u objavi Process Multimeter PMM 330A.
Funkcije uređaja ATM MJERAČ–DAVAČ mV i mA
Za naš ATM mjerač davač nemamo nikakve podatke, no sa prednje ploče se mogu iščitati osnovne funkcije i značajke:
Simulacija signala senzora (IZLAZ / STR)
U ovom načinu rada uređaj simulira rad senzora (transmitera) te se mogu simulirati tri vrste senzora prema električnoj veličini koju daju na svojem izlazu:
- strujni senzori: opsezi do 20 mA i do 100 mA (IZLAZ mA)
- naponski senzori: opsezi do 20 mV i do 100 mV (IZLAZ mV)
- transmiteri u strujnoj petlji ili STR (simulator transmitera): opsezi do 20 mA i do 100 mA (IZLAZ STR)
Dok kod simulacije strujnih ili naponskih senzora uređaj na izlazu daje određene struje ili napone jer simulira „aktivne“ senzore, u STR modu uređaj simulira „pasivni“ senzor tako da ne daje vlastitu struju, već dobiva napon i troši struju iz vanjskog sustava (npr. iz kontrolnog ormara ili PLC-a). Na naljepnici za zadnje strane piše „Ulazni napon simulatora transmitera 12-35 V“ što znači da se uređaj može spajati na strujne petlje unutar tog napona. Uređaj će simulirati određeno opterećenje u toj petlji, odnosno trošiti će određenu struju koja se može namjestiti potenciometrima i sklopkom (na opsezima do 20 ili do 100 mA).
Unutar svakog opsega napon i struja se fino podešava pomoću dva potenciometra (GRUBO i FINO), a podešene veličine se prikazuju na digitalnom LCD displeju.
S praktične strane upotrebe u modu IZLAZ mV uređaj obično simulira termoparove (senzore temperature koji sami generiraju vrlo mali napon). Kod IZLAZ mA uređaj simulira aktivne izvore struje. Kod STR moda, on zapravo simulira industrijski transmiter u dvožičnom spoju, što je bio (i ostao) standard u procesnoj automatici. Strujna petlja (tipično 4–20 mA) je dobro osmišljen sustav jer:
- Napaja transmiter: Kroz iste dvije žice kroz koje ide signal, transmiter dobiva i struju za svoj rad (zato mu ne treba dodatna utičnica).
- Otporna je na smetnje: Struja je ista na početku i na kraju žice, bez obzira na duljinu kabela (za razliku od napona koji pada).
- Detekcija kvara: Ako je struja 0 mA, sustav odmah zna da je žica pukla (jer je “nula” zapravo 4 mA).
Mjerenje signala iz senzora (ULAZ)
Uređaj može mjeriti vrijednosti napona i struja koju daju naponski ili strujni senzori u dva mjerna opsega:
- napon do 20 mV i do 200 mV
- struja do 20 mA i do 200 mA
Prikaz mjerenih vrijednosti je na digitalnom LCD displeju.
Prvi testovi i kvar
Prvi testovi su pokazali da je naš primjerak ATM procesnog kalibratora posve neispravan. Na priključnicama ne dobivamo zadane izlazne struje i napone, a na LCD displeju stalno svijetle svi segmenti tako da je daljnje testiranje bilo čega nemoguće.
Analiza modula displeja (ICL7106, MC14011)
Kao što se vidi displej je na zasebnom modulu i pogoni ga namjenski čip ICL7106 koji sadrži A/D pretvarač i sve komponente potrebne za digitalan prikaz vrijednosti na 3,5 znamenkastom LCD displeju. Na istoj pločici je i logički čip MC14011 (četiri NAND vrata sa dva ulaza) koji vjerojatno služi za kontrolu decimalne točke ili sličnu logiku kod prebacivanja mjernih opsega.
Spojio sam modul na stabilnih 9 V te on i dalje pokazuje vrijednost -1888, dakle maksimalna mjerna vrijednost. Ovo može značiti da je A/D pretvornik unutar ICL7106 u stanju zasićenja (ulazni napon izvan mjernog opsega), može značiti da postoji problem s referentnim naponom ili da čip uopće ne “vidi” masu signala.
Koristim stabilno laboratorijsko napajanje tako da samo napajanje nije problem. Prvo idemo od najlakšeg, kratko spajamo ulazne pinove 30 i 31 da provjerimo da li se radi o preopterećenju. Spajanje ulaznih pinova ne mijenja ništa.
Osnovna shema spajanja čipa ICL7106.
Sada mjerim napon na čipu MC14011 koji bi trebao biti 5 V, međutim on je samo oko 2,6 V.
Jedan od tipičnih trikova vezano za čip ICL7106 je korištenje njegove interne digitalne mase za napajanje vanjskih logičkih krugova kojima za rad treba stabilnih 5 V. Naime, ICL7106 je dizajniran da radi na bateriju od 9 V (maksimalno 15 V) pri čemu je V+ na pinu 1, a V- na pinu 26. Međutim, on unutar sebe stvara vlastitu unutrašnju digitalnu masu (Internal Digital Ground) na pinu 37 (TEST). Ovaj pin originalno služi za provjeru LCD-a. Ako se kratko spoji s pinom 1 (V+), svi segmenti LCD-a moraju se upaliti (test ispravnosti ekrana). Napon između pina 1 i pina 37 je točno 5V bez obzira na napon napajanja čipa preko pina 1. Stoga se pinovi 1 i 37 mogu iskoristiti za stabilno napajanje vanjskih logičkih čipova sa 5 V napona, u našem slučaju za napajanje MC14011.
Mi na pinovima 1 i 37 (napajanje MC14011) mjerimo samo 2,6 V što može značiti da MC14011 vuče previše struje sa pina 37 i obara mu napon. Štoviše, na pinovima 35 i 36 za referentni napon mjerimo 0 V, a ovdje bi svakako morali imati neki napon, tipično 100 mV ili 1 V, ovisno o kalibraciji. Naime, referentni napon se obično dobiva preko razdjelnika napona s tog istog 5 V izvora.
Sve dakle ukazuje da je neispravan logički čip MC14011, no u kratkom spoju može biti i bilo koja druga komponenta u krugu referentnog napona, pa i sam ICL7106.
Nakon što sam odlemio MC14011 displej više ne pokazuje nikakve segmente. Za daljnju dijagnostiku kvara sada ipak moramo malo bolje proučiti sklopove i nacrtati shemu problematičnog kruga.
Od MC14011 se koriste samo dva NAND vrata spojena kao inverteri. Jedan inverter ide izravno na displej tako da on posve sigurno služi za paljenje decimalne točke ovisno o izabranom mjernom opsegu. Budući da LCD zahtijeva izmjenični napon (AC) kako bi segmenti bili vidljivi, drugi inverter je spojen na Backplane pin ICL7106 (pin 21) koji daje pravokutni signal za pobudu displeja i koji se onda koristi za sinkronizaciju signala za aktivaciju segmenta decimalne točke. Naime, ako se želi upaliti određeni segment displeja na njegov pin se mora poslati signal koji je u protufazi s Backplane signalom. Tome odlično služi inverter.
Na sklopku za odabir jednog od dva mjernog područja dolaze dva Backplane (BP) signala, jedan dolazi izravno i on je u fazi (konektor 6), a drugi dolazi preko invertera i on je u protufazi (konektor 7). Da bi segment (točka) bio vidljiv, signal na segmentu mora biti u protufazi u odnosu na BP signal, te također, da bi segment bio nevidljiv, signal na njemu mora biti u fazi s BP signalom. Sklopka (preklopnik opsega) zapravo radi kao birač faze. U jednom položaju (npr. 20 mA), ona prosljeđuje invertirani BP signal na ulaz drugog invertera (konektor 8) koji ga opet invertira i vraća u fazu s BP – točka je ugašena. U drugom položaju (npr. 200 mA), sklopka prosljeđuje izravni BP signal na ulaz drugog invertera – izlaz tog invertera je sada u protufazi s BP i točka se pali. Drugi (izlazni) inverter služi kao buffer (pojačalo/odvajalo) kako bi displej dobio što čišći signal.
Referentni napon i LM 723
Očito da MC14011 ovdje nije problem. Identificirao sam sve pinove na modulu i kritičan je samo jedan pin koji vodi negdje na elemente pločice. Morao sam popratiti veze na referentne pinove i napokon sam našao da pločica displeja zapravo nema djelitelj napona za referentni napon. Na pločici se nalazi precizni potenciometar, međutim, on je spojen na jedan ulazni pin (konektor 9) što znači da ICL7106 mora dobiti referentni napon sa glavne pločice uređaja da bi uopće mogao ispravno raditi.
Interna blok shema čipa IL 723S (LM 723).
Na glavnoj pločici referentni napon osigurava integrirani regulator napona IL 723S (LM 723) no isti čip osigurava i regulirani napon napajanja ICL7106 od 9 V. Korištenje LM723 kao dvostrukog izvora (napajanje + referentni napon) je moguće jer to nije običan stabilizator poput serije 78xx, on je zapravo precizno operacijsko pojačalo s ugrađenom izvorom preciznog referentnog napona. Čip unutar sebe ima ugrađenu Zener diodu s kompenzacijom temperature i referentno pojačalo koje osigurava stabilan referentni napon 6,8-7,5 V ovisno o tipu i seriji čipa. Naš čip daje referentni napon od 7,25 V. Taj napon izlazi izravno na pin 4 (VREF) i koristi za referentni napon čipa ICL7106 (pin 36). VREF ne može dati veliku struju ali je ona posve dovoljna za referencu ICL7106. Točan referentni napon se podesi preciznim potenciometrom u krugu djelitelja napona. Za dobivanje stabilnog napona napajanja od 9 V koristi se interno operacijsko pojačalo gdje se regulacija vrši povratnom vezom s izlaza preko otporničkog djelitelja napona na ulazni (invertirajući) pin operacijskog pojačala.
Uglavnom, naš IL 723S daje stabilne napone od 9 V i 7,25 V tako da možemo zaključiti kako je on ispravan. S obzirom da uz ove napone, te nakon provjere svih kondenzatora (od onog za integraciju do filtarskih) displej i dalje ne radi, vrlo vjerojatno je greška u samom čipu ICL7106.
Kao što smo rekli, ICL7106 ima svoj vlastiti unutrašnji regulator 5 V za svoju digitalnu logiku. Ako je taj unutrašnji dio čipa izgorio, on može srušiti napon na 2,5 V, ali to ne utječe na IL 723 jer je on puno snažniji i stabilniji.
Naponski i strujni izvori
Na primjeru ovog ATM procesnog kalibratora vidjeli smo tehnologiju i inženjerska rješenja sklopova vrlo tipična za 1980/90-te godine. Ispravljač daje dva izvora napona, jedan nestabilizirani 20 V za IL 723 i jedan dvostruki (simetrični) stabilizirani ±14 V preko tranzistorskog regulatora napona. Simetrični napon je za napajanje četiri operacijska pojačala (IL 741S i UA 714HC x 3) vjerojatno zadužena za precizno generiranje struja i napona. Također vidimo mjerne otpornike i precizne strujne shuntove kao i tranzistor BD235 na hladilu koji vjerojatno služi kao aktivno opterećenje (dinamički otpornik) za simulator transmitera (STR).
Osim (najvjerojatnije) neispravnog ICL7106 ovaj uređaj moguće ima i druge probleme jer na izlaznim stezaljkama nisam izmjerio očekivane struje i napone. Za dijagnostiku ovog problema trebao bi nacrtati shemu spajanja operacijskih pojačala koja rade kao precizni varijabilni strujni i naponski izvori. Međutim, uz neispravan displej ne želim se dalje baviti ovim uređajem. Također, iz opreza sam napisao „najvjerojatnije“ neispravan ICL7106 jer me dugogodišnje iskustvo u popravcima različite elektronike naučilo da se neki „očiti“ problem može potvrditi tek kada se taj problem stvarno i praktično otkloni. Ovdje može biti problem i sam LCD iako se to čini malo vjerojatnim (teško da može sam sebi kratko spojiti baš sve segmente koji pokazuju -1888).
Ponešto o popravcima stare elektronike
Kad odlučite popraviti neki ovakav uređaj bez elektroničke sheme i bilo kakve druge dokumentacije, stvari se mogu lako zakomplicirati. Da je ovakav neispravan uređaj vraćen u tadašnji ATM, njihov servis bi u 5 minuta riješio problem. Oni vrlo dobro poznaju uređaj, imaju servisne podatke za brzu dijagnozu specifičnog uređaja (vrijednosti napona i struja, oblici signala na pojedinim testnim točkama) i imaju sve pričuvne dijelove i module za brzu zamjenu sumnjivih komponenti.
S druge strane, koliko god netko sa strane bio vrhunski elektroničar i sa puno iskustva u popravcima različitih elektroničkih uređaja, ništa nije garancija da će brzo i lako popraviti baš svaki uređaj koji mu dođe u ruke. Neki put imate sreće i vizualno uočite kakvu neispravnu komponentu ili havariju na tiskanoj pločici. Neki put se dogodi da prva sumnja (pomisao) na mogući kvar stvarno i bude upravo to. Međutim, ovakvi scenariji su zapravo rijetki u popravcima kompleksne elektronike.
Ako uređaj djelomično radi (nije problem u osnovnom napajanju), a vi se prvi put susrećete s tim tipom ili modelom uređaja, trebat će prvo uložiti truda i vremena da se shvate sklopovi, nacrta osnovna shema i zatim sistemski pristupi lociranju kvara. To vrijeme i trud je komercijalno nemoguće naplatiti. Stoga se danas ovim poslovima bave još samo znatiželjni elektroničari entuzijasti s dovoljno slobodnog vremena kojima je to način zabave, učenja i korisnog trošenja slobodnog vremena na zanimljiv hobi.
Također, jednom kad i popravite stari uređaj, to nije garancija da će on sada još desetljećima raditi bez problema. Novi kvar može se pojaviti već za 5 minuta ili za 5 godina, garancije nema. Uređaj koji sadrži veliki broj starih elektroničkih komponenti, bez obzira na kvalitetu izrade, stalno je podložan novim kvarovima. Mnoge elektroničke komponente s vremenom stare pri čemu im se mijenjanju prvobitna električna svojstva i karakteristike. Sve ovisi o intenzitetu i uvjetima korištenja starih uređaja nakon popravka, no moj opći savjet je da se za svakodnevni rad i profesionalna mjerenja koriste što noviji i kalibrirani mjerni instrumenti. Tehnologija izrade mjernih instrumenta se razvija vrlo brzo kao uostalom i sva druga elektronika, noviji uređaji su precizniji, lakši za upotrebu i većih mogućnosti, tako da bi nakon 20 godina čak i svaki elektroničar hobista trebao razmisliti o modernizaciji svojih mjernih setova.