Внимание! В схеме высокое напряжение. Не уверен - не повторяй.
О методике измерений
Тестер - полностью аналоговый прибор, управляемый компьютером через измерительную плату ЦАП/АЦП. В том виде, как я его построил, он способен закачать в лампу до 5Вт, что достаточно для измерений предусилительных одиночных и двойных триодов, и "маленьких" оконечных ламп (6Н6П и т.п.). Прибор легко масштабируется на большие мощности (замена анодного трансформатора, фильтра и измерительных резисторов). Двойные триоды тестируются последовательно (левый или правый) или включенные параллельно, но не синхронно. Программное обеспечение определяет режим работы, например - характериограф, измеритель S-мю-Ra, сеточный микроамперметр, и т.п.
Динамический диапазон измерений определяется (1) разрешением ЦАП-АЦП (2) подбором прецизионных компонентов и (3) правильной калибровкой. В промышленных образцах А/Ц разрешение доводят до 16 бит, что позволяет на одном комплекте измерительных резисторов тестировать лампы на рабочие токи от долей мА до сотен мА (Audiomatica). В любительских условиях, именно проблемы калибровки задают потолок ошибки, поэтому было выбрано 12-битное преобразование (фактически 11 бит), и диапазон рабочих токов ограничен 1-32 мА. На пределе 30мА один отсчет ЦАПа соответствует 32мА/2000 =16мкА изменению анодного тока.
Обычный амперметр можно включить хоть в анодную, хоть в катодную цепь, но АЦП измеряет только "от земли", значит датчик анодного тока включать непосредственно в анодную цепь нельзя.
Анодный источник и датчик Ia построены на основе параллельного стабилизатора напряжения с плавающей землей, управляемого "анодным" ЦАПом Uxa (фактически - УПТ с полосой пропускания около 500 Гц). Параллельный стабилизатор (во первых) надежнее последовательного - при КЗ на землю и при пробое регулирующего транзистора вся мощность рассеивается глупым сопротивлением (во вторых) им может управлять ОУ с питанием от заземленного источника, не используя схемы сдвига уровня.
Весь ток, отдаваемый анодным источником в нагрузку через Rseries и проходящий через триод, T1 (управляемый шунт) и Rleak (путь утечки), обязан вернуться в источник. Падение напряжения на Rsense пропорционально не току катода Ik, а току анода - закон Кирхгофа. Сопротивление утечки Rleak обеспечивает устойчивость стабилизации при Ia=0. Cопротивление датчика Rsense намного меньше сопротивления источника, поэтому он не может "уплыть" от земли дальше, чем на Iamax*Rense (которое не превышает входного предела ЦАП - 5В; Rsense = 0.95 * 5В /Iamaх).
Ток, отдаваемый стабилизатором в нагрузку линейно падает с ростом Ua. При использовании обмоток 1-4 трансформатора ТА-21 (габаритная мощность 22Вт) и фильтра с Uвых=310В, Rвых=1 кОм, cопротивление Rseries выбираем исходя из мощности трансформатора - 6кОм для предела 32 мА, 3кОм для предела 65мА. При указанных на схеме номиналах трансформатор отдает в нагрузку до 22Вт, на триоде и Т1 в сумме падает до 5Вт, на Rseries - до 17Вт мощности.
Сеточный ток Ic определяется грубым, но надежным способом - по падению напряжения на резисторе, включенном в цепь ОС. Усиление буферных усилителей Ugd, Ug установлено так, что выходные напряжения совпадают, пока Ic=0 и ОУ не вошел в отсечку. Разница между Ugd, Ug программно пересчитывается в ток сетки, отсечка контролируется по уровню Ugd. Cопротивление Rgs задает практический диапазон детектирования Ic - 1..200мкА (1мкА примерно соответствует 4 отсчетам АЦП). При больших токах сетки ОУ уходит в отсечку и не в состоянии обеспечить требуемое напряжение на сетке (легко определяется по переполнению АЦП Ugd). Благодаря плавающему анодному источнику, прямой ток сетка-катод Uag (при положительном Ug) не влияет на показания датчика анодного тока, а обратный ток анод-сетка Ugc - суммируется на Rsense c током анод-катод. Как видно из рисунка - прямой ток сетка-катод (Igc) не смещает показаний датчика Rsense.
Утечки и ошибки: Фактически ток через Rsense всегда превышает Iк на величину тока, протекающего через делитель R2 (а также любое сопротивление анод-земля, например, делитель анодного вольтметра). Этому току через R2 просто некуда деться кроме как вернуться в источник через землю и Rsense. Зная Ua, R2 - поправка считается программно. После прогрева прибора (при вынутой из гнезда лампе) - софт просто считывает напряжение на Rsense (для двух значений Ua) и определяет линейную аппроксимацию ошибки (смещение и коэффициент пропорциональности к Ua) для каждого Rsense и каждого программно устанавливаемого усиления платы АЦП. МДП транзистор Т1 выбран потому, что у него нет тока базы! С биполярным транзистором ток базы также прошел бы через Rsense, и его точно учесть уже невозможно (слишком сильно H21э зависит от температуры и тока).
Cопряжение с АЦП требует низкоомных буферных усилителей. При поступлении команды считывания на АЦП, открываются мультиплексоры выбранного канала, и устройство выборки-хранения подключает разряженный конденсатор памяти (несколько десятков пФ) к опрашиваемой линии. В ней возникает импульс тока, дергающий вниз напряжение на выходе буфера. Буферный усилитель должен (а) обеспечить быстрое, без звона восстановление выходного уровня (б) иметь согласованный с АЦП и линией выходной импеданс (в) быть достаточно прецизионным. В любом случае, на частоте опроса (сотни кГц - единицы МГц) выходной импеданс должен быть низким (200 Ом для STP кабеля). Берем документацию на плату, определяем тип АЦП и УВХ, и по оригинальным даташитам подбираем подходящий ОУ и обвеску.
О конструкции в деталях
Я строил прибор по кускам, в итоге получилось три платы. Плата LV питает операционники и на плате ОУ, и на плате HV. Ваше дело решать, делать ли на одной плате или как у меня (зависит и от выбора трансформатора). Из инструментов, кроме тестера, понадобится осциллограф и генератор НЧ для отладки анодного источника, но в этом качестве прекрасно отработает АЦ плата.
A. Низковольтные стабилизаторы (плата LV)
Использован трансформатор ТПП261, обмотки 20В, 20В питают ОУ, а обмотки 10В, 10В (параллельно) - накал. Все обмотки, выпрямители и первичные фильтры - плавают относительно земли. На выходе каждого фильтра питания ОУ образуется порядка 30В, поэтому стабилизатор - двухступенчатый. Сначала, параметрический (стабилитрон-повторитель), выход которого заземляется, формирует напряжение 20В с пульсациями до 20мВ. Это облегчает задачу второй ступени - обычных трехвыводных uA78LC15/79L15. Одна пара 78/79 нагружена на ОУ выходных буферов, другая на входные ОУ и ОУ в анодном стабилизаторе.
В накальном стабилизаторе IC205 (TL431) cтабилизирует напряжение, R212-IC206 (TL431) ограничивают ток КЗ на уровне 2.5В/R212. Проходной транзистор - любой низковольтный NMОП, от 5А, Rds<1Ом. Все управление затвором питается от +22В шины стабилизатора +15В через цепь R207-C217-R208 (задержка, ограничение напряжения на затворе). Управляющий потенциометр R211 установлен на лицевой панели. Кстати, уровни на выводах IC205 можно использовать при настройке как ИОНы -2.5В, -5В. Фактически измеренное выходное сопротивление стабилизатора - 0.03 Ома на контактах ламповой панельки. При желании, и накалом можно управлять с ЦАПа (см. Лабораторный блок питания Клаусмобиля).
Цепочка "земляных" контактов на этой плате есть ЗВЕЗДА общего провода всей системы.
Вентилятор 12В/0.23А питается от первичного выпрямителя накала через балласт 7.5 Ом. Если не использовать вентилятор, на его место включите 5-ваттный резистор 470 Ом, чтобы разряжать емкости при выключении питания. Кстати, шум вентилятора - идеальный накальный "амперметр" и индикатор КЗ в накальной цепи.
B. Плата анодного стабилизатора (HV)
Так вышло, что у меня завалялся 22-ваттный транс ТА21, его вторичные обмотки как раз позволяют снять 300В выпрямленное напряжение ХХ при уже указанной нагрузочной кривой.
Чтоб улучшить разрешегние на малых токах и тепловой баланс внутри корпуса, Rseries и Rsense разделены на две половины. Половина (R102-104, 6кОм, и R116 - 150 Ом) стоят на плате и предназначены для нижнего диапазона до 30 мА (5В/150 Ом). Вторая половина - идентичные сопротивления - вынесены на стенку ящика и подключаются тумблером. Rseries рассеивает немало Ватт, так что будьте любезны разместить его подальше от ИС, транзисторов и измерительных сопротивлений. Rsense должен быть термостабильным и предельно точно измерен, желательно подобрать обе половинки Rsense c точностью не хуже 0.25%.
Опережающая цепочка R106-C105 корректирует передний фронт импульса анодного напряжения (ведь ОУ нагружен на емкость затвора), время установления - до 1 мс. IC101 - прецизионный ОУ (испытаны OPA227, OPA228, NE5532), T101 - любой 500В, 1A N-МДП. Анодные трассы на плате должны быть отделены от низковольтных не менее 3мм. На вывод стока Т101 одеть кембрик, а как окончите все пайки - залить дорожки на плате лаком. C105 - на 500В (КСО, К73-15). Подстроечник R115 - удалить, коррекция уровня только подстроечниками платы буферных усилителей. Критична термостабильность R106-107 и R114-113 - вместе с ними плавает масштаб анодного стабилизатора. Абсолютная их точность не обязательна.
Для проверки на вход Uxa подается импульс 100Гц, 3В и отслеживается форма импульса на "аноде", сначала при разрыве цепи анод-катод, затем на нагрузке в виде 6кОм/10Вт проволочного резистора параллельно с 1нФ емкостью, подключенными длинными проводами (от 1м). Это учитывает всемозможные паразитные C,L монтажа. Форма импульса - без выбросов, первым порядком, время установления 1 мс, полка импульса не должна проседать, независимо от его длительности (это же УПТ). Если звенит - нарастить С106 до 10-15нФ, не более. И не вздумайте "улучшать" схему емкостями в цепи анод-катод, она это не переносит.
C. Плата ОУ
Все шесть буферных выходных усилителей - идентичные двойки ОУ с потенциометром вне петель ОС, максимальное Ку=2. ОУ - прецизионные, с малым входным током и смещением, стабильные в схеме повторителя (unity gain stable), например OPA 2277, OPA2227, OPA 2234 но не OPA2228. Только многооборотные прецизионные подстроечники и стабильные 1% резисторы в делителях ОС, также критичны сопротивления R301,311, R317.
Защитные диоды в цепи сетки - компромисс точности с безопасностью. Обратный ток хорошего диода широкого применения (КД424) - 100нА, поэтому порог детектирования тока сетки не лучше 500нА, фактически - 1..200мкА. Существуют диоды c низким обратным током, менее 1нА - ПИН диоды и специальные измерительные диоды - Philips BAS45, BAS116, BAV156, BAV170, BAV199, можете попробовать, но надо ли?
Наладки не требуется. Установите (используя вольтметр и ИОН на плате LV) коэффициенты усиления: Grid/Uxg=1:2; Ug=Uxg; Ugs=Uxg; 1:1 в остальных каналах, кроме канала Uhtr - 0.5. Это пока предварительная настройка.
D. Собираем вместе
Три платы, включая трансформаторы, умещаются на площади листа А4. А вот с коммутацией ламповых панелек пришлось поломать голову. Делать схему полностью управляемый с компа не хотелось, нет ни опыта ни желания возиться с цифрами и массой реле. История предлагает четыре способа коммутации:
 |
Audiomatica - в современной модели с 16-битным преобразованием полностью ручной коммутатор типа "барышня, алё!". По одной панельке каждого типа. Красиво, просто, понятно, но явные проблемы с безопасностью. |
 |
Ряд моделей Hickok (довоенные и 60-х годов) использовал десятки панелек (я на фото насчитал 39) - каждая на свой тип лампы. Удобно, безопасно, но сколько же места нужно, и сколько терпения - распаять полотни панелек! |
 |
Более
распространенные Hickok имеют 7-9
галетников, коммутирующих
схему к панелькам. Тоже
головоломка с распайкой... Кстати, в те годы было два класса тестера. Первый - Emission tester - просто пробник на ток анода - вообще не требовал активных элементов (на анод подавалось переменное, без выпрямителя, напряжение). Второй (те, что представлены) - измерители проводимости (S) лампы в заданной рабочей точке. По соотношению S при нормальном накале и недокаленном катоде делался вывод о том, жива ли лампа и сколько еще протянет (у умирающей лампы S резко падает с уменьшением тока накала, у нормальной тоже падает, но не так быстро). |
 |
И венец ламповой эры - тестер, в котором и коммутация и рабочие точки задаются перфокартами! Разумеется, куча механических переключателей. |
Фактически, я остановился на гибриде первых двух вариантов. Одна миниатюрная (РШ8) и одна октальная (РШ5-1) панельки распаяны под наиболее распространенные наши лампы - 6Н1П (6Н2П, 6Н6П и пр) и 6Н8С (6Н9С). Другая пара - коммутируются "барышней". Если придется тестировать лампы в других цоколях (а много ли их, из маломощных?), сделаем "паука" из панельки и подвесим его к коммутатору.
Прибор связан с А/Ц картой cетевым кабелем STP-8 (6 витых пар на АЦП, 2 на ЦАПы и общую землю).
Калибровка
До подключения к компьютеру, проверьте работоспособность прибора! При заземленном входе Uxa на аноде должно быть не более +5В. Анодное и сеточное напряжение должны реагировать на входной сигнал, как положено.Собственно калибровку проводим в следующей последовательности. Фраза "подаем 3.3В с ЦАПа" означает 3.3В по собственной шкале ЦАПа, но не на внешнем вольтиметре! Все уровни даются исходя из -5В..+5В шкалы и АЦП и ЦАПа! Разумеется, при калибровке лампу из панельки надо вынуть :)
Анодный источник. Подаем 3.3В с ЦАПа на Uxa. Устанавливаем усиление входного буфера (R302) так, чтоб на аноде было Ua=198.0В (хороший вольтметр на пределе 200В). Даем прибору поработать час, если Ua уйдет более чем на полвольта - балансируем ОУ. Затем устанавливаем усиление на выходе буфера Ua так, чтоб АЦП показывал Ua=3.3В.
Сеточный усилитель и буферы.Временно подключите выход АЦПа непосредественно к выходу на сетку. Подайте на вход Uxg 2.0В с ЦАПа. Отрегулируйте усиление - АЦП на выходе сетки должен показывать ровно 4.0В. Теперь всесто АЦП подключите к выходу сетки вольтметр (R>МОм) и прогоняем Uxg от -5В до +5В - убеждаемся, что ОУ IC302/2 не зашкаливает в крайних положениях. Отключив вольтметр, калибруем усиление в выходных каналах Ug, Ugd - показания АЦП должны совпадать с ЦАПом Uxg.
Анодный ток - просто устанавливаем Ку=1. Для этого замыкаем петлю ЦАП-буфер Ia-АЦП и устанавливаем код АЦП = код ЦАП.
Накальные U, I - аналогично (Ку=0.5 для Uhtr, 1.0 или 2.0 для Ihtr).
Ссылки и благодарности
Home - English - Mail (c) klausmobile 2001
