Характериограф для радиоламп LNX Tracer

Прошло время с момента написания предыдущей статьи, с тех пор была проведена работа над ошибками, собрано два рабочих прототипа и начата работа над графической пользовательской программой. Предыдущую статью я переименовал в черновик и отныне актуальная информация по аппарату начинается с этого поста.6n6p1

Как уже писалось в черновике, мне понадобился прибор для испытания радиоламп. Первые идеи были построить стенд с десятком тумблеров, парой-тройкой стрелочных индикаторов и парой «крутилок». Мысль о постройке цифрового прибора развивалась параллельно, но цель казалась трудно достижимой. Проект uTracer помог собрать хаотичную мозаику моих мыслей в единую картинку. Работая над аппаратом, преследовалась цель сделать устройство легко повторяемым и не содержащим дорогостоящих или дефицитных компонентов.

В начале работ, я не был уверен в скором написании графической программы пользователя, посему, изначальная идея заключалась в том, что аппаратная часть прибора должна быть полностью автономной и не зависеть от программного обеспечения. Для работы с прибором, как минимум, требуется текстовый терминал, а всё управление измерениями происходит посредством вводимых команд. Возможно, на такой выбор повлиял опыт работы с UNIX-подобными системами, где основной интерфейс администрирования — текстовый терминал и команды.

1. Концепция

Небольшое отступление: Дополнительно, хочу подчеркнуть, что мой аппарат — это не реплика uTracer, а совсем другой прибор. Да, из uTracer взята идея использования конденсатора и очень похожа схема измерения анодного тока. На этом сходства с uTracer заканчиваются. Это другой аппарат, с другой методикой измерения и другими техническими и программными решениями.

В аппарате ВАХ радиолампы снимается при фиксированном напряжении на управляющей сетке и изменяющемся напряжении анода от заданного значения до нуля. В процессе уменьшения анодного напряжения, через заданные промежутки времени, измеряется напряжение и ток в цепи анода. Таким образом получаются точки для построения кривых, значения напряжения откладываются по оси X, а значение тока по оси Y. Цикл измерений повторяется после изменения напряжения на управляющей сетке. Соответственно, сколько кривых, столько и циклов измерения.

В качестве источника анодного напряжения используется электролитический конденсатор, заряжаемый до заданного напряжения и, в процессе измерения, разряжающийся через испытуемую лампу. Для измерения используется встроенный в управляющий микроконтроллер 10-битный АЦП с коммутируемыми входами. Напряжение анода подаётся на АЦП через резистивный делитель (Rux-Ru). В качестве датчика тока используется резистор (Ri), на котором измеряется падение напряжения. В процессе разряда конденсатора, напряжение на токоизмерительном резисторе является отрицательным относительно общего провода, поэтому, перед подачей его на АЦП, необходимо инвертировать. Для повышения точности миллиамперметра, диапазон измерений тока разбит на несколько поддиапазонов. Для этого после инвертора введён усилитель напряжения с изменяемым коэффициентом усиления. Роль коммутирующего элемента, для подачи анодного напряжения, выполняет мощный полевой транзистор. Для получения управляющего сеточного напряжения используется 10-битный ШИМ сигнал с микроконтроллера, сглаженный и инвертировано усиленный в 10 раз.

2. Описание

Аппарат состоит из нескольких условно-логических блоков:

Источник сеточного напряжения управляется ШИМ сигналом микроконтроллера и обеспечивает на выходе отрицательное напряжение в диапазоне 0…-50В.

Высоковольтная и измерительная часть состоит из силовой части, обеспечивающей заряд анодного конденсатора, делителя анодного напряжения и схемы измерительных усилителей анодного тока. Используются два операционных усилителя: инвертор (как упоминалось выше) и усилитель с изменяемым коэффициентом усиления. Изменение коэффициента усиления происходит путём коммутации сопротивлений в цепи отрицательной обратной связи. Управляет коммутацией микроконтроллер.

Цифровая часть состоит из микроконтроллера AVR ATMega328P и преобразователя уровней MAX232 для согласования последовательного интерфейса микроконтроллера (USART) со стандартным COM-портом компьютера. Микроконтроллер получает команды от компьютера и, соответственно, управляет работой всей схемы

Блок питания обеспечивает необходимые напряжения для работы всей схемы.

После проведенных испытаний и измерений схема устройства была немного изменена. К сожалению, не сохранились старые порядковые номера компонентов на новой схеме. Поэтому есть некоторые несоответствия со схемами из предыдущего поста — черновика.

3. Источник сеточного напряжения

Схема источника сеточного напряжения концептуальных изменений, по сравнению с черновиком, не претерпела. Была выявлена склонность схемы к самовозбуждению при выходном напряжении более -12.3В (подробнее здесь), проблема была решена добавлением RC-цепочки на выходе (R28,C7,C8).tracer_biasСигнал ШИМ с микроконтроллера подаётся на активный фильтр низких частот (ФНЧ), выполненный на операционном усилителе U4. После фильтрации на его выходе получается постоянное напряжение в диапазоне 0…5В (точнее, от нуля до напряжения питания микроконтроллера). Это постоянное напряжение используется в качестве опорного для параметрического стабилизатора компенсационного типа, собранного на U3, Q14 и Q13. При указанных на схеме номиналах компонентов, стабилизатор на выходе поддерживает инвертированное и в десять раз большее напряжение, чем опорное. Для возможности точной подстройки выходного напряжения введён подстроечный резистор RV2. Так как управляющая сетка почти не потребляет ток, вся схема защищена от перегрузки резистором R21, он ограничивает максимальный ток в цепи, например, в случае проверки неисправной лампы где произошёл пробой сетки на катод. К тому же, R21,C4 образуют LC фильтр, который дополнительно сглаживает пульсации блока питания.

4. Высоковольтная и измерительная часть

В этой части схемы, по сравнению с черновиком произошли некоторые изменения. Главное изменение — способ коммутации сопротивлений в цепи ООС измерительного усилителя.

Обнаружилось, что способ изменения коэффициента усиления измерительного усилителя не работает так, как надо. Для изменения коэффициента усиления использовались порты ввода/вывода микроконтроллера, чтобы коммутировать сопротивления в цепи ООС на землю.

GainSelect_old_bwДля исключения сопротивления, соответствующий вывод МК настраивался, как вход с большим сопротивлением, а для включения – как выход с логическим «нулём». В идеале, принято полагать, что вывод МК, настроенный, как выход, представляет собой тандем из полевых транзисторов. Сильно упрощённая схема вывода МК:AVR-IO_bwНо не всё оказалось так идеально. Оказалось, что при логическом «нуле» на выводе МК появлялся небольшой ток утечки, напряжение порядка десятка милливольт, что смещало измерительный ОУ, из-за чего в измерения вносилась погрешность. Обнаружился данный недостаток лишь при испытании слаботочной лампы 6Н2П, при измерении маленьких значений анодного тока. При измерении более мощных ламп, данный эффект не был заметен. Сначала я грешил на качество используемых операционных усилителей, но проблема оказалась не в них. (подробнее здесь) Для решения обнаруженного недостатка было решено использовать слаботочные полевые транзисторы BS170. В итоге получилось вот так:

GainSelect_new_bw

По сравнению с черновиком, изменилось назначение цепи разряжающей конденсатор (в черновике это Q13,R34, в новой схеме это Q9, R18). Теперь эта цепь используется, как балласт для ускорения разряда конденсатора при измерении слаботочных ламп. Ток разряда не течёт через измерительную цепь и не вносит погрешностей в измерения. Обновлённая схема:

tracer_HVПринцип работы остался тот же, силовая часть ШИМ на Q3, Q4, Q5, L1, D1 для заряда конденсатора C19. Делитель напряжения R7,R8, для измерения напряжения на конденсаторе в процессе заряда и анодного напряжения в процессе разряда. Этот делитель вносит некоторую погрешность в измерения малых токов, поэтому в программе микроконтроллера предусмотрена компенсация этой погрешности. Ключ Q1, чтобы  питающее напряжение, в момент измерения, не подавалось на конденсатор, иначе ток анода или напряжение конденсатора может не упасть до нуля, что вызывает обрыв на графиках внизу. Ключ Q10,Q11,Q12 для подачи напряжения на испытуемую лампу. Добавлен стабилитрон D5 для защиты ОУ от перенапряжения.

5. Цифровая часть

Цифровая часть не претерпела никаких принципиальных изменений. Мозг устройства — контроллер ATMega328 и преобразователь уровней MAX232.

tracer_digital

По сравнению с черновиком, убраны светодиоды индикации обмена данными между компьютером и микроконтроллером, толку от них не было. ISP-разъём — ряд из пяти штырьков, к нему подключается программатор. Кнопка сброса «Reset» выведена на переднюю панель корпуса и подключается к тому же ISP разъёму на два крайних штырька. U5 (TL431) — источник опорного напряжения для АЦП, потенциометром RV2 можно точно подстроить требуемое напряжение. В идеале оно должно быть 4.096В, округляется до 4.1В. Недавно улучшенная прошивка позволяет выбирать произвольное значение этого напряжения. При указанных номиналах R30 и RV1, напряжение можно поднять почти до 4.5В, что немного расширит диапазоны измерения. Согласно спецификации микроконтроллера, это напряжение не должно превышать максимальное напряжение питания, т.е. 5В.

6. Блок питания

Настоящей головной болью стал блок питания. Для питания схемы необходимо достаточно много разных напряжений:
6.3В накал испытуемой лампы
-55В для схемы управления смещением
+15/-15В для питания ОУ
+5В для питания микроконтроллера и МАХ232
+12В для питания силовой части
Прототип питался от трансформатора ТАН-28, используя линейные стабилизаторы и умножители. Такие трансформаторы – редкость в наших краях, поэтому, чтобы упростить повторение устройства, были начаты поиски решения для блока питания. Сначала была попытка сборки обратнохода на UA3842, почти удачная, но импульсный трансформатор, с большим количеством вторичных обмоток, значительно усложняет изготовление. Намотка и сборка особых проблем не представляет, а вот разборка мне показалась сложной. Я использовал трофейные трансформаторы из старых мониторов, разных моделей. Самым сложным было разобрать сердечник, не повредив его. Экспериментируя, я повредил 3 сердечника из 6. Чего только не делал – и варил их по пол-часа, и замачивал на сутки в ацетоне, но 100% способа удачно разобрать трансформатор не нашёл. К тому же, трансформатор нужен был с большим количеством выводов и достаточно большим окном для нескольких обмоток. В общем, решено было разработать блок питания без самостоятельно изготавливаемых моточных изделий.

PSU_bw Такая конструкция БП показалась мне простой и легко повторяемой. Силовой трансформатор – тороидальный на 8В, 6А. На холостом ходу выдаёт 10В. UC3843 – повышающий инвертор для питания схемы смещения, две MC34063 для получения +15/-15В, силовая часть питается напрямую, от выпрямителя, МК через линейный стабилизатор типа LM7805, накал через готовый китайский преобразователь на XL4015. Возможно, данная комбинация оставляет желать лучшего по шумности, но, по-моему, это справедливая плата за простоту и отказ от изготовления моточных деталей. Ухудшения качества измерения, по сравнению с использованием БП на ТАН и линейных регуляторах, не замечено. В любом случае – БП выполнен отдельным узлом, и каждый волен использовать своё собственное решение.

pwm_psu

7. Измерение

Для соединения с прибором нужен компьютер с COM-портом, но хорошо работают и USB-COM конвертеры. Для работы достаточно терминальной программы, например, PuTTY. В среде Linux можно использовать cu (uucp), minicom и подобные. Здесь описывается только принцип, как происходит измерение. По работе и командам будет отдельная статья, поэтому сильно углубляться в описании не буду.

Происходит подключение к устройству, нажимается кнопка «reset» на устройстве, если всё в порядке, в терминал выдаётся сообщение с версией прошивки и приглашение на ввод команд. В данном примере показана процедура измерения ВАХ лампы 6Н1П при напряжении сетки -2В и напряжении анода 0-180В.measure_exampleВидно, что были введены команды «x 5» — выбор шкалы миллиамперметра, «i 1» — подключить балластное сопротивление, «c 2 180 1 1.4» — установить напряжение сетки в -2В, зарядить конденсатор до 180В и начать измерения, используя задержку в 1мс и коэффициент увеличения в 1.4. Происходит зарядка конденсатора и измерение. По окончании разряда конденсатора результаты измерения выводятся в виде трёх столбцов — порядковый номер точки, значение напряжения анода, ток анода. Данные копируются в любую программу, способную рисовать графики, получается графическое изображение кривой. Пример кривой построенной в Gnumeric (редактор электронных таблиц, как MS Excel) и gnuplot (специализированная программа).gnumeric_gnuplotСейчас разрабатывается графическая пользовательская программа, которая уже позволяет производить измерения в несколько щелчков мышью.  По пользовательской программе будет отдельная статья. Внешний вид прототипа программы:program_example_rus

На момент написания этих строк, программа уже позволяет проводить измерения, загружать и сохранять данные, переведена на три языка (русский, английский и латышский). Работа над программой продолжается, ещё есть над чем поработать.

8. Внешний вид устройства

Аппарат собран в готовом корпусе 90x149x178мм, на верху располагаются четыре ламповые панельки и клеммы для выбора цоколёвки. Клеммы «под отвёртку», для подключения накала. Там должен быть хороший контакт, иначе, при испытании ламп, которые потребляют на накал порядка пары Ампер, клеммы будут греться. Проверено, «screwless» греются и на на них падает около 0.3-0.5В. Для подключения анода, катода и «земли» используются прижимные клеммы «screwless», здесь они к месту. Контакт «земля» нужен только для подключения внешнего источника экранного напряжения, при измерении ламп с экранной сеткой. Для подключения смещения используется фрагмент от цанговой панельки для микросхем. Такое расположение выбрано не случайно, это позволяет максимально укоротить провода, идущие на управляющую сетку. Это улучшает качество измерений для ламп с большим коэффициентом усиления (например, 6Н2П, 6Н9С).

Пример измерения 6П44С в псевдотриодном включении:

measuring_6P44S

На передней панели разъём для подключения COM-порта, кнопка «Reset», светодиоды индикации подачи питания и заряда конденсатора. На задней панели выключатель и разъём для подключения кабеля питания, предохранитель.

Внутренняя компоновка:

inside

9. Полная схема аппарата

На схеме не показан стабилизатор LM7805, для питания микроконтроллера и развязывающие RC-фильтры питания операционных усилителей (47Om+10мкФ).

tracer_full

10. Заключение

Работа над аппаратом продолжается. Аппаратная часть более или менее отлажена и особых изменений не предвидится. Основные ресурсы сейчас сконцентрированы на работе над программной частью и пользовательской программой. Аппарат уже вполне работоспособен и успешно решает задачи, для которых планировался.

Аппарат проектировался для снятия ВАХ триодов,  на тетроды и пентоды сразу замахиваться не стал. Тем не менее, как показала практика, получившийся аппарат способен снимать ВАХ тетродов и пентодов, но для этого потребуется внешний источник напряжения для экранной сетки.

Дополнительные материалы и ссылки

  1. Форум сайта «Паяльник» cxem.net, раздел Ламповая техника, ветка Характериограф от lnx
  2. Официальный сайт проекта uTracer  http://www.dos4ever.com/uTracer3/uTracer3.htm

8 комментариев 'Характериограф для радиоламп LNX Tracer'

  1. Hi!

    I noticed your LNX Tracer!
    nice work!
    I included a link to your page on my links page:
    http://dos4ever.com/uTracer3/uTracer3_links.html

    Good luck!
    Ronald

  2. Cергей

    Есть ли возможность приобретения данного устройства, как КИТ или в законченном виде?

    • lnx

      Ответил на указанный Вами e-mail

    • George

      Так же интересует вариант кита, изрядно надоело с л3-3 возиться.

      И вопрос: планируется ли реализация проверки замыканий накал-катод, катод-сетка, сетка-анод? К сожалению достаточно часто встречающаяся неисправность, что бы озаботиться её выявлением.

      Спасибо.

      • lnx

        Кита пока нет. Есть печатка с небольшими изъянами, на которой собрана текущая версия аппарата и есть прошитый контроллер.
        Задача моего аппарата — снятие ВАХ. С выявлением межэлектродных замыканий справляется любой тестер в режиме «прозвонки».
        Аппарат всё ещё в процессе разработки, сейчас дорабатываю источник сеточного, так же идёт работа над расширением диапазонов и повышением точности измерения.
        Текущая версия неплохо измеряет триоды и тетроды/пентоды в триодном включении. При наличии внешнего источника можно снимать ВАХ ламп с экранными сетками. Примеры измерений, по которым можно оценить качество работы — на этом сайте и в темах на cxem.net: раз, два.

  3. Максим

    Либо я не увидел, либо в статье нет прошивки на МК и установку фьюзов.

Оставить комментарий

Ваш e-mail адрес не будет опубликован.
Обязательные поля отмечены *

*

*