Цифровой характериограф для радиоламп (черновик)

С тех пор, как я начал интересоваться «ламповой» темой, накопилось некоторое количество ламп, часть из них новые, часть б/у, а самое главное — большая их часть старше меня. Встал ребром вопрос о проверке их работоспособности. Специализированные ламповые тестеры (типа Л3-3) нынче не очень-то доступны, как по наличию, так и по цене. Первым делом был перелопачен интернет, но везде, в основном, одно и то же — перепечатки из старой книги А.М. Меерсона «Испытание радиоламп»(МРБ 1958 год выпуск 303). Сначала была мысль построить прибор полностью аналоговый, измерять эмиссию, снимать характеристики статически — регулируемые источники анодного и сеточного напряжений, миллиамперметр, пара тумблеров. Как известно, аппетит приходит при еде, по мере углубления в тему ламп постепенно начали расти и хотелки. В один момент было решено, что простенький тестер ламп — это не серьёзно, а для объективной качественной оценки электронно-вакуумного прибора необходим характериограф. В уме крутилась схема с вольтметрами, миллиамперметрами и регулируемыми источниками напряжений. Предполагалось, меняя анодное и сеточное напряжения, снимать показания приборов, заносить их в табличку, затем строить графики, используя какую-нибудь компьютерную программу. Попутно в голове крутилась идея о цифровом устройстве на основе микроконтроллера – источники напряжения с электронным управлением, измерительные АЦП, передача данных в компьютер через USB или COM-порт и дальнейшая обработка. Сначала идея показалась труднореализуемой. Сложно было придумать, как реализовать точные управляемые источники напряжения, особенно — анодного, но всё оказалось не так страшно. На данный момент отработана концепция и собран второй прототип прибора, который уже позволяет делать некоторые измерения. Работа была начата ещё летом, продвигается очень медленно, очень мало свободного времени, которое можно было бы уделить проекту. Выкладываю свои наработки, может, кому-то данная тема будет интересна.

Путешествуя по просторам сети наткнулся на один интересный проект uTracer который вдохновил меня на дальнейшие действия. Из этого же проекта была честно стырена идея импульсного измерения,посредством разрядки через лампу конденсатора. Алгоритм работы оригинального устройства uTracer популярно изложен на его сайте, можете прочитать самостоятельно, если интересно. Из этого проекта было позаимствованы схемы зарядки конденсатора и измерения тока. Работая над прибором, преследовалась цель сделать устройство легко повторяемым и не содержащим дорогостоящих и дефицитных компонентов.
Идея до безобразия проста: используя ШИМ, накачиваем конденсатор энергией, до заданного напряжения, затем разряжаем этот конденсатор через проверяемую лампу, в процессе разрядки, периодически, производим измерения тока и напряжения на лампе. Результат измерения, в виде значений анодного тока и напряжения, заносим в любую программу, которая способна рисовать графики. (Я использую Gnuplot, можно использовать MS Ofice Excel, LibreOffice Calc, и др.) Для работы с характериографом специализированная программа не требуется, взаимодействие с прибором происходит посредством обычного текстового терминала (PuTTY), вводим команды — получаем результат. Написание специализированной программы в дальних планах.

Схема и описание

Источник сеточного напряжения:

bias

Прибор питается от стандартного трансформатора ТАН-27, одна обмотка на 28В отдана под источник сеточного напряжения.  Переменное напряжение трансформатора поступает на удвоитель напряжения на диодах D12, D13 и конденсаторах C12, C13, удвоенное напряжение, сглаженное конденсатором C14, подается на регулирующий транзистор Q8. Фактически, схема представляет собой обычный компенсационный стабилизатор напряжения с операционным усилителем. Импульсы с десятиразрядного ШИМ микроконтроллера поступают на активный фильтр на операционном усилителе U9 (сигнал PWM_Bias на резистор R38), после фильтрации, на выходе U9 получается постоянное напряжение, в зависимости от скважности ШИМ, 0…5В. U7, при указанных параметрах R26 и R27, ОУ поддерживает напряжение в 10раз большее, чем эталонное,  в результате, на выходе схемы получаем напряжение в диапазоне 0…50В с шагом регулировки ~0.05В (ШИМ 10-разрядный, а это 1024 градации на 5В, т.е. фактический шаг 50/1024=0.048828125В).

Схема измерительной и высоковольтной части
tracer_HV

Схема питается от 12В (две слаботочные обмотки трансформатора по 6,3В), напряжение выпрямляется диодным мостом D5 и сглаживается конденсатором C5, после чего через ключ (о его назначении позже), на p-канальном Q3 и биполярном Q2 транзисторах, напряжение питания подаётся на повышающую часть ШИМ — L1,Q6,D11. Импульсы с выхода ШИМ микроконтроллера (сигнал HV_PWM) через транзисторы Q4,Q5 управляют ключом Q6. Импульсы ЭДС дросселя L1 через диод D11 заряжают «измерительный» конденсатор C9, до нужного напряжения. Для измерения напряжения на конденсаторе, включён делитель напряжения R11, R12, с которого уменьшенное напряжение поступает на АЦП микроконтроллера (сигнал HV_ADC). Напряжение конденсатора подаётся на проверяемую лампу при помощи ключа на Q14,Q15 и полевике Q16. При разряде конденсатора через открытый транзистор Q16, на резисторе R13 появляется падение напряжения, которое инвертируется ОУ U4, усиливается U8 и подается на другой канал АЦП микроконтроллера и измеряется. Зная сопротивление R13 и величину падения напряжения на нём, микроконтроллер рассчитывает анодный ток. Коэффициентом усиления U8 можно управлять, замыкая на землю резисторы в цепи обратной связи. Для замыкания на землю резистора, соответствующий вывод микроконтроллера (сигналы GAIN1, GAIN2, GAIN3) устанавливается, как выход с низким уровнем. Если резистор нужно исключить из цепи, то соответствующий вывод микроконтроллера устанавливается, как вход с бесконечным входным сопротивлением (Hi-Z).  Измерение продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе или ток анода упадут до нуля. Ключ на p-канальном полевике Q3 нужен для того, чтобы в момент измерения не подавалось питающее напряжение на конденсатор, иначе ток анода или напряжение конденсатора может не упасть до нуля, что вызывает обрыв на графиках в районе нулевых значений. Ключ на Q11,Q12 и полевике Q13 нужен для понижения напряжения на «измерительном» конденсаторе.

Схема цифровой части

digitalМикроконтроллер ATMega328P. U1 (TL431) — источник опорного напряжения для АЦП, потенциометром RV2 можно точно подстроить требуемое напряжение. В идеале оно должно быть 4.096В, округляется до 4.1В. От точности установки этого напряжения зависит точность всех измерений. Возможно, имеет смысл применить заводской прецизионный источник опорного напряжения, но они достаточно дороги и дефицитны. Стабилитроны D14, D15 на 5.1В защищают входы АЦП микроконтроллера от перенапряжения.  U10 — конвертер уровней TTL-RS232, для согласования последовательного интерфейса микроконтроллера (USART) с COM-портом компьютера. Светодиоды D16, D17 — индикация обмена данных между компьютером и микроконтроллером. Разъем P10 — стандартный ISP интерфейс программатора,  позволяет прошивать микроконтроллер, не вынимая его из схемы.

Процесс снятия измерений

Для связи с устройством требуется компьютер с COM-портом, но можно использовать и USB-COM конвертер (я успешно использую конвертер на чипе PL-2303).  Так же требуется терминальная программа, например, хорошо известная PuTTY. Происходит подключение к устройству, устанавливается напряжение на управляющей сетке -2В (b 2), устанавливается напряжение на конденсаторе 160В (s 160), запускается измерение с заданием интервалов измерения и коэффициента увеличения (команда g 3 1.3). По окончании измерения в терминал высыпаются результаты измерения (3 столбца — номер измерения, напряжение, ток). Результаты копируются в любую программу — рисуется график.

terminal plot

Сам работаю в среде Linux, поэтому для автоматизации процесса использую скрипт, который производит подключение, вводит команды и выводит готовый график.

В продолжении опишу более подробно процесс работы с PuTTY, позже появится доработанная версия печатной платы (после устранения обнаруженных недочётов) и прошивка микроконтроллера.

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

Оставить комментарий

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

*

Введите числа с картинки *