Miernik wiecznie żywy czyli Meratronik V640 – aneks do artykułu

Z Technique.pl

Skocz do: nawigacja, szukaj

Finalna wersja tekstu o przyrządzie Meratronik V640 powstała stosunkowo niedawno, ale od tamtego czasu nagromadziło się trochę informacji, które warto opublikować w formie aneksu do pierwotnej treści artykułu.

Spis treści

1 Charakterystyka egzemplarzy
2 Hybrydowy układ scalony HLY 7006
- 2.1 Alternatywny wzmacniacz pomiarowy wg czasopisma Radioelektronik - wczoraj i dziś
- 2.2 Pomiary napięć zmiennych – teoria i praktyka
3 Odnośniki dla zainteresowanych

Charakterystyka egzemplarzy

Conway MASTERANGER 639 mk2

Dla firmy Conway produkowane były dwa warianty miernika 639. Pierwsza odmiana opisywana wcześniej w artykule i chronologicznie była pierwotnym wykonaniem. Opisany tutaj egzemplarz to przedstawiciel serii drugiej i powstał już w czasie, gdy produkowano model krajowy V640. Na ustroju widnieje data 1974, chociaż nie widać jej od razu – umieszczono ją w pobliżu śruby zera mechanicznego, zakryta przez metalową płytę przednią. Pod względem wzorniczym, jest to połączenie „Conway’a pierwszego” oraz modelu krajowego – sito skali jest prawie identyczne jak w wersji pierwszej /dodano symbol stopni Celsjusza/, znak firmowy analogicznie znajduje się na tabliczce metalowej jak i na skali ustroju. Kolejność zakresów jest klasyczna, taka jak w modelu V640. Pod względem elektronicznym, jest to wersja ze wzmacniaczem na elementach dyskretnych. Co charakterystyczne dla przyrządów z początkowego etapu produkcji, przełącznik zakresów zbudowano w formie laminatu, podobnie jak w prezentowanym wcześniej egzemplarzu krajowym z tego samego roku produkcji. Z tyłu na dole obudowy wytłoczono nazwę przyrządu oraz napis świadczący o ochronie patentowej. Ciekawy jest pokrowiec, inny zarówno od poprzedniego Conway’a jak i od modeli krajowych. Posiada złocone wytłaczane oznaczenie marki oraz modelu, odmienne niż w „modelu pierwszym”, inne są też przeszycia skóry.

V640 rocznik 1985

Chociaż miernik w takim wykonaniu był już pokazywany wcześniej, teraz można zobrazować to większą ilością zdjęć. Egzemplarz pochodzi z roku 1985 i pierwotnie posiadał wzmacniacz hybrydowy w kolorze czarnym. Na skutek awarii kości, została ona zastąpiona „układem zastępczym” wg schematu z czasopisma Radioelektronik /więcej o tym temacie w dalszej części tekstu/. Miernik posiada wszystkie cechy typowe dla modeli produkowanych od połowy lat 80 takie jak malowana płyta przednia, inne sito skali, zmienione wzory płytek drukowanych.

Pod względem elektronicznym warto wspomnieć o jednej kwestii, niekoniecznie oczywistej na pierwszy rzut oka. W latach 80. zmodyfikowano układ omomierza, w celu wyeliminowania konieczności stosowania baterii rtęciowej – teraz można było układ zasilać z klasycznego ogniwa R6 1,5V bez obaw o kłopot z wyzerowaniem zakresów pomiaru oporności.

Marconi TF2650

Kolejna wersja eksportowa, tym razem dla brytyjskiej firmy Marconi Instruments. W zasadzie jest to odpowiednik wersji krajowej V640, tylko pod sygnaturą zamawiającego. Charakterystyczne wykończenie ściany tylnej przyrządu – wklejana blacha aluminiowa z nazwą i modelem urządzenia, numerem oraz krajem produkcji. Przynajmniej nie pozostawiono złudzeń, jaki kraj był producentem. Zdjęcia pochodzą z portalu ebay.com.

Kilka zdjęć zbiorczych różnych wykonań przyrządu

Wczesny egzemplarz krajowy z roku 1974 oraz model z początku lat 80.
Model ze szczotkowaną płyta przednią oraz wersja z płytą matową.
Model eksportowy 639 mk2 oraz model krajowy V640.
Model eksportowy MERATESTER oraz model krajowy V640.
Model eksportowy 639 mk2 oraz MERATESTER.

Hybrydowy układ scalony HLY 7006

Układ scalony HLY 7006 /inna nazwa L7006/ jest tak samo legendarny jak i sam V640, więc zasługuje, by poświęcić mu osobny opis.

W czasach gdy wdrażano do produkcji miernik Meratronik, rozwój układów scalonych i ich produkcja to była tendencja powszechna, by nie powiedzieć, że wzrostowa. Zarówno w kraju jak i zagranicą, dążono do miniaturyzacji a jednocześnie poprawy parametrów układów i urządzeń. Jedną z dziedzin o dynamicznym postępie, gdzie walka producentów była widoczna, była produkcja wzmacniaczy operacyjnych.

Na początku produkcji miernik posiadał wzmacniacz pomiarowy zbudowany z tranzystorów. Topologia układu w uproszczeniu odpowiadała scalonym wzmacniaczom operacyjnym produkowanym na zachodzie. Nie jest do końca jasne, na którym etapie zdecydowano układ przenieść do wersji scalonej. Łatwiej natomiast wywnioskować, dlaczego zdecydowano się na wzmacniacz pomiarowy hybrydowy, aniżeli monolityczny. Po pierwsze dostępność układów – w kraju nie produkowano wówczas monolitycznych wzmacniaczy operacyjnych jakiegokolwiek rodzaju, a wsad dewizowy nie jest nieograniczony, dodatkowo najlepsze podzespoły były objęte embargiem. Po drugie – kompromis parametrów. Struktura monolityczna zawsze jest kompromisem i układ idealny nie istnieje. Natomiast dlaczego zdecydowano nie tylko wprowadzić wersję scaloną, ale także zaprzestać produkcji wersji dyskretnej? Można wysnuć tezę, że stabilność parametrów oraz ich powtarzalność jest tutaj łatwiejsza do osiągnięcia. Ułatwiało to też naprawy. Dodatkowo był to symbol nowoczesności, o czym już wspomniano wcześniej.

Chociaż pod względem topologicznym układ HLY 7006 pozostawał bez zmian, różnił się wykonaniem zewnętrznym w zależności od okresu produkcji i producenta. Znane są wykonania z czterech zakładów produkcyjnych – PIT, PIE, ZDPUH oraz DOLAM. Można wyróżnić dwie wersje – wcześniejsza, posiadająca złocone wyprowadzenia oraz obudowę w kolorze białym, biało-zielonym, biało-czarnym lub zielonym. W późniejszym okresie, gdy przeniesiono produkcję do zakładów DOLAM, układ wytwarzano w obudowie czarnej z charakterystycznym „kominkiem” – w tym miejscu zamontowano tranzystor wejściowy 2N5452, a hybryda posiadała innego kształtu wyprowadzenia, niepokryte złotem.

Układ dorobił się swojej legendy już w czasach produkcji miernika – w przypadku awarii czynił miernik bezużytecznym, gdyż jako specjalizowany wzmacniacz opracowany do konkretnego zastosowania, nie posiadał zamiennika. Natomiast dostępność oryginału była mocno ograniczona. Problem okazał się na tyle powszechny, że opublikowano w latach 80. alternatywny sposób naprawy przyrządu bez udziału oryginalnej kości. Stosowny artykuł ukazał się w czasopiśmie Radioelektronik, a naprawione w ten sposób przyrządy nieraz pracują po dziś dzień. Temat ten jest ciągle aktualny, gdyż po tylu latach awarie układy HLY ciągle się zdarzają, a jego podaż nie jest lepsza niż w czasach minionych. Gdy zaś się pojawi oferta kupna kości, cena nie należy do tanich. Z kolei fabryka, zdając sobie sprawę z problemu, powróciła w połowie lat 80 do produkcji miernika ze wzmacniaczem tranzystorowym.

Alternatywny wzmacniacz pomiarowy wg czasopisma Radioelektronik - wczoraj i dziś

Lekarstwem na uszkodzone hybrydy miał być alternatywny układ, zbudowany w oparciu o wzmacniacz operacyjny TL 081 firmy Texas Instruments. Kość już w tamtym okresie nie szokowała parametrami oraz nie była nowością, lecz mimo braku odpowiednika krajowego, była w miarę dostępna, chociażby za sprawą produkcji w bratnim NRD. Pod względem topologii, układ zastępczy to zwykły wzmacniacz w konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego. Oprócz tego, wzorem oryginalnej kości, zbudowano dodatkowy stabilizator napięcia ujemnego z wykorzystaniem dwóch tranzystorów małej mocy. Całość mieściła się na małym kawałku laminatu dociętym tak, by obwód wlutować 1:1 zamiast układu hybrydowego.

Sposób naprawy wg artykułu miał kilka wad - wymagał kilku zmian w mierniku, chociaż przeróbki nie były duże i są odwracalne. Większym problemem były zastosowane części – pod względem parametrów, HLY nie posiada po dziś dzień ścisłego odpowiednika monolitycznego. Rzuca to cień na wiarygodność słów autora tekstu, jakoby naprawiony miernik miał pracować bez zarzutu.

W celu zbadania jakości układu i porównania go z oryginalnym HLY, wykonano wzmacniacz wg schematu z artykułu i zamontowano go do przyrządu w miejsce uszkodzonego układu hybrydowego. W modelu badanym zrezygnowano z układu kompensacji, zastępując go zworą w miejsce zdemontowanego potencjometru R28. Wzmacniacz operacyjny umieszczony został w podstawce – daje to możliwość zbadania różnych modeli wzmacniaczy operacyjnych bez konieczności mozolnego lutowania.

Mając na uwadze wątpliwą jakość TL 081, poszukano bardziej współczesnego i lepszego parametrami wzmacniacza operacyjnego, godnego do tej aplikacji. W modelu sprawdzono dwa układy – B081 produkcji NRD oraz TLE 2071 produkcji Texas Instrumens. Wnioski z pomiarów są następujące:

B081 /TL 081/	TLE 2071
duża wartość napięcia DC offset względem oryginalnego HLY	dużo mniejsze napięcie DC offset względem TL 081
duża niestabilność termiczna zera, szczególnie w czasie pierwszych 30 minut od włączenia przyrządu ~ 5 działek, lepsza stabilność po ok. godzinie pracy przyrządu	stabilność termiczna zera na akceptowalnym poziomie, w czasie pierwszych 30 minut od włączenia nieznaczne odchylenie ~ 1 działka, po godzinie pracy parametr jest stabilny
duży prąd wejściowy powodujący maksymalne wychylenie wskazówki przy rozwartych zaciskach pomiarowych na najniższych zakresach -> konieczność dodatkowej kompensacji	prąd wejściowy mniejszy niż w przypadku TL 081 – przy rozwartych zaciskach, bez kompensacji, na zakresie 1,5mV wychylenie wskazówki na poziomie ~ 1mV
pomiar napięć stałych prawidłowy	pomiar napięć stałych prawidłowy
charakterystyka częstotliwościowa mocno ścięta i zależna od napięcia wejściowego, dyskwalifikująca przy pomiarach napięć m.cz.	płaska charakterystyka częstotliwościowa do 10 kHz, błąd w granicach producenta do 13 kHz

Poniższe tabele zawierają pomiar charakterystyki przenoszenia dla napięcia wejściowego 150 mV oraz 1,5 V w zakresie od 20 Hz do 20 kHz. Wg producenta, dopuszczalny błąd pomiaru wynosi 1,5% wartości końcowej zakresu pomiarowego oraz dodatkowy uchyb 1,5% wartości mierzonej, wynikający z nierównomierności charakterystyki przenoszenia. Wartości wykraczające poza błąd określony specyfikacją zaznaczono w tabelach kolorem czerwonym.

Pomiar napięcia AC 150 mV:

Pomiar napięcia AC 1,5 V:

Lektura kart katalogowych oryginalnego HLY oraz ww. wzmacniaczy operacyjnych i przeprowadzone doświadczenia pokazują, że TL 081 absolutnie nie nadaje się do tej aplikacji. Czym był podyktowany taki wybór przez autora w latach 80.? Zapewne „nic innego wtedy nie było”. Wniosek o mierności jest o tyleż zadziwiający, gdyż autor artykułu w Radioelektroniku nie znalazł nieprawidłowości w działaniu oraz pogorszenia parametrów technicznych przerobionego przyrządu. Niestety, miernik chociaż działa, pogorszyły się jego parametry termiczne oraz zdolność do pomiaru sygnałów zmiennoprądowych. Dużo lepszym wyborem jest przedstawiony wyżej TLE 2071, określony przez producenta jako „bezpośredni zamiennik” TL 081. Układ cechuje się lepszymi parametrami zarówno stałoprądowymi jak i zmiennoprądowymi i chociaż ciągle „to nie to samo” co kość HLY, przeróbka z użyciem tego układu jest zdecydowanie bliższa stwierdzeniu, jakoby miernik miał działać bez zastrzeżeń. Cena TLE 2071 stosunku do jego parametrów, a tym bardziej ceny HLY, nie jest porażająca – koszt jednej sztuki nie przekracza 10 zł w sklepie internetowym.

Zachodzi pytanie „czy da się zrobić to jeszcze lepiej”? Nic nie stoi na przeszkodzie poszukać szybszego i lepszego wzmacniacza operacyjnego, dzięki czemu charakterystyka przenoszenia byłaby bliższa oryginalnemu HLY, natomiast trzeba liczyć się tutaj z kilkoma utrudnieniami. Po pierwsze, trudno znaleźć układ dobry jednocześnie w kwestii parametrów zmienno jak i stałoprądowych. Zawsze jest to jakiś kompromis. Po drugie, pobór prądu musi być zbliżony do tego, jaki pobiera oryginalny układ pomiarowy. Niestety, im większa szybkość kości, tym większy pobór prądu, a powyżej pewnego poziomu jest to czynnik dyskwalifikujący. Warto pamiętać, że wg producenta, maksymalny pobór prądu przez miernik to 4 mA, a wydajność zasilacza sieciowego to 5 mA. Po trzecie – oprócz wartości granicznej pasma przenoszenia wzmacniacza, ważna jest krzywa wzmocnienia w funkcji częstotliwości. Czynnik ceny tutaj nie będzie rozpatrywany, jednakże kupowanie kości „zastępczej” w cenie, za jaką można kupić oryginalny podzespół, budzi już wątpliwość naprawy.

Mając na uwadze wszystkie za i przeciw oraz odrzucając na starcie odpowiedniki TL 081 innych producentów, o porównywalnych do niego parametrach, wybór TLE 2071 został przyjęty za optymalne rozwiązanie pod względem jakości jak i stosunku cena/jakość. Biorąc pod uwagę niski koszt takiej przeróbki, w porównaniu do kosztu zakupu oryginalnej kości HLY, oraz akceptując pogorszenie parametrów zmiennoprądowych przy zachowaniu zbliżonych pozostałych parametrów, pomysł ten można uznać za dopuszczalny dla kogoś, kto chce posiadać sprawny przyrząd V640, a nie może z jakichś powodów dokonać naprawy, montując nowy sprawny HLY.

Pomiary napięć zmiennych – teoria i praktyka

Zarówno w czasach swojej świetności, jak i dziś, przyrząd V640 ceniony jest za szerokie możliwości pomiarowe. Tyczy się to szczególnie pomiaru napięć zmiennych – w wersji podstawowej pasmo użyteczne wg producenta sięga do 20 khz przy błędzie 1,5% wartości końcowej zakresu oraz 1,5% wartości mierzonej. Korzystając z dołączanej sondy wysokiej częstotliwości oraz opcjonalnie, nakręcanego dzielnika pojemnościowego, można mierzyć napięcia do częstotliwości 1 Ghz. Producenci jednakże często podają w specyfikacji wartości uśrednione, zostawiając sobie margines. Mówiąc prościej – parametry rzeczywiste mogą być lepsze niż deklarowane.

Przedstawione wcześniej wykresy pokazują, że dla przyrządu V640 pasmo częstotliwości 20 khz nie stanowi problemu. Testy praktyczne wykazały, że w rzeczywistości zakres ten jest szerszy i potrafi sięgać nawet do 100 khz. Należy mieć na uwadze dwie kwestie z tym związane – wraz ze wzrostem napięcia wejściowego maleje górna częstotliwość graniczna i pomiar taki jest wiarygodny tylko w określonym przedziale napięć „od do”. Kwestia druga to starzenie się elementów – w przypadku mierników 30 czy 40 letnich trudno mówić o powtarzalności parametrów, zwłaszcza gdy nie były w dłuższym okresie czasu kalibrowane i sprawdzane. Badanie dwóch losowych egzemplarzy przyrządu wykonane przez autora tekstu wykazało, że przyrząd nr 1 poprawnie mierzył napięcia do 1V i częstotliwości granicznej 100 khz, natomiast przyrząd nr 2 jedynie do około 60 khz. Analogiczny test wykonał wcześniej p. Rafał Jackiewicz, uwieczniając to na wideo dostępnym tutaj .