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µTracer: Ein modernes Röhrenmessgerät - Kennlinienschreiber

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Kurt Schmid
Kurt Schmid
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18.Sep.12 11:13
 
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µTracer: Ein modernes Röhrenmessgerät/Kennlinienschreiber zum Nachbau

 
µTracer ist ein laufendes Projekt von Prof. Dr. Ronald Dekker (Philips Research Laboratories, Eindhoven und Delft University of Technology). Mit Erlaubnis von Ronald stelle ich hier in Kurzfassung die kürzlich fertiggestellte Version 3 vor. Eine ausführliche englischsprachige Beschreibung und Dokumentation findet sich auf seiner Webseite.
 
Wie schon der Name impliziert, ist der computergestützte µTracer in der aktuellen Version eine moderne Inkarnation eines Kennlinienschreibers und vergleichbar z.B. mit dem historischen Tektronix 575 curve tracer. Zwar ist µTracer das "Herz" eines Röhrenmessgeräts, zu dessen Komplettierung sind aber externe Komponenten notwendig. Zur Erinnerung, ein Röhrenprüf- bzw -messgerät besteht zumindest aus 4 Komponenten [1]:
  • Prüfröhrenfassungen
  • Spannungsquellen
  • Einheit zur Zuordnung der Spannungsquellen zu den Fassungskontakten
  • Einheit zur Anzeige der Prüfergebnisse
µTracer beinhaltet alle Spannungsquellen und die Elektronik zur Anzeige der Prüfergebnisse. Die Prüfröhrenfassungen und die Einheit zur Zuordnung der Spannungsquellen zu den Fassungskontakten müssen zusätzlich besorgt werden.
 
Schaltungskonzept
 
Durch das entwickelte spezielle Schaltungskonzept  von µTracer erübrigen sich schwere und teure Transformatoren, Kühlkörper und Lüfter. Es handelt sich um ein Messprinzip mit gepulsten Spannungen, wobei, abgesehen von der Heizspannung, die Röhrenspannungen nur während der eigentlichen Messperioden jeweils für die Dauer von einer Millisekunde (!) an die Prüfröhre gelegt werden. Durch den impulsförmigen Betrieb ist die mittlere Leistungsaufnahme (P*t) der Spannungsquellen gering. Alle Spannungsquellen sind als getaktete Aufwärtskonverter realisiert. Die gesamte Schaltung kann von einem preiswerten Laptop-Netzteil (20V) versorgt werden. µTracer ist ein computergestütztes System und wird über eine serielle Schnittstelle an einen Computer mit Windows als Betriebssystem angeschlossen.
 
Aufbau
 
Die von einem Mikrokontroller (PIC 16F684, mit 10 bit AD-Wandler) gesteuerte recht umfangreiche Elektronik findet auf einer professionall hergestellten durchkontaktierten Europakarte (100 x 160 mm) Platz.
 
 
Bild 1: Das voll bestückte Board
 
Die Schaltung
 
In dieser Kurzbesprechung soll nicht auf Einzelheiten der Schaltung eingegangen werden. Das Schaltungsdesign und die Auswahl der Bauelement lassen aber erkennen, daß hier ein professioneller Entwickler (aus dem Philips Research Laboratory) am Werk war.
 
 
Bild 2: Funktionsblöcke
 
Der komplette Schaltplan und eine detailierte Besprechung der einzelnen Funktionsblöcke finden sich auf der Webseite 
 
Graphische Benutzeroberfläche
 
Bedienung, Auswerung und Darstellung der Ergebnisse basieren auf einem Windows Programm (Visual Basic) mit graphischer Benutzeroberfläche (Graphical User Interface, GUI).
 
 
Bild 3: Hauptbildschirm
 
Auf der linken Seite können die Testparameter wie z.B. die Art der Messung, die Elektrodenspannungen, Spannungsschritte, Testbereich etc. eingetragen werden. Rechts unten befindet sich das Einstellfeld für die Steuerung der Kurvendarstellung. Oben rechts befindet sich das Fenster mit der Darstellung der resultierenden Kurven.
 
Nachfolgend eines von mehreren Beispielen der Vermessung von Röhren.
 
Bild 4: Beispiel der Vermessung einer EL 84
 
Graph in der oberen Hälfte
Kennlinien der Abhängigkeit des Anodenstroms von der Steuergitterspannung bei:
Ua & Ug2 = 100V (schwarze Kurve)
Ua & Ug2 = 150V (rote Kurve) 
Ua & Ug2 = 200V (grüne Kurve) 
Ua & Ug2 = 250V (blaue Kurve)
 
Graph in der unteren Hälfte
durchgezogene Linien: Kurven der Steilheit
gestrichelte Linien: Wiederholung der Ia(Ug1) Kennlinien des Graphs der oberen Hälfte.
 
Der glatte Verlauf der Kennlinien resultiert aus folgendem Vorgehen. Aus der Serie der gemessenen Wertepaare wird durch ein Polynom höherer Ordnung (sofwaremäßig einstellbar) die Kurvenfunktion approximiert. Dies ermöglicht nun eine einfache Berechnung der Kurve der Steilheit indem die erste Ableitung der Kennlinienfunktion gebildet wird.
 
Der rote Marker auf der blauen Kurve (Ua,Ug2 = 250V) zeigt die Steilheit im typischen Arbeitspunkt (Ug1= -7V) an. Das nummerische Ergebnis ist rechts unten angezeigt (X=-7; Y2=11,4). D.h. die Steilheit beträgt 11,4 mA/V (=11400 mikromhos).
 
Spezifikationen
 
  • Strommessungen mit sechs vordefinierten Messprotokollen
Ia,Ig2 versus Ug1; bei verschiedenen Ua; Ug2 konstant
Ia,Ig2 versus Ug1; bei verschiedenen Ua=Ug2
Ia,Ig2 versus Ua; bei verschiedenen Ug1; Ug2 konstant
Ia,Ig2 versus Ua=Ug2; bei verschiedenen Ug1 
Ia,Ig2 versus Ug2; bei verschiedenen Ug1; Ua 
Ia,Ig2 versus Uf; bei verschiedenen Ug1; Ua & Ug2 konstant
  • Steilheitsmessung
  • Messung Röhreninnenwiderstand
  • kontinuierliche Messung von Magischen Augen
  • Paaren von Doppeltrioden
  • Anoden- und Schirmgitterspannungsquellen
2 bis 300 V, Auflösung 0.35 V
nominaler Ausgangsstrom 200 mA.
maximale Gesamtausgangsleistung 60 W
Kurzschlußsicher
  • Messung von Anoden- und Schirmgitterstrom
0 bis 200 mA in 8 Bereichen mit 9 1/2 bit Auflösung
Bereiche:  0-1 mA, 0-2 mA, 0-5 mA, 0-10 mA, 0-20 mA, 0-40 mA, 0-100 mA, 0-200 mA
wahlweise vollautomatische oder manuelle Auswahl des Bereichs
Mittelwertbildung automatisch oder manuell
  • Gittervorspannung
0 bis -50 V, Auflösung 50 mV
kurzschlußsicher
  • Röhrenheizung
0 bis Versorgungsspannung (nom. 19,5 V)
höhere Spannungen mit externer Versorgungsspannung möglich 
1.5 A max, limitiert durch eine Sicherung
direkt und indirekt geheizte Kathoden
Soft-Start, 0-100% in 10 Sekunden
  • Datendarstellung
'on screen' Graphikdarstellung mit Kursorfunktion
wahlweise automatische oder manuelle Skalierung der Achsen (linear/logarithmisch)
Berechnung von Polynomen (2. bis 25. Ordnung) durch die Datenpunkte zur anschließenden Ermittlung der Steilheit oder des Röhreninnenwiderstands
Abspeicherungen der Graphen als Bild (bmp)
Speichern der Daten in Tabellenformat (verschiedene Formate möglich)
 
Nachbau des µTracers mit Fertigbausatz
 
Offensichtlich hat ein Mitglied von RM.org schon eine Vorversion von µTracer auf Lochrasterplatine aufgebaut [3]. Der nunmehr fertige µTracer ist nach Aussage von Ronald in wenigen Wochen als kompletter Bausatz (gedruckte Schaltung und alle Bauteile einschließlich programmiertem Mikrokontroller) bestellbar. Der Preis soll bei 195 € liegen. Schon jetzt ist eine hervorragende Bauanleitung verfügbar. Hier wird Schritt für Schritt (à la Heathkit) mit detailierter Bebilderung die Bestückung und der Funktionstest beschrieben. Nicht nur diese Bauanleitung, sondern die gesamte Dokumentation ist vorbildlich und läßt die Hand des erfahrenen Hochschullehrers erkennen.
 
Nach Erhalt des Bausatzes und Zusammenbau werde ich µTracer in der Praxis ausführlich testen und die Ergebnisse mit denen anerkannt guter Röhrenmessgeräte vergleichen. Bin auf das Ergebnis schon sehr gespannt.
 
Es kann allerdings nicht erwartet werden, daß ein preisgünstiges Gerät wie µTracer in jeder Hinsicht die Leistung  und die Vielfalt an Features von RoeTest [2], dem Ferrari der Röhrenmessgeräte, erreicht. Trotzdem erscheint mir, daß µTracer eine gute Perspektive verspricht, da eine kontinuierliche Weiterentwicklung zu erwarten ist. 
 
 
 

 

This article was edited 18.Sep.12 17:06 by Kurt Schmid .

  
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