Тестер ламп

Введение

Мне, как и некоторым другим людям нравятся радиолампы. Однако, в отличие от большинства любителей радиоламп у меня нет усилителя на них. Тем не менее, я очарован этими хрупкими устройствами, и я люблю читать и писать о них. У меня есть довольно обширная коллекция ламп, и время от времени я задумываюсь над идеей сделать тестер для них, или измеритель Ia-Va и Ia-Vg характеристик. Большинство ламп требует высоковольтного питания, что делает устройство тестера очень громоздким. Но однажды мне в голову пришла такая идея: вместо того, чтобы измерить характеристики ламп в непрерывном режиме, почему бы не измерить их в импульсном режиме. Вся прелесть этого в том, что когда параметры ламп измеряются в импульсном режиме, все громоздкие высоковольтные источники питания могут быть устранены. Вместо этого можно зарядить конденсатор, который выдаст импульс в несколько сотен миллиампер в течение нескольких миллисекунд, необходимых для измерений. Последние полгода было потрачено на проведение экспериментов, разработку схем и написания кода, чтобы сделать мечты реальностью.

Идея заключалась в том, чтобы сделать небольшое и дешевое устройство с широкими возможностями для измерения всех параметров лампы. Поскольку лампа не работает в непрерывном режиме, а только во время импульса длиной около миллисекунды, нет необходимости в  "тяжелых" источниках питания, так что все аппаратные средства могут быть размещены на печатной плате размером с открытку.

Вся система состоит из четырех компонентов:
1) Основная плата.
2) Источник питания 19.5В от старого ноутбука.
3) Разъёмы для ламп.
4) Графический интерфейс пользователя (GUI), работающий на компьютере или ноутбуке. Тестер подключается к ПК через RS323 и вся работа с ним осуществляется через графический интерфейс. Тестер предназначен для измерения всех характеристик ламп.

Основные характеристики: измерение тока анода и управляющей сетки при напряжении от 20 до 400 В при токе до 200 мА (анод) и 50 мА (управляющая сетка). Смещение управляющей сетки может быть выбрано в пределах от 0 до -60 В, а напряжения накала может быть в диапазоне от 0 и 19,5В при токе 1,5А.

Аппаратная часть тестера показано на рисунке выше. Высокое напряжение для анода и экранной сетки создают два повышающие преобразователя на основе MOSFET транзисторов. Преобразователи заряжают два 100мкФ/400В конденсатора, которые дают импульс. Работа преобразователей и зарядка конденсаторов полностью контролируется PIC микроконтроллером, поэтому напряжение заряда конденсаторов может быть выбрано в диапазоне от 20 до 400В. Во время зарядки конденсаторов, лампы полностью отключены. Как только конденсаторы заряжаются, на управляющую сетку подаётся импульс определенного (отрицательного) значения смещения. Это приводит  к прохождению тока по аноду и управляющей сетке. Эти токи вызывают падение напряжения на резисторе. Это падение напряжения усиливается и инвертируется ОУ, а потом оценивается и сохраняется в  микроконтроллере PIC. В действительности, измерение тока немного сложнее. Токи анода и управляющей сетки также немного разряжают конденсаторы. Это падение напряжения добавляется к падению напряжения на резисторах. Поскольку падение напряжения на резисторах исчезает после окончания импульса, а падение напряжения из-за разряда конденсатора остается, можно провести различие между ними. Это требует измерения напряжений во время и сразу после импульса. В действительности же напряжение измеряется  непосредственно перед импульсом  для компенсации смещения. Дискретное значение напряжения поступает в графический интерфейс, который выполняет необходимые математические вычисления.

Схема содержит несколько блоков, которые не отображаются на рисунке выше. Это генератор импульсов для управляющей сетки, два преобразователя напряжения, один источник питания для ОУ и один для отрицательного смещения сетки, микроконтроллер и источник питания для накала. Источник питания для накала состоит из силового ШИМ, который модулирует длительность импульса 19,5В с аккумулятора. В этом случае напряжение питания нити можно выбрать в диапазоне от 0 и 19,5 V.

Принципиальная схема

Принципиальная схема состоит из двух частей, аналоговой и цифровой. Цифровая часть будет обсуждаться дальше.

На рисунке выше показана аналоговая часть схемы. На первый взгляд схема пугает числом компонентов, но на самом деле не такая сложная, и довольно понятная. Схема состоит из нескольких самостоятельных блоков, каждый из которых будет кратко рассмотрен.

Верхний ряд компонентов в схеме представляет собой генератор смещения для управляющей сетки. Повышающий преобразователь состоит из T1, L1, D1, которые заряжают конденсатор С2, который дает импульс. Делитель напряжения на R4/R5 снижает 0-400V до 0-5V которые идут на микроконтроллер. Все эти компоненты контролируются микроконтроллером, так что напряжение в точности соответствует заданному значению. Резисторы R6 и R7 токоограничительные резисторы. При высоком диапазоне измерений (0-50 мА) S1(реле) замкнуто, при низком диапазоне (0-5 мА) S1 открыто и не замыкает R6 и R7. Конденсатор C5 фильтрует отрицательные импульсы и ОУ IC1 инвертирует их в  положительные. Изначально развязывающий конденсатор C19 (и С20) был необходим для предотвращения лампы от колебаний. В окончательном варианте оказалось, что эти конденсаторы вызвали колебания, поэтому они были удалены. Второй ряд компонентов на рисунке практически идентичен верхнему.

В нижней правой части рисунка расположена схема питания для накала. Как уже упоминалось ранее, напряжение питания нити регулируется при помощи ШИМ. Основной ШИМ-сигнал генерируется микроконтроллером и буфером на T16 и T17, которые управляют MOSFET транзистором T18. Фильтр, состоящий из L5 и C14/C15 разглаживает высокие пики тока, которые могут быть вызваны включением нити низкого сопротивления, особенно, когда в помещении холодно.

В нижней левой части рисунка расположена схема инвертирующего повышающего преобразователя. Транзисторы T7/T8 вместе с L3 и D7 создают нерегулируемое отрицательное напряжение для питания ОУ. Этот конвертер полностью управляется программой, которая   поддерживает выходное напряжение около -20 В. IC5 и IC6 обеспечивают регулируемое + / - 15 V питание для аналоговой части. Отрицательное смещение на управляющую сетку сделано на T9, T10, L4, D10 и C10. Выходное напряжение этого преобразователя переключается программно от   -20 до -65V в зависимости от выбранного диапазона смещения.

Остальные компоненты в цепи предназначены для контроля импульса смещения управляющей сетки. Эта часть схемы немного сложнее, так что только основные рабочие элементы будут описаны. Высота управляющего импульса регулируется ШИМ-сигналом с микроконтроллера. Фильтр низких частот вокруг IC4 преобразует сигнал с ШИМ в напряжение постоянного тока от 0 до 5 В. Когда T15 открывается, это напряжение берётся относительно Gnd и, питание сетки отключается при -15 V (низкий диапазон измерений) или -60 В (высокий диапазон). T11-T13 и IC3 делает импульс на  управляющую сетку. Точное соотношение между сигналом ШИМ с микроконтроллера и импульсами с сетки управляется программой.

Цифровая часть тестера, вероятно, наименее интересная часть всего проекта. Контроллер PIC16F874 используются в стандартной конфигурации, и работает на частоте 20 МГц. Тестер взаимодействует с компьютером через MAX232 по интерфейсу USART. В этом проекте использовано внутрисхемное программирование контроллера через специальный разъем.

Техническая реализация

К сожалению, печатная плата для тестера отсутствует т.к. он построен на макетной плате.

На рисунке выше тестер, собранный на макетной плате. Все компоненты были логически сгруппированы вместе. Расположение проводников не является критическим, однако надо учесть некоторые моменты. В первую очередь следует помнить, что некоторые части схемы имеют очень высокое напряжение - более 400 В. Позаботьтесь, чтобы они были хорошо заизолированы и не касались низковольтной части схемы. Во-вторых, некоторые части схемы, имеют очень высокий уровень пиковых токов. Делайте эти проводники короче, и подключайте их непосредственно к клеммам питания. И, наконец, во избежание контуров заземления, разводите землю «звездой»

Кроме резисторов с точностью 1%(или лучше) качество компонентов не очень важно. Я использовал то, что было. BF487 можно заменить любым слабым транзистором NPN структуры с BVceo 400В и выше. Вместо всех остальных биполярных транзисторов NPN или PNP может быть использованы те, которые есть. Катушки индуктивности всегда считаются «трудным» компонентом. Я выпаял их из старой печатной платы. Предпочтительно использовать катушки выдерживающие ток 1,2 A. Реле также не критично. Вероятно, три MC34071 могут быть заменены одним LM324. Для IC3 лучше всего использовать LM741.

Графический интерфейс пользователя

Тестер работает с графическим интерфейсом пользователя (GUI) на компьютере. Графический интерфейс написан на Visual Basic 6.0. Чтобы запустить GUI, надо просто скопировать исполняемый файл в пустую папку и дважды щелкнуть по нему. Если все работает как надо, то должно появиться окно:

Я пытался сделать работу с тестером как можно более простой и понятной. Интерфейс разделен на три части: "Выбор типа измерения", "График выхода" и "Связь". Измерение начинается с выбора типа измерений. Выбор типа измерения автоматически загружает значения по умолчанию для различных измерений. Основным показателем является переменная X-Axis, которая может быть задана вручную. Также могут быть заданы точки измерения. По умолчанию эти точки измерения равномерно распределяются в течение интервала измерения. В случае измерения более одного значения, например, когда много Ia (Vgrid) значений измеряются при различных напряжениях анода, которые должны быть введены в поле "stepping variable", значения в этой области должны быть отделены друг от друга пробелами.

Также есть ручной выбор диапазона. Когда пользователь считает, что анодный ток будет выше, чем 20 мА, или ток управляющей сетки более 5 мА, соответствующий флажок должен быть установлен. Это означает, что все измерения проводятся в высоком диапазоне, и, следовательно, с меньшей точностью. Может быть указано время между измерениями. Это может быть использовано, например, в Ia (V_filament) измерении, чтобы дать прогреться нити накала.

Кнопка "Measure Curve" имеет двойную функцию. До первого измерения, его подпись  "Turn on Filament". После того, как "Turn on Filament " кнопка была нажата, ее подпись изменится на "Measure Curve". При нажатии на нее снова измерение началось. Когда нажата кнопка "Abort " измерения прекращаются сразу, а накал остается включённым. При нажатии на кнопку "Abort " ещё раз отключается и накал.

"Curve Output" отображает данные измерений. По умолчанию отображается  только анодный ток. Минимальные и максимальные значения осей могут быть заданы. Некоторые элементарные проверки введенных значений осуществляются на основе выбранного типа измерений. Верхний ряд кнопок предварительной настройки дает возможность быстро менять оси графика для Ia (V_anode) типа измерений. Нижний ряд кнопок предварительной настройки предназначен для Ia (V_grid) типа измерений.

При нажатии кнопки «Save Data» вся матрица измерений записываются во внешний файл для дальнейшей обработки, например, в Excel. Каждая строка в файле данных представляет собой одно измерение. Файл хранится в формате  *. UDT . В первом столбце указано количество измерений каждого сигнала, в то время как вторая колонка содержит номер сигнала. Следующие шесть колон содержат ток анода и управляющей сетки (в мА), и напряжения управ. сетки, анода, и накала. При нажатии на кнопку "Store", вся матрица измерений копируется во вторую матрицу данных (dblStoreMX), которая является внутренней для программы. Нажав кнопку "Recall" данные хранимые  в этой матрице могут быть добавлены в график. Таким образом, становится возможным сравнить характеристики различных ламп. После того, как кнопка "Recall" была нажата, название меняется на "Dismiss". Нажатие на нее снова, удаляет добавленные данные из графика, но оставляет основные.

Последняя часть, связь, была добавлена ​​в основном для отладки. Это позволяет детально изучить связь между GUI и тестером. Только поля ввода Dropbox, который позволяет пользователю выбрать нужный номер COM порта, кнопки отключения COM-порта, а также флажок, который при проверке вводит 2 секундные задержки. Если теряется связь с тестером, вполне возможно, что тестер по прежнему ждет сигнал, который не придет. Чтобы сбросить тестер в таком случае кнопка "ESC" может быть использована. Прием символа ESC будет всегда вызвать сброс в тестере.

Программное обеспечение

Аппаратная часть не работает без прошивки микроконтроллера, и управлять тестером нужно при помощи графического интерфейса пользователя. Обе программы можно скачать здесь. Архив содержит следующие файлы:
Файл UTRACE21.HEX – прошивка МК
Файл version1p2.exe графический интерфейс пользователя. Если выскакивает окно с сообщением что файл MSCOMM32.OCX отсутствует, вы должны установить этот файл.
Файл MSCOMM32.OCX  этот компонент Microsoft заботится о доступе к последовательному порту COM.
Файл "version1pt.exe" является тестовой версией графического интерфейса, который берёт заранее прописанные значения для проверки работоспособности программы без тестера.

Послесловие

Цена этого тестера значительно меньше 50 евро, и хотя очевидно, что, есть  намного лучшие и более точные измерительные приборы, это идеальный инструмент, чтобы быстро получить представление о характеристиках конкретной лампы. Если у вас есть как и у меня, коробки со старыми лампами, и вам интересно узнать что "они все еще играют", то этот тестер это просто идеальный инструмент. В настоящее время он, естественно, не совершенен. Я многому научился за время построения этого проекта, особенно тому, как некоторые вещи можно было сделать лучше.

Оригинал статьи

Теги:

• Перевод