Osciloskop Precision Paco S-51

Danas je nabavljen cijevni osciloskop naziva S-51 Push-Pull Oscilloscope, američkog proizvođača Precision Apparatus – Paco iz 1960-tih godina.

Osciloskop Precision Paco S-51 došao je u vrlo zapuštenom stanju sa izvršenim mnogim konstrukcijskim, estetskim i elektroničkim modifikacijama.

Gotovo svi poklopci potenciometara i sklopki (šeširići) su neoriginalni, kao i gotovo sve priključnice.

Originalno metalno kućište nakon modifikacija je bilo premaleno te je zamijenjeno ručno izrađenim većim drvenim kućištem.

Tvrtka Precision Apparatus osnovana 1932. godine. Prvi poslovni projekt tvrtke bila je modernizacija zastarjelih ispitivača (testera) elektronskih cijevi, nakon čega se proizvodnja proširila i na druge elektroničke mjerene i ispitne instrumente. Tvrtka Paco Electronics pak je osnovana 1957. godine kao podružnica tvrtke Precision, a težište poslovanja je bilo usmjereno na proizvodnu elektroničkih uređaja u KIT-u (za sastavljanje) koji su uključivali različite mjerne instrumente i audio HI-FI komponente.  Naš osciloskop Paco S-51 također je proizveden kao KIT komplet. Postojala je još jedna podružnica tvrtke Precision pod nazivom Pace Electrical Meters, a oko 1960. godine pojavljuje se i ime Pacotronics kao matična kompanija za sve tri tvrtke. Precision Apparatus je 1967. prodan tvrtki Dynascan koja je nastavila koristiti brand Precision za svoje mjerne instrumente.

Unutrašnja konstrukcija značajno je izmjenjena zbog potrebe pomicanja cijele osciloskopske cijevi nekoliko centimetara unatrag, kako bi se ispred ekrana mogla postaviti mjerna skala.

Osciloskop Paco S-51 nabavljen je u vrlo lošem, zapuštenom i neispravnom stanju. Vidljivo je da je također pretrpio mnoge modifikacije bivših vlasnika. S obzirom da ne posjedujemo nikakvu dokumentaciju teško je odrediti koje komponente osciloskopa su originalne, a koje su ugrađene naknadnim modifikacijama, nadogradnjama i preradama. Iz natpisa na prednjoj ploči može se tek zaključiti da se vremenska baza može podesiti do frekvencije 150 kHz i da su vertikalno i horizontalno pojačalo osciloskopa za otklon zrake izvedeni sa protufaznim push-pull izlaznim stupnjem.

Ono što se vizualno odmah može primijetiti to je ručno izrađeno drveno kućište osciloskopa (od iver-ploča) te modifikacije metalne šasije osciloskopa na način da su određeni dijelovi uklonjeni ili savijeni, dok su neki drugi dijelovi nadodani, bilo da su izrađeni ručno ili preuzeti sa nekog drugog osciloskopa. Razlog ovome najvjerojatnije leži u pokušaju da se na ispred ekrana osciloskopske cijevi postavi mjerna skala. Ovaj jednostavni osciloskop u originalu nije bio predviđen za precizna mjerenja već samo za prikaz valnih oblika. Stoga mu je ekran bio čist i izvučen na prednju ploču. Da bi postavio mjernu skalu, prijašnji vlasnik se odlučio iskoristiti skalu sa maskom iz nekog drugog osciloskopa, no za ugradnju iste je bilo potrebno čitavu osciloskopsku cijev pomaknuti nekoliko centimetara unatrag, dakle iza prednje ploče. Ovo pak je zahtijevalo modifikaciju originalnih nosača i šasije, što je rezultiralo stanjem vidljivim na slikama.

Nadalje, vizualno se može zamijetiti da poklopci potenciometara i sklopki na prednjoj ploči uglavnom nisu originalni. Vidimo da šeširići prelaze skale (markere) na prednjoj ploči što znači da su veći od originala, a na kontrole koje u originalu nemaju nikakve skale stavljeni su šeširići sa skalama. Ovime se sasvim sigurno opet htjelo postići to da osciloskop ima i neku mjernu funkciju, a ne tek vizualni prikaz. Također, originalne jednopolne stezaljke za vertikalni i horizontalni ulaz zamijenjene su BNC i banana konektorima, a uz to su na prednju ploču dodane su još četiri dodatne jednopolne banana utičnice koje uglavnom nisu spojene i vjerojatno ih je autor predvidio za neke daljnje modifikacije.

Crni transformator u sredini je originalna komponenta, dok su prigušnica za filtriranje anodnih napona i zasebni transformator za grijanje elektronskih cijevi dodani u procesu modifikacije.

Što se tiče unutrašnjosti, vizualno odmah upadaju u oči dva transformatora i filtarska prigušnica. Sasvim sigurno se u originalu koristio samo jedan transformator. Drugi transformator je moguće dodan iz dva razloga: došlo je do pregaranja namota za grijanje cijevi na originalnom transformatoru ili pak se htjelo izvesti kakvo bolje stabilizirano napajanje za grijanje cijevi kako bi se smanjio šum (brujanje) koje isto unosi u elektronske cijevi, odnosno kako bi se time u konačnici dobilo na preciznosti prikaza slike na osciloskopu. Iz istog razloga dodana je i filtarska prigušnica za bolje filtriranje anodnog napona za elektronske cijevi.

Osciloskopska cijev i gumeni obruč jedine su originalne komponente.

Mjerna skala i maska ekrana osciloskopske cijevi posuđene su iz nekog drugog osciloskopa, a razni pomoćni nosači i elementi šasije izrađeni su ručno kako bi se osciloskopska cijev mogla fiksirati na novu poziciju.

Prvo su skinute i očišćene elektronske cijevi kao i sama osciloskopska katodna cijev. Ovdje je naročito važno vršiti pažljivo vađenje i čišćenje ovih komponenti, s jedne strane naravno zato jer su lomljive, a s druge strane zato jer se vrlo lako mogu obrisati ključne oznake na njima čime će i njihova identifikacija kasnije biti vrlo teška, posebno jer nemamo električnu shemu osciloskopa. Oznake na starim elektronskim cijevima najčešće će se obrisati već samim dodirom natpisne boje jer ona uslijed djelovanja temperature  (tijekom normalnog grijanja elektronskih cijevi u radu) s vremenom gubi prianjajuća svojstva i pretvara se u prah. Najbolje je oznake sa cijevi prepisati dok su one još utaknute u podnožje, a ukoliko su previše zaklonjene tada cijevi treba vaditi tako da se nikako ne pridržavaju na mjestima gdje su natpisi.

Na našem osciloskopu identificirali smo šest elektronskih cijevi:

• 6BA8A (6BA8) – kombinacija triode i pentode
• 12BH7A (12BH7) – dvostruka trioda
• 12AX7 – dvostruka trioda
• ECC 82 (12AU7) – dvostruka trioda
• ECC 82 (12AU7) – dvostruka trioda
• 1V2 – visokonaponska ispravljačka dioda

Originalne elektronske cijevi 12AU7 zamijenjene su lakše nabavljivim ECC 82.

Vidimo da postoji podnožje za još jednu elektronsku cijev, a ovdje je sasvim sigurno bila predviđena neka punovalna ispravljačica (npr. 6X4) za anodne napone koja je modifikacijom zamijenjena sa dvije silicijske diode. Zamjena ispravljačkih elektronskih cijevi poluvodičkim diodama je gotovo uvijek moguća, no tu treba biti oprezan glede jedne činjenice: elektronske cijevi stvaraju puno veći pad napona od poluvodičkih dioda, pa će u konačnici napon ispravljen diodama biti nešto veći od napona ispravljenog elektronkama. Ovo povećanje napona napajanja (anodnog napona) može negativno utjecati na elektronske cijevi koje se njime napajaju pa se stoga obično serijski u liniju ispravljenog napona sa silicijskim diodama dodaje otpornik koji stvara pad napona karakterističan za ispravljačke elektronske cijevi.

Ispravljačka elektronska cijev 6X4 zamijenjena je poluvodičkim diodama.

Također, linije napajanja u cijevnim uređajima vrlo rijetko imaju naponsko-regulacijske elemente, što znači da i povećanje mrežnog napona sa 220 V ili manje (koliko je bio nekad standardni napon) na 240 V i više (koliko standardno danas iznose mrežni naponi) može posljedično dovesti do povećanja svih napona na elektronskim cijevima, što smanjuje njihov vijek, a ovisno o osjetljivosti cijevi može dovesti i do uništenja istih. Prilikom testiranja mrežnog transformatora našeg osciloskopa izvršili smo mjerenja na realnom mrežnom naponu koji je iznosio 241 V, a zatim preko variaka na naponu od 220 V. Na shemi se vide izmjereni sekundarni naponi kod primarnog napona od 241 V (zeleno) i 220 V (crveno). Vidi se da na 241 V svi naponi grijanja elektronki i osciloskopske cijevi prelaze dozvoljenih 6,3 V ±10%. Također, razlika pozitivnog anodnog napona iznosi 2 x 37 V, a razlika visokog napona za elektronsku cijev čak 100 V. Praktično gledano čak je i napon od 220 V možda malo previsok jer napon grijanja katoda elektronki ne bi trebao prelaziti 6,3 V. Bolji uređaji imaju na primarnom namotu mrežnog transformatora izvode tako da se napajanje može prilagoditi stvarnoj visini mrežnog napona, obično u rasponu 200 – 250 V. Oni uređaji koji nemaju takvu regulaciju trebali bi se na mrežni napon spajati preko stabilizatora 220 V ili preko kakvog odgovarajućeg variaka.

Na grlu osciloskopske katodne cijevi vidljive su oznake  Toshiba 5JP1(F), no sasvim sigurno se radi o oznaci 5UP1(F), dakle dio slova U je obrisan. Naime, katodna cijev 5JP1 ima 11-pinsko podnožje i dodatna četiri kontakta za otklonske ploče izvedene na središnjem dijelu cijevi. Naša pak katodna cijev 5UP1(F) ima 12-pinsko podnožje (12E) na kojem su izvedeni izvodi svih elektroda, a oznaka F ukazuje na ravnu (flat) inačicu ekrana. Ova osciloskopska cijev razvijena je još u 1940-tim godinama.

Nakon što su uklonjene sve elektronske cijevi započeli smo sa restauracijom prednje ploče i pripadajućih komponenti. Treba napomenuti kako je nakupljena prljavština na svim vanjskim i unutarnjim elementima toliko okorjela da ju je nemoguće očistiti bilo kakvim sredstvom ili otapalom bez dodatnog mehaničkog djelovanja. Ovo je posebno problem za prednju ploču s natpisima gdje je potrebno mehanički ukloniti tvrdokornu prljavštinu ali bez da se pri tome uklone i natpisi. To je svakako mukotrpan i dugotrajan posao gdje je krajnji rezultat izravno proporcionalan uloženom trudu i vremenu. Slično vrijedi i za čišćenje elemenata montiranih na prednjoj ploči, s tom razlikom što ovdje treba biti oprezan da se mehaničkim utjecajem ne oštete nježni kontakti sklopki te klizači i grafitni slojevi potenciometara.

Detalj na (prilično neurednu) izvedbu ulaznog vertikalnog atenuatora.

Potenciometre bi bilo najlakše zamijeniti novima, no to baš i nije tako jednostavno kako se čini. Originalni potenciometri su relativno robusni sa debelim grafitnim slojevima i kliznim kontaktima te zasigurno podnose veće struje od standardnih jeftinih audio potenciometara koji su danas široko dostupni u prodaji. Mi ovdje nemamo elemenata za izračun kolike maksimalne struje treba podnijeti koji potenciometar, a nabavka potenciometara za jače struje uvelike povećava cijenu i uopće smanjuje mogućnost nabavke istih. Stoga smo se odlučili za detaljno čišćenje istih, jednako kao i za čišćenje sklopki. Većinu potenciometara moguće je bez problema jednom rastaviti jer će limići kućišta sasvim sigurno izdržati jedan ciklus savijanja. Kod nekih potenciometra kućište je spojeno zakovicama i tu će rastavljanje biti puno složenije. U našem slučaju zatekli smo dva potenciometra sa zakovicama. U unutrašnjost potenciometra, čak i ako izgledaju poput naših, uglavnom neće ući puno prljavštine, no veći problem predstavlja mast kojom je tvornički podmazana osovina. Ova se mast, tijekom vremena, u nekim slučajevima skruti i blokira okretanje osovine, a u nekim slučajevima procuri kroz osovinu na grafitni klizni sloj i kontakte klizača te uzrokuje promjenu otpora ili loš kontakt kliznog spoja. Svi potenciometri koje smo otvorili uglavnom su imali tu mast na kliznim kontaktima, iako još uvijek ne u količinama koje bi znatno utjecale na rad potenciometara. No sasvim sigurno je da potenciometri koje smo zatekli na prednjoj ploči nisu originalni, odnosno prijašnji vlasnik ih je već zasigurno mijenjao jer su različitih tipova i imaju različite promjere osovine, a osim toga nakon 60 godina i nakon ovakvog neodržavanja morali bi izgledati puno lošije.

Svi potenciometri i sklopke rastavljeni su i očišćeni. Uglavnom je riječ o neoriginalnim, već mijenjanim komponentama.

Svi potenciometri sa limićima su uspješno rastavljeni i očišćeni, a ona dva spojena zakovicama očistili smo samo izvana jer bi rastavljanje dovelo do više štete nego koristi. Kod sklopki je najveći problem predstavljala višepolna sklopka za kontrolu frekvencije pilastog napona (SWEEP SELECTOR) koju je trebalo rastaviti kako bi se mogli očistiti klizni kontaktni prsteni. Rastavljanje nije prošlo baš najbolje jer je trebalo ukloniti krhku izolacijsku pločicu (materijal sličan pertinaksu) sa čvrstog okova metalnog kućišta. Naravno da je i uz najveću pažnju došlo do puknuća izolacijske pločice, no to je kasnije sanirano kombinacijom žičane armature i epoksi-ljepila. Ostali elementi na pločici očišćeni su bez većih poteškoća.

Za novi izgled prednje ploče odabrane su kapice koje se bolje slažu sa oznakama na samoj ploči.

Kod cijevnih uređaja veliki broj elemenata trajno radi pod visokim naponima ili većim strujama od onih na koje smo navikli u poluvodičkoj elektronici. Stoga gotovo svi kondenzatori trebaju biti za napone od nekoliko stotina volti, a otpornici trebaju biti snage nekoliko vati (posebice oni kojima se stvara pad napona za dobivanje potrebnih anodnih napona elektronskih cijevi). Ovakvi elektronički elementi su naravno teže nabavljivi i višestruko skuplji od standardnih pasivnih elektroničkih komponenti. Pa ipak, ovdje nema puno prostora za uštedu. Zbog tehnologije izrade i starosti sve kondenzatore je najbolje zamijeniti, a isto vrijedi i za većinu otpornika. Izolacija na poveznim žicama i vodovima također propada po utjecajem vremena i nerijetko će se mrviti sa žica prilikom svakog savijanja ili jačeg dodira. Kod restauracije svakog cijevnog elektroničkog uređaja starog preko 50 godina potrebno je zamijeniti sve kondenzatore, otpornike i žice kako bi daljnja eksploatacija uređaja bila sigurna. Ovdje neka nas nikad ne zavara vanjski izgled komponente. Čak i ako komponenta vizualno izgleda neoštećena, te mjerenjem dobijemo zadovoljavajuće vrijednosti, to još uvijek ne znači da će ona biti pouzdana pod dugotrajnim radnim opterećenjem sa maksimalnim strujama i naponima. Nakon više desetljeća jednostavno mora doći do degradacije materijala od kojih su izrađene elektroničke komponente, a to je onda naročito izraženo kod komponenti koje su podvrgnute visokim naponima i strujama, odnosno onima koje se normalno griju u radu.

Slijedeća komponenta za pregled je mrežni transformator. U našem slučaju jedan namot glavnog transformatora je odspojen (namot za grijanje elektronskih cijevi 6,3 V) i njegovu ulogu vrši dodatni transformator ugrađen na šasiju. No, provjerom glavnog transformatora je utvrđeno da su svi namoti ispravni. Moguće je više razloga zašto se prijašnji vlasnik odlučio ugraditi zasebno napajanje grijanja elektronki.

Kao što se vidi sa sheme transformatora, sekundarni namot za grijanje elektronskih cijevi (6,3 V) ima srednji izvod spojen na masu. Ovo je jedan od načina za smanjenje šuma (bruma) koji u elektronsku cijev unosi sam izmjenični napon za grijanje katode cijevi i često se koristi kod cijevnih uređaja (tzv. simetriranje), naravno uz obavezno međusobno uplitanje vodova kojima se dovodi napon grijanja na cijevi. Na masu se također spaja i srednji izvod sekundarne sekcije za dobivanje anodnog napona (punovalno ispravljanje sa dvije diode i transformatorom sa srednjim izvodom). Ta dva srednja izvoda, odnosno te dvije mase su zajedno spojene unutar samog transformatora, tako da iz njega vodi samo jedna zajednička žica koja se spaja na masu. Na ovaj način namot za grijanje elektronki nije galvanski odvojen od namota za anodne napone i visokonaponskog namota za osciloskopsku cijev.

Ovo može biti problem ukoliko želimo izvesti neku drugu (bolju) stabilizaciju napona grijanja u cilju smanjenja bruma, ili ukoliko želimo uzemljiti grijače katoda pa je vjerojatno ovo razlog zašto se autor odlučio na zasebnu (odvojenu) izvedbu linije za grijanje elektronskih cijevi. Također, izmjenični napon sa namota grijanja cijevi linijske frekvencije 50 Hz kod ovakvih osciloskopa često se opcionalno koristi i kao horizontalni napon (vremenska baza) ili vertikalni kalibracijski izmjenični napon (1 Vpp), pa je moguće da je zasebni izvor ugrađen kako bi se preciznije mogli kontrolirati ovi naponi.

Najveći broj komponenti zalemljen je na tiskanu pločicu osciloskopa, no kao i kod većine cijevnih elektroničkih uređaja pojedine komponente lemljene su “u zraku” odnosno premošćuju tiskanu pločicu, lemne ušice i komponente montirane na prednjoj ploči i šasiji osciloskopa. Sve ovo unosi priličnu zbrku i potrebno je puno truda da bi se sa takvog uređaja “skinula” kompletna elektronička shema. Mi smo se ovdje ipak morali potruditi nacrtati elektroničku shemu jer bez nje bi daljnji popravak ovakvog osciloskopa bio nemoguć.

U vertikalnom otkkonskom pojačalu nalaze se elektronke 6BA8 (pretpojačalo) i 12BH7 (izlazno push-pull pojačalo). U horizontalnom otklonskom pojačalu rade dvije elektronke 12AU7 gdje je posljednja također u push-pull spoju. Preostala elektronka 12AX7 radi u spoju bistabila za generiranje pilastog napona. Vidimo da se sa katoda elektronki 12BH7 u izlaznom krugu vertikalnog pojačala uzima signal za sinkronizaciju vremenske baze sa ulaznim signalom (trigger). Osciloskop nema krug za gašenje povratnog mlaza CRT cijevi, za isto bi bilo potrebno ugraditi još jednu triodu. Elektronka 6X4 je punovalna ispravljačica za dobivanje anodnih napona, a elektronka 1V2 je poluvalna ispravljačica za dobivanje visokog negativnog napona na katodi CRT osciloskopske cijevi. 

U vertikalnom atenuatoru sa kompenzacijom kapaciteta na opsegu x100 predviđen je promjenijivi kondenzator 100-300 pF. Ovo je relativno veliki i skup kondenzator pa smo atenuator prilagodili tako da se u oba opsega koriste široko rasprostranjeni trimer kondenzatori od 5-20 pF.

Ulazni vertikalni atenuator čini otporničko-kapacitivni kompenzacijski djelitelj napona. Desno je originalna inačica koja zahtijeva promjenjivi kondenzator velikog kapaciteta, a lijevo je modificirana inačica sa standardnim trimer kondenzatorima malog kapaciteta.

Sada kada imamo elektroničku shemu možemo započeti sa uklanjanjem svih neispravnih komponenti, žica i kontakata. S obzirom da je naš osciloskop trpio mnoge modifikacije, potrebno je provjeriti i sve tiskane veze jer su prekomjernim lemljenjima po njima vrlo lako mogli nastati prekidi. Jedan takav prekid tiskane veze uočava se na trećem pinu (anoda triode) elektronke 6BA8. Isti gotovo i nije bio vidljiv sve dok nije uklonjena povezna žica sa navedenog pina.

Gore se vidi sklopka za odabir vertikalnog ulaza: preko pojačala ili izravno preko priključnica na zadnjoj strani šasije osciloskopa. Dolje je 12-pinsko podnožje za osciloskopsku cijev.

Nakon što smo čitav osciloskop rastavili do kraja postalo je jasno da ni dva postojeća metalna dijela šasije ne pripadaju istom uređaju jer jednostavno ne pašu jedan uz drugi. Kad se sve zbroji, od čitave šasije ne može se adekvatno iskoristiti niti jedan dio tako da smo istu odlučili napraviti kompletnu novu. Zamisao je bila da se napravi jedan “pokazni” tip osciloskopa koji će imati samo neophodne elemente šasije bez kućišta, tako da se lijepo mogu vidjeti unutarnje komponente. Išlo se na najlakšu i najjeftiniju opciju sa naglaskom da se koriste isključivo materijali koji su dostupni u kućnoj radionici. Tako su za šasiju iskorištene dvije jednostavne pravokutne daske (220×400 i 220×300 mm) koje su samo prebrušene i prebojane bojom za drvo.

Za fiksiranje osciloskopske cijevi poslužili smo se jednim nosačem vodovodnih cijevi promjera 40-43 mm sa L profilom kojim smo fiksirali grlo cijevi dok smo za prednju masku ekrana pronašli jednu plastičnu posudu za cvijeće koja je svojim promjerom od 145 mm odlično sjela na otvor u prednjoj ploči. Osciloskopske cijevi (kao uostalom i svi drugi CRT ekrani) osjetljive su na djelovanje magnetskih polja tako da se kod boljih osciloskopa iste redovno zatvaraju u uzemljene metalne oklope. Jednostavniji osciloskopi, pogotovo ako nisu predviđeni za precizna mjerenja, imaju samo djelomično oklopljenu cijev ili je ista potpuno bez oklopa. U našem slučaju osciloskopska cijev je postavljena relativno visoko iznad komponenti pa oklop vjerojatno i nije potreban, no ukoliko se prilikom testiranja ukaže potreba za istim onda će biti dovoljno samo postaviti kakvu limenu ploču između CRT cijevi i komponenti. Prednja ploča je za drveni okvir pričvršćena metalnim L profilima i šipkama. Gumene nožice su preuzete sa starog kućišta.

Napajanje osciloskopa koje čini transformator, ispravljačke diode, otpornici za pad napona i filtarski kondenzatori odlučili smo ugraditi u standardno metalno kućište SMPS napajanja od računala. Time smo minimalizirali utjecaj ovih sklopovlja na CRT cijev (EM zračenje), a s obzirom da naš osciloskop neće imati kućišta ujedno ćemo i ograditi ove opasne VN komponente od slučajnog dodira i mogućeg strujnog udara uslijed pražnjenja kondenzatora ili dodira komponenti pod naponom.

S obzirom da nedostaje ispravljačka cijev 6X4 odlučili smo oba ispravljača (punovalni za anodne napone elektronki i poluvalni za visoki negativni napon katode CRT cijevi) izvesti sa poluvodičkim silicijskim diodama. Kod zamjene ispravljačkih elektronskih cijevi sa poluvodičkim diodama javljaju se tri osnovna problema:

• Napon ispravljen poluvodičkim diodama obično je za nekoliko desetaka volti viši od napona ispravljenog elektronkama jer poluvodičke diode stvaraju manji pad napona. Ispravljačica 6X4 opterećena strujom od 70 mA po anodi stvara pad napona od 22 V, dok silicijske diode stvaraju pad napona od 0,7 V po diodi. Stoga je serijski sa diodama potrebno dodati odgovarajući otpornik koji će stvoriti takav pad napona da ispravljeni anodni napon ne prelazi nominalne vrijednosti koje bi mogle uništiti elektronske cijevi.
• Ispravljačke diode nakon uključenja napajanja gotovo trenutno proizvode puni anodni napon, dok je elektronkama za puni napon potrebno neko vrijeme, koliko traje grijanje katode. Tako će u slučaju poluvodičkih dioda elektronske cijevi odmah dobiti anodni napon, odnosno dobiti će ga puno prije nego im se katode dovoljno zagriju Ovo može loše utjecati na vijek trajanja elektronskih cijevi.
• Poluvodičke diode mogu kod otkaza probiti (doći u kratki spoj) dok elektronke prilikom otkaza redovito ostaju bez kontakta između anode i katode. Stoga proboj poluvodičkih dioda može posljedično dovesti i do uništenja namota transformatora uslijed struje kratkog spoja.

Za rješavanje prvog problema bilo bi najbolje ugraditi neke stabilizatorske komponente kao što su zener diode koje su danas dostupne za gotovo sve napone do 400 V i više, a svakako ne bi bilo loše ugraditi i neku bolju filtraciju napona. No, sve ovo prilično poskupljuje čitav projekt, a naponi za naš osciloskop nisu toliko kritični da bi morali biti posebno dobro stabilizirani. Stoga ćemo eksperimentalno odrediti vrijednosti otpornika za padove napona tako da približno postignemo ciljane vrijednosti. Bolji ispravljači i stabilizacije više su nužni primjerice za cijevne audio uređaje gdje se svaka nestabilnost manifestira kao šum (brum) u audio signalu (vidi objavu Cijevno stereo PP pojačalo 2 x EL84).

Što se tiče drugog problema moguće je napraviti elektronički sklop za kašnjenje anodnog napona, a moguće je i dodati sklopku za ručno uključivanje prvo grijanja pa onda nakon nekog vremena i anodnog napona. Mi se ovdje za sada nećemo zamarati ovim mogućnostima jer još nismo sigurni da li CRT cijev i ostale elektronke uopće rade. Ako sve bude u redu, ovo možemo napraviti kao neku kasniju nadogradnju.

Glede trećeg problema, odnosno kratkog spoja u slučaju proboja dioda, bilo bi dobro staviti osigurače na sekundarne namote transformatora. Mi smo se od proboja donekle osigurali time što smo odabrali diode koje izdrže višestruko veće struje i napone. Ukoliko ipak dođe do proboja, tada će se naglo povećati i struja kroz primar transformatora (sa nekoliko stotina mA na nekoliko ampera) pa će pregorjeti osigurač na primarnoj strani i tako zaštiti transformator od pregrijavanja. Da se radi o nekom skupljem projektu svakako bi dodali i osigurače na sekundarnu stranu.

Modificirano napajanje osciloskopa gdje su elektroske cijevi (ispravljačice) zamijenjene poluvodičkim diodama. Svi elementi prikazani na shemi ugrađeni su u metalno kućište od standardnog SMPS napajanja za računala. Ovdje je prikazana konačna inačica napajanja kada smo izmjerili da prosječna potrošnja osciloskopa u radu iznosi 55 mA (maksimalno 65 mA), te smo potrebni pad napona na 400 V osigurali smo preko serijske kombinacije dva otpornika 1 kΩ / 12W, dakle ukupno 500 Ω / 24W.

Ispravljačica 6X4 na naponu 400 V i sa jednim filtarskim kondenzatorom (kao što je slučaj kod nas) može dati maksimalnu vrijednost struje cca 30 mA po anodi, dakle ukupno oko 60 mA. Sa boljim LC П-filtrom struja po anodi može biti nekih 10 mA veća. Mi smo uzeli da je 70 mA maksimalna struja koju može isporučiti ispravljačica 6X4 pa ćemo uzeti da je to ujedno i maksimalna struja koju troši elektronika osciloskopa iz tog izvora. Na električnoj shemi se vidi kako i uz napajanje od 220 V i dalje dobivamo previsoke napone na sekundaru transformatora. Za elektronke nije nikako poželjno da napon grijanja prelazi 6,3 V (bolje da je malo niži nego da je viši) tako da smo variakom dodatno smanjili napon na primaru transformatora na 203 V, gdje smo na sekundarnom namotu za grijanje CRT cijevi dobili točan napon od 6,3 V. Napon na namotu za grijanje elektronki pri tome je pao na 6 V, a napon sekundara za 6X4 na 2 x 373 V što svakako bolje odgovara našem sklopovlju. Visoki napon za CRT cijev nije kritičan jer ni u najgorem slučaju potencijal između anode i katode neće prelaziti 1500 V, a osciloskopska cijev 5UP1(F) može podnijeti i do 2500 V.

Umjesto ispravljačice 6X4 upotrijebili smo dvije diode oznake RH4F, a radi se o damper diodama izvađenim iz nekog CRT televizora (horizontalni otklon), koje izdrže napone do 1500V i struje do 2,5A. Ovo se možda čini pretjerano za ispravljanje napona reda 400V i struje od nekoliko desetaka mA, no praksa je pokazala da ovdje ne treba štedjeti. Kod ovakvog transformatorskog napajanja, odnosno gdje god su prisutni induktiviteti, snažni kapaciteti i visoki naponi  lako dolazi do pojave naponskih pikova koji u trenu unište diodu. Odabir dvostrukih vrijednosti napona i struja za diode je neki minimum za siguran rad, odnosno diode u našem slučaju ne bi trebale biti za napone niže od 1000V i struje slabije od 1A. Isto vrijedi i za VN diodu za CRT cijev. Iako naponi ne prelaze 1500V, poželjno je odabrati diodu barem za 3000V, a mi smo ugradili VN diodu izvađenu iz neke mikrovalne pećnice, oznake HVR-1X 3, koja je predviđena za napone 12 kV i struje 0,5 A.

Transformator sa pločicom ispravljača prilagođenom za ugradnju u kućište standardnog SMPS napajanja za računala.

Filtarski elektrolitski kondenzatori za napon 400 V trebali bi biti dizajnirani barem za napone do 450 V. U prekidačkim napajanjima (SMPS) najčešće se nalaze elektroliti za napone od 200 ili 400 V te ove od 400 V možemo eventualno iskoristiti za filtriranje napona nižih od 350 V. Što se pak tiče filtriranja visokog napona za CRT, ovdje se mogu iskoristiti elektrolitski kondenzatori iz mikrovalnih pećnica koji su obično predviđeni za napone oko 2 kV, a kapacitet im je u rasponu 0,7 – 1 µF. Ovi kondenzatori su dimenzijama relativno veliki, no mi smo pronašli i sasvim zadovoljavajuće blok kondenzatore 100 nF / 2000 V.

Kad radimo poluvalne ili punovalne diodne ispravljače sa filtarskim kondenzatorom, na istima ne možemo mjeriti efektivne izlazne napone ukoliko takav ispravljač nije opterećen nominalnim otporom. Naime, ukoliko voltmetrom mjerimo napon na neopterećenom ispravljaču tada ćemo zapravo izmjeriti vršni napon na koji se nabio kondenzator i koji se na njemu trajno zadržava jer se nema preko čega prazniti. U našem slučaju ćemo sa efektivnim izmjeničnim naponom od  373 V na ulazu u ispravljač (RMS), na njegovom izlazu izmjeriti ispravljeni istosmjerni napon od 526 V (373 V x 1,41). Ovdje naravno nije dobro da se kondenzator nabija na napon viši od onoga za koji je dizajniran (500 V) i naravno, bilo bi dobro ugraditi kondenzatore većeg napona, ali to onda drastično povećava cijenu istih. Stoga treba paziti da ovaj ispravljač ne uključujemo bez opterećenja.

Čim se spoji omsko opterećenje kondenzator se počne u ciklusima perioda preko njega prazniti te napon dobiva karakteristični oblik sličan pilastom naponu (ripple). Ovime nastaje i pad efektivnog napona, a veličina pada napona ovisi o kapacitetu kondenzatora i otporu opterećenja. Mi u grani 400 V imamo elektrolitski filtarski kondenzator 56 µF / 500 V, no veličina opterećenja koju stvara elektronika osciloskopa nam (za sada) nije poznata tako da ne možemo ni odrediti točnu veličinu otpora za stvaranje pada napona. Čak i da znamo veličinu otpora opterećenja, otpornik za pad napona bilo bi teško točno izračunati jer na izlazu iz ovakvog jednostavnog ispravljača nećemo imati čisti istosmjerni napon, nego će on sadržavati i neki ripple čime će mu efektivna vrijednost biti nešto manja. Za početak smo eksperimentalno stavili otpornik od 330 Ω, a vrijednost ćemo korigirati kad elektronika osciloskopa bude sklopljena i kad ispravljač opteretimo stvarnim opterećenjima. Inicijalna mjerenja proveli smo sa žičanim potenciometrom veće snage i utvrdili da je ciljani napon od 400 V prisutan kod opterećenja od 6,5 kΩ (61 mA). Vidimo da je za ove vrijednosti potreban radni otpornik snage 25 W no za kratkotrajno mjerenje poslužiti će i otpornici snage 5-10 W.

Prilikom izvođenja eksperimenata na ovakvim visokonaponskim ispravljačima treba biti maksimalno oprezan i poduzeti sve mjere predostrožnosti i zaštite kako ne bi došlo do strujnog udara. Čak kad se i ispravljač isključi iz primarnog napajanja, u kondenzatorima i dalje može ostati uskladištena velika količina elektriciteta (ukoliko se ne isprazni preko radnog opterećenja) koja može izazvati ozbiljne strujne udare. Stoga je nakon isključenja napajanja potrebno voltmetrom provjeriti i po potrebi isprazniti kondenzatore kako bi daljnji rad na tiskanoj pločici bio siguran. Kondenzatore nije dobro prazniti kratkim spojem (obično se izvijačem ili kliještama sa izoliranom drškom kratko spoje kontakti) jer dolazi do pojave električnog luka koji ostavlja termička oštećenja na mjestu nastanka, a i sami kondenzatori ne podnose dobro takva nagla pražnjenja. Najbolje je pražnjenje izvršiti preko otpornika veće snage ili što se često koristi u praksi kratkotrajnim spajanjem neke sijalice odgovarajućeg napona na kontakte kondenzatora. Sijalica će kratkotrajno zasvijetliti i to je znak da su se kondenzatori preko nje ispraznili. Naši kondenzatori su napona 500 V pa ćemo pražnjenje izvesti preko dvije serijski spojene žarulje za 220 V.

Izgled nove šasije osciloskopa.

Iako naš osciloskop ima tiskanu pločicu, oko desetak komponenti (otpornika i kondenzatora) potrebno je zalemiti izvan nje, odnosno izravno na komponente montirane na prednjoj ploči (potenciometri, konektori, sklopke). Također, zbog  velikog broja komponenti na prednjoj ploči potrebno je i puno poveznih vodova kojima se iste spajaju sa tiskanom pločicom. Potrebno je puno pažnje i koncentracije da se sve komponente ispravno povežu, a zbog puno poveznih vodova konačni rezultat je neuredna i zapletena montažna slika unutrašnjosti osciloskopa. Mi smo se potrudili nekako “ukrotiti” sve te vodove da ne strše na sve strane i da su grupirani u neke funkcionalne cjeline.

Na kućište ispravljača smješten je i potenciometar za korekciju astigmatizama (izobličenja) točke koju stvara elektronski mlaz CRT cijevi.

Preostaje ugraditi elektronske cijevi i osciloskop je spreman za testiranje 🙂

Pored transformatora vidi se serijski spoj otpornika (2 x 1 kΩ / 12W) za stvaranje pada napona kako je objašnjeno u tekstu.

Gornja slika prikazuje koje su sve elektroničke komponente zamijenjene tijekom restauracije našeg osciloskopa. Vidi se da se radi o barem 60% komponenti. Elektrolitski kondenzatori, kao i većina drugih visokonaponskih kondenzatora potpuno su dotrajali, nefunkcionalni i opasni za upotrebu. Zamijenjeni su svi otpornici kojima se vrijednost otpora promijenila za više od 10% (većini otpornika vrijednost se promijenila za 30-60%). Filtarsku prigušnicu i zasebni transformator za grijanje elektronskih cijevi nismo ugrađivali jer nisu predviđeni originalnom shemom. Kao što smo ranije opisali, zamijenili smo i poklopce potenciometara i neke konektore jer također nisu originalni i ne uklapaju se na prednju ploču osciloskopa. Kad se svemu ovome pribroji i zamijenjena kompletna neoriginalna šasija, ispada da je od cijelog prvobitnog osciloskopa ostala upotrebljiva jedino tiskana pločica te elektronske cijevi uključujući i CRT cijev.

Prvo testiranje je pokazalo da je CRT cijev potpuno ispravna i da se kontrolama može lako dobiti odličan fokus, svjetlina i korekcija astigmatizma. Također i sve ostale kontrole na prednjoj ploči funkcioniraju sukladno očekivanom.

U X-Y modu nismo uspjeli dobiti savršenu kružnicu (iste frekvencije na V i H ulazu), a kako se čini uzrok izobličenjima nije utjecaj vanjskih magnetskih polja (neoklopljenost CRT cijevi) već je problem vjerojatno u H i V pojačalima (dotrajale elektronske cijevi).

U standardnom modu sa vremenskom bazom snimili smo nekoliko oscilograma različitih oblika signala frekvencije 50 Hz (fokus je u stvarnosti puno bolji nego na slikama). Na svakom oscilogramu vidljiv je trag povratne zrake jer naš osciloskop nema generator impulsa za gašenje povratnog mlaza (za ovo bi bilo potrebno ugraditi još jednu triodu).

Ono što se vrlo jasno zamjećuje kod oscilograma to je horizontalna nesimetrija prikaza signala, odnosno signal je na lijevoj strani rašireniji nego na desnoj. Ovome može biti uzrok nelinearnost pilastog napona ili nelinearnost pojačanja horizontalnog pojačala. Stoga smo snimili oscilograme pilastog napona i izlaznog signala H-pojačala.

Iz ovih oscilograma jasno možemo vidjeti da je pilasti napon na izlazu iz generatora pilastog napona prilično nelinearan u frekvencijskom opsegu 20 – 150 Hz, pa tu nelinearnost prati i H-pojačalo. U početku napon raste brzo pa je prikaz signala raširen, no u drugoj polovici napon raste puno sporije pa je i prikaz signala na drugoj polovici ekrana zbijen.

U frekvencijskom opsegu 155 Hz – 10 kHz pilasti napon je linearan kako sa generatora pilastog napona tako i sa H- pojačala.

Na frekvencijama iznad 10 kHz pak generator pilastog napona i dalje radi dobro, no H-pojačalo počinje izobličavati pilasti napon, a osim toga i pojačanje osjetno pada i to sa 166 Vpp na početnim frekvencijama na 64 Vpp na najvišim frekvencijama. Ovako nizak napon ne može pokriti cijeli ekran te je slika sa pune širine od 13 cm zbijena u središnjem dijelu na nekih 6 cm.

Svi oscilogrami su snimljeni pod jednakim pojačanjem (potenciometar H GAIN) kako bi se dobila bolja usporedba. Vidljivo je da generator pilastog napona daje stabilan napon na čitavom frekvencijskom opsegu 17-19 Vpp, pa je očito da postoji odvojen problem i u H-pojačalu (slabo pojačanje i izobličen signal na višim frekvencijama) i u generatoru pilastog napona (izobličen signal na nižim frekvencijama). Uzrok svemu ovome mogu biti dotrajale elektronske cijevi pa ćemo u nekoj narednoj fazi restauracije pokušati pronaći kakve zamjenske elektronke iako su one u H-pojačalu one već bile jednom mijenjane (ECC 82).

Kad smo ovaj osciloskop pronašli na buvljaku, na prvi pogled se činio kao neki markantni američki model iz 1950-tih godina, a s obzirom na simboličnu cijenu nismo ga puno ni pregledavali na licu mjesta. No kad smo isti krenuli detaljno proučavati otkrili smo niz neželjenih činjenica: osciloskop nije profesionalni model nego jeftini amaterski uređaj prodavan u KIT-u tijekom 1960-tih godina, opće stanje očuvanosti i ispravnosti je izuzetno loše, osciloskop je pretrpio niz neprofesionalnih modifikacija kućišta, šasije i elektronike do te mjere da više gotovo i ne sliči originalu. Bilo kakvo testiranje osciloskopa u izvornom obliku bilo je nemoguće jer je svu elektroniku i ožičenje trebalo temeljno obnoviti. Osim koje rijetke fotografije, na internetu nismo uspjeli pronaći nikakvu električnu shemu ni druge tehničke podatke za naš osciloskop.

Sve ovo bio nam je poticaj da restauriramo baš taj osciloskop. Električnu shemu izveli smo iz same tiskane pločice, a napone izračunali na osnovu podataka o elektronskim cijevima. S obzirom da do zadnjeg trenutka nismo bili sigurni da li uopće i sama CRT osciloskopska cijev radi, prilikom restauracije trudili smo se koristiti materijale za šasiju i elektroničke komponente koje već imamo dostupne u radionici kako bi se troškovi sveli na minimum. Da smo morali kupovati komponente, samo kondenzatori i otpornici koje smo zamijenili koštali bi oko 40 Eur. Razlog tome je što kondenzatori moraju biti za relativno visoke napone, a otpornici za veće snage. Iste te komponente za standardne napone i struje (otpornici 1/4 W, kondenzatori cca 50 V) stajale bi pet puta manje. Stoga restauracija cijevnih uređaja nikad nije jeftina i s tim treba računati prije nego se upustimo u takav projekt.

Po ovome što smo do sada vidjeli, zapravo možemo i razumjeti bivšeg vlasnika i potrebu za poboljšanjima i nadogradnjama osnovnog modela. Dobre strane osciloskopa Precision Paco S-51 su velika 5″ osciloskopska cijev i osjetljivo horizontalno i vertikalno pojačalo. Nedostaci su nepostojanje sklopa za gašenje povratnog mlaza i potreba ručne sinkronizacije vremenske baze. Postavljanje oklopljenih (koaksijalnih) kabela na ulaznom vertikalnom dijelu (što sa sobom povlači i zamjenu banana utičnice sa BNC utičnicom) svakako donosi poboljšanje jer osjetljivo V-pojačalo lako reagira na vanjske smetnje koje se induciraju preko ulaznih žica, a posebno preko sklopke SCREEN CAL na prednjoj ploči. Postavljanje mjerne skale ispred ekrana osciloskopa (što sa sobom povlači i skaliranje potenciometara) također nije loša modifikacija ukoliko se želi koliko toliko mjeriti amplituda i frekvencija signala. Naravno, preduvjet za ovo je stabilan i linearan rad H i V pojačala, kao i generatora pilastog napona. Stabilnost rada ovih komponenti može se poboljšati boljom filtracijom i stabilizacijom pogonskih napona (grijanje i anodni naponi), a sve ovo bilo je i izvedeno na ovom osciloskopu. Kao i mi sada, tako je i prijašnji vlasnik prije nekoliko desetljeća vršio modifikacije uz upotrebu rabljenih i njemu dobavljivih komponenti. Naravno da se ne može uspoređivati jedna prosječna elektronična radionica iz 1970-tih godina sa današnjima, pa ne treba uspoređivati ni konačne rezultate. Treba samo primijetiti činjenicu da je u prošlom stoljeću među elektroničarima bilo vrlo raširen trend modificiranja i poboljšanja raznih tvorničkih uređaja kako bi se iz njih dobilo i izvuklo što je moguće više funkcija i kontrola, dok današnji elektronički uređaji uglavnom imaju gomilu funkcija i opcija koje nikad ni ne naučimo koristiti 🙂