Danas je nabavljeno mjerno pojačalo Type 2610, proizvod danske tvrtke Brüel & Kjær iz 1980-tih godina. Riječ je o višefunkcionalnom preciznom (laboratorijskom) elektroničkom voltmetru koji se može koristiti kao samostalan uređaj za mjerenje napona, a također se na njega može izravno spojiti neki od Brüel & Kjær senzora za mjerenje buke (kondenzatorski mikrofon sa pretpojačalom) ili vibracija (npr. piezoelektrični akcelerometar) čime se dobiva precizni mjerač buke, odnosno vibracija. Ovisno o tome na koji način će se koristiti, na instrumentu mjernog pojačala mogu se lako izmijeniti tri vrste skala: za mjerenje napona, za mjerenje buke i za mjerenje vibracija.
Tvrtka Brüel & Kjær osnovana je 1942. godine i od samih početaka pa sve do danas bavi se razvojem i proizvodnjom isključivo uređaja za mjerenje jačine buke i vibracija. S obzirom da je tvrtka osnovana tijekom 2. svjetskog rata za bojanje kućišta uređaja dostupna je bila vojna zelena boja i po toj boji su uređaji tvrtke Brüel & Kjær ostali prepoznatljivi sve do danas. Nagli razvoj tvrtke započeo je krajem 1950-tih godina kada je proširila svoju prodaju širom Evrope i na gotovo sve druge kontinente. Godine 1981. tvrtka Brüel & Kjær slavila je svoj milijunti proizvedeni mjerni uređaj. Tijekom 1992. godine tvrtka Brüel & Kjær prodana je njemačkom holdingu AGIV gdje je prema području proizvodnje podijeljena je u pet zasebnih tvrtki. Te podijeljene tvrtke Brüel & Kjær zajedno sa tvrtkama Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (HBM) i BTG Instruments GmbH činile su AGIV-ov odjel naziva Spectris. U srpnju 2000. godine odjel Spectris prodan je britanskoj tvrtki Fairey Group Ltd, a iduće godine Fairey Group promijenila je ime u Spectris Plc. Tijekom 2009. godine tvrtki Brüel & Kjær pridružene su LDS Test & Measurement i Lochard Ltd, da bi se 2020. godine Brüel & Kjær spojio sa Hottinger Baldwin Messtechnik i promijeno ime u Hottinger Brüel & Kjær. Brüel & Kjær danas nudi širok spektar rješenja za mjerenje buke i vibracija, od senzora preko mjernih instrumenata do softverskih aplikacija uz podršku kalibracije i servisa svojih uređaja.
Bolji pogled na kontrole na prednjoj ploči.
Bolji pogled na kontrole na zadnjoj ploči.
Mjernim pojačalom Brüel & Kjær Type 2610 mogu se mjeriti istosmjerni i izmjenični naponi u frekvencijskom opsegu 2 Hz – 200 kHz i u rasponu od 10 µV – 30 V.
Mjerni opseg odabire se u dB ili V tako da se odaberu kalibrirana pojačanja ulaznog i izlaznog pojačala. Ulazno pojačalo (Input Section Gain) ima devet kalibriranih mjernih opsega u rasponu od 3 mV do 30 V (50 do -30 dB), a izlazno pojačalo (Input Section Gain) ima šest kalibriranih nivoa pojačanja u rasponu 0,003 do 1 (Voltage Multiplier) ili 50 do 0 dB. Konačni radni mjerni opseg predstavlja umnožak mjernog opsega odabranog na ulaznom pojačalu sa množiteljem pojačanja odabranog na izlaznom pojačalu. Na primjer, ako odaberemo mjerni opseg 30 V na ulaznom pojačalu i množitelj 0,1 na izlaznom pojačalu onda dobivamo mjerni opseg od 3 V (30V x 0,1 = 3V) što znači da ćemo očitanje izvršiti na drugoj skali (1-30). Kako ne bi došlo do zabune kod računanja na dnu skale je LED indikator koji će ovisno o trenutno odabranoj kombinaciji pojačanja ulaznog i izlaznog pojačala izravno pokazati izračunati odabrani opseg (u našem slučaju 3V). Vidimo da kombinacijom ulaznog i izlaznog pojačala možemo dobiti ukupno 14 različitih mjernih opsega.
Kad se odabere najveće pojačanje mjernog pojačala od 50 dB, u pojačivački niz ulaznih pojačala ukupnog pojačanja 40 dB uključuje se posebno dodatno pojačalo od 10 dB kojem je po potrebi moguće kontinuirano mijenjati pojačanje u punom rasponu od 0 do +10 dB pomoću potenciometra Input Gain. Time se zapravo nekalibrirano ručno regulira ukupno pojačanje u rasponu +40 dB do + 50 dB.
Konektori za ulazne napone koje želimo mjeriti su specijalnog Brüel & Kjær dizajna, no radi se o običnim koaksijalnim priključnicama koje bi mogle zamijeniti i bilo koje druge slične priključnice. Konektor za izravno mjerenje napona (Direct Input) koristi se za mjerenje napona ili spajanje senzora vibracija. U načelu je kompatibilan sa klasičnim banana utikačem, pa se jedan takav utikač lako može ugurati u središnji dio priključnice Direct Input a drugi na malu priključnicu za masu pored njega. Ovu priključnicu mase je pomoću kratkospojnika na zadnjoj ploči uređaja (Chassis – Signal Ground) moguće vezati na šasiju uređaja ili ostaviti u zraku.
Konektor Preamp. Input (7-pinski) služi za spajanje kompatibilnih Brüel & Kjær mjernih mikrofona sa ugrađenim pojačalima, odnosno ovdje se spaja senzor za mjerenje buke. Tu je po potrebi moguće uključiti i istosmjerni polarizacijski napon za kondenzatorske mikrofone od 28 ili 200 V (pretpolarizirani ili elektretski kondenzatorski mikrofoni ovaj napon ne trebaju pa sklopka ostaje u položaju 0).
Ulazna priključnica odabire se sklopkom Input – Preamp./Direct, te je svaki ulaz moguće kalibrirati (Sens. Adj.) pomoću internog izvora referentnog napona, a to je sinusni napon frekvencije 1 kHz i amplitude 50 mV RMS (Ref. 50 mV RMS). Oba ulaza imaju visoku ulaznu impedanciju od 1 MΩ i mogu podnijeti prenapon do 220 V RMS bez oštećenja sklopovlja. Ovo se može zahvaliti i krugovima za detekciju i zaštitu od preopterećenja koji su ugrađeni na ulazna i izlazna pojačala. Detekcija radi tako da će indikacijska LED odabranog mjernog opsega na pojačalima početi treperiti ukoliko ulazni napon premašuje mjerni opseg.
Kad se mjerno pojačalo Brüel & Kjær Type 2610 koristi kao mjerač buke, moguće je uključiti jedan od dva ugrađena audio filtra: visoko-propusni filtar sa graničnom frekvencijom 22,4 Hz (audio mjerenja) i standardni težinski “A” filtar (amplitudno-frekvencijska karakteristika prilagođena ljudskom uhu). Također je moguće koristiti i neki drugi vanjski filtar (Ext.) koji se spaja na priključnice External Filter na zadnjoj ploči uređaja. O mjeračima buke i težinskim faktorima pojedinih filtara pisali smo u objavi SOUND PRESSURE METER.
Mjerni instrument ima logaritamski odziv i mjeri “True RMS” ili TRMS vrijednost napona. TRMS znači da instrument mjeri efektivnu (a ne srednju) vrijednost izmjeničnog signala. U jednoj našoj objavi prikazali smo odnose između vršne, efektivne i srednje vrijednosti čistog sinusnog napona.
Efektivna vrijednost izmjeničnost napona je ona vrijednost napona koju bi ekvivalentno imao i istosmjerni napon jednake vrijednosti. To drugim riječima znači da ćemo istu radnu električnu snagu postići sa istosmjernim naponom kao i sa efektivnim izmjeničnim naponom iste vrijednosti. Za čiste jednostavne ponavljajuće valne oblike (sinusni, pravokutni…) TRMS je daleko lakše izračunati nego za izmjenični signal koji je stalno promjenjiv po amplitudi i frekvenciji te sadrži šum i harmonike (kakav je npr. audio signal) te TRMS opciju imaju samo bolji voltmetri. Sama kratica TRMS – True Root Mean Square opisuje matematičku formulu (kvadratna sredina) po kojoj se računa RMS i TRMS vrijednost napona i dok je ona za čisti sinusni napon kao što vidimo na našoj slici prilično jednostavna (vršni napon kroz korijen od dva ili jednostavnije vršni napon x 0,707), za kompleksne izmjenične napone ta formula je puno složenija. Jasno je da se ovdje moraju stalno uzimati uzorci vršnih vrijednosti napona i iste stalno treba preračunavati u efektivnu vrijednost. TRMS voltmetar dakle stalno uzima uzorke trenutne vrijednosti napona ili struje u izmjeničnom signalu, izračunava prosjek te vrijednosti u određenim vremenskim periodama, a zatim prikazuje kvadratni korijen ovog prosjeka. U tu svrhu se koriste specijalna pojačala i integratori. Integratoru ugrađenom u naše mjerno pojačalo moguće je odabrati vremensku konstantu, odnosno vremenski period u kojem se uzima prosjek izmjerenih vrijednosti pomoću kontrola Fast, Slow i 20 s (Averaging Time). Fast i Slow su vremena koja odgovaraju standardnim normama za precizne mjerače buke, a vrijeme od 20 sekundi je dodano kao opcija za specifična mjerenja sa vanjskim selektivnim pojasnim filtrima.
Bolji TRMS voltmetri točnije mjere TRMS napon raznih složenih izmjeničnih napona. Što je napon složeniji to će lošiji (jeftiniji) TRMS voltmetri biti manje točniji. Zahtjevno je napraviti TRMS voltmetar koji će se jednako dobro nositi sa npr. nekim zvučnim audio zapisom, brzim impulsnim naponom promjenjive amplitude te duty cycle omjera i sa npr. nekim složenim izmjeničnim signalom punim šuma i harmonika te velikim dinamičnim opsegom. Ovo se postiže samo kod profesionalnih mjernih uređaja.
Osim RMS moguće je odabrati i Peak način mjerenja, odnosno mjerenje vršnih vrijednosti napona. Kod složenih signala mjeriti će se vrijednost onog vršnog napona, pozitivnog ili negativnog, koji je veći. Opcijom Hold na instrumentu će biti zadržan prikaz najveće vrijednosti izmjerenog RMS ili Peak napona u željenom vremenu. Tipkalom Reset vremenski se resetira trenutno postignuta Hold vrijednost.
Omjer između Peak i RMS vrijednosti amplituda napona naziva se “crest” faktor. Jednostavno rečeno taj faktor pokazuje koliko je izmjenični signal bogat amplitudnim vrhovima. Ovo napominjemo jer u prospektu za Mjerno pojačalo Brüel & Kjær Type 2610 možemo naći podatak “Crest Factor Capability: 10 at full scale, 20 for lesser deflections”. Za čisti istosmjerni ili pravokutni napon taj crest-faktor je najmanji i iznosi 1 (dB). Najekstremniji audio signal (impulsna, udarna buka) može dostići crest-faktor i preko 30 no to je u praksi vrlo rijedak slučaj. Takav audio signal bi premašio mogućnosti mjerenja našeg pojačala koje ima kapacitet mjerenja audio signala sa crest-faktorom 10 na punom otklonu kazaljke instrumenta, odnosno sa crest-faktorom 20 na manjem otklonu.
Mjerno pojačalo je opremljeno sa dva AC izlaza (AC Output) od kojih je jedan na prednjoj i jedan na zadnjoj ploči i sa jednim DC izlazom na zadnjoj ploči. Na AC izlazu dobivamo pojačan ulazni izmjenični napon, a na DC izlazu dobivamo ispravljen napon koji je proporcionalan otklonu mjernog instrumenta.
Lako izmjenjiva skala instrumenta. Ovisno o načinu upotrebe mjernog pojačala, osim ove skale za mjerenje napona, dostupne su i kalibrirane skale za mjerenje buke i vibracija. Također se moglo koristiti i praznu skalu koja bi se kalibrirala prema specifičnim potrebama.
Za mjerno pojačalo Brüel & Kjær Type 2610 nemamo nikakvu tehničku dokumentaciju. Unutrašnji sklopovi nisu izvedeni modularno tako da to dodatno otežava identifikaciju pojedinih komponenti. Ipak, na osnovu podataka iz prodajnog prospekta te uz malo zabavljanja sa našim uređajem nacrtali smo blok shemu koja dovoljno detaljno opisuje princip rada mjernog pojačala.
Vidimo da se u osnovi sastoji od četiri osnovne blok cjeline:
- selektor ulaza sa kalibracijskim oscilatorom
- mjerna pojačala i atenuatori
- frekvencijski filtri
- sklop za detekciju i zaštitu od preopterećenja
- ispravljač i detektor mjernog napona za prikaz na mjernom instrumentu
Radi se o lako shvatljivom slijedu sklopovlja kojima se ulazni napon dovodi do samog mjernog instrumenta. Sve smo već objasnili kod opisa samih kontrola mjernog pojačala. Najveća specifičnost našeg mjernog pojačala je kombinacija ulaznog atenuatora i lanca od šest mjernih pojačala gdje je svako kalibrirano na jedan, dva ili tri stupnja pojačanja. U tablicama smo izveli koja pojačala/atenuatori i na kojem stupnju pojačanja pojedina pojačanja sudjeluju kod odabira svakog pojedinačnog mjernog opsega.
Za identifikaciju sklopovlja potrebno je malo detaljnije rastaviti uređaj i proučiti njegove pločice.
Glavna tiskana pločica podijeljena je na tri cjeline: ulazni sklopovi, atenuatori i mjerna pojačala (lijevo), ispravljači i stabilizatori napajanja (sredina) i sklopovi detektora i integratora (desno). Na prednju ploču montirana je pločica sa kontrolama ulaza i mjernih pojačala (lijevo), mjerni instrument sa indikacijom mjernog opsega (sredina) i pločica sa filtrima i kontrolama detektora (desno). Ove donje pločice sasvim sigurno sadrže logičke integrirane krugove koji povezuju kontrole sa elektroničkim sklopkama i relejima, no mi ih za sada nećemo dalje rastavljati.
Na ovom dijelu pločice prevladavaju integrirani krugovi HTI-0201-5 (Harris) koji sadrže po četiri analogne sklopke (HI-201) i mali signalni releji NR-SD-6V AE5642 (Matsushita) koji sasvim sigurno pripadaju sklopovlju za preklapanje atenuatura i mjernih pojačala kod odabira mjernog opsega. Odmah uz njih, u prvoj sekciji lijevo, nalazi se par JFET tranzistora u zajedničkom kućištu 2N5565 koji ovdje čine ulazno diferencijalno pojačalo, a zatim slijede tri integrirana operacijska pojačala LM318 koja pripadaju ulaznom nizu od tri mjerna pojačala.
U slijedećoj sekciji je logički krug CD4001 (četverostruka NOR vrata) i četverostruki diferencijalni komparator LM339 koji bi kao takvi mogli biti u krugu indikacije prenapona.
Desno od grupe releja je četverostruko operacijsko pojačalo LM324 na kojem se bazira referentni oscilator 1 kHz / 50 mV.
U središnjem dijelu i desno su opet kombinacije elektroničkih analognih sklopki HI-201 sa četiri operacijska pojačala LM318 koja propadaju izlaznom nizu od tri mjerna pojačala i pojačalu za odvajanje (buffer).
U središnjem dijelu su elementi ispravljača i stabilizatora napajanja. Uočavaju se 4 mosna diodna ispravljača te četiri integrirana stabilizatora napona sa montiranim hladilima: 7818, 7918, 7806 i 7812. Simetrični napon ±18 V iz stabilizatora 7818 i 7918 koristi se pretežno za napajanje operacijskih pojačala, a napon od 6 V (7806) za logičke integrirane krugove. Napon od 12 V (7812) vodi na ulaznu priključnicu Preamp. Input tako da ovaj napon služi za napajanje pojačala vanjskog senzora. Preko posebnog regulacijskog sklopa koji čini operacijsko pojačalo LM301 i uočljiva tri tranzistora BF258 (serijski regulatori napona) osigurava se istosmjerni polarizacijski napon za kondenzatorske mikrofone od 28 ili 200 V koji se također dovodi na priključnicu Preamp. Input. Naravno, tu su i filtarski kondenzatori za sve stabilizirane napone koje bi već možda bilo dobro i zamijeniti.
Na ovom dijelu pločice ističe se specijalizirana komponenta tvrtke Brüel & Kjær sa oznakom ZE 0256. Upornim pretraživanjem dostupnih izvora zaključili smo da bi tu mogla biti riječ o hibridu sa pet termički spregnutih tranzistora koji bi se kao takvi mogli koristiti u ulaznim krugovima detektora, primarno u logaritamskom ispravljaču i integratoru. Krug integratora bi tada bio baziran na dvama operacijskim pojačalima, LM201AH i LF356H, koja su smještena odmah iznad ZE 0256 i svakako na uočljivim blok kondenzatorima smještenima ispod ZE 0256 kojima se određuje duljina trajanja integracije (Averaging Time – Fast, Slow, 20 s). Na tom dijelu je i elektronička analogna sklopka MC14053 koja upravlja prebacivanjem Averaging Time i Detector kontrola.
Logaritamski ispravljač bi prema praćenju veza trebao uključivati parove tranzistora BF240/BF450 te susjedna operacijska pojačala na lijevom dijelu pločice. Sve ostalo su različita operacijska pojačala: A7-5170-5, LM318N, LM301AN, LM311N, AD40328, koja čine ostale sklopove mjernog pojačala nakon detektora.
Test je pokazao da je naš primjerak mjernog pojačala Brüel & Kjær Type 2610 u potpunosti ispravan. Prednost pravog mjernog pojačala u odnosu na današnje široko raširene različite TRMS digitalne multimetre je u tome što ima AC/DC izlaze sa kojih možemo uzimati pojačan mjereni signal i/ili izmjerenu veličinu u nekom digitalnom ili analognom obliku, a koje onda možemo koristiti za daljnju obradu na nekim drugim uređajima. Također, mjerna pojačala nude puno širi spektar preciznih mjernih opsega, obično pokrivaju šire frekvencijsko područje i imaju ugrađene kvalitetne TRMS i Peak detektore. Mjerno pojačalo Brüel & Kjær Type 2610 posebno je pogodno za mjerenja različitih audio signala (iako mu je mjerni opseg puno širi) najviše zahvaljujući ugrađenim filtrima i mogućnosti jednostavnog dodavanja vanjskih filtara. Svakako da danas postoje i puno bolji i puno skuplji analizatori audio signala, no ovo naše analogno mjerno pojačalo može se još uvijek sasvim lijepo uklopiti u mjerni set neke (audio) elektroničke radionice 🙂
Uz mjerno pojačalo došla je još jedna Brüel & Kjær komponenta, Sweep Unit ZM 0047 (iz 1970-tih godina). Ova komponenta koristi se kao svojevrsno sučelje između mjernih i registracijskih uređaja (snimača, pisača i sl.) tvrtke Brüel & Kjær. To u prvom redu uključuje rad sa pisačem na specijalnu papirnatu traku širine 100 mm (QP 1142) koja ima otisnutu frekvencijsku skalu od 100 Hz do 10 kHz (za snimanje karakteristike telefonskog audio signala i slično) gdje se pomoću Sweep Unit ZM 0047 usklađuje i sinkronizira brzina oscilatora pisača za skeniranje frekvencijskog opsega, sa impulsima koje daju različiti mjerni instrumenti.
