Iskra Unimer 1

Danas je nabavljen univerzalni mjerni instrument za mjerenje napona, struje i otpora Unimer 1, slovenskog proizvođača Iskra s početka 1970-tih godina. Tvrtka ISKRA vuče korijene iz 1946. godine te je i danas prisutna na tržištu. Kroz čitavo razdoblje postojanja nudi širok spektar proizvoda iz područja elektronike, elektrotehnike, telekomunikacija, energetike, automatizacije i tome srodnih proizvodnih grana.

Naš primjerak mjernog instrumenta Unimer 1 došao je u relativno lošem stanju. Prednji prozirni plastični poklopac skale je odvojen od kućišta i dio mu nedostaje, a na više mjesta je potrgan i poklopac baterija sa zadnje strane. Kazaljka instrumenta je bila svinuta te iako smo ju uspjeli izravnati zbog nastalog preloma na mjestu ravnanja vrlo brzo će puknuti. Čitav instrument je očito bio podvrgnut popravcima i preinakama tako da nedostaju vijci i odstojnici za unutrašnju montažu kao i vijci i gumene nožice s donje strane.

Unimer 1 omogućuje slijedeća mjerenja:

• mjerenje istosmjernog i izmjeničnog napona do 1000 V u devet mjernih opsega
• mjerenje istosmjerne i izmjenične struje do 5 A u sedam mjernih opsega
• mjerenje električnog otpora do 20 MΩ (precizno do 5 MΩ) u pet mjernih opsega

Osim ovoga Unimer 1 je opremljen i skalom za mjerenje pojačanja ili slabljenja u dB s obzirom na referentni napon 0,775 V koja je baždarena za naponski opseg 3 V (-10 dB do +10 dB). Za proširena mjerenja na drugim naponskim opsezima potrebno je uračunati korekciju od 10 dB. Više o ovoj vrsti mjerenja pisali smo u objavi Multimetar C4313.

Jedna od specifičnosti ovog instrumenta je opremljenost posebnim kapacitivno odvojenim mjernim naponskim ulazom označenim sa OUTPUT. Ovaj ulaz se koristi za mjerenje izmjeničnih napona koji također sadrže i istosmjernu komponentu, odnosno gdje je čitav izmjenični signal za određenu vrijednost podignut u pozitivno naponsko područje. Kondenzatorom se ovdje blokira ta istosmjerna komponenta (prednapon, bias) kako bi se mogla točno izmjeriti vrijednost samo izmjenične komponente napona (AC ili DC coupling). Ovo mjerenje, kao i mjerenje pojačanja ili slabljenja u dB praktično se najviše primjenjivalo kod mjerenja audio signala na telefonskim sistemima i drugim komponentama (pojačalima) za obradu audio frekvencijskog  područja.

Točnost mjerenja je ±2,5 % na punom otklonu skale za sve opsege (vidi objavu Multimetar C4313), što vrijedi za uvjete temperature okoline od 20°C i izmjenična mjerenja u frekvencijskom opsegu 50-60 Hz. Promjena temperature okoline (0-40°C) može pogoršati točnost mjerenja za 1-1,5 %, a mjerenja na nižim ili višim frekvencijama (30-20000 Hz) mogu unijeti dodatnu pogrešku do 5 %.

Unimer 1 je elektronički mjerni instrument  gdje se sva mjerenja vrše preko ugrađenog pojačala. Za razliku od klasičnih analognih multimetara bez pojačala, ovime je značajno povećana osjetljivost i omogućen veći unutrašnji otpor instrumenta te se mogu mjeriti puno manje vrijednosti struja i napona jer sam instrument puno manje opterećuje mjerni krug (mala vlastita potrošnja). Na skali instrumenta ispisane su vrijednosti unutrašnjeg otpora koje iznose 200 kΩ/V na mjernim opsezima 0,3 V do 30V odnosno 10 MΩ za mjerne opsege 100 V do 1000V. Ovo su ukupni otpori serijski spojenih mjernih otpornika koji čine djelitelj napona za pojedini mjerni opseg i to ne treba miješati sa unutrašnjim otporom samog mjernog pojačala.

Elektronička shema Unimera 1. Sasvim sigurno su tijekom proizvodnje nastajale i određene modifikacije na pojedinim serijama instrumenta. Na pojedinim shemama instrumenta ne vidi se zaštitni rastalni osigurač 6,3 A koji štiti instrument od prevelike ulazne struje (max 5 A). Na većini shema će svi tranzistori biti označeni kao BC 109C, no na našem primjerku tranzistori T1 i T2 nose oznaku BA-1, a ostali tranzistori su tipa BC 214 (RIZ). Ove NPN tranzistore u metalnom TO-18 kućištu koje je tijekom 1970/80-tih godinama proizvodio RIZ Zagreb ne treba miješati sa danas dostupnim tranzistorima iste oznake BC 214, a koji su PNP tipa i dolaze u plastičnom TO-92 kućištu.

Središnji sklop mjernog pojačala čini diferencijalno pojačalo sa dva tranzistora T3 i T4. Kod elektroničkih voltmetara navikli smo da diferencijalno pojačalo radi u spoju sa jednim ulazom na koji se dovodi mjerni napon (drugi ulaz je uzemljen)  i sa dvostrukim (balansiranim) izlazom na koji se spaja mjerni instrument (izlaz može biti na kolektorima ili emiterima tranzistora). No, što se tiče diferencijalnih pojačala, ovisno o namjeni u konkretnom sklopu, moguće su sve kombinacije glede njihovih dva ulaza i dva izlaza. U našem se slučaju koriste obadva ulaza, od kojih je jedan za kalibraciju (uravnoteženje) pojačala prije mjerenja te dovođenje mjernog napona (T3), a drugi za podešavanje korekcijskog napona (T4) ovisno o vrsti mjerenja (istosmjerno, izmjenično ili mjerenje otpora) kako bi diferencijalno pojačalo za sva mjerenja bilo ispravno balansirano. Također se koristi samo jedan izlaz (sa kolektora T3), koji je invertirajući (mijenja polaritet napona), a gdje se taj napon dalje pojačava i opet invertira na naponskom pojačalu sa T5 čime dobivamo pojačan napon po polaritetu identičan izvornom, te se u konačnici taj napon preko prilagodnog stupnja koji čini emitersko slijedilo sa T6 dovodi na mjerni instrument za zakretnim svitkom.

Tranzistori T3 i T4 u diferencijalnom pojačalu spregnuti su preko zajedničkog emiterskog otpornika 47 kΩ. Ovaj sklop se vrlo lako prepoznaje u raznim shemama te se negdje popularno zbog samog izgleda zove “long-tailed pair” gdje bi zajednički emiterski otpornik predstavljao taj rep :-). Ulazi diferencijalnog para tranzistora biasirani su prednaponima s obje strane tako da su bez prisutnosti mjernog napona u ravnoteži i na izlazu iz pojačala nema nikakvog napona. Otpornici (djelitelji napona) kojima se podešava napon na svakom od ulaza imaju različiti efekt na izlazni napon: jedna strana teži povećati izlazni napon (neinvertirajući ulaz), a druga strana teži smanjiti izlazni napon (invertirajući ulaz). Ovo je u stvari i sam princip rada diferencijalnog pojačala koje ima dva ulaza sa suprotnim efektima na izlazni napon. Relativno veliki omjer između kolektorskog i emiterskog otpornika T3 osigurava veliko naponsko pojačanje te čitav sklop zapravo više funkcionira kao komparator napona gdje će se izlazni napon rapidno mijenjati kako se ulazni naponi odmiču od ravnoteže. Već minimalni pomak kalibracijskog potencimetara od 1 kΩ uzrokuje veliki otklon kazaljke.

Iz tvorničkih uputa i priručnika koji su izdani za Unimer 1 glede opisa rada sklopova instrumenta može se naći tek jedna rečenica: “Pri mjerenju izmjeničnih veličina ulogu ispravljača imaju tranzistori T1 i T2 koji su u spoju dioda. Ispravljanje je dvostrano. Pri mjerenju istosmjernih i izmjeničnih veličina ovi tranzistori imaju i ulogu limitera (ograničavača) koji onemogućava pregorijevanje osjetljivog indikatorskog instrumenta pri preopterećenju.”  Uloga limitera ovih tranzistora je jasna no ulogu ispravljača nisam mogao dokučiti te sam u tom smislu nacrtao pojednostavljenu shemu Unimera 1.

Pojednostavljena elektronička shema Unimera 1. Otpornici R1 i R2 na invertirajućem ulazu čine djelitelj napona za odabir mjernih opsega i njihov omjer na naponskim opsezima je takav da se na otporniku R1 dobiva pad napona od 100 mV za puni otklon kazaljke instrumenta. Otpornik R3 na neinvertirajućem ulazu služi za uravnoteženje napona na diferencijalnom pojačalu ovisno o vrsti mjerenja.

Kod tranzistora T1 i T2 koristi se samo B-E spoj te isti zapravo rade kao diode. Upotreba tranzistora kao diode najčešća je u sklopovima gdje je od velike važnosti postići što manju struju propuštanja diode u zapornom smjeru. Naime, diode nisu idealne te imaju neki konačan otpor i u zapornom smjeru tako da i u tom smjeru postoji neka mala vodljivost i curenje struje. Tipične male signalne diode opće namjene (npr. 1N4148) mogu imati struju curenja reda nekoliko desetaka nA do nekoliko desetaka µA ovisno o temperaturi okoline i visini reverznog napona. Naše diferencijalno pojačalo pak je zbog vrlo velikog ulaznog otpora osjetljivo na vrlo male struje (reda pA) te bi takvo reverzno curenje struje preko obrnuto polarizirane diode značajno utjecalo na rad pojačala i točnost mjerenja jer bi dio struje koji bi morao doći na ulaz pojačala bio premošten preko diode. Danas već postoje specijalne diode dizajnirane za vrlo male struje curenja, no one su i dalje rijetke i relativno skupe te u konačnici ne dostižu vrijednosti kao tranzistori. Primjerice tipična dioda te vrste BAV116 ima struju curenja 5 nA, dok se upotrebom BE sloja tranzistora struje curenja kreću oko 5 pA.

Ovisno o tipu tranzistora, ovisno o tome koji će PN prijelaz koristiti (BE ili BC) te ovisno o tome hoće li preostala treća elektroda biti spojena sa jednom od dvije aktivne elektrode ili će kao u našem slučaju biti ostavljena “u zraku” tako ćemo i dobiti diodu sa različitim karakteristikama glede unutrašnjeg kapaciteta, vremena oporavka i reverznog napona odnosno struje curenja, no struja curenja će u svakom slučaju biti puno manja nego je to kod klasičnih dioda. Problem korištenja BE sloja tranzistora kao diode je podnošenje relativno malog reverznog napona (tipično 6-7 V) no to je i više nego dovoljno za primjene poput ove naše. Ukoliko bi bila potreba za većim naponom može se koristiti sloj BC no tu je onda i struja curenja nešto veća.

Tranzistori T1 i T2 u našem slučaju dakle funkcioniraju kao dvije anti-paralelno spojene diode i imaju osnovnu funkciju zaštitite mjernog sklopa od prenapona jer djeluju kao limiter napona (kliper) određen početnim naponom vođenja (koljenom) PN sloja koji obično iznosi oko 0,7 V. Tako će svi naponi (izmjenični ili istosmjerni) koji premašuju tu vrijednost biti premošteni i neće doći na ulaz diferencijalnog pojačala. Njima se stoga ne štiti samo mjerni instrument nego se štiti i čitavo pojačalo od ulaznog preopterećenja.

No uloga ovih antiparalelno spojenih dioda kao dvostranog ispravljača, kako se navodi u uputama nije mi baš jasna jer će sav napon, bio on istosmjerni ili izmjenični, uvijek preći preko jedne od dioda na ulaz pojačala. Ulogu ispravljača po meni ovdje preuzima spoj mjernog instrumenta na izlazu diferencijalnog pojačala, kojim se ne mjeri izlazni napon na kolektorima ili napon na kolektoru s obzirom na zajedničku masu (kako je uobičajeno) nego se mjeri razlika napona na izlazu iz kolektora prvog tranzistora i balansirane razine ulaznog napona na drugom tranzistoru gdje onda ovaj napon ne može biti negativan. Stoga instrument ovdje mjeri srednju vrijednost samo pozitivnih poluperioda izmjeničnog napona. Ukoliko je netko izučavao rad specifičnih spojeva diferencijalnih pojačala i ima drugo objašnjenje bit će mi drago da me ispravi. U svakom slučaju problematika je vrlo zanimljiva i jednom ću na testnoj pločici izvesti ovakav spoj kako bi mogao na njemu izvršiti praktična mjerenja s obzirom da je mjerenje i spajanje sondi po elementima na samom Unimeru 1 vrlo nespretno.

Unimer 1 sa donje strane nakon skidanja donjeg poklopca…

Ako gledamo lijevu sliku sa komponentama mjernog pojačala onda su prva dva tranzistora diode, dva tranzistora u sredini su u krugu diferencijalnog pojačala, a dva tranzistora na desnoj strani su u krugu pojačala za instrument.

Unimer 1 nakon skinutih i razlemljenih pločica…

Interesantno je da je područje veza ispod baterija oklopljeno komadom lima, a napon iz baterije za mjerenje električnog otpora se na mjerne otpornike dovodi preko koaksijalnog kabla. Očito je ova izvedba mjernog pojačala imala probleme sa stabilnošću, odnosno bila osjetljiva na utjecaje vanjskih električnih i magnetskih polja. 

Na testu se naš primjerak instrumenta pokazao neispravnim, odnosno kazaljka se ne pokreće s mjesta na ni jednom mjernom opsegu. U našoj pričuvi pronašli smo jedan Unimer 3 koji je također pretrpio mnoga električka i mehanička oštećenja te smo odlučili nekako s ta dva neispravna instrumenta sastaviti jedan funkcionalan.

Prvi korak u tome je zamjena mjernih sistema za zakretnim svicima zbog oštećene kazaljke na Unimeru 1.

Električna oštećenja i neoriginalne komponente na Unimeru 3 koji će poslužiti kao donator dijelova za Unimer 1.

Prozirni poklopac skale je pomoću plastičnih klinova pričvršćen za kućište instrumenta. Čitav poklopac, te montažni odstojnici i vijci poslužiti će za kompletiranje Unimera 1.  

Na ovoj usporednoj slici lijepo se vidi da su kućišta instrumenata Unimer 1 i Unimer 3 identična. Zapravo, uočena je tek jedna mala nepodudarnost koja se očituje u tome da je središnji dio kućišta na koji se montiraju skala i instrument kod Unimera 3 oko jedan milimetar dublji nego kod Unimera 1. Stoga je kod Unimera 3 i zrcalo koje ide ispod skale milimetar deblje nego kod Unimera 1. Ovo ne mora biti isključiva razlika između ova dva tipa Unimera nego može biti i razlika u pojedinim serijama istog tipa instrumenta.  Mjerni sistemi su na gornjoj slici već uspješno zamijenjeni.

  U tvorničkom priručniku za Unimer 1 stoji: “Indikatorski instrument je tipa instrumenta sa zakretnim svitkom, s tim da je uležištenje opružno (tj. nema poluosovine). Time je postignuta manja osjetljivost na udare i potrese.” Koliko mi ovdje vidimo instrumenti su klasične izvedbe sa poluosovinama i dvije spiralne opruge za stvaranje potrebnog protumomenta zakretanju svitka sa kazaljkom. Umjesto poluosovina zakretni svitak se može okretati i na napetim torzionim oprugama. Može biti da mi nešto iz opisa nismo shvatili no neki treći sistem “uležištenja” zakretnog svitka do sada nismo susretali.    

Nakon uspješno zamijenjenih zakretnih mjernih sistema, prvo što smo primijetili to su dvije modifikacije od strane prijašnjeg vlasnika gdje su u krugove instrumenta dodani jedan kondenzator i jedan serijski spoj otpornika i kondenzatora.

Očito da oba dodana kruga imaju utjecaj samo na izmjenična mjerenja. Moguće da se mjerni opseg od 10 V želio prenamijeniti za neka druga, moguće za VF mjerenja pri čemu se željelo suzbiti neke neželjene pojave poput samooscilacija pojačala, preosjetljivosti i slično. Kako god bilo, mi smo ove elemente uklonili.

Kvar je napokon otkriven na kratkom spoju izvoda otpornika sa kućištem jednog od tranzistora u diferencijalnom pojačalu. Naime, sa slika se vidi kako su elementi mjernog pojačala nagužvani na relativno malu površinu, a montaža istih ne ide do pločice nego izvodi svih elementa strše iznad nje. Istina, bez obzira na to, elementi su dovoljno čvrsto zalemljeni da u normalnom radu sa instrumentom ne bi trebalo doći do njihovog savijanja i kratkog spajanja, no ovaj instrument je pretrpio mnoge zahvate po unutrašnjosti te se tko zna koliko vremena polurastavljen tumbao po buvljacima, tako da ne čudi da je došlo do ovakvih kratkih spojeva.

Nakon podešavanja balansa diferencijslnog pojačala i kalibracije instrumenta (trimer potenciometri od 1 kΩ) te konačnog sklapanja naš Unimer 1 je ponovno spreman za rad!

U kolekciji imam još jedan primjerak Unimera 3 u puno boljem stanju (barem vizualnom) od ovog koji je poslužio za dijelove i njega ćemo razgledati u slijedećoj objavi. Što se pak tiče Unimera 1 dobro je da smo jednog vratili u život, no realno danas ovakav instrument više i nije previše tražen za opremanje servisnih radionica. Naravno da ćete uvijek naići na ocjene “starih” majstora kako su to bili i ostali najbolji instrumenti na svijetu i svi ovi današnji su bezveze, no realno, svatko tko je stvarno radio sa ovakvim analognim instrumentima i sa modernim multimetrima definitivno će zaključiti da su moderni instrumenti ipak puno ugodniji i lakši za rad. Osim što za današnja mjerila instrumenti tipa Unimer 1 imaju vrlo niske klase točnosti, rad s većinom analognih instrumenata sa zakretnim svitkom često je prilično nespretan za terenski pa i praktičan radionički rad. Naime analogni instrument mora biti postavljen u strogo određen položaj (za Unimer 1 je to horizontalni položaj) jer krivi nagib može vrlo jako utjecati na balans zakretnog sistema s kazaljkom i dati jako netočna očitanja.

Danas se prema digitalnim multimetrima na radnom stolu odnosimo jednako kao i prema običnim odvijačima, stalno ih premještamo, izvrćemo, nabacujemo i postavljamo u sve moguće položaje kako bi si olakšali mjerenja, često nam i padnu, prevrnu se i sve to uopće ne utječe na točnost mjerenja. Većina modernih digitalaca može se na strujnom ili omskom mjernom opsegu gurnuti izravno u mrežnu utičnicu bez ikakvih posljedica po instrument osim što ćemo dobiti neki zvučni alarm pogrešnog spajanja. Izbor preniskog mjernog opsega je također stvar prošlosti jer gotovo svi moderni multimetri imaju funkciju automatskog odabira mjernog opsega. Ali kako to objasniti nekome tko je radio samo sa Iskrinim Unimerima, jedinim najboljim, neponovljivim i nepoderivim instrumentima bez premca na svijetu. Uvijek mi je nekako žao starih majstora električara koji su prisiljeni pod stare dane i loše penzije prodavati svoje instrumente na raznim buvljacima, a koji su ih desetljećima besprijekorno služili i pomoću kojih su zarađivali plaću čitav svoj životni vijek. Vrlo je lako s njima ući u polemiku tipa “nekad i sad” no rijetko koga se može razuvjeriti da njegov Unimer danas više doista uporabno ne vrijedi kao što je vrijedio nekad. Njegova najveća vrijednost je ona sentimentalna, a tu vrijednost ionako ne može nitko platiti 🙂