Danas je nabavljen voltmetar sa elektronskim cijevima (VTVM – Vacuum Tube Voltmeter) oznake IM-11/D proizveden u njemačkoj tvornici Daystrom koja je bila podružnica američke tvrtke Heath Company i njihovog branda Heathkit.
Tvrtka Heath (proizvodni zaštitni znak Heathkit) osnovana je 1926. godine te posluje i danas. Kroz čitavo razdoblje poznata je po prodaji elektroničkih setova elemenata (KIT kompleta) iz kojih su kupci samostalno sklapali elektroničke uređaje. KIT kompleti tvrtke Heathkit uključuju mjerne, ispitne i testne instrumente za elektroniku, zatim audio, radio i TV uređaje, robote, računala i drugo. Tvrtka je KIT komplete proizvodila u razdoblju 1947. do 1992. godine, a nakon toga se prebacila na proizvodnju edukacijske opreme i senzora pokreta za kontrolu rasvjete. Posao sa senzorskom rasvjetom tvrtka Heathkit je 2000. godine prodala, a 2011. godine ponovno je pokušala pokrenuti posao sa KIT elektroničkim kompletima, no već iduće godine proglasila je bankrot. Nakon toga dolazi do promjene vlasništva, reorganizacije i rekonstrukcije tvrtke tako da od 2018. godine tvrtka Heathkit ponovno nudi internetsku prodaju širokog spektra različitih KIT elektroničkih kompleta te komponenti i pribora za elektroniku.
Tvrtka Heath otvorila je svoje podružnice u više zemalja svijeta (Kanada, Švedska, Engleska, Austrija, Švicarska, Njemačka, Francuska) pod imenima Daystrom i Schlumberger jer je tvrtku Daystrom kasnije kupila američka korporacija Schlumberger. Njemačka podružnica Daystrom formirana je krajem 1950-tih godina i djelovala je do kraja 1960-tih godina. U tom razdoblju više puta su se mijenjale lokacije središta tvrtke kao i sam tvrtke: Daystrom Elektro GmbH, Daystrom GmbH, Heathkit Geräte GmbH.
Oznaka “D” u nazivu cijevnog voltmetra VTVM IM-11 D označava da je riječ o uređaju proizvedenom u njemačkoj podružnici tvrtke Hethkit naziva Daystrom.
Mjerni kablovi koje smo dobili s instrumentom dijelom su originalni no dijelom su čini se i popravljani (zamijenjena žica, utičnica). Na slici desno vidi se kako je montiran otpornika od 1 MΩ na istosmjernom mjernom kablu i kako je povezana utičnica za izmjenični mjerni kabao. Izmjenični mjerni kabao je zapravo koaksijalni vod gdje je oplet spojen sa masom uređaja i štiti unutrašnju mjernu žicu od neželjenih vanjskih indukcija električnih smetnji.
VTVM IM-11/D predstavlja jedan od mnogobrojnih osnovnih modela izmjeničnih cijevnih voltmetara koji se baziraju na jednoj ili dvije diode u ispravljačkom stupnju ili dvije triode u mjernom krugu. Ovim instrumentom moguća su slijedeća mjerenja:
- mjerenje istosmjernog i izmjeničnog napona do 1500 V u sedam mjernih opsega
- mjerenje električnog otpora do 0,1 Ω do 1 GΩ u sedam mjernih opsega sa internom baterijom 1,5 V
- vrijednosti na decibel skali (pojačanje, gušenje) odgovaraju izmjeničnom mjernom opsegu od 1,5 V, a kalibrirane su za standardnu snagu od 1 mW na opterećenju od 600 Ω (za svaki viši mjerni opseg potrebno je dodati 10 dB na očitanu vrijednost)
Pogreška instrumenta je do 3% na istosmjernim i do 5% na izmjeničnim mjernim opsezima, a unutrašnji otpor instrumenta je 10 MΩ na istosmjernim i 1 MΩ na izmjeničnim opsezima. Unutar mjernog kabla za istosmjerna mjerenja ugrađen je dodatni otpornik od 1 MΩ čime je ukupni unutrašnji otpor instrumenta na istosmjernim mjerenjima 11 MΩ.
VTVM IM-11/D se bazira na dvije elektronske cijevi:
- 12AU7 – dvostruka trioda
- 6AL5 – dvostruka dioda
Na električnoj shemi odmah se razaznaje mjerni krug sa diferencijalnim pojačalom u katodnoj sprezi baziran na dvostrukoj triodi 12AU7 i diodni detektor maksimalnih vrijednosti ulaznog napona (Vpp) baziran na dvostrukoj diodi 6AL5.
Do sada smo opisali već nekoliko vrlo sličnih shema cijevnih voltmetara, no iako su to relativno jednostavne sheme, na njima se često vrlo teško snalaziti zbog velikog broja složenih sklopki i preklopnika koji na različite kombinirane načine preklapaju mjerne i ispravljačke krugove samog instrumenta kako bi se dobile željene vrste mjerenja i željeni mjerni opsezi. Stoga je poželjno shemu što je moguće više pojednostavniti kako bi shvatili na koji način funkcioniraju pojedini sklopovi uređaja.
Crvenom bojom označeni su mjerni otpornici koji se preklapaju prilikom izbora mjernih opsega. Ulazni djelitelj napona od tri otpornika služi za ograničenje maksimalnog ulaznog izmjeničnog napona koji smije biti doveden na ispravljačke diode 6AL5. Naime, voltmetar mjeri izravno napone do 1500 V dok se na diode ni u kom slučaju ne smije dovesti napon veći od cca 300 V. Stoga se tri najviša mjerna opsega (viši od 150 V) na ispravljačke diode vode preko otporničkog djelitelja napona. Kondenzator od 47 nF poboljšava linearnost frekvencijskog odziva ulaznog djelitelja napona (atenuatora).
Napon se dalje vodi na ispravljačke diode koje sa kondenzatorima od 20 nF čine spoj detektora za maksimalnu vrijednost izmjeničnog napona (označeno plavim kvadratom). Tako ćemo na izlazu iz C2 dobiti zbrojenu vrijednost amplituda pozitivne i negativne poluperiode ulaznog napona, dakle istosmjerni napon proporcionalan vršnoj ili maksimalnoj vrijednosti izmjeničnog napona (Vpp). Ovo je zapravo poznati spoj udvostručivača napona kakav smo detaljno opisali u objavi Ionizator zraka – AETE. Da bi napon na kondenzatoru C2 ostao konstantan i kad se na njega spoji potrošač (mjerno pojačalo) ulazni otpor potrošača mora biti velik. Ako malo pomnije pogledamo našu shemu uočiti ćemo da je paralelno kondenzatoru C2 spojena mreža koju čini otpornik od 22 MΩ i otpornici za izbor mjernog opsega maksimalnih vrijednosti od 10 MΩ. Tako će ulazni otpor za udvostručivač napona uvijek biti veći od 22 MΩ što neće uzrokovati pretjerani pad napona na izlaznom kondenzatoru detektora.
Preko djelitelja napona koji čine otpornici mjernih opsega i otpornik od 3,3 MΩ napon se vodi na ulaz mjernog pojačala. Na diferencijalne ulaze mjernog pojačala (mrežice trioda) dodani su kondenzatori od 5 nF koji kompenziraju podrhtavanje kazaljke instrumenta u slučaju mjerenja kakvih impulsnih istosmjernih naponskih signala, odnosno istosmjernog napona koji nije u potpunosti amplitudno stabilan. Kod takvog napona, zahvaljujući ovim kondenzatorima, kazaljka će pokazivati vršnu vrijednost istog. Kondenzator je mogao biti stavljen samo na stranu gdje ulazi mjerni signal (prva trioda) no postavljanjem istih na oba ulaza pojačala postiže se bolja simetrija rada diferencijalnog mjernog pojačala.
Mjerni krug čini diferencijalno pojačalo sa dvije triode u katodnoj sprezi. Negdje se ovakav spoj još naziva balansirani mjerni most ili push-pull mjerno pojačalo. Zbog bolje preglednosti nismo crtali krug promjene polariteta ulaznog napona, no on nije ništa drugo nego mehanička sklopka koja zamjenjuje pozitivni i negativni terminal mjernog instrumenta spojenog na katode diferencijalnog pojačala.
Prilikom izmjeničnih mjerenja, kroz diodni detektor uvijek teče neka mala struja čak i kad na njega nije doveden nikakav napon. Ta struja se obično naziva “struja naleta diode” ili “mirna struja diode” te, iako iznosi svega nekoliko desetina µA, na velikom otporu (atenuator na ulazu u mjerno pojačalo) može nastati pad napona i do 1 V. Problem je što se promjenom atenuatora (promjenom mjernog opsega) također u nekom rasponu mijenja i ukupni ulazni otpor pojačala, a to onda znači da bi i napon na pojačalu uzrokovan strujom naleta diode bio različit na svakom mjernom opsegu. Ova struja bi uzrokovala pomake jednom namještene električne nule na instrumentu kako se mijenjaju mjerni opsezi, odnosno na svakom opsegu bi ova struja uzrokovala drugačiju pogrešku mjerenja (veće struje bile bi na nižim mjernim opsezima). Stoga je struju naleta diode potrebno na neki način neutralizirati ili kompenzirati kako ne bi morali podešavati instrument za svaku promjenu mjernog opsega. Na našoj shemi zelenom bojom smo istaknuli krug koji služi za kompenzaciju struje naleta ispravljačkih dioda. Kompenzacija (AC balans) se vrši tako da se na ulaz pojačala dovede struja koja je iste vrijednosti ali suprotnog predznaka od struje naleta diode te se onda jednom strujom poništava druga struja. To su, kao što smo rekli, vrlo male vrijednosti struje te se ista dobiva iz izvora napajanja preko djelitelja napona i otpornika velikih vrijednosti. Fino podešavanje vrši se potenciometrom AC balans.
Sam princip rada diferencijalnog mjernog pojačala opisivali smo kod svih cijevnih voltmetara pa se ovdje nećemo ponavljati. Spomenimo još samo kako se potrebni istosmjerni anodni naponi za elektronske cijevi dobivaju preko ispravljača sa silicijskom diodom i kondenzatorskim filtrom 16µF/150V.
Metalna čašica na sredini tiskane pločice (između elektronki) i opruga na nosaču iznad nje kontakti su za smještaj baterije 1,5 V za mjerenje otpora.
Unutrašnja konstrukcija instrumenta je prilično kompaktna i vađenje ploče sa elementima zahtijeva odlemljivanje određenih spojeva što mi nismo činili. Vidi se da su natpisi na pločici na njemačkom jeziku i gotovo sve elektroničke komponente su njemačke proizvodnje, no specifični mjerni instrument sa velikom skalom kao i kućište instrumenta vjerojatno potječu iz matične tvrtke Heathkit.
Elektronske cijevi također su proizvod njemačkog pogona Daystrom. Desno je bolji prikaz samog zakretnog sistema mjernog instrumenta.
Cijevni voltmetri su nezaobilazni dio svake kolekcije starih mjernih instrumenta, no to su također instrumenti koji se i često restauriraju, a onda u nekoj mjeri čak i koriste za određena mjerenja. Obično su sastavljeni od malo elektroničkih elemenata i ukoliko su elektronske cijevi još uvijek ispravne dovoljno je promijeniti par elektrolitskih kondenzatora, eventualno izvršiti baždarenje, pa da se instrument može praktično koristiti još dugi niz godina. No ukoliko već posjedujemo moderne elektroničke voltmetre velike osjetljivosti i preciznosti onda možda nije poželjno električnom restauracijom narušavati originalnost i kolekcijsku vrijednost ovakvih uređaja. Upravo ti elektrolitski kondenzatori koje je uvijek treba mijenjati zapravo znaju imati najzanimljivije dizajne, oblike i boje te nije lijep osjećaj otvoriti jedan takav instrument i u njemu zateći već zamijenjene elektrolite i druge elektroničke elemente. Tako ćemo i mi ovaj naš cijevni voltmetar sačuvati u izvornom obliku i možda se jednom neki zaljubljenik u dobru staru tehnologiju ponovno ugodno iznenadi kad ugleda izvorni jarko crveni zapadnonjemački ERO visokonaponski kondenzator star 70 godina koji na sreću nije nitko zamijenio nekom današnjom bezličnom inačicom kondenzatora od modernih polipropilenskih folija 🙂
Prva skala služi za mjerenje otpora. Kalibracija se vrši namještanjem kazaljke na puni otklon. Očitanu vrijednost potrebno je pomnožiti sa mjernim opsegom.
Druge dvije skale zajedničke su za mjerenje izmjeničnog i istosmjernog napona. Za očitanje se odabire ona skala koja odgovara množitelju odabranog mjernog opsega (baza 15 ili baza 50). Očitava se RMS vrijednost izmjeničnog napona.
Druge dvije skale služe za očitanje vršnih vrijednosti izmjeničnih sinusnih napona (Vpp – peak to peak). Ovdje vrijedi da je Vpp = RMS x 2,83. Gornja skala se koristi za mjerene opsege s bazom 15, a donja za mjerne opsege s bazom 50. Ove skale su zapravo pomoćne skale tako da nije potrebno ručno preračunavanje RMS i Vpp vrijednosti sinusnih izmjeničnih napona, odnosno omogućeno je istovremeno očitavanje ove dvije vrijednosti napona.
Crvena skala za slabljenje i pojačanje u dB baždarena je za izmjenični naponski opseg od 1,5 V dok je za svaki slijedeći veći opseg očitanoj vrijednosti potrebno pribrojiti +10 dB. Ova skala referira se na uobičajenu dBm skalu (0 dB = snaga od 1 mW na opterećenu 600 Ω).
Sa potenciometrom za namještanje nule kazaljka se može dovesti i na sredinu skale čime se instrument može koristiti kao nul-metar (galvanometar).