Danas je nabavljen cijevni multimetar oznake ME-26D/U iz 1967. godine koji je za potrebe Američke vojske izradila tvrtka Sentinel Electronics Inc. Smatra se da su vojni multimetri serije ME-26 nastali iz civilne inačice koju je tvrtka Hewlett-Packard razvila pod oznakom VTVM 410B.
Osim oznake proizvođača Sentinel Electronics Inc. na prednjoj ploči je i oznaka američkog vojnog poligona, skladišta i servisa Tobyhanna Army Depot. Između ostalog, u Tobyhanna Army Depotu nalazi se i tehnički centar za održavanje širokog spektra vojne elektronike američke vojske. Moguće da je ovaj uređaj poslan u Tobyhanna Army Depot na modifikaciju, kalibraciju, servis ili nešto slično.
Cijevni multimetar ME-26D/U omogućuje slijedeća mjerenja:
- mjerenje istosmjernog napona do 1000 V u sedam mjernih opsega
- mjerenje izmjeničnog napona do 300 V u šest mjernih opsega (20 Hz – 700 MHz)
- mjerenje električnog otpora do 500 MΩ u sedam mjernih opsega
Unutrašnji otpor kod istosmjernih mjerenja napona je 122 MΩ, a kod izmjeničnih mjerenja napona do 100 kHz ulazna impedancija je 10 MΩ. Kod mjerenja viših frekvencija impedancija pada zbog dielektričnih gubitaka na ulaznom kapacitetu 1,5 pF. Točnost mjerenja istosmjernog i izmjeničnog napona je ±3% na puni otklon skale na svim mjernim opsezima. Točnost mjerenja otpora je ±5% (±10% na opsegu Rx1).
Prednja ploča multimetara je vrlo jednostavna i uključuje sklopku za odabir vrste mjerenja, sklopku za odabir mjernog opsega i tri potenciometra za kalibraciju nule za svaku vrstu mjerenja.
Mjerni kablovi su fiksno spojeni na prednju ploču i zasebni su za svaku vrstu mjerenja. Zajednička je samo prva stezaljka za masu (COMMON), a onda slijedi crvena pipalica za mjerenje otpora (OHMS), zatim sonda za mjerenje istosmjernog napona (DC) i sonda za mjerenje izmjeničnog napona (AC). Zajednička stezaljka je u našoj inačici uređaja električki izolirana od mase (šasije) samog instrumenta. DC sonda se nalazi na koaksijalnom (oklopljenom) kabelu i sadrži otpornik od 22 MΩ. AC sonda je također na koaksijalnom kabelu i sadrži elektronsku cijev, VF ispravljačku diodu 2-01C. U našem slučaju nedostaje ta elektronka kao i poklopac sa mjernim šiljkom. Mrežni kabao je opremljen utikačem za mrežni napon 115 V, no primar transformatora se može prespojiti i za napon 230 V.
Do sada smo opisali već nekoliko elektronskih voltmetara, različitih konstrukcija. Najjednostavniji elektronski voltmetri imaju samo diodni detektor u paralelnoj vezi. Takav detektor ima dosta nedostataka te se nakon njega obično stavlja diferencijalno pojačalo bazirano na dvije triode. Mjerni sistem može biti vezan u anodni ili katodni krug diferencijalnog pojačala. Ako postoji potreba za mjerenjem vrlo niskih istosmjernih napona onda se prvo stavi istosmjerno pojačalo, a na kraju diferencijalno pojačalo. Ukoliko pak se žele mjeriti vrlo mali izmjenični naponi onda se prije detektora stavljaju širokopojasna izmjenična pojačala. Postoje i elektronski voltmetri sa jednom triodom koji se baziraju na mjernim mostovima (Vitstonov most). Ukratko, ovisno o tome kakve napone želimo mjeriti, u elektronski voltmetar će biti ugrađeni i adekvatni tipovi pojačala za takva mjerenja.
Elektronička shema multimetra ME-26D/U.
Kod multimetra ME-26D/U za mjerenje izmjeničnih napona na ulaz se uključuje detektorska (ispravljačka) cijev V1 oznake 2-01C koja je smještena u samoj ispitnoj sondi. Ovo je specijalna dioda koja ima anodu izvedenu na vrhu balona tako da je ulazni kapacitet jako mali. Osim toga, razmak između katode i anode je vrlo mali (oko 0,5 mm) pa se vrijeme preleta elektrona može praktično zanemariti za frekvencije niže od 700 MHz. Također je i poklopac sa mjernim šiljkom same AC sonde izrađen od specijalne plastike (polistiren) koja ima male dielektrične gubitke što u kombinaciji sa malim ulaznim kapacitetom omogućuje mjerenje visokih frekvencija.
Igled elektronske cijevi (VF diode) 2-01C i shema izmjenične sonde za multimetar ME-26D/U.
Ulazni istosmjerni napon sa mjerne sonde dalje se vodi na preklopnik za odabir mjernih opsega, a zatim na simetrično diferencijalno istosmjerno balansirano pojačalo (V2A i V2B) koje ovdje ujedno radi i kao svojevrstan transformator visoke ulazne na nisku izlaznu impedanciju za slijedeći stupanj mjernog pojačala. Ovo pojačalo radi na reduciranom naponu grijanja katode (otpornik 40 Ω) i reduciranom anodnom naponu (cca 20 V) kako bi ionske struje rešetke ostale male na visokoj ulaznoj impedanciji (100 MΩ). Na jedan ulaz pojačala (V2A) dovodi se mjerni istosmjerni napon, a drugi ulaz (V2B) je kod istosmjernih mjerenja uzemljen, a kod izmjeničnih se veže na otpornike za kompenzaciju struje naleta detektorske diode.
Naime, 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 ulaznom otporu pojačala (100 MΩ) može nastati veliki pad napona. Također, promjenom ulaznog atenuatora (promjenom mjernog opsega, otpornici R3-R10) u nekom rasponu mijenja se 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. Tome služe otpornici R14-R18 koji se kod izmjeničnih mjerenja preklapaju u krugu rešetke cijevi V2B istovremeno sa promjenom mjernog opsega.
Druge dvije triode (V3A i V3B) čine mjerno pojačalo, odnosno balansirani mjerni most za detekciju istosmjernog napona. Dvije grane mosta čine triode sa rešetkama vezanima na izlaze diferencijalnog pojačala.
Za promjenu polariteta mjerenja ulaznog napona preklapa se polaritet priključaka samog mjernog instrumenta. Kada nema mjernog napona rešetke cijevi su na istom potencijalu i most je u balansiranom stanju.
Kako bi se mogla koristiti ista skala za mjerenje istosmjernih i izmjeničnih napona, kod izmjeničnih napona u mjerno pojačalo se uključuju kalibracijski trimer-potenciometri R35-R40 kojima se struja kroz instrument reducira za oko 30%. Ipak, za dva najniža AC mjerna opsega (1V, 3V) moraju se koristiti posebne skale jer detektorska dioda na niskim naponima nema linearnu karakteristiku.
Za rad multimetra ME-26D/U potrebni su anodni naponi od +150 V (mjerno pojačalo) i +20 V (diferencijalno pojačalo sa kompenzacijom struje naleta diode, napon za mjerenje otpora). Napon od +150 V se dobiva izravno sa ispravljačice 6X4, a napon od +25 V preko stabilizatorke OB2 te njenog anodnog otpornika R45 i djelitelja napona R43/R44.
Što se tiče niskog napona (2 x 6,25 V), pilot lampica se napaja preko otpornika za ograničenje struje R52. Elektronske cijevi V3 (12AU7 za mjerno pojačalo) i V5 (ispravljačica 6X4) dobivaju napon za grijanje katode izravno iz sekundara transformatora 6,25 V dok elektronska cijev V2 (12AU7 za diferencijalno pojačalo) dobiva reducirani napon grijanja (cca 4,5 V) preko otpornika R51.
Za detektorsku elektronsku cijev V1 (2-01C) potreban je napon grijanja od 5V / 0,35 A i to se osigurava posebnim djeliteljem napona (R24, R50, R54) sa finom regulacijom napona preko R50. Djelitelj je vezan na napon 12,5 V (2 x 6,25 V). Serijski u krug djelitelja napona vezan je strujni regulator (balast) za održavanje konstantne struje grijanja V1 u obliku Urdox otpornika 6W.
Za mjerenje većih otpora koristi se istosmjerni napon +20 V dobiven iz visokonaponskog ispravljača i stabilizatora, dok se za male vrijednosti otpora (RX1) koristi poseban naponski izvor dobiven iz niskog napona (grijanje) koji uključuje djelitelj napona (R47-R49) i ispravljač sa silicijskom diodom CR1 (1N253). Sa potenciometrom R49 namješta se mjerni napon od 1,2 V.
Lijevo: Dvije dvostruje triode JAN 6189 (12AU7) za pojačala i stabilizator struje Amperite TJ601K01 6-4 za stabilizaciju grijanja detektorske elektronke 2-01C. Desno: Filtarski kondenzator, stabilizatorka napona OB2 i punovalna ispravljačica 6X4.
Od sredine 1930-tih godina u široku upotrebu ušle su komponente po konstrukciji vrlo slične žaruljama sa žarnom niti koje su služile za stabilizaciju struje. Primjer toga je i ova naša “regulatorka” američkog proizvođača Amperite i oznake TJ601K01 6-4. Konstrukcijski to je otpornik od željezne otporne niti zatvorene u stakleni balon napunjen vodikom te se kao takav ponaša kao otpornik sa pozitivnim temperaturnim koeficijentom (PTC). Loša strana takvih regulatora je to što su toplotno dosta inertni te sporo reagiraju na promjene struje, odnosno s uspjehom djeluju samo onda kad promjene struje nisu nagle. Vodik služi za sprječavanje oksidacije željezne niti i za pospješivanje zagrijavanja niti kako bi ista imala što brži odziv na promjene struje. Ovi otpornici su često služili za stabilizaciju velikih fluktuacija napona napajanja koji su tada bili česti u mreži. Sa pravilno izabranim režimom rada ovi otpornici bi uspješno regulirali pogonski napon čak i kod njegovog dvostrukog povišenja, a i u slučaju ako on nešto padne ispod svoje vrijednosti.
Preteče željezo-vodik otpornicima su bili uran-dioksid otpornici ili skraćeno Urdox otpornici. Urdox otpornici su se u početku proizvodili kao kapsule ili štapići od uran dioksida zatvoreni u staklene tubice, a ponašali su se kao otpornici sa negativnim temperaturnim koeficijentom (NTC). Takvim otpornicima je otpor u hladnom stanju najveći, a sa zagrijavanjem pada, te u nekom radnom režimu poprime neku određenu vrijednost koja se zatim više praktički ne mijenja. Kao takvi služili su za ograničenje struje (pojavu velikih strujnih pikova) kod prvog ukapčanja hladnih grijaćih niti elektronki na napajanje, odnosno za postepeno i stabilizirano zagrijavanje žarnih niti elektronki spojenih u seriju.
Postojale su i kombinacije ova dva tipa regulacijskih otpornika, gdje bi u istu cijev bio ugrađen željezo-vodik otpornik (PTC) i uran dioksid otpornik (NTC). PTC otpornici su se kasnije počeli proizvoditi kao zasebni elementi od manje osjetljivih materijala ali su se svejedno još do 60-tih godina ugrađivali u staklene balone (vjerojatno zbog kompatibilnosti kod zamjene) te se i zadržao naziv Urdox. Također, negdje se za ove otpornike koristi i naziv “barretter” jer je princip rada sličan barretterima koji su se koristili za detekciju radio signala u prvim radio prijemnicima.
Silicijska dioda 1N253 za ispravljanje izmjeničnog napona 6,25 V za rad ommetra vjerojatno je modernizacija originalnih metalnih ispravljača (selenskih ili bakarnih) koji su ugrađivani u ove uređaje. Moguće da je ova modernizacija napravljena 1978. godine u Tobyhanna Army Depotu.
Na osovine potenciometara za kalibraciju montirane su posebne vijčane stezaljke koje sprječavaju pomicanje osovina nakon kalibracije. Time se sprječava neželjeno razdešavanje jednom kalibriranog instrumenta uslijed vibracija i sličnih potresa kao i tijekom skidanja poklopca te izvlačenja i uvlačenja mrežnog kabla u za to predviđeni prostor ispod potenciometara. Ovakvi sistemi osiguranja viđaju se samo na vojnim uređajima i uređajima specijalne namjene.
Multimetar ME-26D/U odlikuje vrlo širok raspon mjerenja istosmjernih i izmjeničnih napona te električnog otpora, velik unutrašnji otpor instrumenta te linearnost u širokom frekvencijskom opsegu mjerenja izmjeničnih napona.
Pomalo je nespretno što iz uređaja stalno “vise” četiri mjerna kabla, no to nije toliki problem ako se uređaj stacionarno koristi u nekom vojnom servisu. S obzirom da svaka vrsta mjerenja ima svoje mjerne kablove manja je mogućnost oštećenje instrumenta zbog nepravilno utaknutih mjernih kablova, kao što se to može desiti kod multimetara sa više utičnica i jednim parom kablova. Također, ovo je i najprikladnije rješenje mjernih kablova za ovaj instrument jer oni za svako mjerenje moraju biti drugačiji.
Izmjenična (AC) sonda multimetra ME-26D/U. Kod našeg primjerka preostalo je samo podnožje za elektronsku cijev dok je gornji dio sonde izgubljen.
Izmjenična VF mjerenja zahtijevaju ispravljačku diodu što bliže mjernom šiljku kako bi ulazna kapacitivnost bila minimalna i posebni kabao koji kombinira koaksijalni signalni vod i vod za dovođenje napona grijanja katode. Također, u samu sondu moraju biti ugrađeni RC elementi koji zajedno sa unutrašnjim kapacitetom sonde i ulaznog kruga voltmetra čine odgovarajući propusni filtar i odgovarajuće kapacitivno/omsko opterećenje kruga na kojem se vrši mjerenje.
Istosmjerna (DC) sonda multimetra ME-26D/U na koaksijalnom kabelu i sa izolacijskim otpornikom 22 MΩ.
Istosmjerna mjerenja zbog vrlo visoke ulazne impedancije (osjetljivosti) također traže posebno oklopljeni mjerni kabao kako se ne bi inducirale elektromagnetske smetnje iz okoline. U našoj inačici multimetra u DC sondi nalazi se izolacijski otpornik od 22 MΩ. Većina cijevnih voltmetara ima u DC sondi slične otpornike. Njihova je uloga dvojaka: uvelike smanjuju unutrašnji (parazitski) kapacitet samog instrumenta koji može utjecati na istosmjerni krug na kojem vršimo mjerenje napona, te zajedno sa tim unutrašnjim kapacitetom čine niskopropusni RC filtarski krug koji onda prigušuje VF izmjenične šumove koji mogu biti prisutni u istosmjernom naponu koji mjerimo. Bez obzira na mali unutrašnji kapacitet našeg voltmetra (1,5 pF do frekvencija 100 kHz), sami mjerni kablovi koji su mahom koaksijalni mogu imati daleko veći vlastiti kapacitet (60-120 pF). Takav kapacitet priključen na mjerni krug može izazvati znatne poremećaje u istom posebice ako se radi o mjerenjima na VF krugovima (slično kao što poremećaje može izazvati i priključenje voltmetra niskog unutrašnjeg otpora na krugove slabe struje). Koaksijalni kabao ovdje ne možemo zamijeniti običnim žicama za smanjenje kapaciteta jer ćemo time imati problem sa indukcijom EM smetnji iz okoline pa je najpraktičnije rješenje stavljanje izolacijskog otpornika velike vrijednosti što bliže mjernom šiljku DC sonde, odnosno u seriju sa kapacitivnom reaktancijom mjernog kabla. Naravno, otpornik od 22 MΩ u našem slučaju i dodatno povećava unutrašnji otpor voltmetra sa 100 MΩ na 122 MΩ što dodatno umanjuje omsko opterećenje kruga na kojem vršimo mjerenje.
Recimo samo da izolacijski otpornik ne može biti proizvoljan i na osnovu njega se kalibrira čitav voltmetar. Takav otpornik različito djeluje na istosmjernim i izmjeničnim, posebice VF mjerenjima. Kod VF mjerenja je takav otpornik zapravo i nepoželjan, a dizajn sonde u svim segmentima utječe na rezultate mjerenja. Stoga je bitno da se za VF i slična osjetljiva mjerenja svakako koriste one sonde koje su tvornički izrađene i kalibrirane za neki konkretni mjerni instrument.
Na kraju, za mjerenje otpora su najpogodnije obične žice, što deblje, jer moraju imati što manji (zanemariv) vlastiti omski otpor. Zato za takve mjerne kablove ne dolaze u obzir nikakvi dodatni otpornici smješteni iza mjernih šiljaka.
Multimetar ME-26D/U je očito bio predviđen za mjerenja na vojnim radio uređajima i sličnoj VF tehnici te je i čitava njegova konstrukcija podređena upravo toj namjeni.