Danas je nabavljen voltmetar za izmjenične napone do 250 V (Dioden-Röhrenvoltmeter) sa ugrađenom detektorskom elektronskom cijevi, diodom KB2, iz druge polovice 1930-tih godina. Vrlo sličan voltmetar iz istog razdoblja opisali smo u objavi Diodni voltmetar 0-250V, 30Hz-50MHz.
O njemačkom poduzeću „Franz Bergmann und Paul Altmann K.G.“ nismo našli neke konkretne podatke. Na Internetu se mogu naći katalozi ovog poduzeća iz razdoblja 1893. do 1937. godine gdje se prodaje razna laboratorijska oprema, težišno za tadašnje kemijske laboratorije.
Prijašnji vlasnik je na mjesto baterije ugradio mrežni ispravljač 6 V za grijanje elektronske cijevi KB2. Upotrijebljeni regulator napona SFC2806EC je iz 1981. godine tako da se postavlja pitanje zašto je netko u tim godinama, kada su multimetri već bili jeftini i široko rasprostranjeni, želio na ovakav način osposobiti za rad ovaj voltmetar iz 1930-tih godina.
Uklonili smo naknadno ugrađen ispravljač i ostavili samo originalne komponente.
Da bi mogli nešto više reći o samom voltmetru, prvo moramo izvesti njegovu elektroničku shemu.
Elektronska cijev KB2 sadrži dvije signalne diode sa zajedničkom katodom i primarno je razvijena kao detektorska dioda za radio prijemnike (AM i AGC detektor). U našem voltmetru se koristi samo jedna sekcija diode. Jasno se uočava kako je ista u paralelnoj vezi, odnosno ulazne priključnice i radni otpori su vezani paralelno sa ispravljačkom diodom. Paralelno umjesto serijskog spajanja ispravljačke (detektorske) diode ima dvije osnovne prednosti: lakše je podešavanje električne nule instrumenta i mjerenje je moguće i kad ne postoji galvanska veza preko ulaznih priključnica (na primjer kod mjerenja napona na kondenzatoru).
Unutrašnji otpor diodnog voltmetra ovisi isključivo o otporu mjernih otpornika u djelitelju napona za pojedine mjerne opsege. Poželjno je da ti otpori budu što je moguće veći, no što su veći mjerni otpornici to se mora koristi osjetljiviji instrument i povećava se donja granica mjerenja napona.
U našem slučaju se koristi instrument osjetljivosti 50 µA, a unutrašnji otpor je oko:
- oko 36 kΩ na opsegu 2 V
- oko 273 kΩ na opsegu 10 V
- oko 1,5 MΩ na opsegu 50 V
- oko 1,8 MΩ na opsegu 250 V.
Ne možemo napraviti točna mjerenja jer su svi otpornici bez oznaka, preklopnik za odabir mjernih opsega ne radi najbolje, a za očekivati je da su se vrijednosti elemenata kroz 80+ godina više ili manje promijenile.
Ovo su unutrašnji otpori kakve bi i očekivali kod običnih voltmetara sa zakretnim svitkom. Pod pojmom „cijevni voltmetar“ se misli na voltmetre sa cijevnim pojačalom (trioda ili pentoda) i oni imaju unutrašnje otpore 10 MΩ ili veće. Naš voltmetar u tom smislu svakako nije cijevni voltmetar bez obzira što sadrži elektronsku cijev, jer je to nije aktivna pojačivačka komponenta nego samo ispravljačka dioda.
Slično kao kod cijevnih tako i kod diodnih voltmetara postoji potreba za kompenzacijom struje mirovanja. Naime, čak i kad na stezaljkama nema priključenog nikakvog mjernog napona, kroz diodu teče neka mala struja (tzv. struja naleta diode). Ova struja je reda nekoliko desetaka µA, no na velikom otporu i uz tako malu struju dobiti ćemo pad napona 0,5 – 1 V. Stoga je naš potenciometar opremljen potenciometrom za kompenzaciju struje mirovanja, odnosno namještanje električne nule. Potenciometar je označen sa „Komp.“ i pomoću njega se kazaljka podešava na nulu, odnosno istoimenu crvenu oznaku na početku skala.
Drugi potenciometar označen sa UH je za podešavanje napona grijanja elektronske cijevi KB2. Nominalni napon grijanja cijevi je 2 V, a potrošnja struje 95 mA. Vrlo vjerojatno se naš instrument napajao preko neke standardne baterije višeg napona (3 ili 4,5 V). Ispravljač koji je netko ugradio umjesto baterije daje 6 V istosmjernog napona. Kako god bilo, serijski vezanim reostatom UH od 50 Ω se mogu regulirati ulazni naponi u rasponu 2 – 8 V tako da grijač elektronske cijevi bude na nominalnih 2 V. Podešavanje napona grijanja se prati na mjernom opsegu „Pr.“ gdje kazaljku instrumenta treba dovesti na oznaku UH na središnjem dijelu skale.
Paralelno vezanim kondenzatorima sa ispisanim vrijednostima od 1 µF i 401 smo izmjerili stvarne vrijednosti od 1,4 µF i 1 nF. Ovi kondenzatori služe za filtriranje poluvalno ispravljenog napona. Za vrijeme pozitivne poluperiode izmjeničnog napona kada dioda vodi, kondenzator se preko nje puni na vršnu vrijednost ulaznog napona. Za vrijeme negativne poluperiode kada dioda ne vodi, na kondenzatoru ostaje dosegnut napon i on se prazni preko mjernih otpornika i instrumenta. Unutrašnji otpor mjernog kruga mora biti što veći kako bi se kondenzator što sporije praznio u negativnoj poluperiodi i praktički zadržavao vršni napon. Shodno tome se i kapacitet kondenzatora računa prema unutrašnjem otporu, odnosno prema opterećenju istog u mjernom krugu. Napon na kondenzatoru je dakle cijelo vrijeme na razini vršnog ulaznog napona uz minimalne padove tijekom negativne poluperiode.
Međutim, napon na mjernim otpornicima nije isti kao na kondenzatoru jer kondenzator nije vezan paralelno njima. Na mjernim otpornicima će se pojaviti sinusni napon amplitudno jednak ulaznom, ali sa pomakom čitave sinusoide u pozivne vrijednosti. To je zato jer se ovdje napon na kondenzatoru, kad jednom dostigne vršnu vrijednost (što je u praksi već nakon nekoliko poluperioda), dalje konstantno zbraja sa ulaznim naponom, pa na otpornicima zapravo dobivamo dvostruku vrijednost ulaznog napona.
Spoj kondenzatora i diode na ulazni napon kako se vidi na našoj shemi vrlo lako možemo prepoznati kao Villardov poluvalni udvostručivač napona, a u engleskoj literaturi se ponekad za ovaj krug koriste nazivi poput „Diode clamp“ ili „DC voltage restorer“. To je svojevrsno zbrajalo istosmjernog napona dostignutog na kondenzatoru sa ulaznim sinusnim naponom. Ovisno kako je okrenuta dioda, zbrojeni napon će uvijek biti u pozitivnom ili negativnom području tako da se ovaj krug može promatrati i kao ispravljač napona. Također, udvostručivanje napona se može dalje ponavljati narednim stupnjevima dioda-kondenzator, tako da je ovo prvi stupanj višestrukih udvostručivača napona poput Cockcroft-Walton generatora kojeg smo opisali u objavi Ionizator zraka – AETE, a svakako smo ovakve umnoživače napona susretali i kod više drugih uređaja gdje je potreban visoki napon.
Doduše, za ovaj naš voltmetar primarna zadaća kondenzatora nije udvostručivanje napona (to je poprati efekt) nego ispravljanje napona uz zadržavanje visoke ulazne impedancije. Naime, kada paralelno spojena dioda u svakoj poluperiodi provede, ona bi bez kondenzatora praktično kratko spajala ulazne priključnice čime i ulazni otpor padao gotovo na nulu. To bi jako opterećivalo naponski izvor na kojem mjerimo napon. Dodatkom kondenzatora, dioda ovdje samo vrši ulogu elektroničke sklopke koja nadopunjava nastalo pražnjenje kondenzatora. Struja kroz diodu se time pojavljuje samo u vrlo kratkim intervalima ukoliko je potrebna dopuna kondenzatora i ona je reda nekoliko µA. Stoga se u ovakvom krugu stalno zadržava visoki ulazni otpor na priključnicama voltmetra.
Iz svega vidimo da naš instrument zapravo mjeri efektivnu vrijednost dvostrukog ulaznog napona pomaknutog u istosmjerno područje koja jednaka vršnoj vrijednosti ulaznog napona. To je onda mjerač maksimalnog (vršnog) napona (negdje se naziva detektor maksimalnog tipa ili pik-detektor). No bez obzira na to, skale instrumenta mogu biti baždarene bilo kako, obično tako da pokazuju efektivnu vrijednost nominalnog ulaznog sinusnog napona. Ako malo bolje pogledamo skale za mjerne opsege, vidimo da je ona najmanja (za 2 V) malo zbijenija na početnom dijelu. Ova zbijenost bi bila još više izražena da imamo niže mjerne opsege za niže napone (ispod 1 V). Do nelinearnosti između ulaznog i detektiranog napona kod različitih amplituda ulaznog napona dolazi zbog konačnog unutrašnjeg otpora instrumenta (otpora mjernih otpornika) ili drugim riječima zbog vremenske konstante pražnjenja kondenzatora preko mjernih otpornika. Što je vremenska konstanta veća, odnosno unutrašnji otpor veći, to će detekcija biti linearnija. Iz tog razloga kod diodnih voltmetara za više mjernih opsega najčešće susrećemo iscrtane zasebne skale za svaki mjerni opseg. Iako se sklop diodnog voltmetra čini jednostavnim, potrebno je dobro proračunati vrijednost kondenzatora i mjernih otpornika s obzirom na graničnu frekvenciju mjerenja voltmetra i kako bi se dobile što linearnije skale.
Žigovi na bakelitnim predmetima se ponekad mogu istražiti, no to su uglavnom oznake tvornica i pogona u kojima je napravljen bakelitni odljevak, te oznake kvalitete (tipa) same bakelitne smjese.
Sa unutrašnje strane skale ili na unutrašnjim komponentama instrumenta ponekad može biti ispisana godina njegove proizvodnje ili sklapanja. Ovdje pak nalazimo samo tvorničke brojeve vezane uz montažu komponenti.
Diodni voltmetar je najjednostavnija izvedba izmjeničnog voltmetra ako izuzmemo zakretne mjerne sisteme koji mogu izravno mjeriti izmjenične napone i struje. Ono što se čini pomalo neobično kod ovog voltmetra, kao i kod prethodno opisanog Diodnog voltmetra 0-250V, 30Hz-50MHz, to je „neracionalna“ upotreba elektronskih cijevi. Tako smo kod prethodnog voltmetra imali pentodu RV12P2000 u spoju diode, a ovdje pak imamo dvostruku diodu KB2 gdje je iskorištena samo jedna dioda.
Jedan od razloga je svakako potreba za ugradnjom diode za visoke frekvencije (VF diode) kako bi voltmetar bio upotrebljiv za što širi opseg frekvencija. Takve zasebne VF diode su bile namjenske elektronske cijevi koje su se izrađivale za specijalne uređaje, tako da su vjerojatno bile rijetke i skupe. Puno lakše su se nabavljale široko rasprostranjene elektronske cijevi za komercijalne radio uređaje. Signalne VF diode za radio prijemnike pak su najčešće bile u sklopu kombiniranih elektronskih cijevi kao dvostruke diode (AM i AGC detektor), a vrlo često i u kombinaciji sa triodom kao prvim stupnjem NF pojačanja. Također je bilo jeftinije i lakše nabaviti neku triodu ili pentodu za komercijalne radio prijemnike te ju koristiti u spoju diode.
Pa ipak, kad se već koriste složenije elektronske cijevi, onda se druga dioda možda mogla iskoristiti za bolji krug kompenzacije mirne struje. Pentoda se ne može bolje iskoristiti za izmjenični voltmetar, no dovoljna je za konstrukciju „pravog“ cijevnog istosmjernog diferencijalnog voltmetra. Do kraja 1950-tih godina voltmetri sa elektronskom cijevi diodom su većinom izašli iz upotrebe, a zadržali su se samo za neka specifična mjerenja visokih napona (nekoliko kV) visokih frekvencija (preko 100 MHz). Za sve druge primjene elektronske cijevi diode su zamijenile kristalne poluvodičke diode.