Trazador de Curvas desarrollado y escrito por Basin Street Design.
Esto es para todos los entusiastas de los amplificadores de válvulas y los hackers que hay por ahí. Quería construir un amplificador estéreo a válvulas del que pudiera estar orgulloso. Sin embargo, en el transcurso del cableado me encontré con que algunos 6AU6 se negaban a polarizar donde debían.
Tengo una copia de 1966 del Manual de Tubos Receptores de RCA y habiendo diseñado electrónica de todo tipo durante un montón de años, entiendo que los datos publicados sobre un dispositivo a veces hay que ponerlos en entredicho. Los datos de las válvulas publicados en estos libros no son en absoluto una garantía de comportamiento en un circuito real para cualquier ejemplar.
Me gustan los pequeños gráficos de familias de curvas de placas, como en la imagen de arriba, en el libro y ESO es lo que quería ver para los tubos que tenía. El uso de un probador de tubos, incluso uno bien calibrado y de alta calidad sólo le dará un punto de datos en una curva de placa entre esa familia. Y ni siquiera sabes qué curva es. No es muy esclarecedor. Comprar un trazador de curvas en el mercado puede ser caro y raro (puedes encontrar un viejo TEK 570 en EBAY una vez al año por 3000 dólares o más) y encontrar uno localmente es imposible.
Así que decidí construir un trazador de curvas. Y puedes ver el resultado en la imagen del encabezamiento. A continuación se ofrece una explicación exhaustiva del proyecto, con el siguiente índice:
1. Introducción
Un trazador de curvas es un dispositivo que traza las curvas características de tensión-corriente de un dispositivo, como un transistor, un diodo o cualquier otra cosa.
En este caso nos centramos en las características V-I de la placa de las válvulas. Con esto me refiero a una curva que muestra la corriente que fluirá en la placa de un tubo en cualquier momento dependiendo de la tensión presente entre la placa y el cátodo. Esta corriente también depende de las tensiones presentes en cada una de las rejillas del tubo. Arriba se muestra una foto de una familia de curvas de placa para el pentodo 6AU6. Hay varias curvas mostradas en esta foto. Cada una es para un voltaje diferente en la primera rejilla (de control). Construí un trazador de curvas para tubos de pequeña señal para facilitar mi comprensión del comportamiento de algunos 6AU6 que estaba utilizando en otro proyecto – un amplificador estéreo.
2. Diseño del Trazador de Curvas
Esta sección describe el diseño y los esquemas del primer intento. Hubo un par de sorpresas en la construcción, pero hablaré de ellas en secciones posteriores.
2.1 Esquemas
Este es el esquemático del primer prototipo:
La línea verde encierra todo el circuito de la pequeña placa de circuito impreso que se mostrará más abajo.
2.2 Estrategia
Necesitaba:
– un circuito que fuera relativamente sencillo pero que proporcionara un alto voltaje de placa y de rejilla de pantalla de osciloscopio,
– el voltaje de la rejilla de control escalonado con pasos de ½ V, 1V cada uno, etc, para el voltaje de polarización,
– un circuito para medir la corriente de placa.
Las lecturas de la tensión y la corriente de la placa se enviaron a través de conectores BNC a un osciloscopio que funcionaba en modo A-B, de modo que el gráfico final de estas dos magnitudes pudiera representarse de forma paralela.
A continuación se explica cada función del esquema.
2.2.1 Tensión de Placa
Para el accionamiento de la placa utilicé una onda semi-sinusoidal directamente del devanado de un transformador de alta tensión, ya que me di cuenta de que la corriente de la placa seguiría la misma trayectoria característica al subir la onda que al bajar.
No es necesario que la forma de la onda sea precisa, calibrada o tenga una forma determinada, siempre que suba y baje de forma no interrumpida. Ni siquiera es necesario que tenga la misma forma cada vez que suba o baje. La forma de la curva resultante está determinada únicamente por las características del tubo sometido a prueba. Esto eliminó cualquier necesidad de un generador de rampa de alto voltaje de precisión, pero todavía tenía que adquirir el transformador para esto…
El circuito de tensión de la rejilla de la pantalla (J2) es simplemente un potenciómetro filtrado colgado de la fuente de voltaje de la placa rectificada con un transistor de alto voltaje como seguidor del emisor para conducir el voltaje al conector. El filtro es bastante lento y tarda un par de segundos en asentarse cuando se mueve el mando del potenciómetro.
2.2.2 Generador de Tensión de Polarización
El generador de polarización escalonada es un cursi convertidor digital-analógico de 4 bits de tipo R-2R accionado por un contador accionado por la onda de 60 Hz de otro devanado del transformador.
Para mantener las cosas relativamente simples y de baja corriente, se utilizó la lógica CMOS de la serie 4000. Este material, que era omnipresente en los años 80, funcionará con cualquier voltaje de 3V a 18V. Esto significa que la potencia puede estar en cualquier lugar de ese rango, puede cambiar si es necesario y, de hecho, funcionará incluso si hay grandes cantidades de rizado u otro ruido en él. Es ideal para aplicaciones alimentadas por baterías. Todavía se puede conseguir hoy en día en cualquiera de los puntos de venta habituales (Mouser, Digi-Key, etc.), incluso si no están haciendo todos los tipos que solían. Además, apenas consume energía.
Así que usé un contador de 12 bits 4040 que tenía por ahí como contador de 4 bits para el paso de la tensión de polarización. El tamaño del paso se cambia cambiando el voltaje de su alimentación. Como el voltaje de polarización del tubo debe ser negativo, el contador funciona entre tierra como su carril positivo y un carril negativo para el otro extremo. El pin «VDD» está por tanto conectado a tierra. Un TIP 107 con una red de polarización similar a la del 7805 suministra los voltios de alimentación negativos al pin «VSS» del chip.
Un interruptor montado en el panel con potenciómetros para cada rango calibra la tensión de polarización máxima generada. El contador acciona una escalera de resistencias R-2R barata para hacer un simple convertidor Digital-Analógico y luego sale al conector banana.
2.2.3 Lectura de Corriente de Placa
2.2.3.1 Localización
La mayor preocupación era medir la corriente de placa. No medí la corriente del cátodo, ya que es la suma de las corrientes de TODOS los elementos, incluida la rejilla de la pantalla. Entonces, la corriente se midió directamente en la placa.
2.2.3.2 Amplificador de Corriente de Placa
El lugar donde se mide la corriente de placa (en la placa) se elevó a unos 400V en la parte superior de la onda. Así que después de dividir el voltaje de la placa hasta 0-6V con un divisor de resistencia para que los ICs OP-AMP pudieran trabajar con él, se necesitaba un amplificador diferencial de gran ganancia y muy bien equilibrado. El LMC6082 OP-AMP de doble precisión hizo esto muy bien y su rango de alimentación incluye tierra por lo que podría ser alimentado desde una sola fuente.
El amplificador es un amplificador diferencial convencional como el que se utiliza en instrumentación, pero con un interruptor de cambio de ganancia para darle dos rangos de salida y dos potenciómetros para la calibración del rango. Así se obtienen escalas de salida de 2V/1mA y 2V/10mA.
2.2.3.3 Sensado de Corriente
Como la corriente de la placa se detecta con una resistencia de 100 Ohm, R1 en serie con la placa, su tensión se eleva a unos 400V. Se hizo más pequeño con dos divisores de resistencia, uno en cada extremo de la resistencia de 100 Ohm. Se muestra como R3, R4, R5, R6 en el esquema y el potenciómetro de valor pequeño y colocado cerca del botón «Push To Test» en el esquema. El potenciómetro equilibra estos dos divisores para que la salida del amplificador indique cero cuando fluye corriente cero en la placa del tubo (ver la sección de calibración más abajo).
Primero utilicé unas resistencias viejas de gran valor para la R3, R4 pero cuando lo probé las curvas que obtuve parecían más globos que líneas simples. Incluyo una foto de lo que vi:
También se puede ver que la pantalla está un poco aplastada en la línea de base. He cambiado estas resistencias por otras más modernas del 5% y he vuelto a calibrar. Lo mismo pero un poco menos. Cada curva de la pantalla tarda 1/120 segundos en trazarse con el punto del osciloscopio primero subiendo la curva y luego volviendo a bajar de la misma manera. Pero entre esas dos excursiones la resistencia se calienta y se enfría lo suficiente como para cambiar su valor. Las resistencias cambiarán su valor dependiendo de la temperatura, no mucho pero lo harán. No creí que pudiera ocurrir tan rápido, pero cambiarlas de nuevo a las de película metálica al 1% resolvió en gran medida el problema.
2.2.3.4 Calibración
Cuando lo encendí comprobé que el equilibrado del amplificador diferencial necesitaba unos 20 minutos de calentamiento para asentarse bastante bien. Después de ese tiempo, el potenciómetro de equilibrio de 25 Ohmios necesitaba ser ajustado para dar una línea muy horizontal en el osciloscopio cuando no fluye corriente en la placa. Después de un tiempo de ajustar esto en la placa cada vez que usaba la unidad, se movió el ajuste al panel y aparece como la perilla marrón de tamaño medio cerca de los conectores de banana rojos. No sé por qué no lo hice antes.
2.2.4 Dispositivos de Test
Quería tener varios zócalos de tubos para los distintos tipos de bases existentes, pero finalmente me decidí por cuatro: zócalos miniatura de 7 y 9 pines, más zócalos octales. También incluí un zócalo de 4 pines para poder probar las viejas válvulas rectificadoras.
El voltaje del filamento provenía de un transformador arrancado de un viejo comprobador de válvulas ReadRite de los años 40, que proporcionaba muchos voltajes de filamento desde 1,1 V hasta 110 V y un interruptor para seleccionarlos.
Encontrar un método de conmutación para acomodar todos los diversos y variados pin-outs de las bases de tubos en el trazador de curvas resultó ser inútil en el mejor de los casos. Así que evité todo el problema y utilicé cables de conexión con cada pin numerado y cada señal llevada a conectores banana. Esto me dio la máxima flexibilidad de conexión y evitó que me volviera loco tratando de encontrar un buen método de conmutación.
3. Construcción del Trazador de Curvas
Decidí que lo construiría sobre un panel de aluminio de 19″ x 7″ x 1/8″ que tenía por ahí. Más tarde se apoyaría en una caja de madera hecha con una estantería de desecho.
3.1 Panel Frontal del Trazador de Curvas
3.1.1 Distribución
La siguiente foto muestra algunas de las piezas principales colocadas en el panel para determinar una buena disposición. Se probaron varias disposiciones.
El gran espacio abierto representa el lugar en el que se colocaría una placa de circuito impreso cableada a mano y sobre separadores.
3.1.2 Taladros
Después de cubrir todo el panel con cinta de pintor y marcar los puntos de perforación, (todo lo que tenía eran un par de punzones de chasis Greenlee y una pequeña prensa de perforación para hacer agujeros) perforé todos los agujeros.
Nota: siempre empezar con un agujero piloto pequeño (1/16″), incluso en aluminio y trabajar hasta el tamaño más grande en pasos. Utilicé tres tamaños de broca para hacer los agujeros de 1/2″ para los conectores tipo banana. El uso de un punzón central es una buena idea también.
El agujero más difícil de hacer fue el de la toma de 9 pines, ya que no tenía un punzón de ese diámetro, sino que tuve que utilizar el del agujero de la toma de 7 pines y luego limarlo hasta conseguir el tamaño más grande. Eso fue un duro trabajo. El único agujero rectangular era para el interruptor de encendido. Fue limado desde un agujero redondo también.
3.1.3 Etiquetas
Lo primero que tuve que hacer antes de colocar cualquier pieza fue etiquetar todos los elementos del panel que pude. Para ello, utilicé unas viejas letras de transferencia de LetraSet que me quedaron de los días de escuela. Por lo que sé, hoy en día sólo se puede comprar en Inglaterra. A continuación, lo cubrí con tres capas de revestimiento Varathane transparente en spray. No sé cómo de duradero será con el tiempo, pero de momento todo va bien…
Obsérvese que los pasos del interruptor del filamento se hicieron posteriormente a mano, ya que no tenía ninguna letra de tamaño adecuado:
3.1.3.1 ON/OFF
El portafusibles de color beige claro está en la parte superior derecha, cerca del orificio de entrada de corriente donde va el cable de alimentación. Debajo de él están la lámpara piloto de neón y el interruptor ON-OFF.
Usted puede o no notar que el interruptor parece estar en la posición de arriba, pero en realidad dice OFF. Este interruptor es un interruptor inglés DPST. Todos los interruptores de potencia allí son UP=OFF/DOWN=ON, no como aquí en Norteamérica donde es al revés. La lógica utilizada al establecer el código eléctrico para los interruptores ON/OFF aquí es que cuando uno se cae accidentalmente contra un interruptor es más probable que aplique una fuerza hacia abajo que hacia arriba y por lo tanto se consideró más seguro si lo que es controlado por ese interruptor se apaga y no se enciende. No tengo ni idea de por qué Inglaterra es al revés, pero me gustó el interruptor de todos modos. Cuando se pulsa da un «Thunk» muy sólido.
3.1.3.2 Tensiones
El interruptor G2 V es para seleccionar la tensión suministrada a la rejilla de la pantalla. Esto se convertiría más tarde en un potenciómetro. A la derecha, el interruptor G1 Step selecciona el tamaño del paso de la rejilla ya sea ½ V pasos de 0 a -7,5V o 1V pasos de 0 a -15V. Por último, en la parte inferior, el conector G BNC es la forma de onda de disparo para que se pueda ver si se desea.
Para el disparo del osciloscopio XY, los dos conectores BNC etiquetados como H y V son señales verticales y horizontales para el osciloscopio.
Para manejar el conjunto de válvulas seleccionado, las tensiones de excitación son los conectores rojos de Banana, y los negros están, por supuesto, conectados a las clavijas del zócalo. Todos los pines del zócalo numerados correspondientemente están en paralelo.
3.1.3.3 Botón Push-to-Test (Pulsar para Testear)
El botón PUSH TO TEST cierra la conexión con la placa del tubo bajo prueba, de modo que sólo tomará corriente cuando se le pida. ¡No tiene sentido dar la espalda para descubrir sólo por el olor que algo no está bien! (No sería la primera vez para mí).
3.1.4 Cables de Conexión
Corté algunos cables de prueba de medidores inservibles en longitudes de aproximadamente 7″ y soldé conectores banana en ambos extremos. Estos cables están hechos con un alambre muy flexible que tendría que ir muy lejos para comprar. Los conectores: uno rojo y uno negro como se puede ver en la siguiente imagen. El rojo es para la tensión de excitación y el negro es para el pin de la válvula; no es que importe pero me pareció mejor que coincidieran con los colores de los conectores que tenía. ¡Me preocupa tanto la moda!.
Sabiendo que tendría que ser capaz de confirmar la calibración de medición de corriente de placa con un método completamente diferente hice un cable para el cátodo con una diferencia. Lo muestro con una pequeña caja con un interruptor. Dentro de la caja hay una resistencia de 10 Ohm que puede ser conmutada dentro o fuera del circuito. El cátodo «drive» es en realidad sólo la conexión a tierra (0V). Cuando la resistencia está conectada, se puede poner un osciloscopio en el extremo catódico del parche y medir la corriente catódica real de un triodo para confirmar lo que su placa está dibujando. Normalmente, la resistencia está desconectada.
Cuando el interruptor se mueve hacia adelante y hacia atrás durante una prueba, la diferencia en la corriente de placa se puede ver con toda la familia de curvas desplazándose hacia arriba y hacia abajo un poco. El efecto es tan pequeño (tal vez 2-4%) que no hace ninguna diferencia real para cualquiera que sea el motivo de medir el tubo, pero ilustra que incluso una resistencia de 10 ohmios en el cátodo puede hacer un cambio visible.
3.2 Placa de Circuito del Trazador de Curvas
A continuación se explica cómo se creó el circuito encerrado con la línea verde (en el esquema).
3.2.1 Construcción del PCB
La placa es un trozo de fibra de vidrio perforada de aproximadamente 2″ x 5″. Hice una conjetura en cuanto al tamaño de la placa y empecé a pegar piezas en ella. Mi método es construir un poco – probarlo – construir un poco más – probarlo, etc. Así evito que una pieza/circuito defectuoso destruya mucho más en un santiamén. El circuito fue cableado a mano usando tecnología PTP. Eso es tecnología «punto a punto». Es vulgar, pero cualquier acrónimo hace que suene a alta tecnología, ¿no?
Las tiras de terminales de tornillo se mantienen en su lugar con pegamento epoxi de 2 partes, ya que no hay circuito de cobre en la parte inferior para soldarlo, como es el caso habitual.
3.2.2 Integración del PCB
Este es el resultado tras integrar la placa de circuito impreso en la parte trasera del panel frontal:
A continuación figuran algunas notas importantes sobre esta integración.
3.2.2.1 Conexión de Cables e Hilos
La placa utiliza terminales de tornillo para conectar los cables, de modo que pueda desmontarla para realizar otras construcciones o cambios después de probar partes de ella. La coloqué sobre unos separadores con bisagras en un extremo y unos rectos en el otro para poder levantarla y acceder al otro lado para realizar mediciones o cambios rápidos sin necesidad de desconectar un millón de cables.
3.2.2.2 El transformador
Como se puede ver en la foto, empecé a anudar el cableado en lugar de atarlo todo con bridas de plástico. Siempre he admirado el aspecto de un arnés bien lazado y quería probarlo aquí, pero no había cordón de lazada por ninguna parte. Quizá alguno de vosotros sepa dónde encontrarlo. Utilicé un hilo de bordar que me sugirió mi mujer, tirado sobre un trozo de cera. Utilicé los nudos de cordón estándar para mi arnés. Para los que quieran aprender este arte arcano, si buscan en Google «harness lacing» encontrarán un par de sitios con instrucciones.
El antiguo comprobador de tubos ReadRite tenía un interesante método de calibración. Colocando los extremos de un potenciómetro cerámico a través de parte del devanado primario y conectando el contacto a la fuente de tensión de línea, la tensión a la que funcionaba el comprobador podía ajustarse por encima o por debajo de la nominal para tener en cuenta las variaciones locales en la tensión de red que pudieran producirse de vez en cuando. (Estas cosas fueron diseñadas en la Segunda Guerra Mundial.) Bueno, este potenciómetro tenía que ser incluido aquí ya que el transformador fue diseñado para que ninguno de los extremos de esa parte del devanado estuviera a la tensión nominal de línea y por lo tanto no se podía utilizar tal cual. Ese potenciómetro, que se calienta bastante, se puede ver como el objeto blanco sostenido por el fleje metálico perforado cerca del transformador.
Cuando llegué a descubrir qué eran todos los cables anónimos del viejo transformador de filamento ReadRite, descubrí, por supuesto, ¡que tenía un bobinado de alta tensión! Así que mi fuente de tensión de placa de válvula estaba resuelta y eliminé un transformador.
3.2.2.3 Regulador de Tensión
En su mayor parte, el calor no era una preocupación, pero puse el regulador positivo de bajo voltaje en un pequeño disipador de calor en aras de la seguridad. Los reguladores de 3 terminales como el 7805 que utilicé pueden disipar alrededor de 1 vatio sin disipador de calor, pero siempre es bueno mantener las cosas frías cuando hay alguna posibilidad de hacerlo de forma barata.
Su terminal de tierra se polariza a +10V con un transistor 2N3906 y un par de resistencias. Esto da los +15V con los que funciona el amplificador diferencial. Esta es una buena manera de obtener cualquier voltaje que desee de uno de esos reguladores comunes. La variabilidad o programabilidad puede obtenerse de la misma manera utilizando un potenciómetro o un convertidor D/A en lugar de una de las resistencias. Dado que una variedad de voltajes de CA están disponibles desde el transformador fue fácil elegir un voltaje para este regulador. Fue 25V. Y como consume tan poca corriente, la rectificación de media onda funcionó bien para alimentar el regulador.
3.3 Caja del Trazador de Curvas
La caja, al igual que todas las demás piezas de este proyecto, se construyó con material de desecho. Es una simple caja de cuatro lados sin fondo pero con pies de goma atornillados. Las piezas fueron cortadas con sierra de calar de una estantería de aglomerado de repuesto que tenía 3 lados cubiertos con la misma chapa que los lados superior e inferior.
Los cortes se hicieron teniendo en cuenta que los bordes con chapado debían mostrarse en la parte delantera de la caja. Los bordes sin chapar se mostraban ineludiblemente en la parte trasera e inferior. Todas las piezas están unidas con tornillos de tablero de partículas que sobraron de unos armarios de cocina de Ikea de hace 10 años. Las cabezas de los tornillos están cubiertas con tapas de plástico blanco de la misma procedencia y luego coloreadas de negro con un rotulador permanente.
En total, la caja del trazador de curvas tardó unas 2 horas y media en hacerse.
4. Rendimiento del Trazador de Curvas
4.1 Medidas
Se muestra una captura de pantalla de las curvas obtenidas para un pentodo 6AU6A:
Como cada curva de la pantalla se genera en 1/60 de segundo y hay 16 en una exploración antes de que se repita, las exploraciones se producen a unas 4 exploraciones por segundo. Este parpadeo funciona, pero no es muy divertido cuando se trata de hacer una medición. Una solución es capturar cada trazado con una exposición de tiempo largo en la cámara. O… usar un osciloscopio de almacenamiento. Lo que ves es uno viejo pero bueno – un osciloscopio de almacenamiento analógico HP 1741A con persistencia variable. La pantalla se apagará después de un tiempo, pero durante unos 30 segundos presenta un gráfico muy observable. Almacenará una pantalla, sin mostrar, durante horas. Funciona bien.
El 6AU6A tiene factores de escala de 50 V / división horizontal y 2,5 mA / división vertical. Estos factores de escala son una combinación del rango de salida del trazador de curvas y la sensibilidad vertical ajustada en el osciloscopio. El cero en todos los casos es la esquina inferior izquierda de la pantalla.
4.2 Evaluación
La unidad ha respondido a mis preguntas sobre la polarización de las 6AU6A y me ha permitido ajustar el diseño de mi amplificador para tener en cuenta las válvulas antiguas. En pocas palabras, conducen peor a medida que envejecen.
Obviamente, este trazador de curvas podría mejorarse con más extras. Sería bueno tener un medidor digital de voltaje de panel que indique el voltaje de la rejilla de la pantalla ajustado con ese mando, entre otros. También más y mayores rangos de polarización o tamaños de paso. Y ya que estamos, ¿qué tal capturar el gráfico en la memoria interna para poder cargarlo en un PC? Tal vez el trazador de curvas podría estar basado en Windows e incluir un ratón. Entonces las pruebas podrían hacerse desde cualquier lugar con conexión a Internet. O tal vez no.
4.3 Limitaciones
De hecho, el trazador de curvas diseñado tenía limitaciones eléctricas. Aparte de un par de pequeños problemas, sus capacidades no permitían trazar tubos de potencia:
- El trazador de curvas de tubo explicado podía generar la curva característica tensión-corriente de placa para una familia de 16 niveles de tensión de red. El generador de polarización de red sólo podía generar pasos de ½ voltio o 1 voltio. Así, la máxima polarización negativa de red disponible era de -15 voltios, ya que la red se escalonaba de 0V a -15V. Esto permite trazar sólo tubos de pequeña señal pero no nada que necesite una polarización mayor.
- Además, la salida vertical, que mide la corriente de placa, era como máximo de 10 mA por cada 2 voltios de salida. El amplificador vertical se saturaría en los carriles de alimentación a +15V por lo que limitaba la corriente de placa máxima visualizable a 75 mA. Necesitaba mostrar corrientes mucho mayores para las válvulas de potencia.
Hubo que cambiar dos secciones principales del trazador de curvas. El generador de polarización escalonada y el amplificador de corriente de placa. Esto se explica en la siguiente sección.
5. Trazador de Curvas Mejorado
Se actualizó el trazador de curvas para permitir la caracterización de los tubos de potencia y mejorar varios problemas.
5.1 Diseño Actualizado
5.1.1 Nuevos Esquemáticos
Incluyo fotos y un PDF del nuevo circuito trazador de curvas en su totalidad aquí.
5.1.2 Nuevo Prototipo
Siendo tan perezoso como siempre, construí el nuevo circuito trazador de curvas en la misma protoboard de 3″ por 5″ que ya había utilizado. Limpié el circuito escalonado anterior y empecé a colocar piezas para el nuevo circuito. Se puede ver que me quedé sin espacio después de completar la mayor parte.
El búfer de salida final tuvo que ser colocado en su propia pieza de protoboard. Y, como es habitual en mi desaliñado estilo, lo pegué con epoxi al extremo de la placa existente. Al probarlo, accidentalmente lo fundí con la sonda del osciloscopio y tuve que desmontarlo y reconstruirlo. Hay que vigilar que las sondas no hagan cortocircuito entre puntos que la máquina no agradece que se cortocircuiten.
A continuación se explican detalladamente todas las modificaciones.
5.2 Calibración de Corriente de Placa de Válvula
Decidí cambiar el potenciómetro utilizado para equilibrar la salida vertical al osciloscopio, R5. El potenciómetro que tenía era muy ruidoso y se estaba convirtiendo en un grano en el culo. Después de cambiarlo por el siguiente potenciómetro de menor valor que pude conseguir (50 Ohmios a través de una resistencia de 10 Ohmios) muestro el efecto que tiene en la salida conectando la unidad para un funcionamiento normal:
Muestra una línea horizontal sin corriente de placa. La ganancia vertical del osciloscopio se amplía 10x para mostrar esto. Ajusto el nuevo potenciómetro de equilibrio de extremo a extremo con el osciloscopio de almacenamiento pintando todos los puntos de la pantalla. Muestra que sin corriente de placa se puede generar una señal vertical distinta de cero a partir de la forma de onda del voltaje de placa que es una media onda sinusoidal. Esto inclinaría toda la familia de curvas hacia arriba o hacia abajo.
5.3 Tensión de Pantalla (Grid)
5.3.1 Potenciómetro Ruidoso
Primero hablo de otro pequeño problema que tuve – el voltaje de la rejilla de la pantalla. El potenciómetro que regulaba el voltaje de la rejilla de la pantalla estaba haciendo cosas raras. Tardé un rato en encontrar un fuerte ruido de SNAPPING que se producía cada pocos minutos pero que por lo demás dejaba la unidad intacta. Era el potenciómetro. Aparentemente no es bueno poner hasta 400V a través de uno. A veces el efecto en el contacto no era bueno y cuando se levantaba, no pasaba nada, pero se volvía a conectar con un fuerte SNAP. Así que se cambió el circuito de la rejilla de la pantalla para permitir voltajes mucho más bajos en el potenciómetro.
5.3.2 Reducir Tensión de Potenciómetro
En el circuito antiguo el alto voltaje del transformador era rectificado por D4 y almacenado en C1. Esto creaba unos 400V en C1. Por lo tanto, el potenciómetro tenía unos 300V a través de él. En el circuito actual (imagen de abajo), los 400 voltios se reducen a unos 25V dc por el divisor de tensión formado por R10 que son dos resistencias de 390K en serie y el propio potenciómetro:
El condensador C2 elimina el ruido de alta frecuencia. El contacto del potenciómetro acciona la base de Q2, que es un transistor NPN de alto voltaje. Por lo tanto, cuanto más baja sea la base de Q2, más alto subirá su colector. La carga del colector, R25, tiene que ser una resistencia de valor muy alto para que no consuma mucha potencia y, sin embargo, no tenga un valor tan alto que no pueda controlar la base del siguiente seguidor de emisor, Q5. Su valor debía estar entre 50K y 75K. No tenía ninguna resistencia de 75K y 2 vatios, así que utilicé ocho resistencias de 1/4 vatios en serie. El condensador C1 elimina todo el rizado. De hecho, su constante de tiempo es tan larga que necesito esperar unos segundos para que se asiente una vez que se mueve el potenciómetro.
Todo el circuito se construyó sobre el propio potenciómetro. R25 es la cadena de resistencias plegada justo a la izquierda del potenciómetro. Como se ilustra en la foto de la sección 5.1.2.
5.3.3 Protección
La resistencia R27 se puso por si el contacto del potenciómetro se levantaba del mismo. No quería que la base de Q2 se abriera apagando así Q2 y dejando que su colector y la salida subieran hasta 400V. De esta manera si el contacto se abre (como la mayoría de los potenciómetros hacen con la edad) entonces la salida irá al voltaje mínimo, no al máximo.
5.4 Amplificador de Corriente de Placa de Válvula
5.4.1 Limitaciones Previas
A continuación hablaré del amplificador de corriente de placa porque fue el cambio más sencillo de los dos rediseños principales. Para poder mostrar una corriente mayor en el osciloscopio, la ganancia del amplificador de corriente de placa tuvo que cambiar. Como estaba saturaría en el rail del OPAMP a unos 75 mA máximo en el rango de salida de 10 mA/2V.
5.4.2 Reducir Ganancia de Amplificadores de Corriente
Evitar la saturación a corrientes de placa aún más altas significaba reducir la ganancia de los amplificadores. Opté por reducirla en un factor de 5. Dado que la configuración del amplificador, formado por U5 A y B y U6A es un amplificador de instrumentación estándar en el que dos op-amps, U5A y U5B, están conectados como un par diferencial con resistencias comunes de ajuste de ganancia, la ganancia está determinada por la resistencia entre el pin 2 y el pin 6 de U5.
Esta resistencia está formada por un potenciómetro y una resistencia fija. En el diseño original había dos combinaciones de este tipo que se elegían accionando un conmutador de palanca montado en el panel. Sustituí el interruptor de palanca por un interruptor giratorio de 4 posiciones y añadí otra combinación de potenciómetro/resistencia para el nuevo rango:
5.4.3 Calibración
La ganancia de este par diferencial se ajusta según la siguiente relación: Si el combo potenciómetro/resistencia se llama Rx entonces la ganancia G es:
\begin{equation} G=\frac{R_8}{R_7}·\frac{R_{14}+R_{19}+R_x}{R_x}\end{equation}
El valor de Rx para el rango de 50 mA/2V se puede encontrar reordenando esta ecuación para Rx e introduciendo los valores conocidos de las resistencias y la ganancia deseada. Se convierte en Rx:
\begin{equation} R_x=\frac{R_{14}+R_{19}}{G\cfrac{R_7}{R_8}-1}\end{equation}
El potenciómetro siempre necesita algún ajuste para que la unidad quede calibrada. En la foto (apartado 5.1.2) se muestra el mando de cabeza de pollo sobre la palabra «TEST» que conmuta este rango. La cuarta posición no se utiliza pero está a la espera de que se produzca alguna circunstancia que haga necesario su uso.
Antes de calibrar la unidad sólo es necesario asegurarse de que el ajuste de ganancia está cableado correctamente. Puse un tubo 12AU7 con puentes y con la polarización adecuada (0 a -15V) para ese tubo lo probé para ver si el potenciómetro alteraba la dimensión vertical de la pantalla. Lo hizo. En este punto giro el pote de extremo a extremo para confirmar que el rango incluye lo que debería resultar ser el valor correcto (1/5 de alto que el del rango 10mA/2V).
Esperaré hasta que haya un triodo de potencia en el receptáculo antes de describir la calibración final (véase la sección 5.6).
5.5 Generador de Polarización
El generador de polarización del trazador de curvas fue, con diferencia, la parte más complicada de cambiar. Ese circuito creció más de 3 veces el tamaño original. Si usted tiene paciencia conmigo también voy a explicar cómo funciona cada parte del nuevo circuito generador, con capturas de pantalla de osciloscopio. Si usted puede comprender la filosofía de funcionamiento con sólo mirar los esquemas a continuación, entonces mejor para usted y puede saltarse esta sección.
Aquí he utilizado la misma filosofía de creación de escalones que antes: la de un contador de 4 bits cuya salida se convierte en analógica con un circuito de escalera R-2R…
El generador de sesgo debe lograr varias cosas:
- En primer lugar, debe avanzar el estado del contador en cada ciclo de la línea de alimentación. Debe hacer esto cuando la salida del transformador cambia a negativo y no se muestra ninguna forma de onda en el osciloscopio. Recuerde que la curva del osciloscopio se muestra sólo cuando la placa es positiva.
- En segundo lugar, debe amplificar los niveles de salida del contador de 4 bits hasta el nivel de polarización máximo, hasta 60 V negativos y, a continuación, convertir esos 4 bits en una tensión analógica.
- En tercer lugar, debe generar con precisión ese nivel máximo de tensión de polarización para poder aplicarlo a la conversión D/A.
- Por último, debe conducir la forma de onda resultante, hasta 60 V P-P, a la rejilla del tubo o al conector del osciloscopio sin distorsión ni carga.
5.5.1 Schmitt Trigger
5.5.1.1 Esquemático
El primer elemento es un disparador Schmitt implementado por U6B. Este fue el único op-amp sobrante del amplificador de corriente de placa. Y por lo tanto se ejecuta desde los mismos carriles de 0V y +15V.
5.5.1.2 Principio de Funcionamiento
La entrada que viene de la toma de 70V del transformador es atenuada en aproximadamente 6:1 por R73 y R74 a unos 16V de pico y aún conserva su forma de onda sinusoidal. Los diodos de protección D19 y D20 impiden que la onda se salga de los límites del carril de alimentación del U6B.
La entrada +ve del op-amplificador está polarizada a la mitad del valor de +15V. Por lo tanto, cuando la entrada supera los +7 ½ V, la salida pasa a un valor bajo cercano a 0 V. Cuando baje de +7 ½ V, subirá cerca de la banda de +15V. En realidad, ya que la resistencia de realimentación R77 está ahí, el amplificador operacional tiene que recorrer cierta distancia más allá de los +7 ½ V (en cualquier dirección) antes de que la salida conmute. En este caso debe viajar 0.75 V extra cada vez. Esto añade 1,5 V de histéresis.
La salida del Schmitt trigger alimenta la entrada de reloj del contador.
5.5.2 Suministro de Tensión de Polarización
5.5.2.1 Esquemáticos
La fuente de tensión de polarización tiene la responsabilidad de generar una tensión calibrada de menos de -7V a más de -60V que debe servir como valor máximo de polarización.
5.5.2.2 Estabilizar la Alimentación
Primero la toma de 70V del transformador es rectificada por D18 y almacenada en los condensadores C7 y C13 para producir -100V con algo de rizado, alrededor de 1 Vpp. Las dos resistencias R43 y R83 aseguran que estos 100V se reparten más o menos uniformemente entre los dos condensadores. Sin esto, los dos condensadores pueden dividir la tensión de forma desigual y permitir que uno de ellos funcione con sobretensión reduciendo su vida considerablemente.
El transistor Q12, la referencia de voltaje U9, los potenciómetros R78-R81 y la resistencia R39 forman un regulador de voltaje para crear -75V más libres de rizado en el extremo inferior de R48. Si el extremo inferior de R48 (donde dice «-75V Reg.») «subiera» un poco (hacia un mayor voltaje negativo), entonces la base de Q12 también «subiría». Dado que su emisor se mantiene a una muy constante -2,5V por U9 entonces Q12 se encendería (más de lo que ya está) y trataría de tirar de su colector hacia abajo, hacia tierra. Por supuesto, cuando digo «hacia abajo» quiero decir que el colector iría positivo hacia tierra. Esto tira más corriente a través de R48, reduciendo la tendencia original. Esta acción reduce el rizado en el extremo inferior de R48 a unos 0,22 Vpp.
El potenciómetro R82 se ajusta para establecer la tensión de funcionamiento en el colector de Q12 a aproximadamente la mitad de su valor máximo de seguridad, alrededor de -20V. El diodo Zener D22 de 36V está ahí para evitar que el colector exceda ese rango seguro (40 V) por cualquier razón. Si el punto de -75V cayera hacia un voltaje negativo menor, entonces ocurriría lo contrario: la base de Q12 «caería» un poco; el colector de Q12 subiría hacia un voltaje más negativo y el punto de -75V se estabilizaría.
5.5.2.3 Tamaño del Escalón de Tensión
Dado que ahora se crea un -75 V estable, entonces cualquier punto a lo largo de una de las cadenas de potenciómetros, con R78 a R81, también es estable y puede seleccionarse para proporcionar un voltaje máximo estable para el generador de pasos de escalera. Se crean cuatro voltajes en los contactos de los potenciómetros: -7.5V, -15V, -30V, -60V y luego se seleccionan con el interruptor. El condensador C10 elimina cualquier ruido residual.
Pero este voltaje necesita ser bufferizado para producir una fuente de baja impedancia. U8 hace esto. Como el 741 op-amp no puede soportar más de 44V max a través de sus pines de alimentación, entonces necesita ser ayudado. Los transistores Q13 y Q14 son excitados por la salida del op-amp para desplazar los voltajes + y – en los pines de alimentación del 741 para que esos voltajes estén cerca del voltaje del contacto del potenciómetro, ya sea -7.5V o -60V. En realidad, el 741 funciona con unos 36 V entre las patillas de alimentación + y -.
Se puede demostrar matemáticamente que, independientemente del voltaje que se introduzca en el 741, esta diferencia de 36V nunca cambia, sino que se desplaza hacia arriba o hacia abajo según sea necesario dentro del total de 100V disponibles. Los transistores Q13 y Q14 sólo pueden soportar un máximo de 40V a través de ellos. Esto pone otro límite en la amplitud máxima de señal que se puede manejar. Este hecho entra en juego en el buffer de salida, U7A.
5.5.3 El Contador
5.5.3.1 Esquemático
Los flancos positivos de 60 Hz del Schmitt trigger hacen avanzar la cuenta del contador de 4 bits.
5.5.3.2 Principio de Funcionamiento
Genero una familia de curvas de 16 miembros con estos 4 bits. Pero cada uno de ellos cambia de tierra a sólo +15V. Sin embargo, necesitan conmutar desde tierra hasta el nivel máximo de polarización (-7.5V o -60V o lo que sea). Los transistores Q8 a Q11 hacen eso.
Cuando el emisor de cada transistor se eleva por un bit de salida, se «enciende» porque la corriente se extrae del bit a través de una resistencia de 15K y luego a través de la unión emisor-base del transistor a masa. Entonces, cuando el transistor se enciende, arrastra corriente a través de él y de la resistencia de colector de 120K en su colector a la tensión de polarización máxima regulada y regulada en la salida de U8.
Cuando cada una de las salidas de cuatro bits del contador se baja a tierra entonces cada uno de Q8 a Q11 se apagan y los voltajes de los colectores caen al voltaje de polarización negativa. Cuando cada uno de Q8 a Q11 están «encendidos» los colectores pueden ser tirados significativamente por encima del potencial de tierra. Los diodos D23 a D26 previenen esto. Ellos limitan ese recorrido a cerca de 0.6V sobre tierra.
5.5.4 Salida de Polarización
5.5.4.1 Esquemático
La siguiente sección es el propio D/A. Este es un circuito muy estándar que ha existido desde que se inventó la lógica digital antes de que yo naciera.
5.5.4.2 Conversor Digital Analógico
Cualquiera de los extremos de la cadena de resistencias 510K podría haber sido elegido como la salida, pero sólo el extremo utilizado como se muestra produce una forma de onda escalonada regular. Así que ese extremo se alimenta al buffer de salida y el otro extremo tiene otra resistencia de 510K unida a masa a través de R68. Esta resistencia rellena todos los bits menores que LSB que están ausentes.
El D/A se compone de 2 valores de resistencia que deben tener una relación exacta de 2 a 1. Como ves, los míos no la tienen, pero se acercan lo suficiente. En mi opinión acercarlos más a la relación 2:1 no tiene retorno de la inversión y es inútil.
La impedancia de salida de cualquier cadena D/A R/2R, independientemente del número de bits implicados, es siempre igual a R.
5.5.4.3 Tensión de Offset
Dado que los cuatro bits amplificados se fijaron a 0,6V sobre tierra entonces la forma de onda de salida se mueve a +0,6V, también. Desplazo toda la forma de onda hacia abajo por ese valor con una pequeña cantidad de corriente negativa inyectada a través de la cadena de resistencias R69 a R72 desde el punto -75V. El valor de esta cadena se ajusta por ensayo y error para eliminar el +0,6V. Consigo que baje a unos +0.05V.
5.5.4.4 Buffer de Salida
El búfer de salida es similar al búfer de tensión de polarización máxima descrito en el último paso, con una pequeña diferencia. Ya que debe dar salida de 0V a -60V, necesita un poco de espacio por encima y por debajo de eso y por lo tanto va de +15V a -100 de alimentación total.
Y como esto excede la cantidad que el opamp y los transistores del circuito anterior podían soportar antes de humear, doblé los transistores tótem para repartir la tensión entre ellos y limitar la tensión aplicada a cada uno. Créanme, no me di cuenta de que tenía que hacer esto hasta que la madre naturaleza me lo dejó claro cuando lo encendí.
El amplificador elegido aquí es una versión de entrada FET del 741 para que no cargue la forma de onda del D/A tomando corriente en sus entradas a través de las resistencias del D/A. Incluso una corriente de entrada de 2 uA cambiaría todo en 1 voltio.
5.5.4.5 La importancia de R84
La resistencia de 820 Ohm, R84, salva el op-amp si el conector se cortocircuita accidentalmente a masa.
En realidad, también sirve para otro propósito muy sutil. Con los transistores en el camino de la alimentación al chip, el op-amp se vuelve menos estable que cuando se utiliza de la forma convencional. Esto significa que cualquier carga reactiva (especialmente inductiva) en la salida del op-amp puede hacerlo oscilar. Este es el tipo de cosas que pueden volverte loco si no tienes ni idea de qué las está causando.
Tener la salida cableada a través de varios centímetros de cable hasta su destino puede ser una carga inductiva. Así que para aislar esta inductancia del amplificador operacional, se inserta una pequeña resistencia de varios cientos de ohmios en el cable de salida cerca del amplificador operacional. Poner la resistencia en el otro extremo del cable sería inútil. De este modo, el amplificador operacional queda protegido tanto de cortocircuitos accidentales como de oscilaciones relacionadas con la carga.
5.6 Calibración del Trazador de Curvas de Potencia
Esta sección proporciona los pasos para calibrar el trazador de curvas de tubos de potencia.
5.6.1 Alimentación del Circuito de Polarización
Lo primero que hay que calibrar es la tensión en el colector de Q12. Controlando ese punto y ajustando R82, se obtienen -20V aprox. Aquí no hace falta precisión. Mientras el colector tenga suficiente espacio para trabajar sin saturar el transistor o hacer que el diodo zener entre en juego, entonces está bien. Fue una suerte que usara un potenciómetro de 10 vueltas ya que su valor es bastante crítico.
Cuando se coloca un osciloscopio en el colector de Q12, se ve una versión grande e invertida de la ondulación en el punto de -100V en el trazo inferior de la toma del osciloscopio de arriba.
5.6.2 Salida de Polarización
Siempre que el circuito funcionaba para generar el escalón, la salida en el conector de control de rejilla se ponía en el osciloscopio. Ahora ajusté las resistencias en la cadena de bajada de tensión, R69 a R72, para que el escalón superior estuviera lo más cerca posible de 0V. No hay potenciómetro aquí – sólo sustituir valor tras valor hasta que es tan correcto como se puede hacer.
A continuación están los cuatro potenciómetros de polarización máxima, R78 a R81. Se ajustan fácilmente observando la forma de onda escalonada de salida en el conector de salida de la rejilla y girando cada uno de ellos hasta que el escalón inferior (más negativo) sea el correcto. Muestro las cuatro formas de onda de salida de polarización en una sola toma en el osciloscopio manipulando el brillo del haz y el selector mientras el osciloscopio de almacenamiento pinta la pantalla.
5.6.3 Ganancia de Corriente de Placa
5.6.3.1 Procedimiento
Una vez que el generador de polarización está operativo entonces se puede calibrar la ganancia de corriente de placa. Con un triodo 6080 en el zócalo de prueba del trazador de curvas, utilicé el puente especial con el interruptor en él. El interruptor inserta una resistencia de 10 Ohm en el cátodo del tubo:
Puse una sonda de osciloscopio en el extremo catódico, no en el extremo «drive» (masa) del puente catódico. Entonces, pulsando el botón «Push To Test» para obtener corriente a través del tubo, pude ver la corriente absorbida por el tubo como una serie de «colinas». Tenga en cuenta que aunque la foto muestra sólo 8 «colinas» en realidad todos los 16 se están generando, pero el barrido del osciloscopio se disparó sólo cada dos veces:
El mayor de ellos muestra 2,25 V en su pico más positivo, lo que hace que la corriente catódica sea de 2,25/10 = 225 mA. Con esta cifra registrada, vuelvo a conectar la configuración para el funcionamiento normal. Ahora, al pulsar el botón me muestra la esperada familia de curvas de placa pero con amplitud errónea:
Encontrar el punto en estas curvas que corresponde a la medición anterior me permite ajustar R11 al mismo valor. Haciendo esto no debo cambiar el interruptor del cable puente del cátodo o eso cambiaría las condiciones de la prueba.
También aproveché para retocar la calibración de los otros rangos de corriente de placa del trazador de curvas, R15 para 2V/1mA y R16 para 2V/10mA de salida.
5.6.3.2 Limitaciones
El tubo utilizado para la calibración fue un triodo de potencia doble 6080. Éste está diseñado como regulador en fuentes de alimentación y eso es justo para lo que se utilizaba cuando lo arranqué del viejo osciloscopio Tek 545. Por lo tanto, podía soportar mucha más corriente que otros triodos.
Observe en la captura de las curvas de la corriente de arriba que las curvas no alcanzan todas la misma tensión máxima (extensión horizontal). Esto no es una característica de diseño. Simplemente muestra que el transformador de potencia no puede suministrar tanto voltaje a corrientes más altas. Entra en juego su impedancia interna. Cuanto menor sea la corriente consumida, menor será este efecto, pero también se puede ver en cierta medida en las imágenes del primer dispositivo (sección 4). También me recuerda que fue una buena idea incluir ese botón «Push To Test» para no estresar continuamente la alimentación de placa o la propia válvula.
Otra nota: El transformador no es lo suficientemente robusto para suministrar la corriente de filamento a este tubo. Con el interruptor de filamento a 6,3V medí sólo 5,23V. Pero cambiándolo a 7.5V obtiene 6.4V en los filamentos. Por lo tanto, eso es lo que utilicé para la prueba. Normalmente, la falta de filamento haría que todas las curvas de la placa se encogieran un poco, pero este tubo está diseñado específicamente para resistirlo. Al menos eso es lo que leí en alguna parte.
6. Revisión y Conclusiones del Trazador de Curvas
Señalaré de nuevo que la forma de onda exacta del accionamiento de la placa es irrelevante siempre que no tenga saltos bruscos. Dado que la forma característica de la relación entre la tensión placa-cátodo de los tubos y su corriente de placa está determinada únicamente por el dispositivo bajo prueba (el tubo), entonces, si la forma de onda exacta aplicada a la placa tuviera meneos y saltos, estas no linealidades sólo cambiarían la velocidad o el tiempo que el haz del osciloscopio viajara arriba y abajo de la curva, pero no harían que se desviara de la trayectoria característica antes mencionada. Por lo tanto, para cualquiera que piense que necesita un generador de rampa de alto voltaje de precisión para la placa/colector/ánodo/lo que sea, puede ahorrarse el esfuerzo y la molestia de ir tan lejos. No hay ninguna diferencia.
Observando la forma de onda de la rejilla en un osciloscopio, me di cuenta de que no había ninguna diferencia entre poner una válvula en el enchufe o sacarla, como debería ser.
Este trazador de curvas me pareció un dispositivo divertido para construir y jugar, ¡y seguimos sin software! ¿Quién sabe cuánto tiempo aguantará mi suerte?
Sobre el autor:
B. Ap. Sci. (EE), 1977 Universidad de Waterloo, ingeniero, emprendedor, retirado.
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