Elektrometr Keithley, Model 610C

[Romekd]

Czołem.
Kilka miesięcy temu od jednego z naszych Użytkowników kupiłem elektrometr firmy Keithley, model 610C, który jest trzecim, opartym już w całości o półprzewodniki urządzeniem o numerze "610" w nazwie tej firmy. Pierwszy z modeli, który nie zawierał jeszcze literki w symbolu (lub opisywany był później jako 610A) był wykonany w całości na lampach elektronowych i został wprowadzony do produkcji bodajże w roku 1959 (lub 1960). W jego skład wchodziło aż 11 lamp, z których dwie pierwsze stanowiły elektrometryczne pentody typu 5886 (specjalnie dobierane i parowane do tego modelu przez Keithley), pracujące jako różnicowy stopnień wejściowy, dwie pentody EF86 użyte były w kolejnym stopniu, a po nich pracowały jeszcze lampy 6BH8, 12B4A i dwie lampy 12AX7. Trzy pozostałe były stabilizatorami neonowymi i były to typy OG3 (stab. 85 V), OA2 (stab. 150 V) i OB2 (stab. 105 V), regulując i stabilizując napięcia zasilacza. Kolejnym modelem elektrometru firmy Keithley był 610B, stanowiący model przejściowy, w którym pozostawiono już tylko dwie pierwsze lampy elektrometryczne typu 5886 (również specjalnie dobierane i parowane), a wszystkie pozostałe lampy zastąpiono półprzewodnikowymi tranzystorami i krzemowymi diodami Zenera, co pozwoliło znacząco zmniejszyć moc pobieraną przez urządzenie, a poza tym poprawiono jego parametry techniczne (mniej mocy, mniej ciepła, bardziej wyrównana temperatura wnętrza przyrządu, przez co większa stabilność i niezawodność). Jeszcze lepszymi parametrami charakteryzował się model ostatni z tej serii, wykonany całkowicie na półprzewodnikach, opracowany w roku bodajże 1968 (taką informację można znaleźć np. w 140.com https://w140.com/tekwiki/wiki/Keithley_610C ) lub może w roku 1967, choć niektóre ze źródeł podają nawet datę 1970 (Radiomuseum - https://www.radiomuseum.org/r/keithley_ ... e_vignette ) jako moment opracowania lub wprowadzenia przyrządu na rynek. Określenie wieku mojego modelu 610C też jest bardzo trudne, gdyż ani na urządzeniu, ani na żadnym z jego podzespołów nie została podana data ich produkcji. To trochę irytujące… Sprawdzałem w dostępnych w Internecie materiałach i zasięgałem pomocy u sztucznej inteligencji (ChatGPT), ale i ona wspomniała o pewnym problemie w ustaleniu dokładnej i na 100% pewnej daty opracowania przyrządu. Gdy przeglądałem poszczególne numery czasopisma Electronic Design na jednym ze zamieszczonych w nim zdjęć zauważyłem znajomy widok, fragment elektrometru, który w tym momencie zasugerował mi, że mój model mógł zostać opracowany już w roku 1967 (lub pod koniec roku 1966), jednak problem w tym, że model przejściowy o oznaczeniu 610B wygląda niemal identycznie jak w pełni tranzystorowy model 610C, z drobnymi różnicami w wyglądzie zewnętrznym, które jednak nie zostały pokazane na zamieszczonym w Electronic Design fragmencie zdjęcia.

0_Electronic Design 20 z września 1967 roku.png

Co wiem niemal na pewno:

- Keithley 610 (pierwszy z tej serii) został opracowany w latach około 1959 - 1960
- Keithley 610B (wersja przejściowa, hybrydowa): 1964 – 1966
- Keithley 610C (wersja w pełni półprzewodnikowa): 1967 – 1968 (1968 TekWiki, 1970 Radiomuseum)


Poniżej zdjęcie modelu 610:

0_Keithley 610.png

modelu 610B:

0_Keithley 610B.png

oraz trzy zdjęcia modelu Keithley 610C, którego nabyłem:

1_przód.jpg

2_pokrętło ust. funkcji.jpg

3_pokrętło ust. czuł. miern.jpg

Były jeszcze modele tego przyrządu w płaskich obudowach typu rakowego, ale tych nie będę przedstawiał, gdyż wewnętrznie zbudowane zostały z tych samych podzespołów.
W kolejnych postach spróbuję dokładniej opisać i przedstawić zdjęcia wnętrza posiadanego przyrządu.

Pozdrawiam
Romek

[Radiowiec]

Na Radiomuseum data podana jest ze znakami zapytania, a to oznacza że nie ma żadnego dowodu na jej potwierdzenie. Jest więc to tylko przypuszczenie i nie można tej informacji uważać za wiarygodną - raczej za datę orientacyjną.

Czy tylko u mnie załączone zdjęcia nie dają się powiększyć po kliknięciu?
Pozdrowienia.

[Romekd]

Czołem.
Przed zamieszczeniem wpisu przez dłuższy czas próbowałem dowiedzieć się kiedy mój model Keithley 610C został opracowany. Niestety okazało się to bardzo trudne do ustalenia Poprosiłem też o pomoc Chat GPT, by ten spróbował poszukać wszelkich informacji dostępnych w Internecie. Trwało to dłuższą chwilę, ale niczego o momencie opracowania przyrządu nie udało się precyzyjnie ustalić. Na moją sugestię, że w Electronic-Design mogło pojawić się zdjęcie przyrządu już w roku 1967 (choć mógł też być to model wcześniejszy o oznaczeniu 610B), choć na Radiomuseum widnieje data 1968 (z tego co sobie przypominam nie było tam jeszcze tego znaku zapytania), sztuczna inteligencja odpowiedziała, że mam rację i mój przyrząd mógł zostać opracowany rok lub nawet dwa lata wcześniej i zostać wprowadzony do sprzedaży już w roku 1967 (a może i 1966, bo nie da się tego wykluczyć - brak materiałów w sieci...). To co mnie w takich sytuacjach irytuje, to niezamieszczanie tego typu informacji w notach katalogowych urządzeń i podzespołów oraz nieoznaczanie ich na samych podzespołach urządzeń (to się później zmieniło, ale oczywiście nie dotyczyło wszystkich producentów urządzeń i produkowanych przez nich podzespołów).

Co do niepowiększania się załączników po kliknięciu na nich myszką, to ja mam tak od bardzo dawna i dotyczy to wszystkich załączników naszego Forum. By powiększyć dane zdjęcie muszę na nim kliknąć prawym przyciskiem myszy, wybrać opcję "otwórz grafikę w nowym oknie przeglądarki" i w nim dopiero widzę dane zdjęcie na pełnym ekranie, które po kliknięciu na nim lewym przyciskiem myszki powiększa mi się do maksymalnego rozmiaru.

Pozdrawiam serdecznie
Romek

[Romekd]

Zgodnie z zapowiedzią przechodzę do opisu urządzenia, którego zasadę działania spróbuje w dalszej części wątku dokładniej wyjaśnić. Jak już wspomniałem Keithley 610C jest pierwszym całkowicie półprzewodnikowym (opartym o krzem; wcześniejsze modele zawierały jeszcze lampy elektronowe) elektrometrem, służącym do pomiaru małych wartości prądów z przedziału 10 fA do 0,3 A (dla pełnego wychylenia wskazówki miernika, więc dla mniejszych wychyleń wskazówki mogą to być pojedyncze femtoampery lub nawet dziesiąte części femtoampera na zakresie pomiaru najmniejszej wartości prądu), dużych rezystancji z zakresu 100 Ω...100 TΩ (teraomów), ładunków elektrycznych w zakresie od 0,1 pC do 10 mC oraz napięć stałych od 1 mV do 100 V. Urządzenie ma dwa pokrętła do ustawiania mierzonych zakresów podanych wcześniej parametrów - pokrętło "dekadowe" (większe, umieszczone niżej), zmieniające czułość o dokładnie dekadę na każdą zmianę ustawienia pokrętła (przełącznik połączony z pokrętłem ma 24 kroki /pozycje/ przełączania, z których jeden jest do pomiaru napięcia dla rezystancji wewnętrznej przyrządu większej od 100 TΩ , oraz pokrętło mnożnika "x" (mniejsze i umieszczone nad poprzednim) na którym widnieją następujące pozycje, oznaczające napięcie dla pełnego wychylenia wskazówki miernika: 0,001 V, 0,003 V, 0,01 V, 0,03 V, 0,1 V, 0,3 V, 1 V, 3 V, 10 V, 30 V, 100 V (11 pozycji przełącznika, odpowiadające napięciom od 1 mV do 100 V). Poza tymi dwoma pokrętłami mamy jeszcze dwa kolejne po prawej stronie - czarne i mniejsze, służące do zwierania wejścia wzmacniacza (ale nie wejścia przyrządu!) oraz większe, znajdujące się nad tym mniejszym, które jest pokrętłem "funkcyjnym", które umożliwia włączenie przyrządu w tryb czuwania (z wyłączonym miernikiem wychyłowym), włączenie go do normalnej pracy, włączeniem pomiarów wartości ujemnych (odwrócenie polaryzacji miernika wychyłowego) oraz umożliwiające pomiary plus/minus, z "zerem" znajdującym się pośrodku skali miernika. Po lewej stronie płyty czołowej przyrządu znajdują się dwa umieszczone współosiowo pokrętła z których zewnętrze połączone jest z 11-to pozycyjnym przełącznikiem dokładnej regulacji "zera" napięcia wejściowego stopnia różnicowego na tranzystorach MOSFET oraz drugim do bardzo precyzyjnej regulacji "zera" zrealizowanej na 10-cio obrotowym potencjometrze połączonym mechanicznie z wewnętrznym pokrętłem. Pod tymi pokrętłami znajduje się gniazdo wejściowe przyrządu typu UC1 z dielektrykiem teflonowym i specjalną nakręcaną metalową zaślepką ekranującą (zdejmowaną podczas dokonywania pomiarów) oraz dodatkowe gniazdo typu banan, połączone z masą gniazda UC1 i metalową obudową przyrządu. Tak to wygląda w moim przyrządzie (załączniki poniżej).

1_przód.jpg

2_pokrętło ust. funkcji.jpg

3_pokrętło ust. czuł. miern.jpg

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Czołem.
Również na tylnej ściance miernika znajdują się elementy regulacyjne i gniazda.

17_panel tylny.jpg

Mamy na niej kalibrację prądu wyjściowego 1 mA, w postaci małego pokrętła potencjometru po lewej stronie (patrząc od tyłu), pod nim przełącznik funkcji gniazda wyjściowego 1 mA/3 V i samo gniazdo, które wymieniłem na bardziej popularne gniazdo mikrofonowe o czterech stykach (jak w radiach CB). Jeszcze niżej znajduje się bezpiecznik, zabezpieczający urządzenie od strony zasilania z sieci elektrycznej oraz przełącznik napięcia zasilania (117 V/234 V). Po prawej stronie znajduje się pokrętło regulacji zgrubnej "zera" wzmacniacza, zrealizowanej na 11-sto pozycyjnym przełączniku, pod którym umieszczone zostało gniazdo wyjściowe X1, na którym występuje napięcie identyczne (co do wartości) z napięciem występującym na wejściu przyrządu (napięcie z gniazda na froncie jest odpowiednio buforowane). Gniazdo to może być przydatne przy stosowaniu specjalnych elektrometrycznych przewodów wejściowych, które posiadają dwa współosiowe ekrany - zewnętrzny, połączony z masa urządzenia i wewnętrzny, połączony z wyjściem X1 (żyła podłączona powinna być do wejścia typu N na przednim panelu. Przewody tego typu są bardzo drogie i mają specjalną budowę, o czym ponad dwadzieścia lat temu pisał Jasiu Barczyński (link do wypowiedzi: https://forum-trioda.pl/viewtopic.php?p=8136#p8136 ).
Gniazdo przeznaczone na rejestrator lub zewnętrzny miernik cyfrowy (to znajdujące się po lewej stronie tylnej ścianki) jest dość specyficzne, gdyż nie nadaje się do podłączenia współczesnego cyfrowego miernika prądu o zakresie 1 mA, gdyż wymaga obciążenia odpowiednią rezystancją, równą 3,1 kΩ.

Wyjście_1V_1mA.png

Po podłączeniu pod to gniazdo miliamperomierza o niskiej rezystancji wejściowej wskazania prądu są wyższe, a regulacja potencjometrem kalibracyjnym niczego nie zmienia. Dlatego lepszym rozwiązanie jest takie ustawienie tego potencjometru, by dla pełnego wychylenia wskazówki miernika wychyłowego, na wyjściu występowało napięcie o wartości 10 V, gdyż wówczas podłączonym do tego gniazda miernikiem cyfrowym (lub analogowym) możemy skutecznie dokonywać pomiarów przy uszkodzonym wskaźniku wychyłowym przyrządu (co często ma miejsce; opiszę to w następnym poście). Na tylnej ściance znajduje się również skrócona instrukcja obsługi urządzenia.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Wracając do opisu elektrometru Keithley 610C, to po odkręceniu czterech śrub i zdjęciu osłony ukazuje się taki oto widok:

4_górna płytka1.jpg

Na zdjęciu widzimy solidną płytkę drukowaną, oczywiście szklano-epoksydową, na której znajduje się zasilacz urządzenia wraz z transformatorem sieciowym, prostownikami, filtrami tętnień i czterema stabilizatorami napięć oraz stopień wyjściowy wzmacniacza, zrealizowany na dwóch tranzystorach wysokonapięciowych, z trzecim tranzystorem, pełniącym rolę stopnia sterującego i dopasowującego impedancję (wtórnika emiterowego) ze stopniem wyjściowym wzmacniacza napięciowego, znajdującego się na innej płytce drukowanej. Prąd spoczynkowy stopnia wyjściowego (z tranzystorami wysokonapięciowymi typu MM3003 i MM4003) jest ustawiany potencjometrem nastawnym i kompensowany temperaturowo szeregowo z nim włączoną diodą krzemową. Zasilacz dostarcza czterech napięć stabilizowanych, symetrycznych ±9,1 V oraz ±120 V. Przy serwisowaniu urządzenia trzeba zachować dużą ostrożność, gdyż na płytce znajdują się elementy i ścieżki, będące pod napięciami niebezpiecznymi dla ludzkiego życia, wynoszącymi +284 V i -284 V, czyli różnica napięć przy uruchomionym urządzeniu wynosi niemal 570 V! Niskie napięcia są stabilizowane podwójnie - najpierw z plus i minus 30 V uzyskuje się stabilizowane dwoma diodami Zenera napięcia plus i minus 20 V, które następnie, po kolejnych rezystorach szeregowych stabilizowane są do napięć plus i minus 9,1 V. Poniżej, w załączniku widok dolnej części tej płytki.

5a_górna płytka2.jpg

Wyższe napięcia są prostowane jednopołówkowo, przy pomocy diod typu 1N4006, zamkniętych w rzadko obecnie spotykanych, szklanych obudowach, niewiele większych od obudów użytych w układzie diod Zenera o mocy 1 W (te prostownicze 1N4006 mają jednak nieco grubsze doprowadzenia, niż pozostałe diody prostownicze, umieszczone również w szklanych obudowach). Niższe napięcia są prostowane dwupołówkowo mostkiem Graetza, z masą wyprowadzoną ze środka uzwojenia wtórnego.

5b_górna płytka3.jpg

Na płytce znajduje się jak już wspomniałem transformator sieciowy o dość złożonej konstrukcji (szczegóły omówię przy analizie schematu), wykonany specjalnie do tego modelu przyrządu.

6_transformator sieciowy.jpg

Wyniki pomiarów prezentowane są na dużym wychyłowym mierniku wskazówkowym z lusterkiem, dla uniknięcie efektu paralaksy i poprawienia dokładności odczytów. Niestety w moim urządzeniu wskazówkowy miernik wychyłowy jest uszkodzony i to w sposób nienaprawialny, co opiszę w w jednym z kolejnych postów.

7_wskaźnik wychyłowy.jpg

Pod górną płytką znajduje się stalowy ekran, a pod nim kolejna płytka z precyzyjnym wzmacniaczem napięciowym, którego najważniejszą częścią, odpowiadającą za bardzo wysoką rezystancję wewnętrzną urządzenia jest moduł z tranzystorami typu MOSFET. Po lewej stronie zdjęcia widoczny jest specjalny przełącznik pozwalający zewrzeć wejście wzmacniacza do masy. Od strony bramki tranzystora wejściowego wszystkie punkty mocowania elementów, w tym styków przełącznika i pozostałych elementów są wykonane z izolatorów teflonowych. Również popychacz styków przełącznika, zwierającego wejście wzmacniacza pomiarowego wykonany został z teflonu.

8_moduł wejściowy.jpg

Moduł ten znajduje się w specjalnych prowadnicach i jest zamocowany przy pomocy gniazda wciśniętego na styki wystające z większej dolnej płytki.

9_płytka dolna.jpg

Do przełączania zakresów woltomierza, amperomierza i omomierza wykorzystano przełącznik o 11-tu pozycjach, z zamontowanymi na nim rezystorami. Na bliższym planie widać przełącznik dokładniejszej regulacji zrównoważenia wzmacniacza wejściowego (ustawianie "zera") oraz zamocowany za nim precyzyjny, 10-cio obrotowy potencjometr regulacji finalnej zrównoważenia wzmacniacza wejściowego, połączony z osią z gałką przy pomocy "sprzęgła".

10_przełączniki przed. pan.jpg

12_rezystory na przeł.jpg

Najbardziej złożonym i niedostępnym w handlu przełącznikiem jest ten połączony z pokrętłem "dekadowym". Ma styki srebrne i izolatory wykonane z teflonu. Produkowany jest specjalnie do tego przyrządu przez firmę Keithley. Zamocowane są na nim rezystory wykorzystywane podczas pomiaru prądów i oporności o wartości zwiększającej się w sposób dekadowy od 10 Ω do 100 GΩ, przy czym dwa o najniższej oporności mają dopuszczalną moc równa 10 W. Wszystkie zostały dobrane ręcznie z dużej ilości rezystorów o dokładności 1%. Na zdjęciu widać również połączenie drutem srebrzonym gniazda wejściowego z przełącznikiem z rezystorami. Drut ten jest oddalony od innych elementów i jego izolatorem jest jedynie powietrze. Tak więc wszystkie izolatory w torze pomiarowym, włącznie z izolatorem w gnieździe wejściowym wykonane są z teflonu.

13_podł. gniazda wej.jpg

Napięcie zasilające miernik jest filtrowane z zakłóceń w elementach zamontowanych za metalowym ekranem, z tyłu. Filtr jest typu LC

14_dławiki filtru sieć.jpg

Na tylnym panelu znajduje się potencjometr kalibracji prądu 1 mA, znajdujący się bezpośrednio przy gnieździe wyjściowym

15_pot. kalibr. wyjścia.jpg

Na ostatnim zdjęciu znajduje się przełącznik zamocowany na tylnej ściance. Ma on również 11-cie pozycji i służy do zgrubnej regulacji zera (zrównoważenia wzmacniacza pomiarowego)

11_przeł. tyl. pan.jpg

W kolejnej wypowiedzi spróbuje wytłumaczyć zasadę działania urządzenia przez dokładne omówienie jego schematu.

Pozdrawiam
Romek

[AZ12]

Witam

I pomyśleć że w tamtych czasach były już śrubki z nacięciem krzyżowym. Jaki może być powód umieszczenia transformatora na płytce drukowanej zamiast na chassis?

[Romekd]

I pomyśleć że w tamtych czasach były już śrubki z nacięciem krzyżowym.

Nacięcie krzyżowe w łbach śrub, znane jako Phillips, powstało w latach 30. XX wieku. Jego głównym twórcą był Henry F. Phillips, który opatentował śrubokręt krzyżakowy i rozpowszechnił ten typ nacięcia w przemyśle, zwłaszcza w amerykańskim przemyśle samochodowym.
Chociaż wcześniej, bo w 1936 roku, w Niemczech pojawiły się śruby z nacięciem w kształcie sześciokąta (imbusy), to Phillips spopularyzował nacięcie krzyżowe i zostało ono upowszechnione w technice, choć niestety nie w naszym kraju - te cholerne łebki sześciokątne we wkrętach w polskich sprzętach audio, do których żaden kluczyk nie pasował, z kolei łby śrub z nacięciem prostym powodowały, że w miejscach trudno dostępnych ciężko było trafić w to nacięcie śrubokrętem płaskim...

Jaki może być powód umieszczenia transformatora na płytce drukowanej zamiast na chassis?

Powodów mogło być kilka i spróbuję się do tego odnieść w którymś z kolejnych postów.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Czołem.
Po powierzchownym spojrzeniu na schemat miernika jego działanie można wydawać się nam dość skomplikowane, gdyż układ zbudowany jest z kilku bloków znajdujących się na trzech płytkach drukowanych (jest też wiele elementów poza nimi, zamontowanych na wyprowadzeniach przełaczników).

KEITHLEY 610C_sch1.png

Jednak po dokładniejszym przyjrzeniu się układowi okazuje się, że zasada jego działania jest dość prosta, a zastosowane przez firmę Keithley rozwiązania są bardzo skuteczne i genialne w swojej prostocie. Płytki drukowane, jak to w przyrządzie pomiarowym, są wysokiej jakości, z izolatorem szklano-epoksydowym, w krytycznych miejscach uzupełnionym specjalnymi izolatorami i przepustami teflonowymi, ze ścieżkami połączeniowymi, które dla większej trwałości zostały pokryte metalem odpornym na utlenianie (być może cyną; niezabezpieczona miedź po tylu latach byłaby już zielona od tlenków). Pokolorowałem połączenia ważnych obwodów w układzie, by je odpowiednio wyróżnić, co powinno sprawić że układ wyda się prostszy w działaniu.

KEITHLEY 610C_sch3.png

Układ zasilacza dostarcza czterech stabilizowanych napięć o wartościach plus i minus 9,1 V (dla wzmacniacza zrealizowanego na 10 tranzystorach) oraz napięć plus i minus 120 V, których zadaniem jest zasilanie stopnia wyjściowego wzmacniacza, zrealizowanego na dwóch tranzystorach wysokonapięciowych, który w ten sposób może dostarczać napięć o wartościach przekraczających plus i minus 110 V. Umożliwia to pomiar napięć wejściowych zarówno dodatnich jak i ujemnych lub może działać jako wzmacniacz napięć zmiennych, pozwalając uzyskać wzmocnienie od wartości razy jeden do wartości razy 10000 (na wyjściu "1 mA" można potencjometrem ustawić napięcie wyjściowe 10 V dla pełnego wychylenia wskazówki magnetoelektrycznego miernika wychyłowego). Poniżej schemat zasilacza, który zrealizowany został na samych tylko diodach Zenera, bez użycia w nim tranzystorów.

KEITHLEY 610C_sch2.png

W kolejnych postach rozszerzę swoja wypowiedź.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Zasilacz niskonapięciowy jest wykorzystywany w urządzeniu w bardzo sprytny sposób, gdyż masa stabilizatorów niskonapięciowych (pogrubiona przez mnie na zielono) połączona została do wyjścia stopnia wyjściowego wzmacniacza tranzystorowego, co daje "pływające" względem masy stabilizatorów wysokonapięciowych napięcia ±9,1 V, co z kolei umożliwia pracę wzmacniacza z napięciami wyjściowymi względem masy stabilizatorów wysokonapięciowych w zakresie zbliżonym do ±120 V, choć stopnie poprzedzające stopień wyjściowy, który pracuje tu jako wtórnik prądowy (z prądem spoczynkowym ustawianym potencjometrem i w dużym stopniu stabilizowanym temperaturowo połączoną szeregowo z nim diodą) cały czas "widzą" napięcia ±9,1 V względem swojej masy i masy przyrządu.





Tak więc układ wzmacniacza wykazuje dużą dynamikę, choć jego stopnie wzmacniające napięcie zawierają tranzystory o niskim dopuszczalnym napięciu kolektor-emiter, zasilane stabilizatorami objętymi sprzężeniem typu "DC bootstrap". Na fragmencie schematu z zasilaczem ze stabilizatorami kolorem czarnym zaznaczyłem masę zasilacza wysokonapięciowego (przez bardzo sprytnie zaprojektowaną konstrukcję miernika, ta masa stabilizatorów wysokonapięciowych stanowi właściwe wyjście wzmacniacza), kolorem zielonym oznaczyłem masę stabilizatorów niskonapięciowych (dla poprawy stabilizacji napięcia wykorzystano stabilizację dwuetapową, czyli najpierw napięcia ±30 V stabilizowane są przez pierwsze diody Zenera do napięć ±20 V i dopiero z tych już stabilizowanych napięć otrzymuje się właściwe napięcia o wartości ±9,1 V. Kolejne kolory oznaczają: pomarańczowy to +9,1 V, jasnoniebieski to -9,1 V, ciemnoniebieski stanowi wyjście napięcia ujemnego -120 V, a czerwony +120 V. Kolorem brązowym oznaczyłem masę miernika (w tym masę wejścia przyrządu i jedno z wyjść złącza X1), pozostałymi dwoma kolorami zaznaczyłem punkty wyjścia 3 V/1 mA.
Ze względu na skomplikowane rozłożenie "pozornych mas" różnych obwodów, transformator sieciowy posiada aż kilka ekranów z których jedne połączone są z masą wejściową (uzwojenia niskonapięciowe i rdzeń transformatora), pozostałe (uzwojenia wtórne wysokonapięciowe i uzwojenia pierwotne) połączone są z masą zasilaczy (stabilizatorów) wysokonapięciowych. To dlatego o transformatorze sieciowym można mówić jako o dość skomplikowanym... Jak już wspominałem w urządzeniu występują dość wysokie napięcia, których największa różnica stanowi aż 568 V!

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Najważniejszym układem miernika Keithley 610C jest precyzyjny wzmacniacz o ogromnej rezystancji wejściowej. Do jego budowy wykorzystano w sumie 16 tranzystorów, z czego cztery nie zostały pokazane na schemacie, gdyż pełnią one funkcje zabezpieczające (działają jako diody "Zenera" o bardzo małym prądzie "upływności" dla niskich napięć) i zamontowane zostały na module przedwzmacniacza wejściowego, w którym dwa tranzystory polowe pracują we wzmacniaczu różnicowym, którego rezystancja wejściowa jest większa od 1*10^14 oma. Tranzystory polowe z izolowaną bramką mają największą rezystancję wejściową ze wszystkich rodzajów tranzystorów, gdyż struktura kanału wykonanego z krzemu jest w nich oddzielona od obszaru bramki przy pomocy dwutlenku krzemu, którego grubość jest cieńsza od długości fali światła. Powoduje to bardzo dużą wrażliwość tego typu tranzystorów na przepięcia i to nawet niewielkie, wynoszące z reguły od kilku woltów w małych tranzystorach do kilkudziesięciu woltów w tranzystorach większej mocy. Przepięcia te mogą doprowadzić do przebicia warstwy cienkiego izolatora i nieodwracalnego zniszczenia podzespołu. Zarówno tranzystory wejściowe Mosfet, jak tranzystory zabezpieczające, pełniące funkcje diod w układzie, były przez producenta starannie selekcjonowane i dobierane pod względem rezystancji i prądów, przez co nie były elementami dostępnymi w handlu luzem i można je było nabyć jedynie z całym modułem, jako element naprawczym miernika, na wypadek gdyby któryś z elementów na module uległ uszkodzeniu. Tranzystory wejściowe nie zostały opisane w instrukcji serwisowej, a schemat modułu w dokumentacji został przedstawiony w sposób uproszczony. Nie znam typów tranzystorów Mosfet w moim mierniku, gdyż nałożona i przyklejona do nich została specjalna blaszka (dobry przewodnik ciepła i jednocześnie izolator elektryczny), której rolą jest utrzymywanie takiej samej temperatury obu tranzystorów, ale która przez zastosowanie w środkowej jej części izolatora elektrycznego przewodzi tylko ciepło, nie zwierając ze sobą obudów obu tranzystorów, wewnętrznie połączonych prawdopodobnie z podłożem krzemowej struktury. Natomiast w roli tranzystorów wykorzystywanych jako diody zabezpieczające użyto popularnych 2N5087, produkowanych do dzisiaj, choć na dużą skalę już głównie w małych obudowach SMD typu SOT-23 o oznaczeniu MMBT5087LT (w obudowach TO-92 jako 2N5087 prawdopodobnie produkuje je już tylko indyjska firma CDIL). Poniżej zdjęcia modułu z widocznymi na płytce izolatorami teflonowymi oraz tranzystorami MOSFET i bipolarnymi, w których usunięto jedno z wyprowadzeń i wykorzystano jedynie złącza baza-emiter.

wzmacniacz wejściowy - od elementów_1.jpg

Na zdjęciu widać, że krytyczna pod względem wymaganej dobrej izolacji część płytki została obustronnie pokryta izolacyjnym lakierem, a tranzystory zabezpieczające bramkę pierwszego Mosfeta są dodatkowo mocowane na teflonowych izolatorach. Te tranzystory producent precyzyjnie dobierał i oznaczał, malując górną część obudowy niebieskim lakierem. Sama bramka pierwszego tranzystora jest dodatkowo chroniona szeregowym rezystorem 100 kΩ, który to rezystor ze względu na ogromną rezystancję bramki jest dla tranzystora całkowicie "przeźroczysty" (w warunkach normalnych pomiarów nie występuje na nim żaden spadek napięcia, a który pojawia się dopiero w sytuacjach gdy zaczynają działać zabezpieczenia.

wzmacniacz wejściowy - od elementów_2.jpg

Płytka zamontowana jest jak pisałem przy pomocy wtyku i podczas ewentualnej wymiany nie należy jej, jak i pozostałych elementów urządzenia nie dotykać palcami (konieczne są odpowiednie rękawiczki).

Wzmacniacz wejściowy - od druku.jpg

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Opisywany przeze mnie w poprzednim wpisie moduł w instrukcji serwisowej określany jest jako karta wejściowa (MOS FET Input Plug-in Card /PC182/). Co do zastosowanych typów tranzystorów wejściowych, to mogę się tylko domyślać, że są to Mosfety typu P, gdyż jedno z czterech wyprowadzeń jest podłożem struktury (połączonym z metalową obudową tranzystora typu TO-18), które najczęściej łączy się ze źródłem (tak jest ono połączone wewnętrznie we współczesnych tranzystorach MOSFET). Tranzystor na schemacie oznaczony jest dość dziwnie i można by odnieść wrażenie, że jest elementem symetrycznym (możliwość zamiany drenu ze źródłem, jak to ma miejsce w wielu tranzystorach polowych-złączowych /JFET/) , choć tego sprawdzał nie będę (nawet nie chcę dotykać tego modułu), a producent nigdzie nie podaje ich typu.

Mosfet_Card_1.png

Mosfet_2.png

W kolejnej wypowiedzi spróbuję omówić działanie całego wzmacniacza i rolę każdego użytego w nim tranzystora.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Poniżej zamieszczam kompletny schemat wzmacniacza sygnału elektrometru.

Wzmacniacz.png

Zasada jego działania jest stosunkowo prosta. Na wejściu znajduje się opisywana już wcześniej para różnicowa zrealizowana na małych sygnałowych tranzystorach MOSFET, oznaczonych na schemacie jako Q101 i Q102. W obwodach drenów i źródeł tych tranzystorów zastosowano rozbudowane układy regulacji zgrubnej, średniej i dokładnej (ta ostatnia wykorzystuje wysokiej klasy 10-cio obrotowy potencjometr drutowy) zrównoważenia zera wzmacniacza, przy czym wykorzystano tu dwa 11-to pozycyjne przełączniki rezystorów od strony napięć zasilających ±9,1 V, za parą różnicową znajdują się wtórniki emiterowe, zrealizowane na tranzystorach Q103 i Q104, które pełnią rolę separatorów i elementów zapewniających niższą rezystancję wyjściową w stosunku do tej jakie miała para wejściowych tranzystorów polowych, co powoduje że kolejna para różnicowa na tranzystorach 105 i Q106 mniej tłumi sygnał, co bardzo podnosi jej wzmocnienia napięciowe. Symetryczne sygnały z wyjść tranzystorów Q105 i Q106 trafiają na kolejne wtórniki emiterowe zrealizowane na tranzystorach Q107 i Q108, które sterują różnicowo kolejny tranzystor o oznaczeniu Q109, za którym już niesymetryczny sygnał wyjściowy trafia na jeszcze jeden wtórnik emiterowy z tranzystorem Q110, gdzie w emiterze zrealizowano regulację prądu spoczynkowego pary wysokonapięciowych tranzystorów mocy Q111 i Q112, z zamontowanymi na ich obudowach niewielkimi radiatorami do rozproszenia wydzielanej w nich mocy. Tranzystory od Q101 do Q110 zasilane są napięciami symetrycznymi ±9,1 V, z masą tych napięć bootstrapowaną z wyjścia tranzystorów mocy Q111 i Q112, zasilanych napięciami symetrycznymi ±120 V. W ten sposób precyzyjnie stabilizowane napięcia podążają za napięciem wyjściowym stopnia wysokonapięciowego.

Dawno temu tłumaczyłem jednemu znajomemu elektronikowi po co dokonuję pomiaru bardzo małych prądów wstecznie spolaryzowanych złącz baza-emiter i baza-kolektor małych tranzystorów sygnałowych. Wyjaśniałem mu, że tak stworzone "tranzystorowe diody" mają bardzo dobre parametry w stosunku do parametrów małych krzemowych diod sygnałowych, których prądy wsteczne już przy bardzo niskich napięciach polaryzacji potrafią być zadziwiająco wysokie. To właśnie jest powodem stosowania wyselekcjonowanych egzemplarzy tranzystorów bipolarnych jako zabezpieczenia wejść mierników bardzo małych prądów i bardzo dużych rezystancji. Poniżej tabelka z wynikami pomiarów prądów wstecznych kilku popularnych diod krzemowych. Prądy wsteczne takich diod, czyli rezystancja złącz tych elementów dla wstecznie spolaryzowanych struktur jest mocno nieliniowa. Niektóre zwykłe diody zachowują się wręcz jak stosunkowo marne źródła prądowe. W zeszłym roku mój wspólnik w firmie dokonał wymiany podejrzanego tyrystora (jednego z bodajże 6 sztuk w tym układzie) o dopuszczalnym napięciu 700 V, którego rezystancja wskazywana przez multimetr wynosiła zaledwie kilka kiloomów. Zbadałem jak zachowa się ten dziwnie uszkodzony tyrystor przy spolaryzowaniu go napięciem podnoszonym o 0 V do 600 V. Okazało się że prąd "upływności" w zakresie napięć od kilku woltów aż do pełnej wartości prawie nie ulega zmianie... Poniżej zapowiadana wcześniej tabela z prądami wstecznymi popularnych diod następujących typów:

Prąd wsteczny diod.png

Zamieszczona w tabeli dioda typu 1SS133 jest takim japońskim odpowiednikiem popularnych w Europie diod 1N4148. 1SS133 jest nieco krótsza od 1N4148 i oznaczana jest jedynie cienkim żółtym paskiem. Stosowana była powszechnie w sprzęcie produkcji japońskiej, w tym w magnetowidach, tunerach i wzmacniaczach audio. Poniżej jej przykładowe zdjęcie.

1SS133.png

i prąd wsteczny tej diody z jej noty katalogowej:

Prąd wsteczny 1SS133.png

Podczas dokonywania pomiarów prądów wstecznych diod zaskoczeniem był dla mnie fakt, że te małe diody przełączające jak właśnie 1N4148 i 1SS133 potrafiły mieć dużo mniejsze rezystancje w kierunku zaporowym (płynął przez nie większy prąd) od większych od nich diod typu np. 1N4007 czy UF4007. Dla przykładu pierwszy lepszy wylutowany tranzystor typu BC546 wykazywał prąd wsteczny złącza baza-emiter przy napięciu 1 V na poziomie 27 fA, a prąd złącza baza-kolektor przy tym samym napięciu był około trzy... cztery razy wyższy.

Pozdrawiam
Romek

[Radiowiec]

Układ zasilacza dostarcza czterech stabilizowanych napięć o wartościach plus i minus 9,1 V (dla wzmacniacza zrealizowanego na 10 tranzystorach) oraz napięć plus i minus 120 V, których zadaniem jest zasilanie stopnia wyjściowego wzmacniacza, zrealizowanego na dwóch tranzystorach wysokonapięciowych, który w ten sposób może dostarczać napięć o wartościach przekraczających plus i minus 110 V. Umożliwia to pomiar napięć wejściowych zarówno dodatnich jak i ujemnych lub może działać jako wzmacniacz napięć zmiennych, pozwalając uzyskać wzmocnienie od wartości razy jeden do wartości razy 10000 (na wyjściu "1 mA" można potencjometrem ustawić napięcie wyjściowe 10 V dla pełnego wychylenia wskazówki magnetoelektrycznego miernika wychyłowego). Poniżej schemat zasilacza, który zrealizowany został na samych tylko diodach Zenera, bez użycia w nim tranzystorów.

Cześć!
Ciekawy przyrząd. Czy mógłbyś wytłumaczyć mi, w jaki sposób te napięcia plus i minus 120 V umożliwiają pomiar napięć? Na wejściu i tak są dzielniki, więc te 120 V nie wydaje mi się do tego potrzebne. No chyba że ustrój ma taką słabą czułość że potrzebuje takiego silnego sygnału? Kwestia wysokiego napięcia zasilającego te tranzystory jako wzmacniacza sygnału dającego wysoką wartość Vpp (220V) na wyjściu (dla stopni lampowych?) jest dla mnie jasna (chyba że coś pomieszałem?).
Jakie jest pasmo pomiarowe (i zarazem przenoszenia wzmacniacza) tego miernika? Cały zakres audio?
Ciekawe, dlaczego zastosowali tutaj taki rodzaj sprzężenia termicznego zamiast podwójnego tranzystora w jednej obudowie jak w V640 ? Nie było jeszcze takich tranzystorów? Jeśli tak, to zastanawia mnie w takim razie dlaczego w Meratroniku nie poszli tym tropem dla V640 i sami nie dobierali tranzystorów (co pewnie byłoby wygodniejsze w późniejszym serwisie gdy tranzystory podwójne nie byłyby już dostępne)? Chyba że tak było szybciej i wygodniej i nie przejmowali się że tych tranzystorów kiedyś zabraknie...
Pozdrowienia

[Romekd]

Czołem.

Ciekawy przyrząd. Czy mógłbyś wytłumaczyć mi, w jaki sposób te napięcia plus i minus 120 V umożliwiają pomiar napięć? Na wejściu i tak są dzielniki, więc te 120 V nie wydaje mi się do tego potrzebne. No chyba że ustrój ma taką słabą czułość że potrzebuje takiego silnego sygnału? Kwestia wysokiego napięcia zasilającego te tranzystory jako wzmacniacza sygnału dającego wysoką wartość Vpp (220V) na wyjściu (dla stopni lampowych?) jest dla mnie jasna (chyba że coś pomieszałem?).
Jakie jest pasmo pomiarowe (i zarazem przenoszenia wzmacniacza) tego miernika? Cały zakres audio?
Ciekawe, dlaczego zastosowali tutaj taki rodzaj sprzężenia termicznego zamiast podwójnego tranzystora w jednej obudowie jak w V640 ? Nie było jeszcze takich tranzystorów? Jeśli tak, to zastanawia mnie w takim razie dlaczego w Meratroniku nie poszli tym tropem dla V640 i sami nie dobierali tranzystorów (co pewnie byłoby wygodniejsze w późniejszym serwisie gdy tranzystory podwójne nie byłyby już dostępne)? Chyba że tak było szybciej i wygodniej i nie przejmowali się że tych tranzystorów kiedyś zabraknie...
Pozdrowienia

Widzisz, zastosowanie tak wysokich napięć było podyktowane tym, że miernik ma wiele dodatkowych funkcji i bardzo szerokie zakresy pomiarowe. Spróbuję w kilku słowach wyjaśnić czym ten przyrząd również jest, co może wyjaśni Twoje wątpliwości co do zastosowanych wysokich napięć zasilających. Przyrząd może być wzmacniaczem napięć stałych, dodatnich i ujemnych, ale może również wzmacniać napięcia zmienne. Pasmo przenoszenia wzmacniacza zależy od ustawionego wzmocnienia i tak dla wzmocnień mniejszych od jedności i dla wzmocnienia jednostkowego pasmo to wynosi 40 kHz (dla maksymalnego spadku do 3 dB).
Dla maksymalnego wzmocnienia pasmo przenoszenia spada do zaledwie 100 Hz, ale jest to korzystne ze względu na wnoszone przez przyrząd szumy dla dużych czułości wejścia (przy ograniczeniu pasma szumy te spadają). Jako wyjście wzmacniacza można korzystać z wyjść 0...3 V lub 0...1 mA, choć gdy przełączymy to wyjście na zakres prądu do 1 mA, możemy potencjometrem kalibracyjnym ustawić dla pełnego wychylenia wskazówki miernika napięcie wyjściowe o wartości np. 10 V i wówczas na zakresie napięcia wejściowego 1 mV wzmacniacz zapewnia nam wzmocnienie na poziomie 10000 razy, a po przełączeniu wyjścia na wskazania napięcia do 3 V daje on możliwość wzmacniania napięcia do 3000 razy.
Bardzo przydatnym wyjściem jest to oznaczone symbolem X1, na którym napięcie może zmieniać się od dziesiątek mikrowoltów do ponad 110 V, przy czym napięcie to jest zgodne z napięciem wejściowym z dokładnością do ±10 ppm, pod warunkiem nie przekraczania prądu 1 mA dla napięć do 10 V i 100 μA przy napięciach wyższych (do ponad 110 V). W ten sposób do wejścia przyrządu mogą dopływać mikroskopijne prądy o wartościach np. femtoamperów, a z wyjścia X1 możemy pobierać te same napięcia ale z prądem do 1 mA lub 100 μA, ciesząc się z ogromnego wzmocnienia prądowego. Tak więc na wyjściu tym można otrzymywać napięcia zgodne z wejściowymi, które mogą osiągać ponad 100 V, nie martwiąc się że obciążając to wyjście spowodujemy spadek napięcia wejściowego na dużej rezystancji źródła tego napięcia (układ dla tego wyjścia działa jak wtórnik prądowy /bufor/ z napięciem wyjściowym do ponad 110 V). Wyjście X1 można wykorzystać również do połączeniem z ekranem kabla wejściowego, co zapobiegnie powstawaniu upływności (ekranowanie przy braku różnicy napięć między żyłą środkową i ekranem) i zmniejszy wrażliwość wejścia przyrządu na zewnętrzne pola elektrostatyczne. Ja podczas dokonywania pomiarów małych prądów użyłem takiego właśnie przewodu z dodatkowym (trzecim) przewodem masy. Ekran, wewnątrz którego umieściłem tranzystor, w którym mierzyłem prąd złącz, również podłączyłem do wyjścia X1, dając drugi ekran zewnętrzny (metalową puszkę), podłączony do masy przyrządu. Inaczej pomiar femtoamperowych prądów nie byłby w ogóle możliwy, bo gdy wejście przyrządu pozostawimy otwarte i zrównoważymy wzmacniacz wstępny na Mosfetach, to dmuchnięcie w kierunku tego wejścia z odległości kilkudziesięciu centymetrów powoduje trzaskanie się wskazówki o ograniczniki po obu stronach skali...
Kolejnym czynnikiem wymagającym stosowania wysokich napięć zasilających stopnie wyjściowe wzmacniacza jest działanie omomierza. Po przełączeniu przyrządu na tę funkcję staje się on źródłem prądowym i jednocześnie precyzyjnym miernikiem napięcia, mierząc faktyczny spadek napięcia na mierzonym rezystorze (lub innym elemencie, o czym również napiszę w następnym poście), który jest tym większy im większą rezystancję ma mierzony element. To wewnętrzne i precyzyjne źródło prądowe, działające gdy miernik przełączony jest na pomiar oporności, wykazuje stałą wartość prądu dla napięć wejściowych od ułamka miliwolta do ponad 110 V! Wartość prądu pomiarowego odczytujemy z dużego pokrętła.

Pokrętło funkcji.jpg

Wystarczy do liczby wskazującej wartość potęgi liczby dziesięć (do wykładnika potęgi) dodać minus i już znamy wartość płynącego przez badany element prądu. Dla zakresu 1*10^5 otrzymujemy prąd pomiarowy równy 10 μA, a dla 1*10^12 otrzymujemy 1 pA. To tyle w tej wypowiedzi, bo widzę że właśnie po dom podjechał jakiś klient...

Pozdrawiam
Romek