Rob's web

Elektorscoop 7

Van de verwisselbare modulen voor de Elektorskoop, te weten de vertikale versterkers en de schakeling rond de zaagtand-generator, wordt nu het zaagtand-gedeelte besproken.

De bouw met behulp van modulen laat de mogelijkheid open, in een later stadium door het verwisselen van enkele modulen, de eigenschappen van de Elektorskoop naar behoefte aan te passen.

Het bepalen van de eisen waaraan de Elektorskoop moet voldoen is niet eenvoudig geweest. Iedereen heeft wel een bepaalde voorkeur, waarbij gewoonlijk een aantal moeilijk met elkaar te verenigen verlangens belangrijk worden gevonden.

Speciaal het frekwentiebereik van een oscilloskoop kan voor de meesten niet ver genoeg doorlopen, omdat bijv. 'het zo gemakkelijk zou zijn wanneer met de oscilloskoop een antenneversterker voor de televisieband kan worden doorgemeten'. Op deze wijze redenerend, komen er specifikaties naar voren, die met normale middelen absoluut niet haalbaar zijn.

Het is duidelijk, dat er een redelijk kom-promis gevonden moet worden, waarbij niet uit het oog mag worden verloren dat het hier om een zelfbouwobjekt gaat voor amateurs. Dit punt brengt veel beperkingen met zich mee; er kan niet met al te hoge spanningen worden gewerkt, er kunnen geen schakelaars midden in het apparaat worden geplaatst, terwijl bovendien de onderdelen die door de nabouwers worden gebruikt een grotere spreiding vertonen dan de zorgvuldig gekozen onderdelen die in fabrieksapparaten voorkomen. Voorts dienen afregelpunten zoveel mogelijk vermeden te worden, omdat er niet van mag worden uitgegaan, dat de gemiddelde amateur al een oscilloskoop bezit om de nieuwe aanwinst mee af te regelen.

Een oscilloskoop zal zijn (haar) waarde moeten bewijzen in de praktijk, tijdens het onderzoek aan schakelingen. Welke schakelingen komen hiervoor in aanmerking?

Op de eerste plaats alle laagfrekwent ontwerpen, versterkers, lichtorgels, deurbellen etc. Frekwentie: tot 100 kHz. Het tweede grote toepassingsgebied is de digitale techniek, waarbij meestal gebruik wordt gemaakt van TTL bouwstenen met een maksimale frekwentie van 20 MHz. Om een goed (dat wil zeggen nog helder genoeg om af te lezen) beeld te garanderen is hiervoor een oscilloskoop vereist met een frekwentiebereik tot ongeveer 30 MHz. Met een dergelijke skoop zouden tevens de zend-amateurs redelijk aan hun trekken komen.

Foto 1
Foto 1. De 7 cm uitvoering van de Elektorskoop. In de frontplaat zullen nog enkele details worden gewijzigd. Het raster op de aeeldbuis is (voorlopig) nog met inkt op de buis getekend. De lineariteit van de afbuiging is het best op het bovenste spoor te zien.

Bij metingen aan FM-ontvangers moet het MF-signaal, waarvan de frekwentie gewoonlijk 10,7 MHz bedraagt, zichtbaar worden gemaakt.

Uit bovenstaande beschouwing volgt, dat met een laagfrekwent oscilloskoop (tot 1 MHz) een groot deel van de schakelingen kan worden onderzocht. Een betere oscilloskoop zou tenminste 20 (liefst 30) MHz goed moeten kunnen weergeven.

Dit laatste is weliswaar mogelijk met een juiste keuze van de komponenten en door het toepassen van de nodige kompensatie-netwerken (waaronder ook de nodige spoelen), maar voor een eerste ontwerp lijkt dit toch iets te hoog gegrepen.

Vandaar dat de Elektorskoop een vertikale bandbreedte heeft van DC tot 2 MHz (-3 dB). De ekstra kosten en problemen die een uitbreiding tot 11 MHz (om MF-signalen te kunnen meten) met zich mee zou brengen, leken niet verantwoord omdat metingen aan een MF-versterker toch ook niet alle dagen voorkomen.

De Elektorskoop moet dan ook worden gezien als een laagfrekwent oscilloskoop. Vandaar ook de relatief eenvoudige triggering zonder filters. Wel bestaat de mogelijkheid om met een knopje een van de vertikale signalen zichtbaar te maken op de horizontale as, om zodoende op eenvoudige wijze fazefouten en vervormingen zichtbaar te maken. Achtereenvolgens worden in dit artikel de schakelingen van de zaagtandgeneraor en de vertikale eindversterker bechreven. Deze aflevering wordt besloten met de 'tips voor bouwers', waarin problemen aan de orde komen die de lezers mogelijk zullen ondervinden.

De X-print

Dp de X-print zijn de volgende schakelingen ondergebracht: de zaagtandgenerator, de triggerversterker, de automatiek die voor de aftuiging zorgt bij afwezigheid van triggersignalen, de keuzeschakeling voor de flank waarop wordt getriggerd en tenslotte de besturing voor de oscilloskoop.

Zoals uit figuur 2 blijkt is de print dan ook helemaal 'vol'. Er kan hoegenaamd geen onderdeel meer bij.

De werking van de diverse schakelingen is reeds beschreven in de mei- en juninummers en het is niet nodig hier nu nog dieper op in te gaan.

De schakeling op de print wijkt in enkele opzichten af van het oorspronkelijke schema. Dit heeft twee oorzaken: Op de eerste plaats is bij het nabouwen gebleken dat het mogelijk was de schakeling hier en daar te vereenvoudigen. Verder zijn ter verhoging van de nabouwzekerheid de waarden van enkele komponenten gewijzigd. Op de derde plaats waren enkele veranderingen noodzakelijk om problemen (= het aantal draadbruggen en leidingen) op de print te voorkomen.

In figuur 1 is het gehele schema van de schakelingen die op de X-print zijn geplaatst nog eens gegeven.

Fig 1a
Figuur 1a geeft het triggergedeelte.

Fig 1b
Figuur 1b de zaagtandgenerator.

Fig 1c
Figuur 1c is de keuzeschakelaar voor de tijdbasissnelheid met de bijbehorende komponenten.

Fig 1d
Figuur 1d tenslotte, verzorgt de besturing van de Elektorskoop.

Onderdelenlijst bij figuur 1.
R1,R31,R32100 Ω
R2,R4,R15,R16,R20,R25,R26,R27,R4710 k
R31k5
R5,R36,R39,R464k7
R6,R7,R9,R13,R14,R19,R22,R23,R30,
R33,R34,R37,R38,R40-R45,R48
1 k
R81k8
R10820 Ω
R11,R24,R292k2
R121 M
R1733 k
R18100 k
R2127 Ω
R286k8
R35330 Ω
R363k9
Pl,P31 k lin
P222 k instel
Cl,C321 µF MKM
C2,C3,C4,C10,C18,C3410 µF/16V evt. tantaal
C5,C6,C9,C13,C17,C30100 n
C76p8
C84µ7/16V evt. tantaal
C11220 n
C12,C2810 n
C1433 p
C15120 p
C16,C21330 p
C1915 n
C20,C261 n
C22,C23vervallen
C24120 p
C25270 p
C273n3
C2933 n
C31330 n
C333µ3/16 V
C3533µ/16V
IC1LM 311
IC2,IC67400
IC374123
IC4555
IC57413
IC77474
T1,T3,T4,T6,T7BC547B
T2,T5BC557B
D1-D5,D8,D10-D131N4148
D6,D9AA119 (germaniumdiode)
D7vervalt
printschaketaar12 standen, 2 moederkontakten
printkonnektor31-polige

De triggerversterker met T1 versterkt nu 5 maal. Dit heeft als voordeel dat de triggering wat gevoeliger is ten opzichte van de oude versie, waarin TI als emittervolger was geschakeld. Weliswaar heeft dit ook tot gevolg, dat de bandbreedte van de triggerversterker wat kleiner wordt (het 3-dB punt ligt nu bij 1,2 MHz), maar dit hoeft geen bezwaar te zijn omdat de Elektorskoop primair bedoeld is voor laagfrekwent toepassingen en de vertikale versterkers ook een kantelpunt hebben dat bij 2 MHz ligt. Van de LM 311 zijn de + en de -ingang verwisseld ten opzichte van het oude schema. Er ontstaat nu in kombinatie met R een kleine meekoppeling, waardoor de schakeling zichzelf enigszins invangt. Dit invangen moet natuurlijk niet snel gebeuren, omdat dan de kans bestaat dat de zaagtand bii lage frekwenties gaat jitteren. Desgewenst kan C2 worden vergroot.

De triggering is AC-gekoppeld met behulp van kondensator C1. Dit is gedaan omdat door de spreiding in de FET's in de voorversterker het DC-nivo dat via S2 binnenkomt, niet bij alle eksemplaren hetzelfde was. Bij de huidige schakeling wordt de instelling bepaald door R2/R3 en is een afzonderlijke af-regeling niet nodig. De onderste grensfrekwentie ligt op 16 Hz;voldoende laag dus.

De zaagtandgenerator

In de voeding voor de zaagtandgenerator met IC4 is nog een ekstra RC-kombinatie opgenomen om storingen op de voedingslijn zoveel mogelijk te onderdrukken. Verder is gebleken dat het in sommige gevallen noodzakelijk is om de ontkoppelkondensatoren direkt op de pennen van het IC te solderen. Gewoonlijk zal dit echter niet nodig zijn.

De besturing

Ook de besturing is op een aantal punten gewijzigd of aangepast, waarbij de principiële werking echter gelijk is gebleven.

De opwekking van de donkerstuurimpulsen rond IC5 is vereenvoudigd, zo: dat er nu nog maar een uitgang voor del donkersturing is.

Verder was in het eerder gepubliceerde' schema D9 weggevallen, en is aan de schakeling het schema voor de onderdrukking van de zaagtandspanning (rechts beneden in de figuur) toegeoegd.

De print

In figuur 2 is de komponentenopstelling en de lay-out van de X-print getekend. Omdat de banen vrij smal zijn en er veel soldeerpunten op voorkomen, is het zaak goed en zorgvuldig te solderen. Bedenk dat haastwerk samen met het opsporen van daarbij gemaakte fouten (zoals twee banen die zijn kortgesloten door een minuskuul druppeltje soldeer) aanzienlijk meer tijd kost dan het van meet af aan zorgvuldig werken.

Fig 2a
Fig 2b
Figuur 2. De print en de komponentenopstelling van de X-print volgens figuur 1. Nagenoeg alle ruimte - zelfs tussen de printschakelaar - is gebruikt om de komponenten onder te brengen.
Bij het insolderen van de onderdelen moet worden opgelet dat er niet per ongeluk enkele banen door een druppel soldeer worden kortgesloten.

De schakelaar wordt direkt op de print gesoldeerd. Hierbij moet men er op letten, dat de schakelaar zo diep wordt gemonteerd dat, wanneer de print later in de plastic geleidesleuven wordt geschoven, het aluminium frontplaatje links tegen het segment voor de beeldbuis aansluit. De potentiometers worden ook direkt op de print gesoldeerd en worden bij voorkeur met enkele onder-legringen (om te voorkomen dat later de knoppen te ver naar voren steken) en een passende moer bevestigd.

De knoppen zijn tipen met afneembare kapjes waaronder de moer zit waarmee een klemkonus kan worden aangedraaid. Deze knoppen met klemkonus zijn over het algemeen gemakkelijker te monteren en klemmen bovendien veel beter dan knoppen die met schroeven worden bevestigd.

Eigenschappen en afregeling

De triggeringang heeft teoretisch een gevoeligheid van enkele millivolts. In de praktijk is er echter een groter ingangssignaal vereist omdat er ook heel wat storing voorkomt, die het betrouwbaar triggeren op zo kleine signalen onmogelijk maakt. In de praktijk komt het er op neer, dat een signaal dat zichtbaar is op het beeldscherm, groot genoeg is om op te triggeren.

De tijdbasissnelheid is instelbaar in 12 stappen tussen 0,5 µs en 0,1 s per schaaldeel. Bij de hogere tijdbasissnelheden wordt de zaagtandamplitude gewoonlijk iets kleiner. Hieraan is verder niets te doen; het IC staat eenvoudig op zijn tenen.

Bij de langere zangtandtijden, die met behulp van elko's worden opgewekt, zal er gewoonlijk een kleine a-lineariteit aan het begin van de zaagtand optreden. Dit wordt veroorzaakt door de gebruikte elektrolyten. Het is daarom aan te raden indien mogelijk (toch zeker tot 1 p) MKM-kondensatoren te gebruiken. Foto 1 geeft een indruk van de lineariteit van de zaagtandgenerator en de X-eindversterker. Het beeld is simmetrisch ten opzichte van het midden van het beeldscherm. Voor alle normale toepassingen is de lineariteit dus voldoende. Ten overvloede kan daarbij worden opgemerkt dat uiteraard geen enkele oscilloskoop uit de goedkope prijsklasse (waartoe ook de Elektorskoop behoort) kan worden beschouwd als een echt precisie-instrument, omdat de kwaliteit van de gebruikte elektronika hiervoor te enen male onvoldoende is.

Uit foto 1 blijkt verder, dat bij de hoge tijdbasissnelheden een klein stukje van de terugslagonderdrukking nog zichtbaar is. Hieraan is met eenvoudige middelen helaas weinig te doen. Er is bij het ontwerpen van de Elektorskoop met opzet uitsluitend gebruik gemaakt van gewone, overal te krijgen laagfrekwent transistoren. Mede hierdoor komt de puls voor de terugslagonderdrukking net iets te laat.

De afregeling van de zaagtandgenerator is simpel. Er is namelijk maar een instel-potje, dat bij iedere willekeurige frekwentie kan worden ingesteld. Het ligt voor de hand een frekwentie van 50 Hz (lichtnet) op een van de vertikale kanalen te zetten en dan de zaagtandfrekwentie zo af te regelen dat de hele periodetijd van 20 millisekonden ook van het scherm kan worden afgelezen. Alle andere tijden kloppen dan automatisch. Dat wil zeggen, omdat de gebruikte kondensatoren een tolerantie van 5% hebben, zal de maksimale fout 10% bedragen. Gemiddeld zal de fout niet groter zijn dan 5%. De nauwkeurigheid ligt dus in de grootte-orde van een buisvoltmeter.

De eindversterkers

De eindversterkers dienen om de signalen die van de ingangsversterkers of van de zaagtandgenerator afkomstig zijn, zodanig te versterken, dat de amplitude groot genoeg is om de afbuigplaten van de beeldbuis te sturen. De spanningen die hiervoor nodig zijn, liggen in de grootte-orde van enkele honderden volts! De sturing van de beeldbuis geschiedt simmetrisch, d.w.z. wanneer de ene afbuigplaat een hogere spanning krijgt toegevoerd, moet de spanning op de andere plaat evenveel zakken. Gemiddeld blijft de spanning op een paar afbuigplaten dus steeds gelijk. Dit is belangrijk, omdat hierdoor de beeldscherpte hetzelfde blijft.

Fig 3
Figuur 3. Het schema van de eindversterkers. Als eindtransistoren worden goed verkrijgbare goedkope video-transistoren gebruikt. Schakelaar S8 is op het frontpaneel bevestigd en wordt met een getwiste leiding met de print verbonden.

Onderdelenlijst bij figuur 3
R1,R11,R15,R25100 Ω
R2,R10,R14,R16,R241 k
R3,R4,R7,R8,R17,R18,R21,R2210 k/1 Watt
R5,R9,R19,R23680 Ω
R6,R2082 Ω
R12330 Ω
R133k9
P1 ,P22k2 instel
P3220 Ω instel
C1220 n
C2100 n/250V
C3,C410 µF/16 V
C5120 n
T1,T2,T6,T7BF458
T3 t/m T5,T8 t/m T10BC140, BC141
D1 t/m D41N4148
voet voor beeldbuis
koellichamen voor T1,T2,T5,T6,T7, T10

Bij een voedingsspanning van 150 volt voor de eindversterker is de maksimale uitsturing ongeveer gelijk aan 120 volt per plaat, in totaal is de bereikbare amplitude dus 240 volt. De maksimale afbuiging op het beeldscherm is dan Eq 1 bij de 13 cm buis.

Omdat de bruikbare schermgrootte van de 13 cm buis 10 cm is, zal het beeld dus niet helemaal vol geschreven kunnen worden. Om dit op te lossen zijn er al eerder twee mogelijkheden aangegeven: het verhogen van de voedingsspanning voor de eindversterkers met 20 volt, of het verlagen van de hoogspanning voor de beeldbuis waardoor de gevoeligheid toeneemt.

Fig 4a
Fig 4b
Figuur 4. De print en de komponentenopstelling van de eindtrappen van de Elektorskoop volgens het schema uit figuur 3. Bij de foto zijn ter wille van de duidelijkheid enkele koelsterren weggelaten. De koelplaten van de hoogspanningstransistoren zijn vrijdragend, hetgeen mogelijk is door de geringe afmetingen en massa van de koelplaten.

Werking

Om een goede simmetrische afbuigspanning te verkrijgen, zijn de eindversterkers als verschilversterkers uitgevoerd. Om de stabiliteit van de eindtrap te waarborgen, is er bovendien gekozen voor de z.g. kaskode-schakeling. Deze kaskode bestaat uit de kombinatie van T1 en T3. T3 maakt deel uit van een gewone verschilversterker, en in zijn kollektor is T1 opgenomen. T1 ligt met de basis aan aarde voor wisselspanningen. Het zou te ver gaan het principe van de kaskode-schakeling hier uit te leggen, maar het komt er op neer dat, omdat de basis van T1 voor wisselspanningen aan massa ligt, er een uitstekende isolatie wordt bereikt tussen de uitgang van de versterkertrap (= de kollektor van T1) en de ingang (= de basis van T3). Door deze isolatie is het onmogelijk dat de versterker gaat oscilleren.

De verschiltrap krijgt op zijn ingang niet altijd dezelfde signalen aangeboden. Voor de horizontale eindtrap geldt b.v. dat er een asimmetrisch signaal wordt geleverd door de zaagtandgenerator. Op de ene ingang staat de zaagtandspanning, terwijl de andere ingang alleen een gelijkspanning toegevoerd krijgt. Van deze signalen moet toch een goede simmetrische uitgangsspanning worden verkregen.

Verder kan het voorkomen, dat tijdens het (elektronisch) omschakelen van de kanalen de spanning op beide bases evenveel zakt. Dit common-mode signaal mag geen invloed hebben op de plaats van de lijn die op het scherm wordt geschreven.

Om aan bovenstaande eisen te voldoen, moeten de verschil-versterkers een gelijkstroominstelling krijgen via de stroombronnen T5 en T10. Het totale aantal transistoren komt hiermee op 5 per eindversterker, waarvan er 2 (T1 en T2) hoogspanningstipen moeten zijn.

Het gemiddelde gelijkspanningsnivo op de kollektoren van de hoogspanningstransistoren wordt zb gekozen, dat het uitsturingsbereik maksimaal is. Dit nivo kan worden veranderd door de stroom door de stroombronnen anders te kiezen, hetgeen wordt bereikt door de weerstand R14 te variëren. Dit laatste is b.v. noodzakelijk indien de versterker met een hogere dan de aangegeven voedingsspanning werkt, omdat anders nog niet optimaal profijt wordt getrokken van de verhoogde spanning. De dissipatie (vermogensverlies) in de kollektorweerstanden is niet gering.

Daarom zijn hier twee 1 watt weerstanden parallel geschakeld. Zoals uit foto 2 blijkt, zijn deze weerstanden bovendien op enige afstand van de printplaat gemonteerd om een betere koeling te bereiken.

Foto 2
Foto 2. De print van de eindversterkers ingebouwd in het 7 cm model. De flatcable op de voorgrond (links beneden op de foto) gaat naar de voedingstransformator. De afscherming van de beeldbuis is met een beugeltje aan het frame bevestigd.

De warmte-ontwikkeling in de beide hoogspanningstransistoren is nagenoeg even groot als in de kollektorweerstanden; deze transistoren zijn daarom voorzien van een koelvin. Om de kapaciteiten zo klein mogelijk (en dus het frekwentiegebied zo groot mogelijk) te houden, is er afgezien van een gemeenschappelijke koelplaat en zijn de koelplaatjes ook niet geaard.

De versterking van de eindtrappen wordt bepaald door de verhouding tussen de kollektorweerstanden en de weerstand in de emitterleidingen. Indien P1 op minimum is ingesteld, is de versterking maksimaal. Op de instelling van de versterking wordt dieper ingegaan bij het bespreken van de afregeling van de Elektorskoop.

Zoals hierboven al is aangestipt, kan het voorkomen dat tijdens het omschakelen van de ingangen de ingangsspanning voor de eindversterkers wegvalt. In dit geval is het niet denkbeeldig, dat T3 en T4 geheel gaan sperren.

Om de spanningssprongen enigszins te beperken zijn enkele dioden toegevoegd, welke voorkomen dat de basisspanning beneden -0,6 volt zakt. Hierdoor is gegarandeerd, dat de versterker steeds in zijn werkgebied blijft ingesteld.

Omdat de spanningen over T3 en T4 maar klein zijn, (maksimaal 15 volt) hoeven deze niet gekoeld te worden. De stroom brontransistor die de dubbele stroom moet verwerken en die meestal ook iets meer spanning krijgt, is wel voorzien van een koelvin.

Voor P3 was helaas geen plaats meer op de print. Daarom wordt deze instelpotmeter direkt achter op de print of op de pennen van schakelaar S8 gesoldeerd. De verbinding tussen de print en de schakelaar kan beter niet van afgeschermde kabel worden gemaakt. Twee in elkaar gedraaide (getwiste) draden voldoen uitstekend.

Liefhebbers kunnen proberen de frekwentiekarakteristiek van de versterker te verbeteren door kompensatie toe te passen. In dit geval moet er een RCkombinatie parallel worden geschakeld aan de potmeters waarmee de versterking wordt ingesteld. Hiertoe zijn op de print twee gaatjes naast de instelpotmeters opengelaten. De juiste instelling is echter geen eenvoudige zaak. Er is bij het ontwerp van de Elektorskoop dan ook bewust van af gezien.

Tips voor bouwers

Zoals inmiddels duidelijk is geworden, zijn kondensatoren met een werkspanning van 2000 volt nagenoeg niet te krij. gen, in ieder geval niet tegen betaalbare prijzen. Daarom wordt er van de hoogspanningsprint een tweede uitvoering voor 2000 volt ontworpen, waarbij steeds twee kondensatoren van 1000 volt in serie worden geschakeld om een werkspanning van 2000 volt te verkrijgen.

Over deze kondensatoren moet dan een hoogohmige weerstanddeler worden geplaatst, om er zeker van te zijn, dat de spanning juist wordt verdeeld over de beide kondensatoren.

De bouwers van de 13 cm uitvoering moeten dus nog even geduld hebben, hoewel wordt getracht deze print reeds in het volgende nummer op te nemen. Verder komen er in de schakelingen (dit geldt ook voor de andere printen van de Elektorskoop) nogal wat ontkoppelkondensatoren voor. Het is niet noodzakelijk om hiervoor tantaalelko's te gebruiken; gewone goede elko's zijn ook prima. Het kan hierbij geen kwaad, om de werkspanning van de kondensatoren zo hoog mogelijk te kiezen als de ruimte op de print toelaat. De opgegeven waarden uit de stuklijst moeten gezien worden als minimum-specifikaties.