Un regolatore per la dinamo della Gibson Girl

Un regolatore per la dinamo
della Gibson Girl
Come recuperare un generatore a manovella del 1945 e realizzare un alimentatore ragionevolmente
stabilizzato ad alta e bassa tensione utilizzabile per usi valvolari
Introduzione
Anni fa scovai il manuale d’uso di un vecchio sestante aereonautico Mark-IX/A: lo
scambiai da un rivenditore di surplus con uno strano arnese a manovella pieno di polvere.
Cercando in rete venne fuori che si trattava del generatore di tensione dell’AN/CRT-3, un
trasmettitore di segnale di soccorso in dotazione ai piloti qualora fossero stati abbattuti.
L’apparato ha una forma ergonomica dovendo essere tenuto fra le gambe per ruotare la
manovella comodamente, ma vista la somiglianza con i disegni di Charles Dana Gibson la
trasmittente fu subito ribattezzata come Gibson Girl.
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l’AN/CRT-3
una delle Gibson Girls
Due parole sulla Gibson Girl
Si tratta di un trasmettitore di segnale di soccorso che invia l’SOS in codice morse. Lo
SCR-578 opera solo sui 500 kHz mentre il suo successore l’AN/CRT-3 trasmette
alternativamente sulle frequenze di 500 kHz (modulata in ampiezza a 1000Hz) e di 8.280
kHz (modulata in CW) con una potenza di circa 2 Watt in antenna. Come antenna usa un
filo “issato” da un aquilone (kite) e in mancanza di vento da un pallone gonfiato da un
generatore di idrogeno: il segnale di soccorso in onda corta poteva essere ascoltato ad
oltre 1000 miglia di distanza. L’apparato usa un doppio triodo 12SC7 come generatore
audio ed un pentodo a fascio 12A6 come generatore di radiofrequenza; era destinato a
personale “non addestrato” che doveva soltanto ruotare una manovella “incriccata” che
quindi ruota solo nel verso giusto! L’apparato è rimasto in esercizio attivo fino al 1960
sugli aerei militari e civili; chi è interessato trova ancora in rete i manuali tecnici completi di
schemi.
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La dinamo in pillole
In estrema sintesi una dinamo è un generatore rotante di tensione continua messo in
movimento da una forza meccanica esterna. E’ costituito da un “rotore” che contiene vari
avvolgimenti e che ruota immerso nel campo magnetico generato da uno “statore”, che
contiene un avvolgimento di campo (field) alimentato da una opportuna tensione. Nella
sua rotazione il rotore attraversa il campo magnetico generato dallo statore e nei suoi
avvolgimenti si induce una tensione proporzionale alla velocità di rotazione ed alla
corrente di eccitazione dello statore: regolando tali grandezze si varia la tensione
generata. La tensione in uscita è continua ed è raccolta da due spazzole che strisciano
sulle terminazioni (collettore) delle bobine del rotore.
La bobina di campo può essere alimentata con una tensione esterna (eccitazione
indipendente) o dalla stessa tensione prodotta dalla dinamo: in questo caso la bobina di
campo dello statore può essere collegata “in serie” o “in derivazione” alle bobine del
rotore. Nella dinamo con eccitazione derivata non si deve superare la massima corrente
erogabile altrimenti la tensione scende perché il carico “sottrae” corrente all’avvolgimento
di campo indebolendo il campo magnetico.
La domanda giunge spontanea: quando la dinamo è ferma e quindi non genera tensione
come si fa ad alimentare lo statore? In realtà è sempre presente un po’ di magnetismo
residuo, molto basso ma sufficiente a generare un po’ di tensione: questa piccola tensione
alimenta la bobina di campo facendo aumentare la tensione di uscita e quindi la corrente
di eccitazione; dopo qualche giro la dinamo va a regime. Se si fa girare la dinamo a
rovescio si distrugge il magnetismo residuo e la dinamo “muore”: per “resuscitarla” si deve
fornire dall’esterno una tensione alla bobina di campo per ripristinarne il magnetismo
residuo, operazione ben nota ai restauratori di auto d’epoca.
Il generatore della Gibson Girl
E’ una dinamo che fornisce una Bassa Tensione di 27 Volt con 175 mA ed una Alta
Tensione di 300 Volt con 40 mA per un totale di circa 17 Watt. All’esterno escono 5
conduttori: i terminali <+> e <-> dell’Alta Tensione, i terminali <+> e <-> della Bassa
Tensione ed un terminale <F> della bobina di campo, l’altro terminale è connesso al <->
della Bassa Tensione. La bobina di campo ha una resistenza ohmica di 200 ohm.
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La dinamo viene messa in rotazione da una manovella che attraverso una coppia di
ingranaggi porta la rotazione dagli 80 giri al minuti forniti “a mano” ai circa 5.000 giri al
minuti richiesti per andare a regime. Ulteriori ingranaggi e camme comandano dei contatti
per generare il codice morse SOS oppure AA e per cambiare ogni minuto la frequenza di
trasmissione. La rotazione delle camme è regolata da un freno centrifugo.
La dinamo della Gibson Girl è molto simile (tensione e corrente erogata a parte) a quella
della vecchia 500 Fiat, ha un terminale della bobina di campo al negativo, è eccitata “in
derivazione” ed opera in regime di rotazione variabile: occorre quindi un regolatore che ne
stabilizzi la tensione di uscita. Diversamente dalla 500 che ha bisogno di 3 relè
(voltmetrico, amperometrico e di minima) per non mandare arrosto la batteria, la Gibson
Girl si accontenta del solo relè voltmetrico poiché non c’è nessuna batteria da caricare: il
carico è connesso direttamente all’uscita.
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Se la tensione è inferiore al livello nominale il relè non opera e l’avvolgimento di campo è
alimentata direttamente dalla dinamo. Quando la tensione supera il valore nominale il relè
opera, l’ancora si posiziona al centro della corsa, apre il contatto NC ed inserisce la
resistenza delle due lampadine in serie all’avvolgimento di campo, di conseguenza la
tensione generata scende. Le lampadine hanno una resistenza variabile in funzione della
temperatura del filamento, quindi fungono da ulteriore regolatore automatico. Se la
tensione è ancora troppo alta il relè chiude il contatto NA e cortocircuita l’avvolgimento di
campo abbattendo drasticamente la tensione generata.
Il ciclo si ripete molte volte al secondo facendo vibrare il relè e stabilizzando la tensione di
uscita al valore nominale. Semplice ed efficace proprio come sulla mitica 500, una volta i
relè li facevano davvero robusti.
Nel mio generatore il relè di regolazione era andato perduto e il generatore è rimasto
inutilizzato per un bel po’ di tempo nella scatola “Waiting for an Idea” finchè ho deciso di
metterci mano ed ho realizzato questo circuito regolatore.
Il regolatore a Mosfet
La dinamo della Gibson Girl genera poca corrente, quindi ho disegnato un circuito
regolatore che ne assorbisse il meno possibile usando un Mosfet a canale P IFR9530 che
avevo nel cassetto, ma qualunque altro mosfet a canale P con 100Vds ed almeno 1A va
altrettanto bene.
L’IFR9530 gestisce 12A a 100V, che sono anche troppi per l’uso che se ne fa, ed ha una
Ciss (la capacità di ingresso) di 500pF. La resistenza di ingresso “statica” di un mosfet è
di vari megaohm, ma “in alternata” il carico che presenta è grosso modo una reattanza
capacitiva Xc=1/(2pigreco * f * Ciss): oltre il KHz quando si sale in frequenza si scende
linearmente sotto i 300 Kohm.
Con un Mosfet a canale P il source è connesso al positivo. Lo schema è più intuitivo se
viene letto con il positivo in basso ed il negativo in lato come usava tanti anni fa: nel
seguito le tensioni di gate sono tutte riferite al Source (positivo di alimentazione) e non alla
massa.
La regolazione avviene sulla Bassa Tensione Vbt, di conseguenza l’Alta Tensione avrà un
valore variabile fra 250 e 300 Volt essendo legata al valore della Vbt. Ipotizziamo di volere
una tensione di 25 Volt in uscita.
Quando si mette in rotazione la dinamo, dapprima la tensione Vbt è inferiore ai circa -4
Volt necessari al gate per portare in conduzione il mosfet, quindi la bobina di campo è
alimentata attraverso la resistenza da 1.000 ohm 1 Watt: la tensione cresce gradualmente.
Quando la tensione Vbt diventa superiore a 4 Volt ma inferiore a 25 Volt, lo zener da 22V
(con il led rosso in serie) è interdetto, il transistor PNP anche ed il gate del Mosfet è a
tensione –Vbt attraverso la resistenza da 12K: lo zener da 12V fra gate e source limita la
Vgs a -12 Volt per non superare i 20 Volt ammessi. Il Mosfet va in stato ON, la bobina di
campo è alimentata direttamente dalla dinamo con una corrente di oltre un centinaio di
mA: la tensione sale velocemente e potrebbe arrivare ad oltre 35 Volt in assenza di
regolazione.
Quando la tensione Vbt supera i 25 Volt (22 dello zener, 1.8 del led e 0,7 della Vbe) il
transistor PNP conduce portando il gate del Mosfet a circa -0,2 Volt: il Mosfet va in stato
OFF e la bobina di campo è alimentata attraverso la resistenza di 1.000 ohm 1 Watt. La
corrente di eccitazione cala a 20 mA e la tensione in uscita scende sotto i 25 Volt.
Il trimmer TR da 1K regola il punto di conduzione del transistor consentendo una piccola
variazione nell’intorno dei 25 Volt; se si desiderano tensioni minori (ma non troppo per non
ridurre anche la corrente erogata) o maggiori (ma non superiori ai 30 Volt per non
surriscaldare gli avvolgimenti) occorre cambiare lo zener da 22V con la relazione:
Vregolazione ~ Vz+Vled+0.7 Volt.
Il ciclo si ripete circa cinquanta volte al secondo stabilizzando la tensione della dinamo a
25 Volt sia in presenza di limitate variazioni di velocità rispetto al valore nominale di 5000
rpm, sia di corrente erogata al carico. Il regolatore può solo abbassare la tensione quindi
se si diminuisce troppo la velocità di rotazione la tensione scenderà sotto i 25 Volt: tale
situazione è segnalata dallo spegnimento del led .
In parallelo alla bobina di campo ho inserito un diodo veloce PYT01400 per assorbire le
extratensioni in aggiunta al diodo parassita che è già presente “dentro al mosfet”.
Due condensatori elettrolitici e due condensatori al poliestere sono collegati sulle uscite
della dinamo: fanno il possibile per ridurre i picchi generati dalle spazzole rotanti, lo so che
c’è del rumore impulsivo, ma è pur sempre una dinamo!
Gli avvolgimenti BT ed AT della dinamo sono lasciati separati per una maggiore versatilità:
è possibile aumentare la tensione AT in uscita collegando in serie gli avvolgimenti come
avveniva nella Gibson Girl.
NOTA) Questo regolatore può essere adattato per gestire dinamo molto più “generose”
purchè con un capo dell’avvolgimento di campo al negativo: basta adattare la resistenza di
limitazione alla corrente assorbita dalla bobina di campo e aggiustare il valore dello zener
di controllo. Se la dinamo carica una batteria occorre aggiungere un diodo ed una
resistenza da qualche ohm in uscita con un transistor come sensore di massima corrente
erogata che mandi il mosfet in stato OFF.
Il test
Ho montato la dinamo su un piccolo tornio per modellismo con un motore da 50 Watt: a 12
Volt la rotazione era di 6000 rpm, quindi superiore del 20% alla rotazione nominale di 5000
rpm della dinamo. Ho rilevato la velocità di rotazione attaccando un pezzo di adesivo
bianco sul mandrino e misurando la frequenza di variazione della luce riflessa letta da una
fotoresistenza, metodo veloce e semplice.
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la dinamo sul tornio con il misuratore di giri in alto al centro
tornio , dinamo e regolatore al banco
funziona: la lampadina a 230 Volt si accende!
Ho regolato il trimmer TR a metà corsa e senza collegare un carico ho misurato 25 Volt in
BT e 270 Volt in AT. Sostituendo lo zener da 22V con uno da 24V ho ottenuto in uscita
27 Volt e 300 Volt: proprio i valori nominali della Gibson Girl.
Ho poi collegato come carico per l’AT una lampadina da 230 Volt 10 Watt in serie ad una
resistenza da 1000 ohm 5 watt e per la BT due lampadine tuttovetro in serie da 12 Volt 2
W (150 mA misurati), le tensioni sono rimaste le medesime con un assorbimento di 45 mA
in AT e 170 mA in BT.
Finiti i test al banco sono passato ai test con la manovella. Il generatore è duro da far
girare; 14 watt se li prende il carico, la dinamo avrà un rendimento di circa il 70% e poi ci
sono gli ingranaggi del moltiplicatore, in tutto occorre fornire almeno 30 watt meccanici:
un ciclista a 20 Km/h in pianura spende circa 80 watt e lui usa due gambe!
Il contenitore
Della Gibson Girl avevo solo il generatore senza il contenitore giallo: in un Bricocenter ho
trovato un “pozzetto” in materiale plastico per impianti elettrici interrati (dimensioni interne
16x16x16 cm) che accoglieva perfettamente il generatore.
Ho tolto (ed accuratamente conservato) il blocco con le camme ed i contatti ed ho usato
delle viti Whitworth, 32G (32 filetti per pollice) un po’ più lunghe di quelle originali per
fissare la base del generatore usando la parte sporgente all’interno per fissare il regolatore
ed i condensatori.
Fortuna vuole che la vite 32G e la M5 abbiano praticamente lo stesso passo e diametro (è
diverso solo l’angolo del filetto: 55° contro 60°), così ho potuto usare un dado M5 per il
bloccaggio delle basette non avendo trovato dadi G32. E’ invece opportuno NON USARE
viti M5, anche se si avvitano bene nel foro del basamento di alluminio, proprio per non
rovinare la filettatura del foro usando un angolo diverso.
Per ultimo ho inserito esternamente una coppia di morsetti a pressione ed un portaled che
segnala la corretta velocità di rotazione. Una verniciata di giallo cromo avrebbe ricordato
l’apparato originale ma ho preferito lasciare il contenitore “grezzo. La resistenza che si
vede in foto sui morsetti dell’AT serve a scaricare il condensatore da 10uF durante le
prove, i 300 Volt sulle dita sono sgradevoli.
Come si usa
Si prende la manovella in mano e la si ruota a circa 80 giri al minuto controllando che il
led sia acceso: in uscita avremo una BT di 25 Vcc ed una AT di 270 Vcc. Il carico
applicato non deve superare i 40 mA sull’AT ed i 150 mA sulla BT, altrimenti la tensione
scenderà ed il led resterà spento anche girando a più non posso.
Se vi sembra troppo faticoso usare questo generatore, rivolgete un rispettoso pensiero a
coloro che per ore ed ore ruotavano la manovella su un canotte nell'oceano sperando che
qualcuno ascoltasse il loro segnale.
Spunti per l’impiego del generatore
Il generatore eroga 150 mA a 25 Volt (circa 3.5 Watt) ma soprattutto 40 mA a 270 Volt
(circa 11 Watt): che ci facciamo? L’uso più naturale è quello di sfruttare la sezione AT per
alimentare dei circuiti con tubi a vuoto, condizionando la tensione in bassa tensione per
adattarla ai filamenti dei tubi.
Si possono sfruttare i 25 Volt “nativi” usando tubi con filamento da 150 mA, tuttavia
regolando la tensione di uscita al valore originale di 27 Volt / 175 mA la potenza in bassa
tensione della dinamo sale a 4.7 Watt. Con un convertitore switching step down che offre
una resa dell’80% si ottengono 12.6 Volt con 300 mA o 6,3 Volt con 600 mA, tensioni
entrambe utilizzabili per accendere filamenti di tubi più robusti.
Per abbassare l’alta tensione a quella richiesta dal circuito basta una resistenza di caduta
o si può usare un LM317 con un paio di transistor o un mosfet ad alta tensione: il circuito è
chiamato Maida Regulator.
A questo punto le idee sono tutte intriganti in un crescendo di follia creativa.
Blues in strada
Il filamento di molti tubi assorbe giusto 150 mA: con una 12AX7 che pilota due 6AK6 in
parallelo con Ia=2 x 15 mA e un trasformatore di uscita da 5 Kohm (e non da 10K perché i
due tubi sono in parallelo non in push pull !) si ottengono un paio di veri watt puliti. Si
connettono i filamenti in serie e per l’anodica basta una resistenza di caduta per avere i
180 Volt di placca. Ne viene fuori un ottimo amplificatore alimentato a manovella per
suonare in strada un buon blues, naturalmente con un robusto aiutante per far andare il
generatore. Perché un blues? Perché per il rock due watt non bastano mica!
Collegamenti radio a bassa potenza: QRP a valvola e manovella
Il segnale radio ad onde corte della Gibson Girl copriva quasi duemila chilometri di giorno
e molto di più di notte: si può costruire un piccolo trasmettitore in CW da un paio di watt in
antenna, rigorosamente sulle bande amatoriali, per tentare qualche collegamento “diverso”
dal solito. Alla Gibson Girl bastava un pentodo ed un aquilone!
Il costo
Per il regolatore servono meno di 5 euro più altri 5 euro per il pozzetto, ovviamente
occorre avere il generatore!
Per chi vuole approfondire
AN/CRT3 – SCR578
http://wftw.nl/gibsongirl/gibsongirl.html
http://www.thekitesociety.org.uk/PDF/Gibson%20Girl.PDF
http://radioalfronte.altervista.org/USA/bc-778/bc-778.html
dinamo eccitate in derivazione e circuiti regolatori
http://www.galileimirandola.it/elettro/QUINTA/MACCON/MACCON09.HTM
http://www.silviorizzaro.com/PAPISPAZIO/SITO%20ITIS/ITIS%20HENSEMBERGER/mios
itolimonta/rendimento_indiretto_della_dinam.htm
http://ludens.cl/Electron/dynareg/dynareg.htm
http://webspace.webring.com/people/qp/pravg/solidsta.htm
Mosfet di potenza
Understanding Power MOSFET shttp://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-7500.pdf
Application Note AN-940
http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-940.pdf
High Speed MOSFET Gate Drive Circuits http://www.ti.com/lit/ml/slup169/slup169.pdf
Stabilizzatori per alte tensioni
grix/gmarconi2: stabilizzatore AT con LM311 http://www.grix.it/viewer.php?page=9981
grix/Radio-54: stabilizzatore AT con LM7824 http://www.grix.it/viewer.php?page=7754
grix/mapo948: stabilizzatore AT a tubi
http://www.grix.it/viewer.php?page=10381
National: Maida regulator – LM311
http://www.national.com/ms/LB/LB47.pdf
Amplificatore audio con 6AK6
Bluetone 6AK6 amplifier
http://www.bluetone.fi/eng/bluetone-lead-jr-head/
Trasmettitori CW ad un tubo con corrente di filamento < 500mA
TX CW con 6V6
http://www.qsl.net/wb1gfh/ameco.html
TX CW con EL84
http://nmwilliam.tripod.com/el84.html
TX CW con ECL80
http://www.af4k.com/ecl80.htm
Conclusione
Adattare un vecchio apparato è stato divertente ed istruttivo e mi ha fatto riflettere su come
era la vita prima dei transistor.
A proposito: poche settimane fa una modernissima nave da crociera (purtroppo italiana ad
onta di G.M.) con oltre 3000 persone a bordo è rimasta SENZA COMUNICAZIONI RADIO
nell’Oceano Indiano a causa di un incendio che ha messo fuori uso TUTTI i generatori
elettrici di bordo. Un peschereccio che passava da quelle parti ha avvisato la terraferma e
con un elicottero sono state trasportate a bordo le radio di emergenza per coordinare il
traino a terra.
Forse non sarebbe male imbarcare nuovamente le Gibson Girl su navi ed aerei come si
usava saggiamente fino agli anni 60.