Riportiamo alla luce un DG7-32 Introduzione Molti lustri fa, ancora studente, scovai un tubo a raggi catodici DG7/32-01 da 3 pollici della Philips ad un prezzo abbordabile per le mie scarsissime finanze: con due ECC83 divenne il mio primo oscilloscopio, monotraccia e con un solo MHz di banda passante. Anni dopo, quando potei permettermi un oscilloscopio vero, smontai il tutto e imballai tubo e valvole per usi futuri. Passarono molti anni. Recentemente ho ritrovato il tubo in cantina e mi è venuta voglia di vedere se ancora fosse efficiente: con mia grande soddisfazione ci sono riuscito. Questo tutorial descrive come ho fatto. Premessa importante Il circuito usa tensioni elevate (500 e 350 Volt) e quindi potenzialmente letali. Per la realizzazione occorrono particolari cautele e soprattutto molta prudenza. In particolare la presenza di condensatori elettrolitici fa sì che siano presenti tensioni elevate anche ad alimentazione spenta. Ogni operazione sul circuito attivo va fatta “con una mano sola tenendo l’altra rigorosamente in tasca”; se servono due mani occorre prima verificare che l'alimentazione sia disconnessa, poi scaricare i condensatori, infine verificare col tester che tutti i condensatori siano effettivamente scarichi e solo allora intervenire. Infine occorre ricordare che, essendo presente un trasformatore di alimentazione, se tocchiamo un punto sotto tensione il salvavita dell’impianto di casa non interviene. Il progetto è ad uso esclusivamente dimostrativo: se si desidera utilizzarlo in modo stabile occorre chiuderlo in un adeguato contenitore che garantisca la sicurezza di chi lo usa. Lo ripeto: occorre una buona esperienza di realizzazioni con circuiti ad alta tensione: la realizzazione è a vostro rischio e pericolo, io declino qualunque responsabilità. Una brevissima descrizione del tubo a raggi catodici Un tubo a raggi catodici (CRT) è un dispositivo che “spara” un fascio di elettroni focalizzandolo su uno schermo: il punto colpito dal fascio si illumina per fluorescenza. Deflettendo il fascio di elettroni con un campo elettrico, o magnetico, è possibile spostare il punto illuminato in una qualunque posizione dello schermo. E’ a pieno titolo una valvola termoionica con un filamento, un catodo, varie griglie ed un anodo; in aggiunta sono presenti due coppie di placche che deflettono il fascio di elettroni con un campo elettrostatico. Per visualizzare e muovere il nostro puntino luminoso è necessario un circuito di polarizzazione per le griglie e un circuito di deflessione per le placche. Fino a pochi anni fa è stato l'unico schermo degli oscilloscopi e dei televisori ma oggi la tecnologia avanza sempre più. La polarizzazione del tubo Il tubo DG7/32-01 è un tubo CRT con schermo di 3 pollici, con fosfori verdi a media persistenza e alimentazione a bassa tensione, sono sufficienti "solo" 500 Volt per farlo funzionare. Tale valore, basso se paragonato ad altri tubi simili che richiedono oltre 1000 Volt per accelerare il fascio, ne facilita molto l'impiego in applicazioni amatoriali. I dati tecnici sono nel link alla fine dell'articolo. Esiste anche il DG7/32 con una minore sensibilità verticale e il DG7/31 e il DG7/31-01, che differiscono dall'altro per avere la deviazione orizzontale asimmetrica: la placca D2' (pin 10) va connessa all'anodo. ____________________ le connessioni del DG7/32-01 Per generare, accelerare e focalizzare il fascio occorre: • • • • • che il filamento sia riscaldato affinchè il catodo possa emettere elettroni che la griglia 1 sia a potenziale negativo rispetto al catodo per modulare l’intensità del fascio che la griglia 3 sia a potenziale positivo rispetto al catodo per focalizzare il fascio sullo schermo che la griglia 2-4 sia a potenziale fortemente positivo rispetto al catodo per accelerare il fascio (per semplicità tralasciamo l’astigmatismo del fascio che non rende il punto luminoso il piu' piccolo possibile e perfettamente circolare) che le placche siano allo stesso potenziale della griglia 2-4 utilizziamo le seguenti tensioni ricavate dal data sheet • • • • • • filamento catodo griglia 1 griglia 3 griglia 2-4 placche luminoso) 6,3 Vac – 300 mA a massa da – 80 Volt a 0 controlla la luminosità del punto luminoso da + 100 Volt a 0 controlla la messa a fuoco del punto luminoso + 500 Volt (la griglia 4 è l’anodo) + 500 Volt (la tensione puo' variare di poco per centrare il punto La polarizzazione dei tubi CRT degli oscilloscopi prevede l’anodo a massa (o al potenziale della tensione anodica dell'amplificatore che pilota le placche di deflessione) ed il catodo e la griglia 1 ad un potenziale fortemente negativo: anche qualche kiloVolt. Tale configurazione consente circuiti piu’ semplici per l’accoppiamento ai circuiti di deflessione, ma è indispensabile connettere catodo e filamento del tubo (di solito la massima tensione fra catodo e filamento è di circa 100 V) ed usare un trasformatore con l'isolamento del secondario dei filamenti ben diverso da quello standard. Con una tensione di funzionamento di circa 500 Volt possiamo usare la nostra configurazione senza problemi. Considerando le inevitabili tolleranze ed asimmetrie è anche necessario “centrare” il punto luminoso sullo schermo: a questo provvedono i due trimmer della rete di polarizzazione delle placche. La deflessione del fascio e l'amplificatore con uscite in opposizione di fase Dal data sheet ricaviamo la sensibilità delle placche di deflessione, cioè quanti Volt sono necessari a deflettere il fascio di 1 mm. N1 = 0,43 - 0,53 mm/V (sensibilità verticale) N2 = 0,24 - 0,30 mm/V (sensibilità orizzontale) @ g2-g4=500V (valori per 500 Volt di tensione anodica rispetto al catodo) Tali dati sono molto indicativi, già il data sheet fornisce tolleranze del 25%: come sempre nulla è meglio dell'esperienza diretta per trovare i valori reali. In ogni caso sono necessarie svariate decine di Volt pp per deflettere il fascio quindi useremo un doppio triodo ad alto guadagno ECC83 per ogni coppia di pacche di deflessione; si sarebbe potuto usare dei transistor ad alta tensione, ma io sono diffidente: in caso di rottura mi ritrovo 300 Volt dovunque e poi le valvole mi piacciono di piu'. Il circuito deflettore che ho usato si chiama “Long Tail Pair”. Era usato come driver dei finali audio in push-pull nei mitici Fender e Marshall (i meno giovani sanno cosa sono) e si adatta egregiamente ai nostri scopi. Quando arrivarono i transistor tale configurazione divenne la "madre" di tutti gli amplificatori differenziali integrati. E' un amplificatore differenziale con uno dei due ingressi collegato a massa e due uscite in opposizione di fase. Occorrono due amplificatori uguali, uno per ciascuna coppia di placche di deflessione, alimentati a circa 340 volt. Il circuito non è affatto simmetrico come sembra. Il primo triodo lavora con catodo comune, ingresso in griglia ed uscita principale in anodo e secondaria in catodo, il secondo triodo lavora con griglia comune, ingresso in catodo e uscita in anodo. I catodi dovrebbero essere alimentati da un generatore di corrente costante, che nel nostro caso viene sostituito da una banale resistenza, quindi tutto è tranne che costante. Di qui la necessità del bilanciamento dei guadagni diversificando le resistenze di anodo. In rete c'è tutta la letteratura che si desidera sull'argomento. Chi fosse interessato ad una descrizione breve ma completa segua i link in fondo all'articolo. La caratteristica importante è che le due uscite sono in opposizione di fase, così la deviazione è simmetrica fra le placche e l'immagine luminosa sullo schermo rispecchia fedelmente il segnale di ingresso; inoltre il potenziale a riposo sugli anodi delle ECC83 è di circa 250 Volt, così è agevole accoppiarle alle placche di deflessione che sono ad un potenziale di circa 500 Volt. L'accoppiamento è realizzato tramite condensatori con 1500 Volt di tensione di esercizio. La configurazione "Long Tail Pair" è composta dall’amplificatore a doppia uscita e dallo pseudo generatore di corrente di catodo (che come detto dovrebbe essere a corrente costante, ma fa lo stesso). Abbiamo 340 Volt disponibili e ne dedichiamo un quarto al generatore di corrente, diciamo 80 Volt, restano quindi 260 Volt per l’amplificatore. Guardando fra i punti di lavoro consigliati nel data sheet ECC83 MAZDA per V= 250 di anodica, scegliamo Ra= 220 K e Rk = 4K7 che danno, secondo il data sheet, 0.38 mA di corrente anodica e un guadagno in tensione di 62. Tracciamo la retta di carico per Vb= 260 Volt e NON per Vb=340 Volt, dobbiamo togliere la tensione di 80 Volt all'uscita dello pseudo generatore di corrente. Io ho sempre molti dubbi quando vedo più di un decimale dopo la virgola: è assolutamente inutile fare i conti con una precisione dell’ 1% quando le tolleranze dei componenti sono del 10-20%, quindi considero tutti i valori con una approssimazione di +/- 5%. La corrente anodica di 0,4 mA con una Rk di 4.7K fornisce una tensione di griglia Vg = -1,8 Volt: l'incrocio fra la retta di carico e la curva "stimata" della tensione di griglia Vg=-1,75 V è coerente con questi dati. La Va del punto di lavoro è di 165 Volt. Noi però abbiamo DUE triodi che condividono la stessa Rk, quindi su essa scorrono le due correnti anodiche di circa 0.4 mA ciascuna, pertanto la Rk dovrà essere 4700 / 2 = 2350 ohm, utilizzeremo quindi una resistenza da 2200 ohm (ecco perchè non serve usare troppi decimali dopo la virgola). Calcoliamo ora la resistenza per creare il generatore di corrente: anche su essa scorre la corrente di entrambi i triodi. Rt= Vt / (Ia1 + Ia2) = 80 V / (0.4 +0.4) mA = 100 K Dobbiamo infine bilanciare gli stadi come detto sopra ( la formula l’ho trovata in rete) Ra2 /Ra1 = 1 + ( (Ra1+ra1) / (Rkt * (mu+1)) ) = = 1+( 220*10 ^3+62*10 ^3) / (2.2 *10 ^3 + 100*10^3) * (100 +1) ) ~ 1.027 Con Ra = resistenza anodica, ra = resistenza interna del tubo ~ 62K@250V, Rkt somma delle due resistenze di catodo (Rk + Rtail) e mu ~100 La formula da uno sbilanciamento del 3%, sostanzialmente trascurabile, ma i testi consigliano di prendere Ra2 = Ra1 + 10% quindi Ra1 =220 K e Ra2= 250 K (possiamo usare una resistenza da 240 K al 5% o due resistenze da 220 K e 27 K). Non ho usato il valore standard di 270 K perchè è quasi il 25% in più e la correzione sarebbe eccessiva. Vediamo cosa offre il nostro amplificatore sulla carta. La griglia passando da -0.5 Volt a -3 Volt dovrebbe causare una escursione sulla placca da 80 a 230 V con un guadagno di circa 50. Pero' la resistenza di catodo non è bypassata e quindi uso una formula trovata in rete: A= (mu * Ra) / ( (Ra + Rp + ((mu+1) * Rk) ) = = (100 * 220*10^3) / ( ( 220*10^3 + 180*10^3 + ((100+1) * 4700) ) ~ 25 mu = 100 Ra resistenza di anodo = 220K Rk resistenza di catodo = 4K7 Rp parallelo fra Ra e il carico di uscita ~ 1 M = 180K Essendo le uscite dei due triodi in controfase dovremmo avere una differenza di potenziale di circa 65 Volt sulle placche di deflessione con 2,5 volt pp all'ingresso, circa 0.9 Volt efficaci. Dovrebbero bastare a spostare il punto luminoso. Andando a misurare i valori sul prototipo ho verificato una tensione di griglia di -1,7 Volt, una Vak di 170 Volt ed una corrente per ciascun triodo di circa 0,4 mA; per 2,8 Vpp di ingresso alle placche arrivano 80 Vpp, quindi un guadagno di 28; la lunghezza della linea sullo schermo è di 52mm. Ci siamo con la teoria a meno del solito 10%. Infine con i valori dei condensatori usati, e visto il cablaggio volante, la banda passante a +/- 3 dB dovrebbe andare da 100 Hz a circa 100 KHz, forse anche meno, ma non stiamo mica costruendo un Tektronix! L’alimentatore Il primario deve essere protetto da un fusibile da 250 mA, non si sa mai. Avevo in casa un trasformatore con un secondario da 130 V 0,1 mA + 6,3 V 1 A: usando anche un duplicatore ed un triplicatore di tensione ricaviamo - 180 Volt + 180 Volt + 340 Volt + 500 Volt I < 1 mA da cui ottenere - 80 Volt I < 1 mA da cui ottenere + 100 Volt I ~ 1 mA anodica 2 x ECC83 con duplicatore I ~ 1 mA anodica DG/732-01 con triplicatore Viste le basse correnti possiamo usare condensatori da 10 uF 350 Volt, opportunamente connessi in serie per i rami a tensioni superiore ai 180 Volt. Per l'anodica delle ECC83 ho usato un condensatore da 47 uF 450 visto che lo avevo. Ho preferito questa soluzione, piu' complessa, a quella piu' comune che prevede una catena di resistenze e di potenziometri da cui prelevare le varie tensioni di polarizzazione: in tal caso ci sarebbero state tensioni di 500 Volt in giro per i potenziometri e non mi sarei sentito troppo tranquillo anche se hanno gli alberini di plastica. Il secondario a 6,3 Volt alimenta in parallelo tutti i filamenti (0,3A+0,3A+0,3A). Non ho ritenuto necessario connettere alla massa del circuito il secondario dei filamenti, è possibile farlo, ma solo con questa configurazione di polarizzazione delle griglie del DG7/32-01. Assemblaggio e test Per scaricare i condensatori è bene predisporre un piccolo attrezzo. Collegare un capo di una resistenza da 33 K 2 Watt a massa e l’altro capo ad un cavetto isolato a 1000 Volt, spellato e stagnato ad una estremità; fissare con del nastro adesivo l'estremità libera del cavetto ad un cacciavite di plastica. Toccare con l'estremità libera del cavetto i terminali di tutti i condensatori ed attendere circa 5 secondi per ciascuno. Con un tester verificare infine che tutti i condensatori siano scarichi. Passo uno: assemblare l’alimentatore. La prima regola è: prudenza. Tutte le misure vanno fatte collegando saldamente il puntale negativo del tester a massa, tenendo il puntale positivo del tester con una mano e tenendo l'altra mano in tasca. ho usato alcune strisce di contatti capicorda per collegare diodi, condensatori e i due potenziometri • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • assemblare la sezione di alimentazione a -180 Volt collegare l'alimentazione verificare che ruotando il potenziometro la tensione Vg1 vari da 0 a circa – 80 Volt togliere l'alimentazione scaricare il condensatore e verificare che sia davvero scarico assemblare la sezione di alimentazione a +180 Volt collegare l'alimentazione verificare che ruotando il potenziometro la tensione Vg3 vari da 0 a circa + 100 Volt togliere l'alimentazione scaricare i condensatori e verificare che siano davvero scarichi assemblare la sezione di alimentazione anodica delle ECC83 (il duplicatore) adesso prudenza collegare l'alimentazione verificare che la tensione sia di circa 340 Volt togliere l'alimentazione scaricare i condensatori e verificare che siano davvero scarichi assemblare la sezione di alimentazione anodica del DG7/32-01 (il triplicatore) adesso ancora piu’ prudenza collegare l'alimentazione verificare che la tensione sia di circa 500 Volt togliere l'alimentazione scaricare i condensatori e verificare che siano davvero scarichi Passo due: assemblare le polarizzazioni del tubo DG7/32-01 Per sostenere il tubo ho usato un tubo PVC da 40 mm per scarichi dell'acqua: ha una guarnizione di gomma e si adatta perfettamente al tubo. Con un supporto a C ho fissato il tutto ad una base di legno. Sarebbe stato meglio usare uno schermo in mumetal ma non lo avevo in casa. Ho saldato le resistenze, i trimmer ed i condensatori di accoppiamento direttamente sullo zoccolo del tubo. . Per allineare correttamente il tubo affinchè le deflessioni siano verticali ed orizzontali occorre posizionare il PIN 9 in alto (ad ore 12 per capirci e con una tolleranza di +/- 10°) Passo tre: assemblare l'amplificatore . ho usato un montaggio on air su una base di vetronite ramata con punti di appoggio fatti con quadratini della stessa vetronite ramata e incollati, piu' che un "Manhattan style" sembra un "day after style". Passo quattro connettere alimentatore, amplificatore e tubo • • • • • • • • • • collegare l’alimentatore al tubo con quattro cavetti con isolamento a 1000 Volt e due cavetti per il filamento collegare l'alimentazione regolare il potenziometro della luminosità fino a vedere una macchia verde sulle schermo regolare il potenziometro del fuoco fino a ridurre la macchia ad un punto regolare il potenziometro della luminosità per ridurre la luminosità al minimo adesso molta prudenza con un cacciavite rigorosamente tutto di plastica e tenendo l’altra mano in tasca regolare il trimmer T1 per centrare il punto verticalmente con un cacciavite rigorosamente di plastica e tenendo l’altra mano in tasca regolare il trimmer T2 per centrare il punto orizzontalmente togliere l'alimentazione scaricare i condensatori e verificare che siano davvero scarichi • • • • • connettere la massa dell'amplificatore alla massa dell'alimentatore con un cavetto isolato a 1000 Volt connettere l'anodica dell'amplificatore all' alimentatore (+ 340 Volt) con un cavetto isolato a 1000 Volt connettere i filamenti dell'amplificatore all'alimentatore ( Vac 6,3 Volt) con due cavetti connettere l'amplificatore alle placche di deflessione con quattro cavetti isolati a 1000 Volt collegare l'alimentazione . . Passo cinque: equalizzare gli ingressi orizzontale e verticale La sensibilità delle placche orizzontali è circa la metà di quelle verticali, occorre ridurre il segnale all'ingresso dell'amplificatore verticale affinchè a parità di segnale applicato ci sia una identica deviazione verticale ed orizzontale del punto luminoso • • • • • Collegare l'alimentazione Collegare un segnale sinusoidale a circa 1000 Hz di circa 3 Vpp (~1 volt eff) all’ingresso "orizzontale" Verificare che appaia una linea orizzontale Regolare il trimmer di ingresso "orizzontale" fino a che la linea sia lunga 45-50 mm scollegare il segnale • • • • Collegare lo stesso segnale all’ingresso “verticale” Verificare che appaia una linea verticale Regolare il trimmer di ingresso "verticale" fino a che la linea sia lunga come quella orizzontale scollegare il segnale e diminuire la luminosità per non "bruciare" lo schermo con punto luminoso fisso . . Non avendo due generatori di segnali sincronizzabili per l'ultimo test ho usato un PC con il programma Visual Analizer 10.0: Tale programma freeware contiene un oscilloscopio a due tracce, un analizzatore di spettro e un generatore a due frequenze indipendenti, sincronizzabili e sfasabili fra loro; il tutto lavora nella banda della scheda audio del PC, da 10Hz a 20 Khz. La scheda audio del fornisce circa un volt in uscita, sufficienti al nostro scopo. • • • • ingresso verticale: applicare una sinusoide a 1000 Hz di circa 1 Volt ingresso orizzontale: applicare una sinusoide a 1000 Hz della stessa ampiezza e sfasata di 90 gradi Immagine sullo schermo: un cerchio o una ellisse se i segnali non sono ancora equalizzati regolare ancora i trimmer di ingresso fino a che appaia un cerchio e non una ellisse (asimmetrie e gobbe a parte ...) • . Ora che le due sezioni, verticale ed orizzontale, sono equalizzate è possibile visualizzare varie figure in funzione dei segnali applicati in ingresso: vi lascio il divertimento di provarli. segnale X sinusoide onda triangolare dente di sega sinusoide freq = t onda quadra segnale Y sinusoide + 90° onda triangolare + 90° sinusoide sinusoide freq = 2*t onda quadra + 90° figura sullo schermo un cerchio un rombo una sinusoide un otto orizzontale un quadrato Funziona: che ci facciamo? Abbiamo uno "scope" che visualizza due segnali X= f1(t) ed Y=f2(t) sullo schermo; possiamo realizzare: • • • un minioscilloscopio mandando all’asse X un segnale a dente di sega e all’asse Y un segnale da visualizzare, occorre sincronizzare i due segnali con un circuito di trigger e "spegnere il punto" durante il ritorno a capo un monitor per visualizzare forme d’onda generate da un PIC micro: un orologio digitale ad esempio. Occorre modulare on/off la luminosità del punto luminoso con un amplificatore operazionale collegato al catodo del tubo. Il collegamento è semplice essendo il catodo a potenziale zero: basta che l'operazionale fornisca +12 Volt per accendere il punto luminoso e – 12 Volt per spegnerlo.Vedi il link avanti. un monitor di sintonia per demodulatori di segnali radio digitali a due toni (RTTY, AMTOR, ecc): asse X=mark, asse Y=space. Si sintonizza il ricevitore e quando le due ellissi diventano perpendicolari il segnale radio è sintonizzato. Adesso che tutto è fatto via PC è un po' obsoleto come metodo, ma volete mettere il gusto? • • • un mini traccia curve, che mostri sullo schermo la caratteristica V/I di un componente a due terminali (diodo, condensatore, induttanza, ecc), vedi il link avanti un soprammobile che nel buio della camera da letto mostri figure geometriche che mutano lentamente ecc, ecc La lista dei componenti IL TUBO L' ALIMENTATORE resistori 4 x 1 M 1/2 W diodi resistori 4 x 4.7 M 1/2 W condensatori resistori 1 x 120 K 1/2 W condensatore resistori 1 x 180 K 1/2 W trasformatore trimmer 2 x 250 K fusibile potenziometri 2 x 250 K albero plastica VARIE condensatori 4 x 4700 nF 1500 V cavetto 0.25 mm2 tubo CRT DG7/32-01 basetta 100 x 80 mm zoccolo duodecal L' AMPLIFICATORE resistori 4 x 220 K 1/2 W resistori 2 x 27 K 1/2 W resistori 2 x 2.2 K 1/2 W resistori 2 x 100 K 1/2 W resistori 4 x 470 K 1/2 W condensatori 4 x 0.1 uF 100V trimmer 2 x 100 K valvole 2 x ECC83 zoccoli 2 x noval 7 x 1N4007 7 x 10 uF 350 V 1 x 47 uF 450 V 220V / 130 V 0.1 A - 6.3 V 1 A 250 mA isolamento 1000 V vetronite ramata La reperibilità dei componenti Tutti i componenti, tranne il tubo CRT, sono facilmente reperibili dai rivenditori o alle fiere dell'elettronica. Diodi, condensatori, resistenze, trimmer e valvole li avevo nel magic box di casa. Il trasformatore era del kit Nuova Elettronica LX1219, ora esaurito, ma il trasformatore T012.02 sembra ancora disponibile. Per il tubo DG7/32-01 ed il suo zoccolo cercate su ebay. Il costo dei componenti il tubo DG7/32-01 visto su ebay il suo zoccolo duodecal visto su ebay le due ECC83 con zoccoli il trasformatore i condensatori elettrolitici da 350 V 20 euro (un affare) 10 euro (un furto) 20 euro 10 euro 10 euro i diodi, le resistenze, i condensatori i cavetti colorati da 0,25 mm2 1000V Totale 5 euro 5 euro (0.25 al metro) 80 euro La documentazione data sheet DG7/32-01 http://www.mif.pg.gda.pl/homepages/frank/sheets/030/d/DG7-32.pdf data sheet DG7/32-01 http://www.mif.pg.gda.pl/homepages/frank/sheets/030/d/DG7-32-01.pdf long tail pair http://www.aikenamps.com/LongTailPair.htm http://www.aikenamps.com/LongTailPairDesign.htm http://www.freewebs.co.uk/valvewizard/index.html http://www.freewebs.co.uk/valvewizard/acltp.html tracciacurve http://www.techlib.com/electronics/curvetrace.html RCT clock http://www.techfresh.net/old-fashioned-cathode-ray-tube-clock/ http://www.webx.dk/oz2cpu/clock-scope/scope.htm Visual Analizer http://www.sillanumsoft.org/Italiano/index.htm Conclusione Abbiamo finito, il mio tubo CRT è ancora efficiente. Valeva la pena di provarci? Certo che si! Se trovate refusi siate comprensivi, Il mio correttore di bozze è in vacanza.