Naar aanleiding van een vraag op een elektronicaforum probeerde ik of het signaal uit een DCF77 ferriet antenne sterk genoeg is om direct op de scope te bekijken. De DCF77 tijdseinzender uit Mainflingen, Duitsland zend met ruw 35 kW uit op een lange golflengte van 77,5 kHz. Het signaal blijkt inderdaad direct meetbaar, hoewel ik een beetje vals speel met het type scope.
De gebruikte Tektronix 5A22N plug-in biedt misschien wel de gevoeligste scope ingang die er is: 10 µV/div. Om die gevoeligheid daadwerkelijk bruikbaar te maken kan om ruis te onderdrukken de bandbreedte verklein worden tot de noodzakelijke. De plug-in is samen met een 5B12N tijdbasis in een 5111A storage mainframe geplaatst.
De antenne is een standaard ferriet antenne, met een condensator afgestemd op 77,5 kHz. Deze antenne hoorde bij een defect DCF ontvanger printje van het Klokkenproject.
De ingang van de scope is differentieel. Dat wil zeggen dat de gevoelige ingang stroomkring elektronisch gescheiden is van aarde. De onderdrukking van common-mode signalen die gelijk zijn op beide ingangen is goed, ik mat 75 dB onderdrukking bij 77 kHz met de ingangen aan elkaar. De signaal stroomkring wordt op de scope aangesloten op twee aparte BNC connectoren voor “+” en “-“. In mijn lab heb ik echter gestandaardiseerd op xlr kabels uit de audiotechniek voor dit soort verbindingen, dus werden voor de proef een paar verlopen gebruikt. De afscherming van de kabel is met een aparte draad en 4mm stekker verbonden met het cassis van de scope, en nergens mee bij de antenne.
De differentiële ingang is belangrijk, met dezelfde antenne single-ended aangesloten is het DCF signaal soms nog net zichtbaar boven de ruis.
De gebruikte instellingen van de scope zijn:
Tektronix 5111A met 5A22N plug-in.
AC, differentieel.
50 µV / div.
10 kHz HP
0,1 MHz LP
0,5 s /div
Analoge storage
Met deze opstelling is het signaal uit de antenne goed zichtbaar te maken. Het is amplitude gemoduleerd met 1 bit informatie per seconde. Een korte afname van de amplitude is een 0, een lange een 1. De 59e seconde wordt geen puls verzonden om de volgende minuut aan te duiden. Zo wordt iedere minuut onder andere de datum en de tijd overgebracht.
De gemeten amplitude is ongeveer 150 µVpp in de ingang, die een impedantie van 2 MΩ // 23 pF heeft. Spelen met de oriëntatie van de antenne en de led-verlichting hier maakt de invloed van storing en het richten van de antenne direct inzichtelijk. Het DCF signaal is zwak en verstoring is een bekend probleem. Het signaal is maximaal met de antenne haaks op de lijn tussen hier en Mainflingen gericht.
De Tektronix 5100-series scopes werden gemaakt tussen 1971 en 1991. Ze zijn in tegenstelling tot de bekendere 7000-series niet erg gewild, vooral omdat het met 2 MHz bandbreedte vermoedelijk de traagste “gewone” scopes zijn. Als meer bandbreedte niet nodig is zit die echter alleen maar in de weg in de vorm van extra ruis. Dan is dit een goed en comfortabel instrument, met een groot storage scherm en zonder lawaaierige ventilator. De 5A22N plug-in was ook toen al bijzonder gevoelig. Moderne scopes zijn gewoonlijk niet gevoeliger dan 1 mV/div, voor dit soort metingen worden nu aparte Differential Preamplifiers toegepast.
Op Hackaday zag ik vandaag in het kader van de “2025 component abuse challenge” een geweldige thermische flipflop.
De challenge deed mij denken aan een netspanning sensor die ik in 2017 maakte om de spanning op de motoren van een groot ventilatie systeem in te lezen in een microcontroller. Deze spanning werd ingesteld met een autotransformator en een schakelaar.
De “schakeling” bestaat uit twee weerstanden van 56 kΩ, waarvan er ´één gevoed wordt met de te meten spanning. De andere is de referentie en niet aangesloten. Beiden zijn met lijm thermisch gekoppeld met ds18B20 1-wire temperatuur sensoren. Als de spanning toeneemt, neemt ook het temperatuurverschil tussen de weerstanden toe. Dit is evenredig met het aan de weerstand toegevoerde vermogen, en daarmee met het kwadraat van de aangelegde spanning. Dit is een bekend principe dat ook toegepast wordt in RMS converters, HF-vermogens meters etc. Door beide sensoren van een weerstand te voorzien zijn de thermische tijdconstanten zo veel mogelijk gelijk.
Eigenschappen van dit knutsel zijn:
Robuust en traag. Ongevoelig voor interferentie op het net.
Direct een toegankelijke digitale OneWire interface.
Behoorlijke isolatie van het net. Of het aan formele eisen voldoet is wat anders..
True RMS, werkt ook goed met verminkte golfvormen.
Nauwkeurigheid na kalibratie een paar %, vanaf 50 V.
Opgenomen vermogen 1W bij 230V.
Merk op dat een goede thermische isolatie tussen de weerstanden voor de werking niet nodig is, zie ook de referentie temperatuur in de grafiek. De enige eis is een stabiele thermische weerstand tussen de beide weerstanden en naar de omgeving. Een dicht kastje is belangrijk.
Voor deze jaren ’90 multimeter was weinig belangstelling omdat hij in ruwe staat was: De accu was kapot, het display had lijnen, hij was smerig en enkel het AC bereik leek nog te werken. Ik kon het niet laten hem te adopteren, ook uit nieuwsgierigheid.
Zoals op de foto te zien is deze meter ENORM, zeker in vergelijking met mijn trouwe 110 uit dezelfde tijd, en ook groter dan dat noodzakelijk lijkt voor het scherm en de knoppen. Vermoedelijk is hij bedoeld voor service werkplaatsen, niet voor onderweg. Ook is in het royale batterijvak ruimte voor zes AA cellen naast een eveneens 6x AA NiCd accu pack, en zijn er reserve zekeringen.
Reparaties
De eerste prioriteit was de draaiknop te repareren, anders is hij onbruikbaar. In het commentaar onder een YouTube video stonden goede aanwijzingen: Het probleem zou niet het sleepcontact van de draaiknop zelf zijn, maar de verbinding tussen de koolstof vlakjes van de schakelaar en de printsporen. De schakeling is te vinden in de overigens uitstekende service manual:
Het is dus een eenvoudige DAC om de stand van de schakelaar in te kunnen lezen met een enkele ADC pin van de microcontroller. De met de weerstanden ingestelde verhoudingen tussen de spanning op TP22 en de VDD liggen bij na-rekenen op een rechte lijn.
Bij meten tussen de contactvlakjes en de weerstanden zijn daar echter inderdaad tot tientallen kΩ overgangsweerstand, die de werking van deze schakeling verstoren. Opvallend is dat vrijwel al deze verbindingen slecht zijn.
Ik besloot de overgangen van printspoor naar contactvlak voorzichtig te aaien met een glasvezel pen om loszittend koolstof weg te halen, maakte alles daarna goed schoon met IPA en stipte enkel de overgangen aan met geleidende verf, type “Bare Conductive, Electric Paint”. Na een dag drogen werd met een wattenstaafje nog een minimale hoeveelheid Kontakt 61 op het sleepcontact aangebracht. Deze reparatie loste het probleem op, alle standen van de schakelaar werkten weer goed. De overgangsweerstand daalde naar tientallen Ω. We zullen zien hoe lang het houdt.
Overigens is op dezelfde as aan de andere zijde van de print een echte wafer geplaatst om signalen om te schakelen. Hier was niets mee aan de hand dus ben ik er afgebleven.
Met het grootste probleem opgelost werd voor een paar tientjes een nieuw display in China en een nieuw (vervangend) BP7217 NiMh accu pakket in Nederland besteld. Het verbaasde dat die voor dit oude en relatief zeldzame instrument goed te krijgen zijn. Omdat de meter helemaal uit elkaar moest was dit een mooie gelegenheid voor een poets-sessie met gewoon afwasmiddel en een schuursponsje. Daar knapte hij zo van op dat de 110 ook een bad gekregen heeft.
Kalibratie en techniek
De kalibratie van alle bereiken lijkt in orde, de multimeters zijn het behoorlijk met elkaar en de lab referenties eens. Overigens is de spanningsreferentie in de meter een “gewone” zener diode, een 1N4578 van 6,4 V. De schakeling is klassiek: Een niet-inverterende 1,27x versterker en een weerstand van 845 Ω stellen de stroom door de diode in op de voor de diode gespecificeerde 2 mA.
De speciale Fluke BE 860 230 netadapter of “Battery eliminator” is een curiositeit. Omdat er in de meter geen galvanische scheiding is, is de adapter helemaal geïsoleerd tot de 1000 V die ten opzichten van aarde gemeten mag worden. Dit leidde tot een dik snoer en een extreem lange, dunne DC connector die in een klein gaatje gestoken moet worden.
Vermoedelijk geeft deze oplossing met een 50 Hz transformator de hoogst bereikbare common-mode impedantie, beter dan met een geïsoleerde smps in de meter te bereiken zou zijn. Dit is belangrijk voor een multimeter. Het instrument moet goed zweven om de metingen niet te verstoren. De totale parasitaire capaciteit van de netadapter is slechts 20 pF, het lek is bij een net van 230V/50Hz dan enkele µA.
De aftermarket smps adapters voor deze meter die op internet te vinden zijn zouden wat dit betreft minder kunnen presteren.
Eerste ervaringen
Wat is dit nu voor instrument?
De grote Fluke is lomp, traag in alles en werkt slechts 8 uur op een power pack.
Hij bevat twee instrumenten in een: een 4,5 digit multimeter en een 4,8 Megasample, 1 MHz bandbreedte scope kanaal dat de bemeten golfvorm kan tonen.
De continuïteit test is snel bij het detecteren van contact, maar niet bij onderbrekingen. De nederige Fluke 110 wint dit royaal.
Bij AC metingen heeft men de keuze uit gemiddelde- of RMS metingen, wat in de meter als twee aparte analoge kanalen is uitgevoerd.
Er zijn uitgebreide frequentie / PWM / periode functies voor zowel AC als DC.
Een interessante optie is de TrendGraph display mode, die bij bijna alle functies gekozen kan worden en de gemeten waarde tegen de tijd plot. Dit is een functie die ik soms mis op luxe moderne scopes. Helaas loopt de verticale schaal van de trend altijd van 0 tot de maximale waarde van het bereik, wat kleine variaties onzichtbaar maakt. Een gemiste kans, mogelijk was extra geheugen nog te duur.
De diode test werkt bipolair, wat zowel praktisch als enigszins verwarrend kan zijn.
De ingebouwde componenten tester of “tracker” is een fraaie extra. De frequentie is in decades te kiezen tussen de 2 Hz en 18,75 kHz en de uitgangsspanning is 3,2 Vpp bij een impedantie van 11,1 kΩ. Deze werkt uitstekend.
De grote Fluke heeft dus uitgebreide voorzieningen voor reparaties op component niveau, maar niets voor industriële toepassingen.
Vermoedelijk was dit model gericht op service werkplaatsen voor bijvoorbeeld kantoor machines zoals printers, plotters en kopieermachines, of professionele audio/visuele apparatuur zoals camera’s en videorecorders. Zoals die halverwege de jaren ’90 nog op grote schaal in gebruik waren. Hij lijkt erg geschikt voor het meten aan (PWM-) motor regelingen en dergelijke.
Voordat ik op de fiets stap, of als er bijzondere omstandigheden zijn zoals vandaag een warme dag, kijk ik graag even naar de actuele weer situatie in Nederland.
Het KNMI heeft onder andere een pagina met actuele waarnemingen. Deze laat echter maar 1 kaartje tegelijk zien, wat weinig overzicht geeft. Ook andere sites of apps vereisen naar mijn smaak vrij veel klik- en denkwerk om een compleet actueel overzicht te krijgen. De kaartjes van het KNMI hebben een statisch URL. Al weer jaren geleden schreef ik daarom, ouderwets met de hand, een HTML pagina die alle actuele kaartjes van de KNMI site op één pagina bij elkaar hotlinked.
Vintage HTML
De pagina zelf is ergens opgeslagen op mijn computers, de gelinkte plaatjes zijn uiteraard bij iedere verversing actueel.
Omdat de enige inhoud van het KNMI zelf komt lijkt het wat copyright betreft geen probleem de pagina toe te voegen aan dit blog.
Als u dit “dashboard” ook wilt gebruiken raad ik aan het lokaal op te slaan, dan bent u geheel onafhankelijk van dit blog.
Onlangs redde ik een half gesloopte Philips VLP-720 Laserdisc speler van de container. Over de geschiedenis van dit video systeem, dat maar een beperkt succes heeft gekend, is online veel te vinden. De grote hoeveelheid strikt analoge en op het oog eenvoudige elektronica maakte mij nieuwsgierig naar de werking. Een goede aanleiding om daar eens in te duiken.
Dit systeem is een directe voorloper van de digitale compact disc en latere systemen, die door sommigen nu weer vervangen worden door de LP die daaraan vooraf ging. Goed genoeg en (betrekkelijk) low tech techniek heeft zo zijn charmes. Maar dit terzijde.
Enige tekeningen in dit stukje zijn overgenomen uit de Duitstalige service manual.
Signaal
Laserdisc werkt geheel analoog. Het videokanaal en twee audio kanalen worden gemoduleerd met draaggolven van respectievelijk 7,33 MHz, 683 kHz en 1066 kHz.
De gemoduleerde signalen (a), video en (b) audio worden opgeteld tot (c) en geclipt om een analoog signaal (d) met twee niveau’s te verkrijgen.
Het zo verkregen signaal wordt als een lange spiraal van putjes (‘pits’) op de schijf geschreven. De schijf is bedekt met aluminum zodat hij het licht reflecteert. Omdat er slechts twee niveau’s zijn lijkt dit mogelijk digitaal, maar dat is slechts schijn, de tijd-as is hier geheel analoog oftewel continue.
Disc
De disc is 30 cm in doorsnede. De putjes liggen net zoals bij de latere CD 1,1 mm diep in het polycarbonaat van de schijf zodat zij goed beschermd zijn. Zij zijn 100 nm diep en 400 nm breed, bij een afstand van 1,6 tot 1,8 µm tussen de sporen. De discs zijn tweezijdig.
De uitlezing van de putjes gebeurd door interferentie. De gefocusseerde lichtbundel is breder als het spoor. Als er geen putje “in beeld” is wordt simpelweg al het licht weerkaatst. Als er wel een putje is vind destructieve interferentie plaats tussen het licht dat door de bodem van het putje weerkaatst wordt en het licht dat door het gebied er naast weerkaatst wordt. De fotodiode die het licht omzet in een elektrisch signaal wordt dan donker. Om dit te doen moet de weglengte in totaal 1/2 λ verschillen. Daarom zou men misschien verwachten dat de putjes 633 nm / 4, dus ruw 160 nm diep zijn. Dat de diepte van de putjes maar 100 nm moet zijn, is omdat rekening gehouden moet worden met de brekingsindex van het polycarbonaat van de disc. Deze is 1,6 in plaats van de 1 voor lucht.
Op basis van de numerieke apertuur van het objectief, 0,40 en de golflengte van de HeNe laser, 633 nm, zitten deze afmetingen op de grens van wat met deze optica waarneembaar is, en daarmee van van wat haalbaar was. Er past dus echt niet meer informatie op de schijf.
Optica
Het overzicht van het optische systeem ziet er op het eerste gezicht intimiderend complex uit. Dit is echter een combinatie van een viertal eenvoudigere systemen die elk een deelprobleem voor hun rekening nemen.
In het echt is het met de laser aan ook prachtig, maar men kan niet zien wat er gebeurd.
Polarisatie
Er wordt gebruik gemaakt van polarisatie om een optisch systeem met een hoog rendement te maken, en om te voorkomen dat licht terug gekaatst wordt de laser in. Hier kunnen (HeNe-) lasers namelijk niet tegen, ze worden onstabiel en gaan “pruttelen”.
De werking is als volgt: De laser is zelf gepolariseerd in verticale richting. De straal valt op de “polarizing cube beamsplitter”, welke zo geplaatst is dat licht met deze polarisatie richting over 90º wordt afgebogen. Hierna wordt de lineaire polarisatie door een 1/4 λ waveplate omgezet in een circulaire polarisatie rechtsom. De reflectie van het licht tegen de schijf maakt dat de circulaire polarisatierichting omkeert. Het terugkerende licht is dus linksom in plaats van rechtsom gepolariseerd. De bundel gaat opnieuw door de waveplate, die de circulaire polarisatie linksom omzet in een lineaire, maar nu verticale polarisatie. Dit licht gaat in de beamsplitter rechtdoor, en valt op de fotodiode. Zo wordt bereikt dat de fotodiode enkel het gereflecteerde licht ziet en dat zo veel mogelijk licht uit de laser op de fotodiode kan vallen.
Dit systeem werkt op basis van de polarisatie gevoeligheid van de beamsplitter en de werking van de 1/4 λ waveplate. Deze zijn gemaakt van materialen die voor de verschillende polarisatierichtingen een verschillende lichtsnelheid en dus brekingsindex kennen. Een voorbeeld hiervan is het mineraal Dubbelspaat, een vorm van calciet.
Optica leverancier Edmund Optics heeft een uitgebreidere uitleg over dit soort onderdelen.
Tracking
De tracking gebeurd door de laserstraal direct als hij uit de laser komt met een diffractie tralie op te splitsen in een hoofdstraal en stralen van een hogere orde, waarvan enkel de twee direct naast de hoofdstraal gebruikt worden. Deze doorlopen dezelfde optica als de hoofdstraal.
De hulpstralen vallen in de detector ieder op een aparte fotodiode, E en F genoemd. Het tracking regelsysteem zorgt er voor dat beide diodes even sterk belicht worden, en dus half op het spoor vallen.
Het bij-regelen van de tracking gebeurd op twee manieren: Traag door met een motor de wagen met daarop het objectief te verplaatsen, en snel door middel van een beweegbare spiegel.
Omdat het objectief op de wagen centimeters verplaatst wordt over de schijf terwijl de rest van de optica vast gemonteerd is, is de collimator lens noodzakelijk. Deze maakt dat de lichtstralen over deze variabele afstand evenwijdig lopen en dat de afstand niet uit maakt.
Focus
Het focusmechanisme meet het uit focus zijn door middel van een cilinder lens die voor de vier in een vierkant geplaatste fotodiodes geplaatst is.
Deze lens maakt dat het objectief in plaats van een enkel focuspunt twee focus lijnen onder een hoek van 90º op enige afstand van elkaar heeft. Midden tussen deze twee lijnen is het gezochte focuspunt, hier worden de vier fotodiodes gelijk belicht. Met een verschilversterker worden de signalen uit de diodes kruiselings vergeleken en op basis van dit signaal de hoogte van het objectief bij geregeld.
Met condensatoren wordt tegelijk het HF signaal met daarin de video en audio informatie van alle vier de diodes tegelijk afgenomen. De diodes E en F in deze tekening zijn die voor de tracking.
Het objectief wordt bewogen door een voice coil, een spoel die zoals in een luidspreker beweegt in een magneetveld.
Snelheid
Het is belangrijk te realiseren dat het signaal direct van de schijf naar een kleurentelevisie gaat, zonder enige vorm van buffering. Het was in de jaren ’70 ondenkbaar om in de speler ook maar een enkel video frame elektronisch op te slaan. Kleine fouten in de draaisnelheid of een iets excentrische schijf zouden daarom direct leiden tot grote beeldfouten. Om de speler probleemloos op iedere televisie te laten werken moet de tijd binnen 10 ns juist lopen.
Deze hoge nauwkeurigheid wordt in twee stappen bereikt:
De motor van de schijf wordt aangestuurd op basis van de beeldfrequentie, die 25 Hz moet zijn. Deze motor is voorzien van een tacho regeling.
Net zoals bij de tracking is er een bewegende spiegel om hoogfrequente fouten in de snelheid op te kunnen vangen. Deze wordt gericht op basis van een 3,75 MHz signaal dat mee opgenomen is op de schijf.
De beide genoemde spiegels zijn als aparte modules onder het objectief gemonteerd. De vanaf deze zijde gezien eerste is voor de tracking, de tweede voor de snelheid.
De bewegende spiegels oftewel spiegelgalvanometers zijn eenvoudig opgebouwd uit een spiegel op een levend scharnier met twee magneetjes er onder gelijmd, met daaromheen een spoel.
Tot besluit
Bovenop de beschreven basis bevat de elektronica van de speler de nodige complicaties om snel op te kunnen starten, te zoeken en om voor die tijd nieuwe functies zoals stilstaand beeld vanaf daartoe geschikte discs met een “CAV” indeling te realiseren. CAV, Constant Angular Velocity, wil zeggen dat er precies 1 beeld op 1 omwenteling van de schijf is opgenomen.
Mijn belangstelling gaat echter vooral uit naar de optica en de regeltechniek. De mechanische toleranties van disc en loopwerk zijn 0,1 mm, terwijl voor een goede werking van het aftasten een nauwkeurigheid beter dan 0,1 µm noodzakelijk is. Deze factor 1000 verbetering wordt gerealiseerd met de combinatie van de optica en typische “moderne” jaren ’70 elektronica, gebaseerd op discrete transistoren en opamps in de µA741 categorie. Beslist goed doordacht ontworpen, maar ook toen niet high end. Dat is dus niet nodig, de natuurkunde en niet de elektronica zet hier de grens aan wat mogelijk is.
Het is het vermelden waard dat Elektuur in 1990 een “laser unit” beschreef, op basis van de dump HeNe laser en spiegelgalvanometers bedoeld voor dit Laserdisc loopwerk. Overigens zonder het systeem te benoemen. De maanden er na volgt nog een fraaie Lissajous aansturing voor de galvanometers.
In mijn collectie heb ik een HeNe laser, afkomstig uit de personeelswinkel van Philips. Het schijnt dat deze gerelateerd is aan deze ontwikkeling. De kathode is bij deze laser naast de resonator geplaatst in plaats van eromheen. Toen ik een klein Aartje was heb ik deze zien werken, helaas is hij lek en wil inmiddels niet meer laseren.
Op een radiobeurs werden doosjes vol knipperlampjes weggegeven. Leuk, natuurlijk, maar er moet wel weer iets van gemaakt worden. Ik besloot tot een kunstwerk van knipperende lampjes. Inspiratie waren de “Blinkenlights” projecten zoals men die wel op Youtube en soortgelijks ziet. Voor een filmpje zie aldaar!
Knipper lampjes, 6,5 V 3 W.
De lampjes bevatten een bimetaal en knipperen vanzelf. Hierbij maken ze zelfs een klein beetje geluid, een zachte “ping”.
De voeding is een 1A variac gevolgd door een stevige 12 V transformator. De constructie is zo eenvoudig mogelijk: Hout, gestript VD draad en boekbinderslinnen voor de afwerking.
Ik bouwde dit een jaar geleden. De lampjes blijken niet erg betrouwbaar, ´één is definitief gedoofd en een paar anderen willen pas na een harde tik. Mogelijk zijn het afgekeurde lampjes?. Deze zijn niet meer te koop. Dit kunstwerk zal daarom hoe dan ook een eindige levensduur hebben, en hoe verder men de spanning opdraait hoe korter er genoten kan worden. De voeding gaat tot 12 V..
De eindigheid geeft het voor mij echter iets extra’s: Carpe diem.
Dit weekeinde kocht ik bij een verkoopdag van overtollige materialen van het Omroep Zender Museum voor een verwaarloosbaar bedrag een decade gemaakt door Bleeker, ofwel Nedoptifa. Ik bezit een kleine collectie apparaten van Dr. Caroline Bleeker. De eenvoud en kwaliteit vind ik erg aantrekkelijk.
De 0,1 Ω tot 100 kΩ decade bemeten met een HP 3468B 5 1/2 digit multimeter. Het serienummer van de decade is 69394 S.
De decade was erg smerig en wat gebutst, dus heb ik hem de volgende dag schoongemaakt en gekalibreerd. Het is een uitvoering met aansluitingen tussen de schakelaars, ook inzetbaar als spanning deler. Er staat zoals, gebruikelijk bij Bleeker, geen nauwkeurigheid of type op aangegeven en de originele documentatie is zoek. Een bron op internet, de Stichting Historische Microscopie, noemt voor een serie decades van Bleeker 0,005 % ofwel 50 PPM. Als deze dat haalt zijn de meeste moderne apparaten niet in staat dat te controleren. Mijn multimeter met de hoogste resolutie, de HP op de foto, haalt dit (ruw) formeel enkel de eerste 24 uur na een kalibratie.
Het binnenwerk. Zes draaischakelaars, zestig draadweerstanden.
Bij het meten op de overigens niet gekalibreerde HP, met een vierdraad aansluiting op de terminals van de decade bleek echter dat de eerste twee decades behoorlijk afweken. Er werd steeds 1 decade tegelijk gemeten. De temperatuur was deze vroege lentedag 15 graden.
De eerste weerstand van 0,1 Ω, meet met 0,105 Ω zelfs bijna 5% te hoog. Daarna wordt het beter, als we de Y-as 50x vergroten zien we:
200 PPM afwijking is goed, hoewel groter dan de misschien gehoopte 50. Ik denk niet dat dit in de HP zit omdat deze steeds rond de “3” van bereik wisselt, en daar geen sprongen te zien zijn. De waarden in de decades van 100 Ω tot 1000 Ω en die van 10 kΩ tot 100 kΩ zitten netjes binnen 51 respectievelijk 54 PPM afwijking van elkaar. In de decade tussen 1 kΩ en 10 kΩ lijkt het effect zichtbaar van een beschadigde onderste weerstand. Zijn invloed neemt af naarmate er meer goede weerstanden mee in serie staan.
Wat er aan de hand is met de laagste decades laat zich raden: De maximale belasting van de weerstanden is zoals aangegeven op de decade slechts 250 mW. Aan de gebubbelde lak is al te zien dat dit vermogen royaal overschreden zal zijn. De weerstanden zijn niet kapot gegaan, maar ook niet meer binnen specificatie.
De weerstanden zijn overigens draadgewonden en vanaf 1 Ω voorzien van een Ayrton–Perry winding voor kleine parasitaire eigenschappen, dus weinig zelfinductie en capaciteit. Een deel is gelakt, twee hogere decades zijn bedekt met een wasachtige substantie.
Voor de zekerheid -en het plezier- is de onderste decade nog eens gemeten met mijn Bleeker 2181 Thomsonbrug. Deze brug heeft drie cijfers, vier als we schatten tussen twee schaaldelen, en een kleinste bereik van 100 µΩ (!). De gebruikte voeding is een Delta E030-3 op de voor de brug gebruikelijke 2 V. De meet stroom is in dit bereik ruw 1 A. Let niet op de draadkleuren, dat deed ik kennelijk ook niet 😉 De schaal van de grafieken is in hier meer gepaste procenten.
De meting met de Bleeker brug laat een gunstiger beeld zien, hoewel ook hier alle weerstanden omhoog afwijken. De HP werkt hier in zijn laagste bereik: 300,000 Ω, dus zijn er bij deze meting slechts drie cijfers. De specificatie van de HP in dit bereik (1 jr) is 0,017 % + 5 digits. Mijn gevoel is dat de brug het beter doet.
Hierbij kwam de vraag op of het mogelijk juist is om de nulweerstand, de weerstand met de knop op “0”, af te trekken van de op de overige standen gemeten waarde. Deze is voor deze eerste decade overigens 4 mΩ volgens de HP en 2,55 mΩ op de Bleeker.
Dit geeft in dit geval, omdat de weerstanden allen omhoog afwijken, een beter resultaat, maar het lijkt bij nader inzien een vreemde manier van het specificeren van een decade. De nulweerstand is onvermijdelijk, maar alle andere weerstanden kunnen zo ingesteld worden dat de tussen de klemmen gemeten weerstand de nominale waarde heeft.
Er is een zekere verleiding de al te grote afwijkingen te corrigeren door “moderne” weerstanden parallel of in serie te schakelen. Omdat de correctie klein is, is de hoop dat de goede eigenschappen zoals de stabiliteit van de Bleeker weerstanden hierbij in stand blijven. Het soldeerwerk is echter lastig, er moeten geen nieuwe fouten geïntroduceerd worden. Ook zouden eerst de metingen gecontroleerd moeten worden, bijvoorbeeld door te vergelijken met enige lage normaal weerstanden van onbesproken gedrag. Voorlopig dient een reparatiepoging geen doel, en laat ik de decade zoals hij is.
Ondanks de beschadiging is het een mooie aanwinst. De metingen tonen maar weer aan dat er duidelijk meer gemeten moet worden.
Update: De gebruiksaanwijzing van de 2181 brug is toegevoegd aan de manuals pagina.
Dit is een digitale 24-uurs dochter klok met analoge uitlezing, door mij gemaakt met relais. Zoiets had ik willen bouwen toen ik als klein Aartje met relais en draadjes prutste, maar ik wist niet hoe het moest en er was nog geen internet. Vorig jaar kwam ik echter een interessante tweedeler opgebouwd met twee relais tegen. Dit was de inspiratie om eens nostalgisch te gaan knutselen.
Ontwerpen voor digitale delers met relais zijn er inmiddels in meerdere varianten, die allemaal zo hun slimmigheden en beperkingen hebben. De schakeling welke mij inspireerde (link naar de pdf) maakt gebruik van het feit dat twee relais in serie aan kunnen trekken. Hij is niet gevoelig voor de puls duur en gebruikt ook geen serieweerstanden en grote condensatoren, wat ik in de context minder elegant vind.
Schema overgenomen uit bovenstaande: “A 4-Bit Counter Using Relays”, Peter Hiscocks, 2001.
De gebruikte onderdelen komen overal en nergens vandaan. De Siemens relais, de voeten, het draad, een doosje fraaie 4,99 kΩ 1% weerstanden van Ti en de ontmantelde T6.5 lampjes komen uit verschillende erfenissen van andere knutselaars. Vooral het schoon en in orde maken van de uit-gesoldeerde relais voeten was veel (priegel) werk. Voor dit soort grofstoffelijke elektronica werkt ouderwetse gaatjesprint zonder koper het best.
De schakeling bestaat uit een ingang-relais als interface naar het klokkennet in huis, dat een bipolaire minuut puls voert, gevolgd door de minuten- en de uren delers.
Op elke deler zijn twee contacten over, deze zijn gebruikt voor het bij de juiste stand (59 minuten, 23 uur) resetten van de deler en voor de uitlezing. De uitlezing bestaat uit twee R2R DAC’s en metertjes. De analoge referentie is een 10 V zener diode, de meters zijn van Philips en hebben een gevoeligheid van 100 µA volle schaal.
De lampjes zijn aangesloten via 1N4004 diodes, ooit op rol gekregen van een vorige werkgever, zodat ze centraal schakelbaar zijn. Inschakelen van de lampjes maakt het geheel overigens flink trager omdat deze in serie op moeten gloeien: Zonder lampjes wordt een paar Hz gehaald, met hooguit 2 Hz. Dit is voor de toepassing, waar maar 1 puls per minuut komt, geen probleem.
Mijn audio-achtergrond is zichtbaar in dat de stroomkringen van de delers en het analoge deel in de bedrading gescheiden zijn, wat bij stromen tot 1 A niet helemaal irrelevant is. De klok verbruikt een beschaafde 5 W met de lampjes uit, 20 W met de lampjes aan, bij 24 V.
Ik heb geen schema getekend en ben direct begonnen met het bouwen en testen van de eerste tweedeler. Zo onvoorbereid bouwen en tegelijk experimenteren is een fijne afwisseling. Het moest niet op werk lijken. Dit maakte wel dat een paar zaken niet handig gekozen zijn, zo blijkt lampje uit een logische “1” op de uitlezing en zullen de nog te maken wijzerplaten wat vreemd moeten worden, met een dood stuk tussen 23 en 31 ( = 0 ) uur en de 59 – 00 minuten uur-overgang in het midden van de schaal. Maar dat geeft karakter 🙂
Zoals de schrijver van de PDF al aangeeft is een deler een belangrijk onderdeel van een complete relais computer. Die zal ik echter niet bouwen. Dat heeft Willem van der Poel al gedaan met zijn Testudo, en wel in een tijd dat dit technisch nog een belangrijke prestatie was. Het lijkt mij leuk zijn ontwerp eens te bestuderen. Hoewel er veel over de geschiedenis te vinden is, is er weinig informatie over de logische werking van deze machine te vinden.
Onlangs kwam ik in bezit van een Fluke 845AB high impedance voltmeter / Null detector. Dit is een DC voltmeter met een ingangsimpedantie van 10 MΩ, 100 MΩ in de hogere bereiken, een goed zwevende ingang met een lek naar de guard van > 1 TΩ, en een kleinste bereik van 1 µV DC volle schaal. Deze worden o.a. toegepast in gevoelige meetbruggen en bij het back-to-back vergelijken van standaardcellen.
Het front van het instrument.
Hoewel ik een chopper vermoedde maakten de specificaties toch wel nieuwsgierig hoe het instrument in elkaar zit. Gelukkig bleek het defect, bij inschakelen ging de meter langzaam in de hoek, en was de service manual online te vinden. Dus mocht het direct uit elkaar. Tot mijn verbazing blijk de chopper opgebouwd te zijn met LDR’s en neonlampjes. Toch niet de meest precieze of gevoelige componenten.
De neonlampjes in de metalen blokken links belichten via lange plexiglas staven de LDR’s rechts. Omdat de synchrone detector uiteraard gevoelig is voor de stuurspanning van de lampjes moeten deze componenten elektrisch goed gescheiden zijn. Vandaar de grote fysieke afstand.
In het blokschema doorloopt het te meten signaal achtereenvolgens:
De verzwakker aan de ingang. In de bereiken boven 1 mV wordt verzwakt naar 1 mV.
De chopper met de neonlampjes op LDR’s.
De AC voorversterker. De gain hiervan wordt verhoogd bij de bereiken < 300 µV.
De synchrone demodulator. Deze is eenvoudig van opzet: Het is een enkele transistor.
Een DC versterker, een discrete opamp, met een vast ingestelde versterking van 300x. Het uitgangsspanningsbereik is 1 VDC.
Hierna volgen de galvanometer en een eenvoudige modulator / transformator / demodulator schakeling voor de gescheiden recorder output. De belangrijkste truck om de schakeling goed lineair te maken is een overall DC terugkoppeling naar de chopper, deze terugkoppeling is 1 µV voor het gevoeligste bereik en tot 1 mV voor de grotere. Opvallend is nog dat de 1-3-10 stappen in de bereiken in zowel de AC gain als in de overall terugkoppeling terug komen.
Alles binnen het guard shield wordt via een transformator gevoed uit een 84 Hz voeding op een aparte print, wat ook de chopper frequentie is.
Het defect was snel gevonden. De ruwe voedingsspanning was te laag omdat de interne 10 V accu batterij, welke altijd onder spanning gehouden wordt, kapot was gegaan en was gaan lekken. Na alles zo goed mogelijk schoongemaakt te hebben viel de schade mee, en gelukkig betrof deze enkel de voedingsprint. Het instrument is met het schema in de manual omgebouwd naar enkel bedrijf op de netspanning, door een weerstand weg te halen en een 10 V zenerdiode te plaatsen. Tevens monteerde ik voor comfort een gewone IEC netentree in plaats van de Amerikaanse.
Met deze modificatie lijkt het weer behoorlijk te werken, en bleek de kalibratie op mijn AD584 spanningsreferentie nog spot on te zijn. Daar ben ik dus zorgvuldig afgebleven. De wijzer is in de gevoeligste bereiken wel wat onrustig, maar op het oog binnen de specificatie van 0,3 µV op het 10 µV bereik. De bereiken daaronder vereisen nader onderzoek.
De deelschakeling van de geïsoleerde recorder output. Het gemeten DC signaal moduleert via Q113, 114 een 84 Hz signaal door de primaire wikkeling van transformator T203. Aan zijn secundaire kant wordt dit door Q203, 204 weer gedemoduleerd naar DC.
Merk op dat T203 een scherm heeft dat verbonden is met de guard, de stippellijn, om de gehele primaire wikkeling heen. Er is zelfs een tweede aardscherm aan de (kast-) aarde onder de secundaire wikkeling. Ook de voedingstransformator heeft deze voorzieningen, de guard wordt nergens doorbroken. Overigens mag op de guard een spanning tot 1100 V ten opzichten van aarde zijn, én is de ingang in alle bereiken bestand tegen 1100 V overspanning (!). Dit wordt bereikt met een een eenvoudige diode clamp en een 150 kΩ / 2W serieweerstand aan de ingang, die het bij 1 kV als ik mij niet vergis behoorlijk warm zal krijgen..
De fraaie componenten, zwevend gemonteerd rond de bereiken schakelaar.
Nog wat spectaculaire getallen; Op het gevoeligste bereik, 1 µV over 10 MΩ, rollen er gemiddeld voor volle uitslag 624000 elektronen per seconde de ingang in. Door een eenvoudige modificatie, het weghalen van een 10 MΩ weerstand aan de ingang, is de ingangsimpedantie op de gevoeligste bereiken volgens de manual op te voeren naar ruw 300 MΩ en zijn dit er zelfs slechts 20800. Dat zouden er 416 per schaaldeel zijn, die kan men bijna tellen 😉 Zo gezien is het ook een gevoelige stroom meter.
Al met al een leuk en inspirerend instrument voor de verzameling. Voor wie meer wil weten is de service manual de moeite.
Het doel was een aantal dochter- of nevenuurwerken op de Oude Leidse Sterrewacht weer op tijd te laten lopen. Het klokkennet op de Sterrewacht is helaas verdwenen bij het opknappen van het gebouw, en de modernere pulsgever waar de buitenklok van Faverger boven de voordeur op liep was al enige jaren defect.
Voor hun behoud is het belangrijk dat klokken zo veel mogelijk lopen. Niet iedereen ziet de waarde van een rare oude klok die het niet doet.
Op de foto een van de Moser-Baer uurwerken met verlichting uit 1962. Deze hangt op de noordzuil van de Fotograaf en geeft sterrentijd aan. De sticker is om de wijzerplaat niet te beschadigen geplakt op Scotch Removable tape.
Uitdagingen in dit project zijn dat het gaat om uurwerken die werken op een seconde impuls, en die geen voorzieningen hebben om ze gelijk te zetten. Gelijkzetten kan dan enkel door (iets) sneller te lopen of door stilstaan en wachten. Het is ongewenst en bij de klok boven de voordeur praktisch ondoenlijk om de wijzers met de hand bij te stellen. Een extra uitdaging is dat bij een deel van de telescopen de lokale sterrentijd of siderische tijd noodzakelijk is. Anderen klokken op de Sterrewacht geven UTC aan. De klok boven de voordeur loopt om historische redenen op de lokale zomertijd, dat is UTC + 2 uur. Tot slot zijn de klokken in de donkere koepels voorzien van gloeilampjes in de rand, die natuurlijk ook moeten werken.
De 3.0 elektronica van de pulsgever. De IC’s zijn een Atmega 328 en een LM358.
Deze pulsgever voorziet in alle genoemde punten. Hij houdt bij waar de wijzers van het uurwerk zijn, slaat de positie op als de netspanning wegvalt, en zorgt dat de klok bij terugkeer van de spanning vanzelf weer gelijk gaat lopen. Op de kast van de klok is een enkele drukknop om de lampjes te schakelen en het uurwerk een klein stukje bij te stellen. Uitlezen van de status en instellen van de wijzer-positie kan via een terminal, maar het laatste kan ook met de drukknop. Een indicatie-led toont de data en status van de DCF. Het geheel is compact en wordt op de DCF ontvanger en een ingekochte 24V netadapter na ingebouwd in of vlakbij de uurwerken.
Één van de 24-uur uurwerken van W. Moser-Baer bij het schoonmaken. De door ons gebruikte olie is Dr. Tillwich Clock 859. Omdat deze uurwerken met secondewijzer 60x zo hard draaien als die op een minuten-impuls is enig onderhoud noodzakelijk. De schakelaar pulst 1x per minuut en gebruiken wij niet. Dit zal een terugkoppeling naar de klokkencentrale geweest zijn.
Dit project is geen moederklok omdat het voor de juiste tijd geheel afhankelijk is van het DCF77 tijdsignaal. Er is geen andere mogelijkheid de interne klok gelijk te zetten, DCF77 is de feitelijke moederklok.
De hardware is gebaseerd op de Arduino Uno, maar dan met een 16 MHz kristal in plaats van de gebruikelijke resonator, en de voortreffelijke DCF77 bibliotheek van Blinkenlight. De laatste implementeert een filter, wat de ontvangst van DCF sterk verbetert als er flinke interferentie is. De H-brug voor het bipolair met 24V sturen van het uurwerk is opgebouwd rond een eenvoudige LM358 opamp. Voordeel van deze oplossing boven andere mogelijkheden is dat hij compact en kortsluitvast is. Er werd gekozen voor draadcomponenten omdat daar nog veel van in huis was. Met het oog op de betrouwbaarheid onder de “buiten” omstandigheden in de koepels is gekozen in de elektronica, buiten de netadapter, geen elco’s toe te passen.
Van dit project zijn de volgende bestanden beschikbaar:
Hoewel ik dit project in 2018 begonnen ben werken wij er inmiddels met meerdere WLS vrijwilligers aan. Het zal mogelijk nooit helemaal “af” zijn, maar de eerste klokken lopen naar tevredenheid.
In een terzijde verkoopt Het Uur complete pulsgevers voor nevenuurwerken. Die werken enkel op gewone tijd, kennen geen gelijk-zet functie en waren daarom niet bruikbaar voor onze toepassing. Hoewel ik er geen ervaring mee heb wil ik ze hier toch graag promoten omdat goed verkrijgbare pulsgevers kunnen voorkomen dat nevenuurwerken gesloopt worden om ze te voorzien van een goedkoop kwartsuurwerk. Dat soort barbaarse praktijken zijn verdrietig voor liefhebbers van deze interessante oude uurwerken. Hoe een klok loopt is onderdeel van zijn identiteit.
