Oscillatore a valvole

 

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oscillatore audio sinusoidale a valvole sine wave vacuum tube oscillator 10 ­ 100.000 hz in four ranges a remake/redesign of hp 200cd oscillator oscillator hp/200cd /nuvistor a e rinaldo 2011

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oscillatore bassa frequenza 10 100.000 hz premessa l oscillatore di seguito descritto riprende il progetto originale hp 200cd della hewlett packard degli anni 50 fig 5 sullo stesso sono state riportate varie modifiche per renderlo realizzabile con accorgimenti e soluzioni tecniche più attuali naturalmente la tecnologia impiegata è rigorosamente quella valvolare che caratterizza buona parte dei miei lavori le modifiche più significative riguardano 1 la sostituzione del ponte oscillatore rc originariamente con condensatori variabili con invece un doppio potenziometro e capacità fisse 2 l eliminazione dei trasformatori di uscita ormai introvabili 3 uscita sbilanciata anziché bilanciata 4 impiego di valvole di altro tipo più facilmente reperibili 5 l applicazione di uno strumento indicatore del livello d uscita 6 applicazione di un attenuatore calibrato a 10 posizioni 7 impiego di un contatore digitale per la lettura della frequenza 8 alimentazione stabilizzata mediante mos-fet fig 1 p2 frequency amplitude controls p3 v1 v2 balanced amplifier cathode follower out 1 p1 l1 v3 v4 out 1 gnd power supplies 190 135 v positive feed back principio di funzionamento la fig 1 riproduce lo schema di principio dell oscillatore esso utilizza un amplificatore push-pull bilanciato sul quale vengono applicate reazioni positive per innescare l oscillazione e negative per il loro controllo e attraverso un ponte costituito da gruppi rc variabili la gestione della frequenza e dell ampiezza dell oscillazione questa circuitazione consente di generare oscillazioni la cui frequenza e determinata da 1/2 rc dove r è variabile con continuità mentre c assume valori diversi per coprire le 4 gamme di frequenza di funzionamento con i valori prescelti le gamme di frequenza sono ·10 100 hz ·100 1000 hz ·1 10 khz ·10 100 khz il ponte è alimentato dalla tensione che si sviluppa all uscita dello stadio cathode follower v2 v4 l uscita del braccio del ponte che controlla la frequenza viene applicata alla griglia di v3 mentre il braccio che ne controlla l ampiezza alla griglia di v1 in questo modo se ne assicura stabilità purezza dell onda in tutte le gamme di operazione nella fig 2 è riportato lo schema completo l amplificatore bilanciato di tipo push-pull fig 2 è costituito dall amplificatore vero e proprio formato da v1 e v3 mentre lo stadio v2 v4 costituisce lo stadio finale con usci2 ta catodica su quest ultimo stadio viene applicata una reazione positiva incrociata che va dalla placca di v2 alle griglie di v4 e dalla placca di v4 alle griglie di v2 la quantità della reazione dipende dal carico in uscita per cui se il carico diminuisce la reazione aumenta e viceversa per mantenere un segnale a livello costante l uscita out 1 viene poi applicata al potenziometro p4 che ne controlla il livello fig 3 sino ad un max di 10 veff rilevati quando lo strumento m tarato con p5 raggiunge il fondo scala l uscita out 2 in controfasce rispetto out 1 viene applicata all ingresso del comparatore ic lm393 e trasformata in onda quadra per alimentare il misuratore di frequenza lx 1543 di nuova elettronica un attenuatore a 10 posizioni con impedenza costante di 600 ohm quando posto sulla portata da 1 volt in giù completa il circuito oscillatore l alimentazione anodica è fornita da un stabilizzatore che impiega una serie di zener collegati alla gate del mos-fet l uscita sul reoforo drain alimenta il circuito per effetto della corrente circolante nella r3 si determina ai capi della stessa una polarità negativa di ­135v l alimentazione 5v al contatore di frequenza e alll integrato lc 393 viene fornita da un regolatore stabilizzato a tre piedini lm7805 range di frequenza stabilito dai valori di p1/p3

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low frequency oscillator 10 100.000 hz preface the oscillator hereby described resembles a 1950 hp200cd hewlett packard design fig 5 on it i have implemented several changes to make it easier to build with modern components while maintaining the use of vacuum tube technology which characterize most of my projects the most significant changes with respect to the original design are 1 replacement of frequency controlled oscillator components with variable resistors and fixed capacitor instead of a variable capacitor and fixed resistor 2 elimination of output transformers no longer available 3 replacement of tubes with most currently available ones 4 unbalanced output as opposed to balanced 5 implementation of an output voltage measurement device 6 implementation of a 10 steps attenuator 7 implementation of a frequency counter 8 implementation of solid state regulated power supplies fig 1 p2 frequency amplitude controls p3 v out 1 p1 v1 l1 balanced amplifier cathode follower 2 out 1 190 135 v positive gnd power supplies theory of operation functionally the circuit includes a frequency-controlling bridge and balanced push-pull amplifier which constitute the oscillator circuit this is shown in fig 1 the frequency and amplitude controlling circuits are arranged as a floating bridge symmetrical with respect to ground this feature assures frequency stability constant amplitude and high reliability the bridge is fed by the balanced voltage developed at the cathode of v2 and v4 fig 2 the output of the frequency controlling branch of the bridge is applied to the grid of v3 and the output of the amplitude branch is applied to the grid of v1 with the components value chosen here the frequency range of the oscillator are · · · · the balanced push-pull circuit includes v1 and v3 as true amplifier and v2 v4 as output cathode follower a criss-cross positive feed back is applied here to keep output impedance as low as possible the feed back paths are from the plate of v2 to the grids control and screen of v4 and from the plate of v4 to the grids of v2 from out 1 a level control p4 sets the input voltage to the attenuator to 10veff while p5 adjusts the meter m input to read full scale ­ref voltage the attenuator steps down the voltage from 10v to 100 v in 11 steps under a constant load of 600 ohm from 1v position down a second output out 2 of the oscillator is applied to a comparator ic lm 393 to generate a square wave signal required to properly drive the frequency counter and to a bnc connector to feed a sync signal for a scope on a 50kohm impedance two power supplies provide the voltage required a simple high voltage regulator feeds the vacuum tubes anode with +190 and ­135v while a lm 7805 three pins solid state regulator generates the 5 volts required by the frequency counter and the lm 393 integrated circuit range controlled by value of p1 p2 and c5-c12 10 100 1 10 100 hz 1000 hz 10 khz 100 khz potentiometer p3 is provided for adjustment of the amplitude-stabilizing branch of the bridge while lamp l1 stabilizes oscillation amplitude over the entire frequency span potentiometers p1 and p2 vary the frequency within the ranges set by the value of capacitors c5 c12 3

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suggerimenti per la costruzione la costruzione dell oscillatore è piuttosto impegnativa e tra l altro richiede l acquisizione di alcuni componenti critici indispensabili per ottenere una buona performance specificatamente il doppio potenziometro p1 p2 dovrà essere di ottima qualità con tolleranze dell 1 linearità o meglio e se possibile con una curva antilogaritmica la tolleranza dell 1 tra le due sezioni è funzionale per ottenere una forma d onda indistorta e stabile in ampiezza al variare della frequenza la caratteristica antilogaritmica invece permette di avere una sorta di linearità nella variazione della frequenza con riferimento alla rotazione della manopola di comando io ho usato un doppio potenziometro multigiri da 10khom 1 burns sconsigliol utilizzo di potenziometri a carbone o strato plastico perché difficilmente disponibili con tolleranze così ristrette la sezione rc dell oscillatore nel modello originale hp impiega resistenze fisse e capacità variabile questa soluzione obbliga l impiego di resistenze di valore elevato sino a 50 mohm all 1 oggi introvabili l uso di capacità fissa e resistenza variabile più facilmente reperibili con i limiti di cui sopra costituiscono comunque una ottima alternativa va da sé che anche i condensatori inseriti nel circuito a ponte dell oscillatore dovranno avere tolleranze dell 1 avendo la possibilità di misurarne la capacità si possono creare coppie con scostamenti del valore contenuto entro l 1 questo garantirà ottime prestazioni ma passando da una gamma all altra non viene garantito il moltiplicare per 10 ad esempio se nella portata x1 il frequenzimetro misura 50 hz passando alla portata x10 si potranno leggere valori inferiori o superiori a 500hz quest ultimo inconveniente è di poca importanza perché può essere corretto reimpostando la frequenza l oscillatore copre la gamma 10 hz ­100khz in quattro gamme l hobbista potrà sperimentare altri valori in base alle sue esigenze modificando entro certi limiti i valori dei condensatori o del doppio potenziometro si tenga presente che potenziometri di valore troppo elevato al di sopra di 25 khom cominciano a presentare valori di capacità e induttanza parassite che deteriorano le prestazioni dell oscillatore critica è anche la scelta della lampada l1 che controlla la stabilità dell ampiezza del segnale occorrerà sperimentare diverse lampade sino ad ottenere il risultato migliore io ho trovato ottimale una lampada da 220v/3w con attacco e27 ad ogni sostituzione della lampada regolare p3 per la minima distorsione 4 construction tips the oscillator s construction is not recommended for people with inexperience in electronic assembly in addition it may be necessary to perform some debug operation should some thing go wrong while building it its construction is rather complex and requires use of some critical components in order to achieved maximum performance specifically potentiometer p1 and p2 must have a tolerance of 1 or better this is necessary to get an undistorted and stable waveform i ve chosen a ganged 10+10khom linear type from burns ideally they should be of antilogarithmic curve for better scale linearity however i was not able to find them ­may be they do not exist carbon or plastic potentiometer are not recommended for their poor tolerance the original hp 200cd oscillator uses a variable capacitor and fixed resistors this however requires use of high value 50 mhom strict tolerance high stability resistors which are difficult to find the use of a variable resistor and fixed capacitors simplify parts procurements and allow to achieve same quality results all capacitor associated with the bridge oscillator c5-c12 must have 1 tolerance matched couples may be a good solution for those who have a suitable capacimeter to measure them with the value chosen here the oscillator ranges continuously from 7 to 100.000 hz in four steps diyer s may experience different values of p1 p2 c5 c12 to get different frequencies however potentiometer values above 25khom may introduce excessive spurious capacitance and/or inductance and therefore the performance of the oscillator deteriorates significantly lamp l1 is also critical i ve chosen a 220v 3 w lamp but different type can be tested adjust p3 for minimum distortion every time lamp l1 is changed.

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fig 2 reference r3 r4 r5 value 10k 680 rating 10w 1/2w 1 1/4w 1/2w 1w 1/2 w 1/2 w 1/2 w 1/2 w 5 w matched reference c3 c4 c19 c5 c9 c6 c10 c7 c11 c8 c12 3 c13 c14 c15 c16 c17 c18 p1 p2 ganged p3 trimmer value 10 f 2,2 f 220 nf 22 nf 2200 pf 47 nf 100 pf 1000 f 10k 1k rating 450 vcc 100 v 2 p3 1 100 v 2 100 v 2 100 v 2 250 v 10 450 v 50 v r5 3w 1w x1 x 10 x 100 x 1k 2 x 6au6 green r7 2 x 6cl6 -2,5 v v2 6 +160 v 5 +160 v c15 r22 2 r18 out 1 v2 c17 v1 +100 v 5 -2,5 v 1 7 2 6 r9 c14 2 -25 v r15 7 r6 r8 r15 r17 56 ohm r7 r9 r10 r11 r14 r12 r13 r16 r20 r18 r19 r21 r22 2,7k 22k 10 m 68k 560 8,2 m 5,6 k r14 r13 c9 c10 c11 c12 r8 c19 see txt c4 r10 value sets max frequency within a chosen range wired pc board ga ed ng p2 7 r19 r21 red r6 out 2 v4 c16 5 c18 1 2 5 +100 v 6 r12 r11 c13 r16 x1 x 10 x 100 x 1k -2,5 v v3 l1 lamp 220v 3w power supplies board see fig 4 for components value t1 d2 c2 1 2 r3 3 d r1 s 4 z5 r3 +190 v c3 p1 r17 6 7 2 v4 -2,5 v r20 r4 c5 c6 c7 c8 yellow 330 g z1-z4 tr1 r2 c1 gnd d1 common 5 -135 v components mounted on 2 way 4 pos switch 330 voltage are ref to gnd and may vary 10 v4 pins 3,4 of v1 v4 v1 v2 f3 12 v v3 33 470 f 7805 47 f 5 volt dc note 1 adj for minimum distortion 2 if unable to get 10v rms try 4,7k 5w 3 for higher frequency accuracy use 2000pf paralelled by 0-100 pf cap trimmer oscillator hp/200cd /nuvistor a e rinaldo 2011 5 to page 5

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fig 3 10v 3v 1v 300mv 100mv 30mv 10mv 3mv 1,6k 1,6k 1,1k 1,6k 1,1k 1mv 300 v 100 v 1,6k cal 1,1k 1,1k 1,1k from out 1 v2 from fig 2 p4 10k 1,1k from gnd 1,1k 1,1k attenuator p6 560 out 2,7k 390 1,6k 1,6k 750 tp a 1,6k 1,6k 100k sync 100k 5,1k p5 20k 10 f 2 x germanium diode 200 a m1 2 47k from out 2 v4 5 volt cc lm393 4 3 8 1 15k meter 10k 10k from fig 2 100k note freq frequency counter 1000 hz lx1543 riv.214 set oscillator frequency to 1khz adjust p4 to read 10veff on tp a use a good meter to measure it adj p5 to achieve a full scale reading on meter m1 calibrated output accessories hp/200cd /nuvistor a e rinaldo 2011 6

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fig 4 ref r1 r2 r3 d1 d1 c1 value 47kohm 1,2kohm 12 ohm by255 10 f rating 2w 1/2w 5w 1300v 2a 450vl note 5 5 5 or equiv ref c2 z1-z3 z4 z5 tr1 value 100 f 1n5378 any any rating 500 vl 100v 1w 30v1w 9,1v 1w 3 x zener zener zener mos-fet note irfbc30 600v 3a r3 t1 d2 c2 2 1 r1 3 off board d s 4 z5 +325 vcc g z1-z4 tr1 r2 c1 d1 5 z4 common 5 z3 z2 z1 4 3 c1 r1 z5 d2 2 1 f1 400 ma f1 6,3 v f2 6,3 v f3 12 v ps board s1 ac in g d s tr1 r2 tb1 l l 220 vac regulator hp/200cd /nuvistor a e rinaldo 2011 7 d1

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photo 1 photo 2 nel pannello frontale a sinistra foto 1 sono visibili al centro i controlli della frequenza e del livello di uscita in alto il contatore di frequenza e lo strumento monitor del livello standard in basso l interruttore di accensione e i connettori di uscita sopra foto 2 il cablaggio complessivo e i componenti del pannello frontale sulla sinistra la scheda contenente i componenti del regolatore di tensione 190 ­135v sync photo 1 left the front panel at the center all major controls on top the frequency counter and level control meter at the bottom the mains switch and the output connectors photo 2 above the wiring view and the front panel components at the bottom-left the power supply regulator card 190 135v 8

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photo 3 photo 3 photo 4 nella foto 3 disposizione dei componenti attivi sul lato destro il commutatore attenuatore e più sotto il commutatore moltiplicatore di frequenza photo 3 shows the active components layout on the right the attenuator switch and below the frequency multiplier switch nella foto 4 la vista laterale dei componenti attivi al centro la lampada che controlla la reazione negativa più sotto davanti al trasformatore di alimentazione il regolatore dei +5v per l alimentazione del contatore di frequenza photo 4 side siew af all the active components at the center l1 lamp at the bottom in front of mains transformer a +5v regulatator card that supplies the voltage to the frequency counter 9

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cablatura punto a punto la foto è stata fatta durante il processo di costruzione sono visibili i dettagli d insieme della disposizione dei componenti e della cablatura di massima point to point wiring picture this photo has been taken while work was still in process it shows in details components disposition and wiring path 10

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photo 5 specifications 100 hz frequency range accuracy signal level output attenuator 10 hz 100khz in four ranges 1 digit frequency counter tolerance monitored by meter max 10 volt 10 3 volt on >10khom load 1v 300-100-30-10-3-1 mv 600 ohm load 300 100 v from 1v down adjustable by p6 -uncalbnc output to trigger a scope 50kohm less than 0,2 from 10hz to 50 khz 60db see spectrum analyzer pictures on the left less than 0,5 from 50 khz to 100 khz 1000 hz 10 khz sync distortion osservazioni con riferimento allo schema originale hp 200cd questo circuito non fa uso di trasformatore di uscita pertanto l uscita è prelevata su un ramo dell amplificatore bilanciato l altro ramo fornisce una uscita su di un connettore bnc per sincronizzare un eventuale oscilloscopio e alimenta il contatore digitale l oscillatore è molto sensibile nella gamma x1k in quanto risente delle induttanza e delle capacità parassite del potenziometro multigiri a filo e importante quindi usare un doppio potenziometro di alta qualità di precisione e magari con curva antilogaritmica la photo 5 mostra l oscillogramma del segnale alla frequenza di 195hz si noti la purezza del segnale sinusoidale che rimane costante su tutte le gamme il contenitore è un recupero di un voltmetro a valvole ballantine observations with reference to the original hp 200cd schematic this circuit does not use an output transformer therefore the output is taken from one side of the balance amplifier the other side is used to provide on a bnc connector a high impedance output useful to sync an oscilloscope in addition to a signal suitable to feed the internal frequency counter the oscillator is very sensitive in the x1k range due to the inductance and capacity of the wired wound potentiometer it is important therefore to use an high quality high precision potentiometer better if it has an antilogarithmic type of curve photo 5 shows a 195 hz output please note the purity of the signal which remain constant on all ranges the box is a re-used ballantine vacuum tube voltmeter enclosure 11

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fig 5 original hp 200cd oscillator schematic 12

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hp 200 cd specifications original hp 200 cd 13

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