站長收藏了不少真空管,手邊僅只有一台陽春的Eico 666測管機,曾經也想找一台Hickok 533A或是TV-2之類的gm測管機,不過在台灣買這些東西都不便宜,修理也不容易。以前在全真打雜時常常借張老闆的AVO測管機用,那台測管機好大一台,高壓和閘壓都可以手動切換,有耐心的話可以把真空管的偏壓曲線一條一條都畫出來,記得我快當兵時那台機器已經有點故障 了,不知道目前狀況如何。

 

傳統上,最陽春的真空管測管機有時稱為emission tester,它主要就是設定高壓與閘極負壓,然後量測電流,由這個電流大小判斷真空管的好壞,理論是真空管壽命與電流大小正相關,電流越小,表示陰極發射電子的能力越差。這ˋ種測管機比較便宜,一般在ebay上大約USD$300~USD$500就可以找到一台狀況不錯的,例如站長的Eico 666。比較高檔的測管機除了電流以外,還可以在設定的工作點下測量互導率(transcondutance),單位是mA/V,代表的是閘極每一伏特的電壓變化所造成的電流變化量。可以測試互導率的測管機最有名的就是上述Hickok系列,在ebay的價格大約是USD$1000到USD$1500。這些測管機體積都不小,重量也不輕,主要是因為它們都是採用傳統的60Hz變壓器,加上很多的抽頭切換電壓,站長遲遲沒下手的原因,是因為這些測館機實在都太老了,一些開關或是零件都有很高的故障風險,價格也越來越高。

最理想的測管機,當然就是可以把完整的真空管特性曲線掃描出來,就像真空管手冊裡一張張的曲線圖一樣,不過在真空管盛行的年代這種測管機只有真空管生產商才有財力購買。近幾十年來,電腦科技快速發展,理論上做出一台具備 curve-tracing的測管機難度並不高,可惜畢竟是小眾市場,記得十幾年前有一家廠商Clio有生產過一部測管機,連接電腦可以完整測試真空管的特性,高壓可以到700V,價錢很貴,站長買不起,後來好像也停產了。

前幾個月在網路亂逛,發現竟然有神人開發出了一套測管機電路utracer,他利用booster switching power的原理,把20V左右的電壓升高到400V左右,搭配具備A/D轉換的微處理器,透過RS-232連到電腦就可達成詳細的真空管曲線繪製,重點是電路很小,用一個筆記型電腦的19V/3A電源供應器就可以輕易驅動。一般的測管機,除了ˊ複雜的開關網路以外,最麻煩的就是電源供應部份,早期沒有交換式電源時電源變壓器都得又大又重一顆,到了近代雖然交換式電源可以有效縮小體積與重量,要能夠輸出足夠的電壓電流達到曲線掃描所需的工作點體積還是不小,utracer最妙的一點就是它實際測試的時間很短,ˊ只有1ms左右,它大部分的時間是不耗電的,以產生一條曲線為例,它利用booster電路把一個電容慢慢充電到測試需要的電壓,然後打開電晶體開關瞬間把高壓導到ˋ真空管上,在短短的1ms內測量的電壓電流,然後把電晶體開關關閉,繼續把電容充電到下一個測試點,這樣做的好處除了ˊ體積小以外,更重要的ˊ是很安全,因為儲存在電容上的能量不大,妙啊。

utracer的作者是Ronald Dekker,是位荷蘭教授,他在他的網ˊ站上詳細公布了utracer的運作原理與電路圖,目前的版本是V3+,跟V3比起來高壓從350V提升到400V,Ronald提供兩種形式的套件,套件一是只有控制晶片,套件二是完整的PCB與零件包,PCB大小10cmx16cm,售價EUR$200,機殼和開關則需要玩家自己想辦法。我看了一下世界各地的玩家真是創意不絕,從最簡單的跳線式到最複雜的relay控制都有人做。我自己是選擇完整套件,打算裝在一個方便攜帶的鋁合金機箱裡。Ronald的網站裡有詳細的ˊ套件與安裝說明,有興趣的網友請自行參閱:utracer 3+

 這是裝好的樣子,組裝PCB本身不太複雜,大概用去站長三個晚上的時間,如果熟練的話應該會快很多。比較麻煩的是裝箱部分,由於是自由發揮,我是先從零件找起,再到淘寶找適合的鋁盒,慢慢把整個機器的樣子湊起來的。

uTracer正面,面板上顯示電源供應器的電壓與供應電流

 


uTacer背面,RS-232接頭和AC輸入座

 

上圖是實際掃描出來的曲線,看到電腦慢慢畫出測試曲線時內心蠻感動的。

若是僅測試真空管好壞,可以使用quick test功能,選擇一工作點測量互導率,電壓放大率、靜態電流與等效內阻這些參數,僅測量這些參數,大約需要十秒左右,這是假設燈絲已達工作溫度。uTracer會產生如下的報告:


SECTION 1
 
Test conditions:
Va  : 250 (V)                Swing +/- 25 V (10%)
Vg  : -8.5 (V)               Swing +/- 0.85 V (10%)
 
Test results:
Ia  : 8.29 (mA)              79 % of nominal 10.5 (mA)          
Ra  : 8.88 (kohm)            115 % of nominal 7.7 (kohm)        Ra = dVa/dIa
Gm  : 1.92 (mA/V)            87 % of nominal 2.2 (mA)           Gm = dIa/dVg
mu  : 17 (-)                 100 % of nominal 17 (-)            mu = Gm*Ra


測試的真空管是6C4單三極管,特性約相當於半個12AU7,由上列報告可以得知工作點設定在屏壓250V,閘極負壓-8.5V,這也是許多真空管手冊建議的工作點。在這個偏壓下可知靜態電流約為新管時的79%,內阻比新管時高15%,gm為新管時的87%,由於製造上的誤差,一般來說只要測試數值在新管的60%內都可判定為良品。

接下來說說站長對uTracer的看法:

硬體缺點:

  • Curve tracing速度非常慢,動輒三、五分鐘,Ronald建議可以並聯booster電感,約可提升一倍速度,儘管如此,速度還是不優。
  •  負壓只到-40v,這個問題比較嚴重,很多直熱式三極管負壓都很深,以50為例-40V連一半都不到。
  • 在燈絲電壓很低,電流很大的情況下utracer的燈絲電源會有無法正常工作的問題,主要原因是因為PWM的切換頻率太快,duty cycle又短,線路上的電感會造成開關電路bouncing,在還沒全開時就關了,這點站長有建議Ronald一個ˊ方法:把切換頻率降低,50Hz或是60Hz的切換頻率應該就足夠了,Ronald認為可行,如果成功的話再跟大家報告。

軟體缺點:

  •  不是很穩定,常常當機,同一個按鈕同時用滑鼠快速點兩次就有當機可能,必須把程式關掉重啟。

在使用uTracer一ˊ陣子以後,站長其實不是很滿意,在400V電壓和-40V負壓限制下一些常用的直熱式三極管例如300B或是2A3都不能在最佳工作點量測互導率,以站長心愛的50真空管來說,理想的測試點應該在425V/-80V。我本來想花一些時間跟Ronald一起改良uTRacer,並且提供含機殼的完整套件,站長相信有許多真空管愛好者很需要一台測管機,但卻沒那麼多時間或是能力自己搞,無奈Ronald表示沒有興趣。

既然Ronald沒有興趣,站長決定開發一台全新的curve tracer,把uTracer不足處補齊,預計達到下列目標:

  •  加快特性曲線掃描速度,在一分鐘內完成至少一百點的掃瞄。
  • 全新的燈絲供電設計,供應1.25V~2ˊ6.5V電壓,最高電流3 Amps。
  • 更廣的電壓範圍,高壓600V以上,負壓-150以下。
  • ˊ容易使用的中文化軟體。

這個新的測管機計畫已於2017年四月正式啟動,名叫etracer,e代表增強(enhance),若是對測管機有興趣或有需求的讀者,請留意本站消息,或追蹤下列臉書連結:

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