Oszilloskop zum Selberbauen
Die Idee dazu stammt von A-Freak. Ihm möchte ich hier erstmal für das Datenblatt zu der Bildröhre und für die vielen guten Ratschläge danken.
Es ist einfacher ein Oszilloskop zu bauen als viele denken. Vor allem wenn man nicht alzusehr auf Genauigkeit achtet. Das teuerste an einem Oszilloskop ist die Bildröhre. Nicht wenn man eine etwas veralterte Russische nimmt. Dann benötigt man weiterhin nur noch ein Netzteil, die X und Y Ablenkeinheit und eine getriggerte Zeitablenkung.
Hier die Geschichte dieses Oszilloksops:
1. Netzteil:
Das
Netzteil ist ein 5,5kV Netzteil von Maitron, eigentlich zur Wasseraufbereitung
gedacht. Die Ausgangsspannung ist gut gefiltert und stabilisiert. Durch ändern
eines Widestandes von 30k auf 80k sinkt die Spannung auf ca. 2,2kV ab. Dies
ist die Anodenspannung für die Bildröhre. Da die Ablenkspannung gleich
der Anodenspannung ist, müsste man also die gesammte Ansteuerelektronik
auf 2,2kV legen. Da dies aber sehr schwierig ist, legt man die Kathode auf -2,2kV
und die Anode auf Masse. Dies bedeutet aber, dass das gesamte Netzteil auf -2,2kV
liegt ! Dem Trafo macht das nichts aus, den er besitzt eine sehr gute Primär
- Sekundär Isolation. Aus den 2,2kV wird über einen Spannungsteiler
die Fokusspannung im Bereich von 280 - 510V gewonnen. Damit wird der Punkt auf
der Bildröhre so klein wie möglich eingestellt. Die G1 Spannung um
die Helligkeit einzustellen, muss negativ sein. Dazu werden die primärseitigen
Induktionsimpulse vom Trafo verwendet. Diese werden gleichgerichtet, so dass
man schließlich eine Spannung von - 110V hat. Daraus wird über einen
Spannungsteiler die Spannung für G1 gewonnen. Mit dem Poti kann man die
Helligkeit von null auf maximal einstellen.
Soweit funktioniert meine Schaltung schon (ein Punkt auf der Leuchtfläche). Ich bin gerade dabei die Ansteurung für die Ablenkung zu bauen.
Vorerst habe
ich mal eine magnetische Ablenkung gebaut, da diese viel einfacher ist, als
eine Elektrostatische:
Die
Schaltung ähnelt einem normalen Lesitungsverstärker, nur dass die
Rückkopplung nicht die Spannung vergleicht, sondern den Strom misst. Eigentlich
ist diese Schaltung ein Spannungs/Stromwandler, der pro V Eingangsspannung 10A
Ausgangsstrom liefert. Dies ist deshalb nötig, da das Magnetfeld einer
Spule nur von der Windungszahl und vom Strom der fließt, abhängig
ist. Der Operationsverstärker bekommt über den Poti eine Vorspannung,
die per Signal am IN Eingang verändert wird. Die beiden Leistungstransistoren
müssen eine hohe Stromverstärkung haben, um die maximalen 15A zu liefern.
Da es sich dann um Darlington Transistoren handelt, muss die Ansteuerstpannung
um 1,4V höher sein als die Asugangsspannung. Daher wurde auch die Betriebsspannung
der Ansteuerschaltung höher gewählt als die des Endverstärkers.
Mit einer einigermaßen in Grenzen gehaltenen Ansteuerung, ist die Schaltung
kurzschlußfest, da der Strom ja geregelt wird. Erst bei einem Lastwiderstand
von unter 1,5 Ohm und einer Ansteuerspannung größer als 1,5V gibt
es Probleme. Als Netzteil für die Endstufe ist ein 2x 12V Trafo mit 1 -
10A, je nach Ausgangsleistung ideal. Die Enstufentransistoren müssen auf
einen Kühlkörper montiert werden. Als Ablenkspule verwende ich eine
rechteckige Spule, die etwa 10cm hoch und 20cm lang ist. Und davon jeweils eine
auf jeder Seite der Bildröhre. Windungszahl etwa jeweils 50 Windungen.
Beim Betrieb reicht ein normales Audiosignal (z.B. von einem CD Player) um den
Strahl bis ganz nach oben und unten Auszulenken. Wenn man den Kondensator am
Eingang groß genug macht, ist die Ablenkung linear bis unter 2 Hz. Der
Frequenzbereich geht bei mir bis auf etwas über 2kHz. Danach reichen die
± 15V nicht mehr aus. Allerdings kann man durch das Parallelschalten
beider Spulen den Bereich um einiges erhöhen.
Die Versorgungsspannung für den Operationsverstärker und die Vorspannung
(±18V) müssen auf jeden Fall stabilisiert sein. Der Trafo muss auf
jeden Fall mehr als 20cm von der Bildröhre entfernt sein, um Störungen
zu vermeiden.
Hier
ist das Standart Blockschaltbild von einem Oszilloskop. Diese ist eigentlich
recht einfach. Sie besteht aus einem Eingangsverstärker, der das Signal
auf einen brauchbaren Pegel verstärkt oder abschwächt. Dieses Signal
wird auf einen Vergleicher gegeben, der ein einstellbares Triggersignal erzeugt.
Mit diesem wird ein Sägezahngenerator angesteuert,der die Spannung für
die Horizontale Ablenkung erzeugt. Dieses Signal wird mit dem Horizontal Verstärker
auf bis zu 200Vpp verstärkt. Die Schwierigkeit ist die symmetrische Ansteuerung
der Ablenkplatten, deren Mittelwert gleich der Anodenspannung sein muß.
Das verstärkte Eingangssignal kommt auch noch zu dem Vertikalverstärker,
der das Signal auf bis zu 200Vpp verstärkt.
Die Ansteuerschaltung stellt die 2,2kV Anodenspannung und die Fokus und Gitterspannung
zur Verfügung.
Mittlerweile
ist es mir gelungen eine elekrische Ablenkung zu bauen. Eigentlich nicht schwer,
außer dass die Spannung nicht megr als etwa 5% von der Anodenspannung
abweichen darf. Zusätzlich müssen die Spannungen an den beiden symmetrischen
Ablenkplatten im Mittel die selbe Spannung haben, als die Anode. Wenn nun z.B.
die Anode auf 100V liegt, liegen die Ablenkplatten ohne Aussteuerung auch auf
100V. Wenn nun eine auf 115V geht, muss die andere auf 85V gehen. Aus diesem
Grund dachte ich zuerst an einen diskret aufgebauten Operationsverstärker
auf zwei bis vier Transistoren der direkt mit 200V läuft und die Signale
für die Ablenkplatten erzeugt. Dies ist die erste funktionierende Schaltung:
Die X - Ablenkung mit einem Sägezahn funktioniert nach diesem Prinzip.
Allerdings stimmen die Spannung nicht ganz und alles ist sehr empfindlich und
keinesfalls stabil gegenüber Temperaturänderungen.
Die
Y - Ablenkung funktioniert einfacher:
Zwischen Lötkolben und umgebautem PC Netzteil liegt ein Audioverstärker,
der über einen Trafo (auf dem PC Netzteil) eine Spannung von rund 100Veff
erzeugt. Diese Spannung wird über zwei Kondensatoren symmentrisch an die
Y - Ablenkplatten gelegt und mit Widerständen auf das Anodenpotential gebracht.
Ist zwar echt ungenau, aber funktioniert, wie man auf dem Bild erkennen kann.
Als Quelle dinte ein Audio Signal.
Auf dem Bild kann man ebenfalls gut erkennen, dass die Bildröhre recht
lange nachleuchtet.
Hier
nochmals ein etwas helleres Bild. Gut zu erkennen: Die Bildröhrenhalterung.
Dies
ist der Spannungswandler, der -2000V erzeugt. Ein Übertrager aus einer
dynamischen Fokussierung aus einem Monitor dient als Hochspannungsquelle und
erzeugt aus 12V eine Rechteckspannung von etwa 1000Veff. Diese wird verdoppelt.
Die -2000V kommen an das Gitter das am negativsten ist. Über einen Widerstand
fällt etwas Spannung ab, so dass die Kathode etwa 20-60V positiver ist,
je nach Stellung des Potis. Der nächste Poti dient zur Fokusseinstellung
und liefert etwa 200-500V (gegenüber der Kathode). Die Anode liegt auf
etwa 100V gesehn vom Masseanschluß der Schaltung, oder auf etwa +2000V
von der Kathode aus gesehen.
Der
Ablenkverstärker ist extrem einfach aufgebaut: Zwei Transistoren mir gemeinsammem
Emitterwiderstand und zwei getrennten Kollektorwiderständen. Hier werden
die beiden Ablenkplatten angeschlossen. Von den beiden Basisanschlüssen
liegt einer fest auf 2,5V, der andere wird mit einem Sägezahn angesteuert.
Hier wurden einfach 230V an die Ablenkplatten gelegt. Der Sinus sieht etwas
merkwürdig aus, aber das liegt nicht an der Schaltung, sondern an den vielen
Schaltnetzteilen die am Stromnetz betrieben werden und so die Sinuskurve relativ
stark verformen.
Die
Frage war, was ich mit einem recht ungenauen Oszilloskop anfangen sollte. Deshalb
wurde die Schaltung um zwei Konstantstromquellen die zwei Kondensatoren aufladen
erweietert. So erhält man eine sägezahnförmige X und Y Ablenkung,
die eine etwas schneller, die andere langsamer, so dass der gesamte Schirm erreicht
wird. Die Kondensatoren werden durch die Snychronisationssignale aus einem FBAS
Videosignal wieder entladen. Über einen einfachen Transistor mir Kollektorwiderstand
nach +200V wird das Videosignal auf etwa 100Vss gebracht und über einen
Kondensator an das Gitter der Bildröhre gelegt. Fertig ist der Videomonitor.
Noch einen Tuner nachgerüstet und man hat einen kompletten Fernseher.
Die
Ablenkschaltung wurde dazu komplett überarbeitet:
Als Verstärker arbeiten nun TDA6101 Videoendstufen. Diese erzeugen rund
150Vss aus einigen Volt Eingangsspannung. Zwei Operationsverstärker invertieren
die Eingangspannung um ein symmentrisches Signal zu erhalten.
Die frühere Ablenkschaltung arbeitet nun als Videoendstufe und erzeugt
das benötige 100Vss Helligkeitssignal.
Da man auf einer 7cm Bildröhre (8LO29) nicht viel erkennen kann, wurde
diese durch einen 13LO37 ersetzt. Da diese aber eine Nachbeschleunigung besitzt
muss man zu den -2000V für die Kathode noch +2000V bereitstellen. Diese
Spannung kann leicht mit einem Spannunsgverdoppler erzeugt werden.
Die
linke Platine erzeugt die beiden Sägezahnspannungen für die Horizontal
und Vertikal Ablenkung:
Ein LM1881 trennt die Synchronistaionsimpulse ab, die als Reset für die
beiden NE555 dienen. Ohne Videosignal arbeiten die NE555 Schaltung von ganz
alleine: Die Kondensatoren werden per einstellbarer Konstantstromquelle (die
Bildgröße ist direkt proportional der Spannunsgänderung und
somit direkt proportional dem Konstantstrom)) gelden und wieder entladen sobald
sie eine bestimmte Spannung erreicht haben. Als nächstes erfolgt eine Anpassung
der Offsetspannung mit der mand as Bild in X und Y Richtung verschieben kann.