Type 576 Curve Tracer






576

Tektronix 576 Curve Tracer

Der Tektronix 576 ist ein leistungsfähiger Kennlinienschreiber der über einen langen Zeitraum hinweg gebaut worden ist, ihn zeichnen besonders aus der weite Strom- und Spannungsbereich und der flexibel anwendbare Stepgenerator. Ein Kennlinienschreiber ist in den meisten Elektroniklaboren relativ selten anzutreffen, daraus resultierend ist auch, dass viele Elektrotechnik Ingenieure mit deratigen Geräten oft nur wenig anfangen zu wissen. Der Bericht möchte ein paar Beispiele aufzeigen welche Grundfunktionen mit solch einem Gerät alle gemessen werden können. Der Nutzwert in einem Analog Elektronik Labor gewinnt erst mit zunehmender Besitzdauer an Beachtung, auf Dauer gesehen ist er eines der wichtigsten Geräte nach Oszilloskopen, Netzgeräten und Spektrumanalyzern. Zum Entwickeln von Geräten mit vielen diskreten aktiven Bauteilen oder im Reparaturbereich ein nützliches und auch zeitsparendes Hilfsmittel.

Zum Verständnis des Gerätes ist das Instruction Manual dringend zu empfehlen, anders als z.B. bei einem Oszilloskop kommt man sonst alleine nicht so schnell hinter die ganzen Tricks und Möglichkeiten der Anwendung, nicht alle Funktionen sind ohne Erklärung verständlich.




Flexible step generator with selectable offset in both directions. Puls power mode



Selectable right and a left plug-in for a fast DUT comparison








Peak power limit switch, 0.1W, 0.5W to 220W and collector voltage range selector.


Curve Tracer Repair

The instrument had a fault in the step generator, only one base current trace could be applied on the device under test.


The electrolytic capacitor C759 (middle) with nominal 11000µF lost almost all of its initial capacitance.


(Ground bottom line)

Voltage on plus of C759, should be normaly approx. a 14V DC voltage.
With the lost capacitance the rectified 100 Hz Power Supply Ripple characterise the waveform. This fault was very easy to find.




Test Oscilloscope with Curve Tracer




Right PCB - power supply low voltage regulator board, behind recifiers and electrolytic capacitors. Bottom PCB step generator.



Low voltage regulator board swinged away, rectifier board behind.




Rectifier board swinged away. Behind the electrolytic capacitors, changing them seems to be a horror. The caps can't be removed on the other side (not seen), to change them the CRT has to be removed. Without removing the CRT seems to be very difficult.

My decision now, when doing the long work of removing the CRT, then all electrolytic capacitors should be replaced and the instrument cleaned - at the moment I don't have spare parts, this is a work for another time.

Fortunately C759 is most bottom mounted. Electrolytics with lost capacitance are in general not dangerous parts, they tend to have an high impedance character and can be leaved in the circuit.




Take care for this CRT, seldom found spare part on the second hand market, almost impossible to get.



Power Supply Capacitors placed behind the CRT.


A fast replacement for the 11kµF have been searched for:


Parallel them and replace.



A small electrolytic added near the original capacitor.



The main capacitance soldered directly on the rectifier output, a good electrical position in the circuit.

SUCESS -INSTRUMENT REPAIRED


               

                 
 

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Reparatur eines 576 vom Leser Karl-Heinz L.


Zu der ausführlichen Gerätebeschreibung von Ralf möchte ich noch eine Reparaturbeschreibung meines 576 anhängen, da ich glaube dass sie auch für andere interessant sein könnte.

Mein 576 kam von der Fa. Singer, die ihn mir exklusiv anboten, nachdem ich schon vor längerer Zeit bei dem Versuch ein anderes 576 zu kaufen, zu spät kam. Das Gerät war für die Firma uninteressant, da eine kommerzielle Reparatur vollkommen unwirtschaftlich war.

Der Grund war sofort ersichtlich. Der 576 war völlig verdreckt und in einem insgesamt extrem erbärmlichen Zustand, das Gerät war eigentlich Schrott. Das war mir aber bekannt und ich habe es auch wirklich sehr günstig bekommen.

Die Reparatur und Restauration hat rund 2 Monate gedauert.

Das Gerät war komplett mit irgend einem Kontaktreiniger (vermutlich irgend ein "Wunderspray") vollgepumpt, alles, aber auch wirklich alles, war mit einem ölig, klebrigen Film überzogen, der teilweise über 1mm dick war. Alle Schalter, Drehschalter und Drucktasten waren funktionsunfähig, die Tasten klebten, auch die Drehschalter hatten extreme Kontaktprobleme. Nur durch Herumspielen und Probieren war ab und zu mal ein wackliger Strahl auf dem Bildschirm sichtbar.

Zudem fehlten überall im Inneren Schrauben und Abstandhalter, überall war auf den Leiterplatten irgendwas herumgelötet worden, zahlreiche Kabelstecker waren verbogen und hatten nur noch schlechten Kontakt.
Nach einer ersten Bestandsaufnahme war ich doch ziemlich desillusioniert und habe das Gerät eigentlich fast schon aufgegeben.

Aber nach der ersten Enttäuschung habe ich mich doch aufgerafft und eine Rettungsaktion versucht.
Über Wochen hinweg habe ich alle Schalter und Tastaturen ausgebaut, zerlegt, gründlich gereinigt, justiert und wieder eingebaut. Das ist eine fürchterliche Schei*arbeit. Ein paar mal habe ich die Lust verloren und hätte das Ding am liebsten zur Mülldeponie gefahren. Der 576 stammt noch aus der Zeit, als man Geräte so aufbaute, dass zahllose dicke Kabelbäume dutzende von Leiterplatten und dutzende von Schaltern mit einem schwer überschaubaren Drahtgestrüpp miteinander verbanden. Fürchterlich, ich bin ja auch seit den späten 70er Jahren Elektroniker, zu der Zeit war das noch üblich. Dennoch bin ich froh, dass heute so NICHT mehr gebaut wird. (Na gut, die aktuellen Geräte mit ihren BGA Customchips sind auch nicht servicefreundlicher..) Ja, ich weiß, das sehen einige, die das hier lesen, mit Sicherheit anders. Aber man muss ja nicht immer gleicher Meinung sein....
Es war extrem aufwendig, die Schalter und vor allem den Druckschalterblock für die Horizonzalanzeige, auszubauen. Dazu muss man das gesamte Gerät zerlegen. Hier hilft nur Ruhe und Übersicht bewahren und sobald man merkt, dass man keine Lust mehr hat, besser sofort aufhören und nicht irgendwas planlos zuammenpfuschen.

Ich habe auch alle Leiterplatten ausgebaut, von dem Dreck gereinigt, von dem auch sie überzogen waren, das pfuschige Herumgelöte beseitigt, indem ich alles sorgfältig nachgelötet habe,  ein paar lose Kabelstecker ersetzt und immer peinlichst darauf geachtet, ja kein Kabel falsch aufzustecken. Diesbezüglich sind im Servicemanual übrigends einige Fehler, es sind unbedingt die Korrekturen im Anhang zu beachten. (Die Unterlagen gibt es bei BAMA, bzw. bei dem Spiegelserver davon. Bama scheint wohl endgültig abgeschaltet zu sein)

Irgendwann waren diese Arbeiten tatsächlich abgeschlossen. Es gab noch einen Fehler im Netzteil, ein 3906 Transistor in einer Überstromsicherungsschaltung war defekt und verursachte ab und an falsche Überstromabschaltungen.
Alle Netzelkos meines Gerätes (Baujahr 69) waren noch in einem brauchbaren Zustand, ich musste an dem Punkt bis jetzt nichts machen.

Nach der aufwendigen Restauration funktionierte der 576 wieder ganz gut. Auch die Bildröhre ist noch in brauchbarem Zustand. Ich musste noch einige Schalterkontakte mehrmals nachjustieren und es waren noch ein paar andere mechanische Nacharbeiten notwendig, aber ich möchte niemanden langweilen mit den Details.
Das Gerät funktioniert nun wieder und ich habe einfach mal eine Menge Halbleiter aus meinem Bestand darauf vermessen. Interessant, was da zum Teil zum Vorschein kommt, das macht richtig Spaß!

576 Kennlinienschreiber
<576>
xxl-size
Aber leider gab es ein bleibendes Problem.
Am Anfang habe ich das noch gar nicht so recht beachtet, aber mit der Zeit zeigte sich immer wieder ein penetranter Fehler. Und zwar fehlten ab und zu ein oder mehrere Kurven. Das ist schwer zu fotografieren, denkt euch einfach irgend eine beliebige Kurve weg, an der Stelle ist einfach nichts, nur eine Lücke, wo die Kurve sein sollte.
Also zum Beispiel mal die dritte oder die fünfte, oder mal die siebte und achte. Mal nur für Sekunden, mal konstant für mehrer Minuten. Verstellte man den "Number of Steps" Schalter, so schien es wieder kurz zu richtig laufen. Reproduzierbar war das nicht, mal trat es stundenlang gar nicht auf, dann wieder alle paar Sekunden.

Der erste Gedanke war, dass dieser Number of Steps Drehschalter immer noch Kontaktprobleme hat. Andererseits war das aber nicht sehr plausibel, was soll denn an so einem simplen Drehschalter, der zudem gereinigt und justiert wurde, solche Probleme verursachen, vor allem, wenn er nicht bewegt wird.
Ok, man hätte den Schalter noch mal ausbauen, justieren und reinigen können.
Aber dazu hätte man das Gerät wieder auseinandernehmen müssen, dazu hatte ich keine Lust mehr. Dieser, in dem Fall glückliche Umstand, sorgte dafür, dass ich aus purer Unlust in der richtigen Reihenfolge vorging: Bevor man ein Problem löst, sollte man es erst mal analysieren und die Ursache vollständig erkennen und verstehen und nicht einfach auf puren Verdacht drauf los reparieren.

Für die folgende Reparaturbeschreibung ist die Kenntnis der Funktionsweise des Stepgenerators notwendig, deshalb erst mal eine Kurzbeschreibung dieser Stufe. Ich reduziere das auf die Beschreibung der Zählimpulserzeugung und des Zählers des Step-Generators.

Der Stepgeneratur erzeugt die Basisströme bzw. Gatespannungen, diese müssen synchron zu der Kollektorspannung geschaltet werden.
Die Kollektorspannung wird mittels Stell und Netztransformatoren und einer Diodenbrücke direkt aus der Netzspannung gewonnen.
Der Stepgenerator muss deswegen ebenfalls mit der Netzfrequenz synchronisiert werden.
Er liefert 1 bis 10 Stepsignale pro Zyklus. Mit jedem Step wird der Basisstrom bzw. die Basisspannung um einen in der Größe einstellbaren Schritt erhöht.

Prinzipiell besteht der Stepgenerator aus einem Schaltungsteil, der netzsynchrone Taktimpulse erzeugt und einem einstellbaren Zähler. Der Ausgang des Zählers geht auf einen D/A Wandler, welcher einen zum Zählerstand passenden Analogwert erzeugt. Dies geht dann auf eine Leistungsendstufe.
Der Stepgenerator kann auf 0.5X, Norm und 2X gestellt werden. Damit wird die Anzahl der Steps pro Gesamtdurchlauf eingestellt. Normalerweise nimmt man die Einstellung 2X, um das Bild möglichst flimmerarm zu bekommen. Bei bestimmten Messungen ist aber NORM oder 0.5X notwendig.


<stepgenerator_block>

Anhand des Blockschaltbildes und der Timingdiagramme kann man die Funktionsweise gut erkennen.
In den unteren Diagrammen sieht man den Zusammenhang zwischen der Kollektorspannung und den Stepsignalen. Die Kollektorspannung ist ein Vollwellen gleichgerichtetes Signal. Bei Einstellung NORM wird bei jedem Nulldurchgang ein neuer Step gestartet. Bei 0.5X bei jedem zweiten. Bei 2X Wird zusätzlich beim Spitzenwert einer Sinushalbwelle ein neuer Step erzeugt.
Bei NORM und 0.5X wird die Kennlinie in Richtung 0 bis Maximum des Kollektorstroms und zurück von Maximum nach 0 des Kollektorstroms geschrieben, er wird also doppelt angezeigt. Bei 2X Geht ein Step von 0 nach Maximum, der nächste Step dann von Maximum nach 0. Der Umschaltzeitpunkt zum Scheitelwert der Sinushalbwelle wird mit einer Delayschaltung realisiert. Diese muss exakt abgeglichen sein, um mit dem Scheitelwert synchron zu sein. Auf der Rückseite des 576 gibt es einen Schalter, der das Gerät zwischen 50Hz und 60Hz Netzfrequenz umschaltet. Damit wird die Zeitkonstante der Delayschaltung an die Netzfrequenz angepasst.
Aus dem ganzen Beschriebenen wird letztendlich ein entsprechender Zählimpuls erzeugt. Dieser triggert einen Zähler. Der Zähler wird zurückgesetzt, sobald ein digitaler Komparator erkannt hat, dass der Zählerstand gleich ist zu der mit dem 4-Bit Encoder-Schalter eingestellten Stepanzahl.

So weit, so gut, aber wo ist nun das Problem?
Hier gibt es zwei grundsätzliche Ansatzpunkte:

1: Mit dem Zähler/Komparator stimmt was nicht.
2: Mit dem Triggerimpuls für den Zähler stimmt was nicht.

Zu Punkt 1 bestand der Verdacht, dass der Schalter nach wie vor Kontaktprobleme hat und deswegen den Zählablauf durcheinander bringt. Ich habe die 4 Bit des Schalters nun viele Stunden mit einem Logikanalyzer überwacht, der auf jede Änderung des eingestellten 4-Bit Binärwertes triggert. Und obwohl in diesem Zeitraum der Fehler mehrfach auftrat, registrierte der Analyzer nichts. Zum Glück, so blieb es mir erspart, dieses ganze Geraffel noch mal zu zerlegen.

Zu Punkt 2: Gleich die erste Messung zeigte, das hier das Problem zu suchen ist. Das Clock-Signal am Takteingang des Zählers sah so aus:


<clock_counter>

Der Zähler wurde an der Flanke mehrfach getriggert, dadurch wurden einzelne Steps übersprungen.

Damit war klar, dass die Schaltung, welche die Triggersignale erzeugt, nicht korrekt arbeitete.
Aber wie kann so etwas passieren, das ist doch eine recht simple Digitalschaltung, die ja mal einwandfrei gearbeitet haben muss.
Oder doch nicht?
Die Lösung des Problems ist nämlich wirklich interessant.


<trigger>
Beginnen wir am Anfang der Schaltung, dort wo die netzsynchronen Impulse erzeugt werden.
Über die Schaltdioden D1/D2 und D10/D11 werden die ursprünglichen Triggersignale erzeugt. Die Dioden werden dabei so betrieben, dass sie beim Nulldurchgang schalten, an der Anode von D2 und D11 liegt ein rechteckförmiges, netzsynchrones Signal. Da dieses aus dem Netzsinus erzeugt wird, sind die Anstiegsflanken nicht besonders steil. Das ist wichtig zu wissen, wenn man sich die nachfolgende Schaltung betrachtet. Diese etwas merkwürdige Schaltung besteht aus U3A/U3B und U3C/U3D. Eigentlich ist sie dazu da, um einen Nadelimpuls zu erzeugen während des Nulldurchgangs. Dazu werden die Flanken des Rechtecksignals durch die RC-Glieder C5/R4/R5 und C14/R13/R14 differenziert. Wozu aber ist diese Schaltung U3A, U3B eigentlich gut? (Ich betrachte jetzt nur mal U3A/U3B, die Schaltung unten ist identisch) Man hätte genau so gut U3A als Inverter nehmen und mit C5/R4/R5 einen Nadelimpuls erzeugen können.
Um das zu versehen habe ich die Schaltung mal auf einem Steckbrett nachgebaut. Mit einem hp 8112A wurde sie dann mit einem Rechteck versorgt, dessen Flanken die selbe Anstiegszeit hatten wie in der Originalschaltung. Die Schaltung erzeugt folgendes Signal:


<Nachbau>

Wie erwartet wird an der Flanke des Rechtecksignals ein Nadelimpuls erzeugt.

Vereinfacht man die Schaltung wie oben beschrieben, dann kommt das hier raus:


<Nachbau modifiziert>

Somit ist klar, wozu das gut sein soll. Die Anstigesflanken sind zu flach, dadurch durchläuft das Signal zu lange Zeit einen für TTL Pegel undefinierten Bereich. Das Gatter verhält sich in dem Bereich instabil. Der steile Anteil des differenzierten Signals steuert nun zusätzlich U3A so zu, so dass die Störungen nicht auftreten können, sie werden durch die logische Verknüfung ausgeblendet.

Und hier haben die Tek-Entwickler vor rund 40 Jahren einen kapitalen Designfehler gemacht, der oft gemacht wurde in der Anfangszeit der Logik-Chips.
Hat man die Störung am Anfang der Schaltung noch unterdrückt, ist dies am Eingang von U22A nicht mehr der Fall.
Neben dem steilen Anteil des Nadelimpulses liegt hier auch der nach einer e-Funktion verlaufende Umladevorgang des Kondensators an.
Dadurch durchläuft der Eingang von U22A wieder relativ langsam einen undefinierten Bereich des TTL Pegels.
Das Gatter ist ein ganz gewöhnliches 7400 Gatter, es hat keine Schmitt-Trigger Funktion am Eingang und ist damit ungeeignet für solche Signalformen.
Man hat hier ein analoges Signal auf ein Logik-Gatter gegeben.

Die Folge davon ist das hier:
Signal am Ausgang von U22A:


<Störung_Flanke>

Hier werden mehrere Triggerimpulse erzeut statt einem. Das führt dazu, dass der Zähler U70, wie bereits oben gezeigt, in einem kurzen Zeitabschnitt mehrfach getriggert wird. Somit kommt es zu den Lücken in der Anzeige, weil einige Steps übersprungen werden.

Nun kommt die berechtigte Frage: Wie kann sowas sein, warum funktionieren denn alle 576 einwandfrei, nur meiner nicht?
Die Antwort ist einfach.
Aus mir nicht bekannten Gründen wurden einige der TTL Chips bei meinem Gerät ersetzt. Das sieht man daran, dass sie ein Fertigungsdatum von 1980 haben, mein 576 wurde aber 1969 gebaut.
Die ursprünglich eingebauten Chips waren vermutlich langsamer und haben "gutmütiger" reagiert. Die neueren Chips sind wahrscheinlich mit einer anderen Fertigungstechnologie hergestellt und haben dadurch teilweise andere Eigenschaften, welches sie gegenüber den alten Chips empfindlicher macht für zu flache Signalflanken.

Nun gibt es zwei Möglichkeiten, um das Problem zu beheben.

1:
Versuchen die original TTLs aus den späten 60ern aufzutreiben, die im 576 eingesetzt wurden.
Kann man vergessen, ich habe zwar noch zwei uralte 7400 Baujahr 1977 bei mir gefunden, die hatten aber das selbe Problem wie die eingebauten.

2:
Die Schaltung anpassen.
Ich habe zuerst versucht am Ausgang von U22A mit einem Kondensator die hochfrequenten impulse zu unterdrücken. Dazu war ein Kondensator von 4,7nF notwendig, um sie vollständig zu entfernen. Das lies die Signalflanken so abflachen, dass das Problem nun bei U2B auftrat. Das war also nix.
Dennoch gibt es eine Lösung.
Die Schwingungen liegen an der Grenze dessen, was die alten 74XX übertragen können. Man sieht, dass nach jedem Gatterdurchlauf die Amplitude der Schwingung kleiner wird. An U22C Pin 8 sind sie nur noch klein und sporadisch vorhanden, deswegen tritt der Fehler auch nur ab un zu auf. Diese kleinen Reste kann man relativ problemlos unterdrücken. Als guter Kompromiss hat sich ein Kondensator von 470pF herausgestellt. Er unterdrückt die Pulse vollständig, die Flanken sind aber noch ausreichend steil, um den Zähler sauber zu triggern.


<trigger nach patch>

Zudem kann man den Kondensator an der Stelle sehr gut einbauen, man lötet ihn einfach an den Messpin TP69 und an Signalmasse.



<Kondensator>
xxl-size

Mein 576 funktioniert so nun einwandfrei.
Zugegeben, mein Patch ist auch nur eine Pfuschlösung, die das Problem nur kaschiert.
Wie sagte schon vor Jahrzehnten mein "Digital-Prof" völlig zurecht: "Die Qualität einer Digitalschaltung ist umgekehrt proportional zur Anzahl der Kondensatoren im Signalweg"
Stimmt, aber was soll ich machen, das Design ist nun mal so, wie es ist.
Es funktioniert, auch wenn es keine saubere Lösung ist.

Ich habe das ganze geschrieben um denjenigen, die in einer vergleichbaren Situation sind, zu informieren. Jeder IC Wechsel kann bei so alten Geräten unerwartete Folgen haben. Sollte jemand dabei statt den alten 74XX Typen dann auch noch modernere 74LSxx oder CMOS Varianten einsetzen, wird das Gerät mit Sicherheit auch nicht mehr korrekt funktionieren.
Hier müssen die originalen Uralt TTLs eingesetzt werden, ansonsten muss man modifizieren.

Mein 576 ist leider ein Version ohne Readout Display. Das Modul kann einfach nachgerüstet werden, dazu müsste ich aber eines auftreiben. Sollte jemand so etwas haben, z.B. aus einem ausgeschlachteten 576, so wäre ich sehr daran interessiert, so ein Modul zu bekommen, um meinen 576 nachzurüsten.


Karl-Heinz vielen Dank für diesen klasse Bericht, sehr ausführlich und lehrreich, viel Arbeit investiert.
So lernt man wahrhaft seine Geräte zu lieben.







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