Präzisions-Stromgeber J42 + JB42-7

J42 Analyse, Aufbau und Funktion der sechs Widerstandsdekaden und Abgleich der 10mA Dekade.
Alle Angaben beziehen sich auf mein Gerät, Baujahr ca. 1975

ZumStromlauf:
Etwas zur Funktion der Schaltung, nach meiner Analyse, kann auch Ungenauigkeiten oder Fehler enthalten:
Die Schaltung ist ein Beispiel, wie man mit wenig Aufwand eine Präzise Stromquelle baut.
Im Schaltbild von Klaus W. Munzinger / 26.03.2020 sind m.E. immer noch die Anschlüsse des Operationsverstärkers TAA761A 6 Pin Gehäuse vertauscht. Der -Vcc Anschluß ist Pin 4, der +Vcc Anschluß ist Pin 1, der Ausgang ist Pin 5, der + Eingang (oben) ist Pin 2 und der - Eingang (unten) ist Pin 3. Die Frequenzgang Kompensation Pin 6 ist unbeschaltet. Siehe auch Datenblatt vom TAA761A.
Zum TCA335A Operationsverstärker mit Darlingtoneingängen auch im 6 Pin Gehäuse, dort ist im Schaltbild Pin2 oben der + Eingang, dort ohne  + Zeichen und entsprechend der - Eingang Pin 3 auch ohne - Zeichen.

Die Referenzdiode 3701 ist eigentlich kein Exot, sondern stammt aus der Familie der TC-kompensierten Referenzdioden, 1N827 mit 10 ppm/K die mit 7,5mA betrieben werden. Hier ist der Hersteller Firma Nortron, Hermann Köhler Elektrik GmbH & Co aus Nürnberg gewesen. Eine Alterung dieser Dioden ist nicht spezifiziert.

Der TAA761A hat zusammen mit der Referenzdiode 3701 die Aufgabe den Betriebsstrom der Referenzdiode einzustellen. Es ist dies eine Bootstrapschaltung die den Betriebsstrom in die Referenzdiode als Konstantstrom mit 7,5mA einprägt. Der Strom durch den parallel geschalteten Spannungsteiler der Referenzdiode liegt bei etwa 0,5 mA. Hinzu kommt noch der Strom durch den Teiler 10,5k und 13,3k von 0,59mA am OP Eingang vom TAA761A so dass der OP TAA761A ca 8,6mA liefert. Die sich stabil einstellende Spannung von -14,15V am Ausgang vom TAA761A bezogen auf +Vcc wird auch gleichzeitig für die stabile Spannungsversorgung des TCA335A genutzt und dient auch zur Schwellenbildung der Bürdenanzeige. Achtung den 22µF/16V Tantalkondensator am TAA761A Ausgang ersetzen, da dieser nach vielen Jahren wohl zum durchlegieren neigt.

Mittels dieser Referenzdiode wird die Vz Spannung -6,2V durch das Steilheitspotentiometer 100 Ohm auf -6V reduziert die dann am + Eingang Pin 2 vom TCA335A anliegt und der diese Spannung an dem eingestellten Dekadenwiderstand vergleicht und über die Transistoren BC178B und BD135 solange nachregelt bis die - 6V am Dekadenwiderstand eingestellt sind. Bezug ist in der Schaltung immer die positive Vcc Versorgungsspannung. Die getrennten + Vcc Pfade Anschlüsse 8, 10 ge und 12 gn im Schaltbild, dienen der Entmaschung der Strompfade, der Knotenpunkt (Sternpunkt) der Schaltung ist an den zwei (oberen) Anschlußleitungen im Schaltbild der Dekaden zu finden, die physisch im Gerät rechts neben den Dekadenschaltern mit einer Lötöse, isoliert gegen inneres Gehäuse verschraubt sind und an der viele Drähte der Dekadenwiderstände angelötet sind. Der 100kOhm Widerstand zwischen den Anschlüssen 12 und 17 der Leiterplatte dient als Vorlast für den BD135 die jedoch nicht in das Stromergebnis des Regelkreises eingeht.
Die Numerierung der Anschlüsse  auf der Leiterplatte erfolgt immer mit zwei Lötflächen als ein Zählwert zusammen, an den Ecken der Leiterplatte sind zur Orientierung Ziffern vorhanden.

Abgleich:
Zum Abgleich des J42 Stromgebers von Knick.
Zuerst sollte der Nullpunkt 1M Ohm Poti eingestellt werden, bei Null µA und danach ggf. die Steilheit bei 99,9999mA mit dem 100 Ohm Poti.
Beide Potentiometer befinden sich auf dem PCB und sind von der Rückseite der Leiterplatte einzustellen.

Zur Büdenspannung des J42, gegebenenfalls ist die Bürdenanzeige einzustellen, ist aber nicht so wichtig. Die Bürdenanzeige geht schon um 10V in den roten Bereich. In der Praxis ist meist viel mehr Bürde möglich, bei 100mA meist 16V und bei kleineren Strömen sind bis über 20V möglich. Das liegt an der internen Versorgungsspannung die im Leerlauf 28,9V bei 230Vac Netzspannung hat, sie ist nicht notwendigerweise stabilisiert und sinkt bei Strombelastung.

Beim Knick J42 Stromgeber kann die 10er mA Dekade abgeglichen werden. Beide 220k Ohm Potis befinden sich an den 200 Ohm Spulenwiderständen R1 und R4.
Zuerst wird in der Stellung 40mA Einstellwert des J42, das  Poti zur Mitte hin auf 40mA eingestellt, danach das zur Front hin liegende Poti bei 70mA auf 70mA.

Hier meine willkürlich gewählte Zählweise der Spulenwiderstände:
Von der Gerätefront aus gesehen auf die Unterseite, hinten rechts ist 1 und in der Spalte nach vorne gehend 1 bis 4.
links daneben hinten 5 nach vorne gehend bis 8, links daneben 9 bis 12 und weiter links 13 bis 16 in gleicher Zählweise.

Hier die Wirkungsweise der geschalteten Dekadenwiderstände. R1 bis R16 sind gewickelte Spulenwiderstände mit Beschriftung des jeweiligen Wertes.
R17 bis R24 sind damals handelsübliche Festwiderstände.

Zu den Widerständen im einzelnen:
Die Widerstände R1 bis R16, Hersteller vermutlich Knick, R1 bis R4 mit Belastung Ptot zur Info.

Widerstand  R1 = 200,01 Ohm Aufdruck, mit Abgleichpoti für 40mA, Ptot 180mW
Widerstand  R2 = 600,00 Ohm Aufdruck, Ptot 60mW
Widerstand  R3 = 299,91 Ohm Aufdruck, Ptot 120mW
Widerstand  R4 = 200,01 Ohm Aufdruck, mit Abgleichpoti für 70mA, Ptot 180mW

Widerstand  R5 = 2k Ohm
Widerstand  R6 = 6k Ohm
Widerstand  R7 = 3k Ohm
Widerstand  R8 = 2k Ohm

Widerstand  R9 = 60k Ohm
Widerstand R10 = 30k Ohm
Widerstand R11 = 20k Ohm
Widerstand R12 = 20k Ohm

Widerstand R13 = 150k Ohm
Widerstand R14 = 150k Ohm
Widerstand R15 = 100k Ohm
Widerstand R16 = 200k Ohm

Die Festwiderstände auf der separaten Platte von der Front aus gezählt nach hinten (Innen)gesehen:

R17 bis R20 Umbau auf besser 0,1%, weil bei meinem Gerät, vor allem die 1,5M Ohm starke Abweichungen zeigten.
Widerstand R17 = 2M Ohm   Hersteller unbekannt Grundfarbe grün Toleranz 0,25%
Widerstand R18 = 1M Ohm   Hersteller unbekannt Grundfarbe grün Toleranz 0,25%
Widerstand R19 = 1,5M Ohm Hersteller unbekannt Grundfarbe dunkelbraun Aufdruck  "H4 1M5 Z 0,25%" Toleranz (hat starke Abweichung ca. 2%)
Widerstand R20 = 1,5M Ohm Hersteller unbekannt Grundfarbe dunkelbraun Aufdruck  "H4 1M5 Z 0,25%" Toleranz (hat starke Abweichung ca. 2%)

Widerstand R21 = 20M Ohm Hersteller Hydrawerke AP Toleranz 2% Grundfarbe rot-orange
Widerstand R22 = 10M Ohm Hersteller Hydrawerke AP Toleranz 2% Grundfarbe rot-orange
Widerstand R23 = 15M Ohm Hersteller Hydrawerke AP Toleranz 2% Grundfarbe rot-orange
Widerstand R24 = 15M Ohm Hersteller Hydrawerke AP Toleranz 2% Grundfarbe rot-orange

 
Zu den Schaltweisen und Schaltprinzipien der jeweiligen Dekaden.

Die Schaltweisen der Widerstände wie folgt:
Die 10mA Dekade Widerstände R1 bis R4
10mA R2 600 Ohm
20mA R3 300 Ohm
30mA 200 Ohm aus R2 600 Ohm und R3 300 Ohm in Parallelschaltung
40mA 150 Ohm aus R2 600 Ohm und R1 200 Ohm in Parallelschaltung
50mA 120 Ohm aus R3 300 Ohm und R1 200 Ohm in Parallelschaltung
60mA 100 Ohm aus R2 600 Ohm und R3 300 Ohm und R1 200 Ohm in Parallelschaltung
70mA 85,7 Ohm aus R3 300 Ohm und R1 200 Ohm und R4 200 Ohm in Parallelschaltung
80mA 75 Ohm aus R3 300 Ohm und R1 200 Ohm und R4 200 Ohm in Parallelschaltung
90mA 66,666 Ohm R2 600 Ohm und R3 300 Ohm und R1 200 Ohm und R4 200 Ohm in Parallelschaltung

Es sind möglichst viele Widerstände in Parallelschaltung eingebunden, weil sich so die Stromlast auf möglichst viele verteilt, um die Eigenerwärmung gering zu halten. Damit verbessert sich auch der TC des Gesamtwiderstandes. 600 Ohm 60mW bis 66,666 Ohm 0,54W auf vier Widerstände.

Die 1mA Dekade wird etwas anders geschaltet Wertestaffelung 6, 3, 2, 2k Ohm.
1mA R6 6k Ohm
2mA R7 3k Ohm
3mA R5 2k Ohm
4mA 1,5k Ohm aus R6 6k Ohm und R5 2k Ohm in Parallelschaltung
5mA 1,2k Ohm aus R7 3k Ohm und R5 2k Ohm in Parallelschaltung
6mA 1k Ohm aus R5 2k Ohm und R8 2k Ohm in Parallelschaltung
7mA 857 Ohm aus c
8mA 750 Ohm aus R7 3k Ohm und R5 2k Ohm und R8 2k Ohm in Parallelschaltung
9mA 666,6 Ohm aus R6 6k Ohm und R7 3k Ohm und R5 2k Ohm und R8 2k Ohm in Parallelschaltung

Die 0,1mA Dekade wird wie die 1mA Dekade geschaltet Wertestaffelung 60, 30, 20, 20k Ohm.
0,1mA R9 60k Ohm
0,2mA R10 30k Ohm
0,3mA R11 20k Ohm
0,4mA 15k Ohm aus R9 60k Ohm und R11 20k Ohm in Parallelschaltung
0,5mA 12k Ohm aus R10 30k Ohm und R11 20k Ohm in Parallelschaltung
0,6mA 10k Ohm aus R11 20k Ohm und R12 20k Ohm in Parallelschaltung
0,7mA 8,57k Ohm aus R9 60k Ohm und R11 20k Ohm R12 20k Ohm in Parallelschaltung
0,8mA 7,5k Ohm aus R10 30k Ohm und R11 20k Ohm R12 20k Ohm in Parallelschaltung
0,9mA 6,66k Ohm aus R9 60k Ohm R10 30k Ohm und R11 20k Ohm R12 20k Ohm in Parallelschaltung

Die 100µA Dekade ist wieder etwas anders geschaltet, weil Spulenwiderstände nicht so hochohmig herzustellen sind.
Hier ist die Wertestaffelung 150k, 150k, 100k, 200k Ohm.

10µA 600k Ohm aus R13 150k Ohm und R14 150k Ohm und R15 100k Ohm und R16 200k Ohm in Serienschaltung
20µA 300K Ohm aus R16 200k Ohm und R15 100k Ohm in Serienschaltung
30µA 200k Ohm R16 200k Ohm
40µA 150k Ohm R13 150k Ohm
50µA 120k Ohm R13 150k Ohm und R14 150k Ohm in Serienschaltung und dazu R16 200k Ohm in Parallelschaltung
60µA 100k Ohm R16 200k Ohm R15 100k Ohm in Serienschaltung und dazu R13 150k Ohm in Parallelschaltung
70µA 85,7k Ohm aus R13 150k Ohm und R16 200k Ohm in Parallelschaltung
80µA 75k Ohm aus R12 150k Ohm und R14 150k Ohm in Parallelschaltung
90µA 66,6k Ohm aus R15 100k Ohm und R16 200k Ohm in Parallelschaltung

Die 1µA Dekade ist wie die 10µA Dekade geschaltet, damit nicht zu hochohmige Widerstände eingesetzt werden müssen.
Die Wertestaffelung 1,5M Ohm, 1,5M Ohm, 1M Ohm, 2M Ohm.

1µA 6M Ohm aus R17 2M Ohm und R18 1M Ohm und R19 1,5M Ohm und R20 1,5M Ohm in Serienschaltung
2µA 3M Ohm aus R17 2M Ohm und R18 1M Ohm in Serienschaltung
3µA 2M Ohm R17 2M Ohm
4µA 1,5M Ohm R20 1,5M Ohm
5µA 1,2M Ohm R19 1,5M Ohm und R20 1,5M Ohm in Serienschaltung und dazu R17 2M Ohm in Parallelschaltung
6µA 1M Ohm aus R18 1M Ohm und R17 2M Ohm in Serienschaltung und dazu R20 1,5M Ohm in Parallelschaltung (nicht alleine R18 verwendet!)
7µA 857k Ohm aus R20 1,5M Ohm und R17 2M Ohm in Parallelschaltung
8µA 750k Ohm aus R19 1,5M Ohm und R20 1,5M Ohm in Parallelschaltung
9µA 666k Ohm aus R17 2M Ohm und R18 1M Ohm in Parallelschaltung

Die 0,1µA Dekade ist wie die 1µA Dekade geschaltet, auch hier zählt es niederohmigere Werte zu verwenden.
Die Wertestaffelung 15MM Ohm, 15M Ohm, 10M Ohm, 20M Ohm.

0,1µA 60M Ohm aus R21 20M Ohm und R22 10M Ohm und R23 1,5M Ohm und R24 15M Ohm in Serienschaltung
0,2µA 30M Ohm aus R21 20M Ohm und R22 10M Ohm in Serienschaltung
0,3µA 20M Ohm R21 20M Ohm
0,4µA 15M Ohm R24 15M Ohm
0,5µA 12M Ohm R23 15M Ohm und R24 15M Ohm in Serienschaltung und dazu R21 20M Ohm in Parallelschaltung
0,6µA 10M Ohm aus R22 10M Ohm und R21 20M Ohm in Serienschaltung und dazu R24 1,5M Ohm in Parallelschaltung (nicht alleine R22 verwendet!)
0,7µA 8,57M Ohm aus R24 15M Ohm und R21 20M Ohm in Parallelschaltung
0,8µA 7,5M Ohm aus R23 15M Ohm und R24 15M Ohm in Parallelschaltung
0,9µA 6,66M Ohm aus R21 20M Ohm und R22 10M Ohm in Parallelschaltung

Reinhard Bode, 02.Aug.24

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In 2007 fand ich auf einem Flohmarkt dieses Modell J42 - Präzisionsstromgeber von der Fa. Knick, Berlin. Mir war das Gerät vertraut aus meiner Tätigkeit an der FH. Der Name Knick steht für Präzision und ich konnte nicht glauben, dass diesem Gerät irgendwas fehlen könnte. Nach der ersten Prüfung an 220V zeigte sich kein Muckser. Keine Unterlagen und keinen Plan, das war die Ausgangssituation. Bei Knick in Berlin suchte ich Hilfe und fand auch eine liebe Seele, die im Archiv Unterlagen aus den 70er Jahren hervorzauberte.

Die Leiterplatte legte auf einen Fotokopierer und machte davon solange helle Kopien auf Transparentpaier bis man nur noch die Konturen der Leiterbahnen sehen kann. Darauf zeichnete ich auf die Rückseite anhand des Schaltplan provisiorisch einen Bestückungsplan. 

Das Netzteil liefert aus 2 x 11V AC eine

Versorgunsgspannung von ca. 28V. Das Netzteil ist aufgebaut mit 2 Kleintransformatoren, die 2  x 11V liefern. Daraus wird mit dem Gleichrichter und Elko eine Gleichspannung von ca. 28V erzeugt. Das war alles okay. Der erste Gedanke war, die Operationsverstärker sind defekt, weil einfach keine Ausgangsspannung festzustellen war. Diese Ops zu ersetzen ist eine spezielle Sache. Man braucht entweder eine Krabbelkiste mit alten Bauteilen oder man muss für viel Geld (20 EURO) am Markt Ersatz suchen. Die hohe Versorgungsspannung von 28V erlaubt nicht Standard-Operationsverstärker zu verwenden. Im Schaltplan sind Rundgehäuse gezeichnet, bestückt waren DIL- Gehäuse. Der 2.Op TCA 335a ist pinkompatibel und im Aufbau sehr ähnlich. Der erste Austausch brachte überhaupt keinen Erfolg. Messen hilft nicht viel, weil die ganze Schaltung nicht funktioniert, wenn am 1.Op nichts Vernünftiges heraus kommt. Da half nur Tauschen der Bauteile. Plötzlich fiel auf, das der 1.Op nach dem Austausch schnell sehr heiß wurde. Der Tantal- El ko am Ausgang erzeugte einen satten Kurzschluss und hatte die neuen Ops immer mit ins Grab gezogen.Ich habe es noch nie erlebt, dass Tantals altersschwach werden. Aber ab jetzt stehen für mich Tantalelkos genau so auf einer Austauschliste wie Papierkondensatoren, wenn betagte Geräte zu reparieren sind. Nach dem Austausch war alles okay und eine Überprüfung des Stromgebers mit einem Präzisionsdigitalvoltmeter PREMA 6001 ergab, dass die von Knick gewohnte Genauigkeit gegeben ist. Bei dieser Genauigkeit muss man in gut geschirmter Umgebung arbeiten. Das steht mir nicht zur Verfügung. Das J42 liefert eine erdfreien Strom. 

Messtabelle überprüft mit Prema 7 1/2 stelliges DVM 6001 Werte in µA

Sollwert	Istwert	Sollwert	Istwert	Sollwert	Istwert
100	99,970	200	199,944	300	299,914
400	399,941	500	499,918	600	599,467
700	699,784	800	799,812	900	999,781
1000	999,987

Mit dem Messergebnis war ich zufrieden und das Gerät J42 kann wieder zum Laboreinsatz kommen.
Der Schaltplan wurde ins Gerät mit eingepackt. J42 wurde als Modell im RMorg eingebracht.

 

 

Friedrich Weber † 12.09.2014, 08.May.10

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