Reference / Paper · 2010
Demonstrations-Analogrechner mit Röhren
Read the PDF (8 pp) ↗ Read the English translation →
An 8-page German technical description (dated 21 August 2010) by F. Vogel of a small home-built vacuum-tube demonstration analog computer. The machine uses 10 tubes (4× 6U8, 3× EAA91, 3× OA2), operates at ±50 V machine unit with +300/−150 V supplies, and provides four computing amplifiers (two integrators/summers, one summer, one open amplifier/inverter), three coefficient potentiometers, a piecewise-linear diode function generator for y = −x², two free diodes, reference voltage sources, and a panel meter. Circuit design for the amplifiers is derived from the Heath EC-1 educational analog computer.
- Manufacturer
- Vogel
- System
- Vogel Demonstrations-Analogrechner (vacuum-tube, 10-tube, ±50 V machine unit)
- Author
- F. Vogel
- Year
- 2010
- Type
- Reference / Paper
- Language
- German
- Learning track
- specific applications
- Pages
- 8
- Vogel Demonstrations-Analogrechner (vacuum-tube, 10-tube, ±50 V machine unit)
- Vogel
- vacuum-tube analog computer
- demonstration/training computer
- computing amplifiers
- diode function generator
← Back to the Reference Library
Demonstrations-Analogrechner mit Röhren
Demonstrations- Analogrechner
mit Röhren
F. Vogel
21.08.2010
1. Überblick
Dieser kleine Röhren-Analogrechner dient zur Demonstration der elektronischen Analogrechentechnik,
wie sie in der Zeit von ca. 1945 bis ca.1960 eingesetzt wurde und dann sehr rasch von Transistor- bzw.
Halbleiter-Rechnern abgelöst wurden. Das Gerät erlaubt die Lösung einfacher, typischer Beispiele aus
dem Gebiet der Analogrechentechnik. Die Anzahl der im Gerät vorhandenen Rechen-Komponenten ist
auf diese Rechenbeispiele abgestimmt.
Der Analogrechner ist mit 10 Röhren bestückt (4x 6U8, 3x EAA91, 3x OA2) und arbeitet mit BetriebsSpannungen von +300V und -150V. Die Rechen-Spannung bzw. die Maschinen-Einheit beträgt ± 50 Volt.
Widerstände, die die Rechengenauigkeit beeinflussen, sind auf ±0,5% Toleranz selektiert. Die IntegriererKondensatoren besitzen eine Toleranz von ±5%. Der Rechner ist in ein Metallgehäuse eingebaut und hat
die Abmessungen 280 x 205 x 135 mm (L x B x H).
Folgende Rechen-Komponenten und Hilfseinrichtungen stehen zur Verfügung:
■ 2 Integrierer bzw. Summierer
■ 1 reiner Summierer
■ 1 Offener Verstärker bzw. Inverter
■ 3 Koeffizienten-Potentiometer
■ 1 Dioden-Funktionsgeber für die Funktion y = - x
2
■ 2 freie Dioden
■ 2 Referenzspannungs-Quellen für +50,0V und -50,0V
■ 1 Anzeige-Instrument mit Adresswahlschalter und Messbereichs-Umschalter
■ 1 stabilisierte Stromversorgungseinheit für + 300V / 20mA und -150V / 20mA
Zur Programmierung des Rechners werden die einzelnen Komponenten mit Patch-Kabeln verbunden.
Diese Kabel sind in zwei verschiedenen Längen sowie als Verzweigungskabel vorhanden.
2. Bedienungselemente und Programmier-Feld:
Anzeige-Instrument
Messbereichs-Schalter
Adress-Wahlschalter
Integrierer-Steuerung
Koeffizienten-Potentiometer
Programmier-Feld
Gleichspannungs-Schalter
Haupt-Schalter
Nullabgleichs-Regler
3. Rechner-Komponenten
3.1 Rechen-Verstärker
Der Rechner besitzt vier identische Rechenverstärker (siehe Schaltbild 1). Die Schaltungstechnik dieser
Verstärker wurde vom Analog-Rechner EC-1 übernommen, der von der Firma Heath Company als Schulungs-Rechner entwickelt wurde und ca. 1960 auf den Markt kam.
Es ist natürlich nicht möglich, mit nur einer Pentode-Triode einen hochwertigen Gleichspannungs-Verstärker aufzubauen. Durch eine sehr gekonnte Schaltungs-Auslegung ist es Heath aber gelungen, die Eigenschaften in Bezug auf Verstärkungs-Faktor, Linearität und geringen Ausgangswiderstand so weit zu optimieren, dass die Verstärker den Anforderungen eines Schulungs- oder Demonstrations-Computers vollkommen genügen.
Die Pentode der Eingangs-Stufe arbeitet mit
einem sehr hohen Anodenwiderstand von 10
MΩ und einer Schirmgitterspannung von nur
ca. 10Volt.
Die zweite Röhrenstufe ist ohne Spannungsteiler mit der ersten Stufe gekoppelt.
Um die Gesamtverstärkung auf ca. 1000 anzuheben, wird über den Widerstand R15 (2,2MΩ)
eine geringe positive Rückkopplung erzeugt.
Um zu verhindern, dass durch diese positive
Rückkopplung eine Schwingungs-Neigung auftritt, wurde in die Schaltung eine Tiefpassfilter
(R14, C11) eingefügt. Dadurch wird zwar auch
die Grenzfrequenz der Verstärker sehr stark
reduziert, bei der vorgesehenen Anwendung
ist das aber ohne Bedeutungt.
Die zweite Röhrenstufe arbeitet als Kathodenfolger und bietet dadurch einen sehr geringen
Verstärker-Ausgangswiderstand.
Als Folge der direkten Stufenkopplung liegt die
Kathodenspannung der Triode sehr hoch über
dem Null-Potential. Sie wird deshalb durch die
Reihenschaltung von zwei Glimmlampen um
ca. 120V nach unten verschoben.
Aus dem ermittelten Verstärkungs-Diagramm ist zu erkennen, dass die Rechenverstärker im normalen
Arbeits-Bereich von ±50 Volt eine sehr gute Linearität aufweisen.
Die vier Rechen-Verstärker A1 bis A4 besitzen verschiedene, fest vorgegebene Rechen-Funktionen:
Die Verstärker A1 und A2 können wahlweise als Integrierer oder als Summierer verwendet werden.
Sie besitzen zwei Variablen-Eingänge x1 und x2 mit einem Verstärkungsfaktor 1 und einen zusätzlichen
Eingang IC für die Vorgabe einer Anfangsbedingung.
Durch einen Steuerschalter können drei Betriebsfunktionen vorgewählt werden:
In der Schalterstellung SUM arbeiten die beiden Verstärker als Summierer:
y = -(x1 + x2).
In der Schalterstellungen RUN arbeiten die Verstärker A1 und A2 als Integrierer:
t
y = - 1T
∫(x1 + x2)dt – IC.
Die Integrations-Zeitkonstante T beträgt 1 Sekunde.
0
In der Schalterstellung RES werden die Anfangsbedingungen der Integrierer definiert:
y = - IC.
Der Verstärker A3 ist ein Summierer mit drei Variablen-Eingängen. Die Eingänge x1 und x2 haben einen
Verstärkungsfaktor 1, der Eingang x3 hat einen Verstärkungsfaktor 2:
y = -(x1 + x2 + 2·x3).
Der Verstärker A4 ist ein offener Verstärker mit zwei Eingängen x1 und x2 und einen weiteren Eingang SP,
über den der Summenpunkt des Verstärkers zugänglich ist.
y = - A·(x1 + x2)
A ≈ 1000.
Wird der Eingang x2 mit dem Ausgang verbunden, arbeitet der Verstärker A4 als normaler Inverter:
y = - x 1.
Bei Verwendung als Inverter darf der Eingang SP nicht beschaltet werden.
3.2 Dioden-Funktionsgeber
Als typisches Beispiel für die Anwendung eines Dioden2
Funktionsgebers wurde die Funktion y = - x realisiert.
Der Kurven-Verlauf der Funktion wird dabei im Variablen-Bereich
0 ≤ x ≤ +1 bzw. 0 ≤ Ue ≤ +50V
durch fünf Geraden-Stücke angenähert.
Schaltbild 2 zeigt den Aufbau des Dioden-Funktionsgebers. Die
Geraden-Knickpunkte werden durch die Teiler-Widerstände R82
bis R89 festgelegt. Die Steigungen der Geradenstücke werden mit
den Reglern P1 bis P5 eingestellt.
Die maximale Abweichung der angenäherten Kurve vom mathematischen Verlauf liegt unter 1%.
Mit zwei zusätzlichen freien Dioden und einem Inverter kann der Dioden-Funktionsgeber auf den
Variablen-Bereich
-1 ≤ x ≤ +1 bzw. -50V ≤ Ue ≤ +50V
erweitert werden. Nähere Details dazu werden im Rechenbeispiel 6.3.1 beschrieben.
3.3 Koeffizienten-Potentiometer
t
∫
0
Die drei Koeffizienten-Potentiometer sind eingängige Cermet-Potentiometer
mit einem Nennwiderstand
von 100kΩ und einer Belastbarkeit von 0,5W.
3.4 Referenzspannungs-Quellen
Die Maschinen-Einheit des Analogrechners beträgt ± 50V. Das Gerät verfügt deshalb über zwei
Referenzspannungen von +50V und -50V, die durch Serienschaltung von je zwei selektierten
Zenerdioden erzeugt werden. Die Genauigkeit dieser Spannungen liegt bei ± 0,5V.
3.5 Anzeige-Instrument
Das eingebaute Drehspul-Instrument besitzt eine Skala mit Nullpunkt in der Mittelstellung und einer
Skalenteilung von ± 100.
Mit einem Drehschalter können vier Messbereiche ausgewählt werden: ± 100V, ± 50V, ± 10V und ± 5V.
Mit einem Adresswahlschalter kann das Anzeige-Instrument an die Ausgänge der vier Rechenverstärker
gelegt werden oder an die Eingangsbuchse „ IN “ am Programmier-Feld.
3.6 Stromversorgungseinheit
Die Stromversorgungseinheit (siehe Schaltbild 2) versorgt die Rechenverstärker mit zwei stabilisierten
Gleichspannungen von + 300V und - 150V.
Da der Gesamtstrombedarf der vier Rechenverstärker nur ca. + 15mA bzw. - 20 mA beträgt, wurde die
Spannungsversorgung mit drei Stabilisator-Röhren OA2 ohne zusätzliche Längs-Regelröhren aufgebaut.
Die Stromversorgungseinheit liefert auch die beiden Referenz-Spannungen + 50V und – 50V.
4. Mechanischer Aufbau
Der Analogrechner ist in ein Metallgehäuse mit den Abmessungen 280 x 205 x 133 mm (L x B x H) eingebaut.
Alle Bedienungs-Elemente und das Programmierfeld befinden sich an der Frontseite.
Die Elektronik des Analogrechners ist auf zwei Platinen untergebracht:
Auf der Verstärker-Platine befinden sich die vier Rechenverstärker, der Diodenfunktionsgeber sowie zwei
freie Dioden.
Die Stromversorgungs-Platine ist beidseitig bestückt. Alle Leistungs-Widerstände sind auf der Print-Unterseite montiert und werden über das Belüftungsgitter der Bodenplatte gekühlt. Dadurch wird eine Erwärmung
der Elektrolytkondensatoren auf der Print-Oberseite verhindert.
Innenansicht
Stromversorgungs-Platine: Oberseite
Verstärker-Platine
Stromversorgungs-Platine: Unterseite
Schaltbild 1: Rechen-Verstärker
5. Schaltbilder, Lagepläne
Schaltbild 2: Stromversorgung, Dioden-Funktionsgeber, freie Dioden, Koeffizienten-Potentiometer, Referenz-Spannungen, Anzeige-Instrument
Verstärker-Platine: Lageplan
Stromversorgungs-Platine: Lageplan Oberseite
Lageplan Unterseite