HP 411A RF Millivoltmeter

Hallo Ralf,

angeregt durch die aktuellen schönen Beiträge, hier ein paar Zeilen und Bilder für amplifier.cd zu einem Klassiker von HP.

HP 411A RF Millivoltmeter

Ein rechter Klassiker fand vor einem Jahr sehr preiswert aus England seinen Weg in mein Heimlabor. Ein 411A RF Millivoltmeter von HP, Seriennummer 0976A05512. Tauglich für Pegel von 10 mV bis 10V, über einen Frequenzbereich von 500 kHz bis 1 GHz  - und das Anfang der 60er Jahre, jawohl!
Ein Blick jenseits der Grenzen unseres schönen Landes lohnt sich auf jeden Fall. Manche Preise, die bei den Online-Auktionen hierzulande inzwischen gezahlt werden, erscheinen im internationalen Vergleich doch lächerlich...

Bild 1: Anlieferungszustand/ Anlieferungszustand.jpg



Bild 2: Spiegelskala, gefertigt von -hp-/ Spiegelskala.jpg



Bild 3: Anlieferungszustand Rückseite / Rückseite.jpg

Das HP 411A-Gerät wurde laut http://www.hpmemory.org/collection/meters.htm 1961 erstmals vorgestellt. Ein Handbuch gibt es in elektronischer Form bei http://hparchive.com./hp_equipment.htm, aber ich habe kostengünstig eine Originalversion erstanden.

Das Prinzip ist schnell erklärt: Die gleichgerichtete RF-Eingangsspannung wird mit dem DC-Wert eines 100kHz Oszillators verglichen und angezeigt. Da stabilisierte elektronische Verstärker damals noch nicht zu erschwinglichen Preisen verfügbar waren, wurde ein innovativer chopper-stabilisierter Synchro-Verstärker und Modulator/Demodulator entworfen. Das ganze Wunderwerk basiert auf Photodetektoren, die mit dem Licht gewöhnlicher Glühlampen arbeiten. Und - dramatische Pause - das Licht wird durch eine Motor-gesteuerte Schlitzscheibe zerhackt oder eleganter ausgedrückt "moduliert". Die Umdrehungszahl des Motors beträgt 5/6 der Netzfrequenz, um Einflüsse des 50/60-Hz-Versorgung auszuschliessen.
Ich finde so ein Design schlichtweg genial und es spiegelt sehr schön den HP-Geist der 60er und 70er-Jahre wieder: Es gibt etwas nicht, dann also ran, erfinden wir's halt...

Bild 4: Innenansichten - recht verstaubt!/ Innenansichten.jpg



Bild 5: Innenansichten. Zwei Schrauben lösen, Gehäuse abziehen, fertig. / Details_innensansichten.jpg



Bild 6: Trafo und Netzteil/ TrafoundNetzteil.jpg

Das Design nutzt aber auch Transistoren und eine 6,81 Volt Zenerdiode...

Ich habe das Gerät zunächst gereinigt und war baff erstaunt, dass sogar die Glühlampen noch alle intakt waren. Dabei fiel mir auf, dass der massive Schalter zur Wahl des Anzeigebereichs ein mechanisches Problem hat. Der grosse Bedienknopf und der Schalter brauchen recht grosse Bedienkräfte- das vertrauenswürdige KLACK! und das haptische Erlebnis ist ein echtes Vergnügen.
Allerdings bewirken diese Kräfte hohe Momente; und die zentrale Verschraubung hat ein echtes Problem damit, diese gegenzuhalten. Der Schalter wird mit einer Alu-Hülse an der Rückseite der Frontblende montiert. Die Auflageflächen der Zahnscheiben, die der Alu-Hülse und der von vorn montierten Mutter unterliegen, sind sehr klein.

Simples Fehlerbild: Der Schalter hielt auf Dauer nicht und durch die Verdrehung rissen einige Verbindungen ab und das Gerät war defekt.

Bild 7: Eingangsbereichschalter - leider bereits reichlich verkratzt / Frontverkratzt.jpg



Bild 8: Eingangsbereichschalter bzw. Abschwächer / Eingangswahlschalter.jpg



Bild 9: Synchron-Motor/ Motor.jpg

Ich habe die Alu-Hülse mit der Feile geplant, und dann eine passende Unterlegscheibe eines anderen Schalters anstelle der hinteren Zahnscheibe verwendet. Vorher alles mit Ethylalkohol geputzt und mit Schraubensicherung versehen. Mit einem ordentlichen "Engländer" gut handfest angezogen, über Nacht trocknen gelassen - voilá - es hält bestens.

Bild 10: Originalverschraubung des Eingangsbereichschalters / Originalverschraubung.jpg



Bild 11: Neue Verschraubung im Detail  / Verschraubung_details.jpg



Bild 12: Das braucht's zum Lösen des Problems / Verschraubung_ersetzt.jpg

Bis auf die thermisch unglückliche Anordnung der Elkos in der Netzteil-Siebung ist dies nach meiner Meinung der einzige Makel dieses hervorragenden Designs...

Ich habe einige Verbindungen neu gelötet und gemäss Handbuch den Ripple des Netzteils geprüft. Dabei fielen zwei DC-Versorgungen glatt durch, die +340 Volt-Versorgung und ebenso die +210V. Ja, dies ist halt eine Röhrenschaltung - da braucht es hohe Spannungen und entsprechende Vorsicht während des Messens.

Beide Spannungen werden gut eingehalten und werden schön ausgeregelt, aber auch der Tausch der Siebungs-Kondensatoren brachte keine deutliche Verbesserung. C102 und C15 wurden beide gegen 47µF/400V-Typen von Siemens getauscht. Die kleinen 50 nF-Keramikkondensatoren C103 und C101 wurden durch 5 Stück 10nF Keramik-Kondensatoren bzw. einen WIMA-Folienkondensator ersetzt.

Der 100Hz-Ripple der +340V Versorgung beträgt auch nach dem Tausch gut 10%, in etwa 35 Vrms. Laut Handbuch sind max. 1,5 Volt rms erlaubt (!). Da HP die Kondensatoren gut dimensioniert hat und viele andere Messpunkte gute Werte zeigten, gab und gibt dies mir doch einige Rätsel auf. Wer sich mit dem Gerät auskennt, möge sich bitte melden...
Röhren auf Verdacht zu tauschen ist mir zu aufwändig. Also versuchte ich es mit einer teilweisen Kalibration, die überraschend gute Werte zeigte. Somit lasse ich es erst einmal bei dem gegenwärtigen Zustand bewenden.

Noch ein Tipp: Die Widerstände R31/47k im +210V-Pfad und R71/10k sind freiverdrahtet und wurden einfach über die unbenutzten Anschlüsse der Gleichrichterröhre V101, pin 5 bzw. pin 2 geführt. Optimale Ausnutzung der Komponenten halt...

Das Netzeingangsfilter habe ich aus Sicherheitsgründen ersetzt. Dies ist ein RF-Messgerät. Da möchte ich auf dem aktuellen Stand der Netzfilter sein, und nicht auf dem Niveau der 60er Jahre stehenbleiben, wo Schaltnetzteile eher selten im Netz verwendet wurden.

Bild 13: Netzfilter getauscht / Netzfilter_getauscht.jpg



Bild 14: Tausch des ersten Elkos C12 der Siebung / Elkotausch1.jpg



Bild 15: Tausch des zweiten Elkos C15 der Siebung / Elkotausch2.jpg



Bild 16: Der Chopper-Verstärker mit Zenerdiode. Hier hatte schon einmal jemand erfolgreich die Lötaugen ruiniert... /ChopperAmpMitZenerdiode.jpg

Nach einem Warmlaufen habe ich gemäss Handbuch den Bias des Kathodenverstärkers neu eingestellt. Anschliessend wurde bei Frequenzen 500 kHz, 1 MHz, 2 MHz und 50 MHz bei unterschiedlichen sieben Pegeln neu kalibriert, wobei mir mein Philips PM5193 Generator gute Dienste tat.
Die Trimmkondensatoren C82 bis C89 des Eingangswahlschalters / Abschwächers erlauben übrigens, die Einstellung per Lötzinn mechanisch zu sichern. So etwas finde ich einfach fabelhaft....

Bild 18: Abgleichspunkte des Eingangsbereichschalters / Eingangsabschwächer_Abgleichspunkte.jpg

Ein abschliessender, langsamer Sweep von 500 kHz bis 50 MHz bei 0 dBm Pegel zeigte übrigens kaum +/- 0,4 dB Abweichung. Auch der hintere Anschluss für einen X-/Y-Schreiber konnte gut ausgepegelt werden und zeigte plausible Werte. Nun könnte man das HP 411A RF Millivoltmeter über einen einfachen ADC per USB oder GPIB sogar in ein automatisiertes Messystem einbinden - eine reizvolle Vorstellung!
Das Handbuch bezieht sich übrigens hier auf ein "Galvanometer", daraus kann man auf das wahre Alter des Designs schliessen.

Bild 19: Frontansicht des reparierten Geräts/ Frontansicht_fertig.jpg



Bild 20: Das HP 411A ist wieder bereit. Hier bei der Messung eines 1 MHz, 0 dBm Sinussignals. Etwas Patina finde ich inzwischen deutlich schöner als die "besser-als-neu" Geräte...! / Front_Messung.jpg

Englisch:

HP 411A RF Millivoltmeter

I have finally found some time to look into my 411A RF millivoltmeter, which was happily sitting in storage for almost a year now.
I have found very limited information on the 411A on the internet, so I decided to compile some simple write-up...

The 411A RF Millivoltmeter is specified for signals between 500 kHz and 1 GHz, for RF-level measurements from 10 mVrms to 10Vrms.
According to http://www.hpmemory.org/collection/meters.htm this was introduced 1961. A combined operation and service manual is available here: http://hparchive.com./hp_equipment.htm. I was also keen to get a paper version, which I have sourced from a surplus dealer in the USA.

First off, I have carefully cleaned the unit, serial # 0976A05512, then checked a few electrolytic caps and the line inputs and protection earth connection.

I have found a mechanical flaw in the design, which I think might have been the primary reason why this was on sale inexpensively.
The centered front-panel voltage range multi-switch assembly is mechanically inferior to other similar designs I have seen:
There is an aluminium spacer which holds the mid-center nut, and then there are some washers, which form a very small contact area to the front panel only. As the large front-panel knob can cause some serious torque, the switch gets loose. This ripped-off some connections inside...

I have resolved that by replacing the original washer with another washer (taken from a guitar effect-pedal's footswitch, by the way).
I then used a file to re-work the surfaces of the new washer and the aluminium spacer to add some friction, then used some Loctite and tightened everything carefully. Let dry overnight, and I have also cleaned and lubricated the mechanical switch assembly. Tried it next day, and voila - no twisting anymore.

I then connected the unit to my isolating VARIAC, and ramped up the line voltage slowly. And the initial readings are looking pretty good. I need to check some supply voltages first, as per the service manual, before doing a full calibration. Probably it needs a replacement of a cap or similar minor repair work. I have also replaced the line input filter, as a precaution.

Besides the above minor mechanical flaw, this is another amazing unit made by HP. The chopper-based amp/modulator which employs a motor, incandescent lamps and photocells to form a synchro-amplifier seems to be still working - and this unit was built 1968! Oh my, if only my other equipment would last half that long...

I have replaced the line input filter for safety reasons and because line filtering requirements became more stringent over the past 50 years... The DC supply filter caps C102 and C15 were replaced with 47µF/400V-Type caps from Siemens. The 50nF-ceramic caps C103 and C101 have been replaced with 5 x 10nF ceramic and a WIMA foil cap.

The +340 VDC and the +210 V DC supply are both well within tolerances and also the regulation against line voltage changes or RF-input levels changes works nicely. However, the DC ripple is still way too high, i.e. the +340V DC has still some 35V rms 100Hz-ripple. I really do not want to spend the efforts for replacing the rectifier V101, a 6X4 tube without any further reasoning.

Well, the levels and signals measured at several testpoints were showing very reasonable data, so I decided to give a partial calibration a try. I used my Philips PM5193 generator to calibrate at 500 kHz, 1 MHz, 2 MHz and 50 MHz at seven specific levels and the 411A operated nicely. A slow final sweep from 500 kHz to 50 MHz at 0 dBm was showing an accuracy error of max. +/- 0.4 dB, which I find amazing.

Also, the X-/Y-recorder output on the rear was found to be useful. The manual refers to this as an output for galvanometers, so you can tell that this is truly somewhat a vintage design.

It is also nice to see that one can use simple solder to secure the caps C82 to C89 in the input attenuator assembly - very handy, indeed.

I decided to use the HP 411A in its current state.

If anyone wants to comment on the remaining DC supply's ripple or could provide me with some measurements from another 411A unit for comparison, I would much appreciate it!