Un regolatore per la dinamo della Gibson Girl

Come recuperare un generatore a manovella del 1945 e realizzare un alimentatore ragionevolmente stabilizzato ad alta e bassa tensione utilizzabile per usi valvolari

Introduzione Anni fa scovai il manuale d’uso di un vecchio sestante aereonautico Mark-IX/A: lo scambiai da un rivenditore di surplus con uno strano arnese a manovella pieno di polvere. Cercando in rete venne fuori che si trattava del generatore di tensione dell’AN/CRT-3, un trasmettitore di segnale di soccorso in dotazione ai piloti qualora fossero stati abbattuti. L’apparato ha una forma ergonomica dovendo essere tenuto fra le gambe per ruotare la manovella comodamente, ma vista la somiglianza con i disegni di Charles Dana Gibson la trasmittente fu subito ribattezzata come Gibson Girl.

.

l’AN/CRT-3 una delle Gibson Girls

Due parole sulla Gibson Girl Si tratta di un trasmettitore di segnale di soccorso che invia l’SOS in codice morse. Lo SCR-578 opera solo sui 500 kHz mentre il suo successore l’AN/CRT-3 trasmette alternativamente sulle frequenze di 500 kHz (modulata in ampiezza a 1000Hz) e di 8.280 kHz (modulata in CW) con una potenza di circa 2 Watt in antenna. Come antenna usa un filo “issato” da un aquilone (kite) e in mancanza di vento da un pallone gonfiato da un generatore di idrogeno: il segnale di soccorso in onda corta poteva essere ascoltato ad oltre 1000 miglia di distanza. L’apparato usa un doppio triodo 12SC7 come generatore audio ed un pentodo a fascio 12A6 come generatore di radiofrequenza; era destinato a personale “non addestrato” che doveva soltanto ruotare una manovella “incriccata” che quindi ruota solo nel verso giusto! L’apparato è rimasto in esercizio attivo fino al 1960 sugli aerei militari e civili; chi è interessato trova ancora in rete i manuali tecnici completi di schemi.

. .

La dinamo in pillole In estrema sintesi una dinamo è un generatore rotante di tensione continua messo in movimento da una forza meccanica esterna. E’ costituito da un “rotore” che contiene vari avvolgimenti e che ruota immerso nel campo magnetico generato da uno “statore”, che contiene un avvolgimento di campo (field) alimentato da una opportuna tensione. Nella sua rotazione il rotore attraversa il campo magnetico generato dallo statore e nei suoi avvolgimenti si induce una tensione proporzionale alla velocità di rotazione ed alla corrente di eccitazione dello statore: regolando tali grandezze si varia la tensione generata. La tensione in uscita è continua ed è raccolta da due spazzole che strisciano sulle terminazioni (collettore) delle bobine del rotore. La bobina di campo può essere alimentata con una tensione esterna (eccitazione indipendente) o dalla stessa tensione prodotta dalla dinamo: in questo caso la bobina di campo dello statore può essere collegata “in serie” o “in derivazione” alle bobine del rotore. Nella dinamo con eccitazione derivata non si deve superare la massima corrente erogabile altrimenti la tensione scende perché il carico “sottrae” corrente all’avvolgimento di campo indebolendo il campo magnetico. La domanda giunge spontanea: quando la dinamo è ferma e quindi non genera tensione come si fa ad alimentare lo statore? In realtà è sempre presente un po’ di magnetismo residuo, molto basso ma sufficiente a generare un po’ di tensione: questa piccola tensione alimenta la bobina di campo facendo aumentare la tensione di uscita e quindi la corrente di eccitazione; dopo qualche giro la dinamo va a regime. Se si fa girare la dinamo a rovescio si distrugge il magnetismo residuo e la dinamo “muore”: per “resuscitarla” si deve fornire dall’esterno una tensione alla bobina di campo per ripristinarne il magnetismo residuo, operazione ben nota ai restauratori di auto d’epoca.

Il generatore della Gibson Girl E’ una dinamo che fornisce una Bassa Tensione di 27 Volt con 175 mA ed una Alta Tensione di 300 Volt con 40 mA per un totale di circa 17 Watt. All’esterno escono 5 conduttori: i terminali <+> e <-> dell’Alta Tensione, i terminali <+> e <-> della Bassa Tensione ed un terminale <F> della bobina di campo, l’altro terminale è connesso al <-> della Bassa Tensione. La bobina di campo ha una resistenza ohmica di 200 ohm.

. La dinamo viene messa in rotazione da una manovella che attraverso una coppia di ingranaggi porta la rotazione dagli 80 giri al minuti forniti “a mano” ai circa 5.000 giri al minuti richiesti per andare a regime. Ulteriori ingranaggi e camme comandano dei contatti per generare il codice morse SOS oppure AA e per cambiare ogni minuto la frequenza di trasmissione. La rotazione delle camme è regolata da un freno centrifugo. La dinamo della Gibson Girl è molto simile (tensione e corrente erogata a parte) a quella della vecchia 500 Fiat, ha un terminale della bobina di campo al negativo, è eccitata “in derivazione” ed opera in regime di rotazione variabile: occorre quindi un regolatore che ne stabilizzi la tensione di uscita. Diversamente dalla 500 che ha bisogno di 3 relè (voltmetrico, amperometrico e di minima) per non mandare arrosto la batteria, la Gibson Girl si accontenta del solo relè voltmetrico poiché non c’è nessuna batteria da caricare: il carico è connesso direttamente all’uscita.

. Se la tensione è inferiore al livello nominale il relè non opera e l’avvolgimento di campo è alimentata direttamente dalla dinamo. Quando la tensione supera il valore nominale il relè opera, l’ancora si posiziona al centro della corsa, apre il contatto NC ed inserisce la resistenza delle due lampadine in serie all’avvolgimento di campo, di conseguenza la tensione generata scende. Le lampadine hanno una resistenza variabile in funzione della temperatura del filamento, quindi fungono da ulteriore regolatore automatico. Se la tensione è ancora troppo alta il relè chiude il contatto NA e cortocircuita l’avvolgimento di campo abbattendo drasticamente la tensione generata. Il ciclo si ripete molte volte al secondo facendo vibrare il relè e stabilizzando la tensione di uscita al valore nominale. Semplice ed efficace proprio come sulla mitica 500, una volta i relè li facevano davvero robusti.

Nel mio generatore il relè di regolazione era andato perduto e il generatore è rimasto inutilizzato per un bel po’ di tempo nella scatola “Waiting for an Idea” finchè ho deciso di metterci mano ed ho realizzato questo circuito regolatore.

Il regolatore a Mosfet La dinamo della Gibson Girl genera poca corrente, quindi ho disegnato un circuito regolatore che ne assorbisse il meno possibile usando un Mosfet a canale P IFR9530 che avevo nel cassetto, ma qualunque altro mosfet a canale P con 100Vds ed almeno 1A va altrettanto bene. L’IFR9530 gestisce 12A a 100V, che sono anche troppi per l’uso che se ne fa, ed ha una Ciss (la capacità di ingresso) di 500pF. La resistenza di ingresso “statica” di un mosfet è di vari megaohm, ma “in alternata” il carico che presenta è grosso modo una reattanza capacitiva Xc=1/(2pigreco * f * Ciss): oltre il KHz quando si sale in frequenza si scende linearmente sotto i 300 Kohm.

Con un Mosfet a canale P il source è connesso al positivo. Lo schema è più intuitivo se viene letto con il positivo in basso ed il negativo in lato come usava tanti anni fa: nel seguito le tensioni di gate sono tutte riferite al Source (positivo di alimentazione) e non alla massa. La regolazione avviene sulla Bassa Tensione Vbt, di conseguenza l’Alta Tensione avrà un valore variabile fra 250 e 300 Volt essendo legata al valore della Vbt. Ipotizziamo di volere una tensione di 25 Volt in uscita. Quando si mette in rotazione la dinamo, dapprima la tensione Vbt è inferiore ai circa -4 Volt necessari al gate per portare in conduzione il mosfet, quindi la bobina di campo è alimentata attraverso la resistenza da 1.000 ohm 1 Watt: la tensione cresce gradualmente. Quando la tensione Vbt diventa superiore a 4 Volt ma inferiore a 25 Volt, lo zener da 22V (con il led rosso in serie) è interdetto, il transistor PNP anche ed il gate del Mosfet è a tensione –Vbt attraverso la resistenza da 12K: lo zener da 12V fra gate e source limita la Vgs a -12 Volt per non superare i 20 Volt ammessi. Il Mosfet va in stato ON, la bobina di campo è alimentata direttamente dalla dinamo con una corrente di oltre un centinaio di mA: la tensione sale velocemente e potrebbe arrivare ad oltre 35 Volt in assenza di regolazione.

Quando la tensione Vbt supera i 25 Volt (22 dello zener, 1.8 del led e 0,7 della Vbe) il transistor PNP conduce portando il gate del Mosfet a circa -0,2 Volt: il Mosfet va in stato OFF e la bobina di campo è alimentata attraverso la resistenza di 1.000 ohm 1 Watt. La corrente di eccitazione cala a 20 mA e la tensione in uscita scende sotto i 25 Volt. Il trimmer TR da 1K regola il punto di conduzione del transistor consentendo una piccola variazione nell’intorno dei 25 Volt; se si desiderano tensioni minori (ma non troppo per non ridurre anche la corrente erogata) o maggiori (ma non superiori ai 30 Volt per non surriscaldare gli avvolgimenti) occorre cambiare lo zener da 22V con la relazione: Vregolazione ~ Vz+Vled+0.7 Volt. Il ciclo si ripete circa cinquanta volte al secondo stabilizzando la tensione della dinamo a 25 Volt sia in presenza di limitate variazioni di velocità rispetto al valore nominale di 5000 rpm, sia di corrente erogata al carico. Il regolatore può solo abbassare la tensione quindi se si diminuisce troppo la velocità di rotazione la tensione scenderà sotto i 25 Volt: tale situazione è segnalata dallo spegnimento del led .

In parallelo alla bobina di campo ho inserito un diodo veloce PYT01400 per assorbire le extratensioni in aggiunta al diodo parassita che è già presente “dentro al mosfet”. Due condensatori elettrolitici e due condensatori al poliestere sono collegati sulle uscite della dinamo: fanno il possibile per ridurre i picchi generati dalle spazzole rotanti, lo so che c’è del rumore impulsivo, ma è pur sempre una dinamo! Gli avvolgimenti BT ed AT della dinamo sono lasciati separati per una maggiore versatilità: è possibile aumentare la tensione AT in uscita collegando in serie gli avvolgimenti come avveniva nella Gibson Girl. NOTA) Questo regolatore può essere adattato per gestire dinamo molto più “generose” purchè con un capo dell’avvolgimento di campo al negativo: basta adattare la resistenza di limitazione alla corrente assorbita dalla bobina di campo e aggiustare il valore dello zener di controllo. Se la dinamo carica una batteria occorre aggiungere un diodo ed una resistenza da qualche ohm in uscita con un transistor come sensore di massima corrente erogata che mandi il mosfet in stato OFF.

Il test Ho montato la dinamo su un piccolo tornio per modellismo con un motore da 50 Watt: a 12 Volt la rotazione era di 6000 rpm, quindi superiore del 20% alla rotazione nominale di 5000 rpm della dinamo. Ho rilevato la velocità di rotazione attaccando un pezzo di adesivo bianco sul mandrino e misurando la frequenza di variazione della luce riflessa letta da una fotoresistenza, metodo veloce e semplice.

. . la dinamo sul tornio con il misuratore di giri in alto al centro tornio , dinamo e regolatore al banco funziona: la lampadina a 230 Volt si accende! Ho regolato il trimmer TR a metà corsa e senza collegare un carico ho misurato 25 Volt in BT e 270 Volt in AT. Sostituendo lo zener da 22V con uno da 24V ho ottenuto in uscita 27 Volt e 300 Volt: proprio i valori nominali della Gibson Girl. Ho poi collegato come carico per l’AT una lampadina da 230 Volt 10 Watt in serie ad una resistenza da 1000 ohm 5 watt e per la BT due lampadine tuttovetro in serie da 12 Volt 2 W (150 mA misurati), le tensioni sono rimaste le medesime con un assorbimento di 45 mA in AT e 170 mA in BT. Finiti i test al banco sono passato ai test con la manovella. Il generatore è duro da far girare; 14 watt se li prende il carico, la dinamo avrà un rendimento di circa il 70% e poi ci sono gli ingranaggi del moltiplicatore, in tutto occorre fornire almeno 30 watt meccanici: un ciclista a 20 Km/h in pianura spende circa 80 watt e lui usa due gambe!

Il contenitore Della Gibson Girl avevo solo il generatore senza il contenitore giallo: in un Bricocenter ho trovato un “pozzetto” in materiale plastico per impianti elettrici interrati (dimensioni interne 16x16x16 cm) che accoglieva perfettamente il generatore. Ho tolto (ed accuratamente conservato) il blocco con le camme ed i contatti ed ho usato delle viti Whitworth, 32G (32 filetti per pollice) un po’ più lunghe di quelle originali per fissare la base del generatore usando la parte sporgente all’interno per fissare il regolatore ed i condensatori. Fortuna vuole che la vite 32G e la M5 abbiano praticamente lo stesso passo e diametro (è diverso solo l’angolo del filetto: 55° contro 60°), così ho potuto usare un dado M5 per il bloccaggio delle basette non avendo trovato dadi G32. E’ invece opportuno NON USARE viti M5, anche se si avvitano bene nel foro del basamento di alluminio, proprio per non rovinare la filettatura del foro usando un angolo diverso.

Per ultimo ho inserito esternamente una coppia di morsetti a pressione ed un portaled che segnala la corretta velocità di rotazione. Una verniciata di giallo cromo avrebbe ricordato l’apparato originale ma ho preferito lasciare il contenitore “grezzo. La resistenza che si vede in foto sui morsetti dell’AT serve a scaricare il condensatore da 10uF durante le prove, i 300 Volt sulle dita sono sgradevoli.

Come si usa Si prende la manovella in mano e la si ruota a circa 80 giri al minuto controllando che il led sia acceso: in uscita avremo una BT di 25 Vcc ed una AT di 270 Vcc. Il carico applicato non deve superare i 40 mA sull’AT ed i 150 mA sulla BT, altrimenti la tensione scenderà ed il led resterà spento anche girando a più non posso. Se vi sembra troppo faticoso usare questo generatore, rivolgete un rispettoso pensiero a coloro che per ore ed ore ruotavano la manovella su un canotte nell'oceano sperando che qualcuno ascoltasse il loro segnale.

Spunti per l’impiego del generatore Il generatore eroga 150 mA a 25 Volt (circa 3.5 Watt) ma soprattutto 40 mA a 270 Volt (circa 11 Watt): che ci facciamo? L’uso più naturale è quello di sfruttare la sezione AT per alimentare dei circuiti con tubi a vuoto, condizionando la tensione in bassa tensione per adattarla ai filamenti dei tubi. Si possono sfruttare i 25 Volt “nativi” usando tubi con filamento da 150 mA, tuttavia regolando la tensione di uscita al valore originale di 27 Volt / 175 mA la potenza in bassa tensione della dinamo sale a 4.7 Watt. Con un convertitore switching step down che offre una resa dell’80% si ottengono 12.6 Volt con 300 mA o 6,3 Volt con 600 mA, tensioni entrambe utilizzabili per accendere filamenti di tubi più robusti. Per abbassare l’alta tensione a quella richiesta dal circuito basta una resistenza di caduta o si può usare un LM317 con un paio di transistor o un mosfet ad alta tensione: il circuito è chiamato Maida Regulator. A questo punto le idee sono tutte intriganti in un crescendo di follia creativa. Blues in strada Il filamento di molti tubi assorbe giusto 150 mA: con una 12AX7 che pilota due 6AK6 in parallelo con Ia=2 x 15 mA e un trasformatore di uscita da 5 Kohm (e non da 10K perché i due tubi sono in parallelo non in push pull !) si ottengono un paio di veri watt puliti. Si connettono i filamenti in serie e per l’anodica basta una resistenza di caduta per avere i 180 Volt di placca. Ne viene fuori un ottimo amplificatore alimentato a manovella per suonare in strada un buon blues, naturalmente con un robusto aiutante per far andare il generatore. Perché un blues? Perché per il rock due watt non bastano mica! Collegamenti radio a bassa potenza: QRP a valvola e manovella Il segnale radio ad onde corte della Gibson Girl copriva quasi duemila chilometri di giorno e molto di più di notte: si può costruire un piccolo trasmettitore in CW da un paio di watt in antenna, rigorosamente sulle bande amatoriali, per tentare qualche collegamento “diverso” dal solito. Alla Gibson Girl bastava un pentodo ed un aquilone!

Il costo Per il regolatore servono meno di 5 euro più altri 5 euro per il pozzetto, ovviamente occorre avere il generatore!

Per chi vuole approfondire AN/CRT3 – SCR578 http://wftw.nl/gibsongirl/gibsongirl.html http://www.thekitesociety.org.uk/PDF/Gibson%20Girl.PDF http://radioalfronte.altervista.org/USA/bc-778/bc-778.html dinamo eccitate in derivazione e circuiti regolatori http://www.galileimirandola.it/elettro/QUINTA/MACCON/MACCON09.HTM http://www.silviorizzaro.com/PAPISPAZIO/SITO%20ITIS/ITIS%20HENSEMBERGER/miositolimonta/rendimento_indiretto_della_dinam.htm http://ludens.cl/Electron/dynareg/dynareg.htm http://webspace.webring.com/people/qp/pravg/solidsta.htm Mosfet di potenza Understanding Power MOSFET shttp://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-7500.pdf Application Note AN-940 http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-940.pdf High Speed MOSFET Gate Drive Circuits http://www.ti.com/lit/ml/slup169/slup169.pdf Stabilizzatori per alte tensioni grix/gmarconi2: stabilizzatore AT con LM311 http://www.grix.it/viewer.php?page=9981 grix/Radio-54: stabilizzatore AT con LM7824 http://www.grix.it/viewer.php?page=7754 grix/mapo948: stabilizzatore AT a tubi http://www.grix.it/viewer.php?page=10381 National: Maida regulator – LM311 http://www.national.com/ms/LB/LB-47.pdf Amplificatore audio con 6AK6 Bluetone 6AK6 amplifier http://www.bluetone.fi/eng/bluetone-lead-jr-head/ Trasmettitori CW ad un tubo con corrente di filamento < 500mA TX CW con 6V6 http://www.qsl.net/wb1gfh/ameco.html TX CW con EL84 http://nmwilliam.tripod.com/el84.html TX CW con ECL80 http://www.af4k.com/ecl80.htm

Conclusione Adattare un vecchio apparato è stato divertente ed istruttivo e mi ha fatto riflettere su come era la vita prima dei transistor. A proposito: poche settimane fa una modernissima nave da crociera (purtroppo italiana ad onta di G.M.) con oltre 3000 persone a bordo è rimasta SENZA COMUNICAZIONI RADIO nell’Oceano Indiano a causa di un incendio che ha messo fuori uso TUTTI i generatori elettrici di bordo. Un peschereccio che passava da quelle parti ha avvisato la terraferma e con un elicottero sono state trasportate a bordo le radio di emergenza per coordinare il traino a terra. Forse non sarebbe male imbarcare nuovamente le Gibson Girl su navi ed aerei come si usava saggiamente fino agli anni 60.