Istoria computerelor, restaurarea computerelor de epocă, ingineria inversă IC și orice altceva

Înțelegerea și repararea sursei de alimentare de la un computer analogic din 1969

Recent am început restaurarea unui computer analogic vintage 1. Spre deosebire de un computer digital care reprezintă numere cu valori binare discrete, un computer analog efectuează calcule folosind valori fizice, care pot fi schimbate continuu, cum ar fi tensiunile. Deoarece acuratețea rezultatelor depinde de acuratețea acestor tensiuni, o sursă de alimentare de precizie este critică într-un computer analog. Această postare pe blog discută cum funcționează sursa de alimentare a acestui computer și cum am remediat o problemă cu acesta. Aceasta este a doua postare din serie; prima postare a discutat despre amplificatoarele de operare de precizie din computer.

sursei

Calculatoarele analogice erau populare pentru calculele științifice rapide, în special ecuațiile diferențiale, dar cam au dispărut în anii 1970, pe măsură ce computerele digitale au devenit mai puternice. Acestea erau de obicei programate prin conectarea cablurilor la un panou de patch-uri, producând o încurcătură de fire asemănătoare spaghetelor. În fotografia de mai sus, panoul colorat de patch-uri este în mijloc. Deasupra panoului de patch-uri, 18 potențiometre stabilesc niveluri de tensiune pentru a introduce parametri diferiți. Un panou de patch-uri mai mic pentru logica digitală se află în partea dreaptă sus.

Sursa de alimentare

Calculatorul folosește două tensiuni de referință: +10 V și -10 V, pe care sursa de alimentare trebuie să le genereze cu o precizie ridicată. (Calculatoarele analogice mai vechi, bazate pe tuburi, utilizate în mod obișnuit referințe de +/- 100 V.) Sursa de alimentare asigură, de asemenea, reglare de +/- 15 V pentru alimentarea amplificatorilor op, putere pentru diferitele relee din computer și putere pentru lămpi.

Fotografia de mai sus arată sursa de alimentare din partea inferioară a spatelui computerului analogic. Sursa de alimentare este mai complexă decât mă așteptam. Secțiunea din stânga convertește tensiunea de curent alternativ în tensiune alternativă și curent continuu. Aceste ieșiri merg la cușca cardului din dreapta, care are 8 plăci de circuit care reglează tensiunile. Cablurile complexe de cabluri de pe partea superioară a sursei de alimentare furnizează energie celor cinci module de calcul analogice aflate deasupra sursei de alimentare, precum și restului computerului.

Cu un computer de epocă, este important să vă asigurați că sursa de alimentare funcționează corect, deoarece dacă generează tensiuni greșite, rezultatele ar putea fi catastrofale. Deci procedăm metodic, verificând mai întâi componentele din sursa de alimentare, apoi testând ieșirile sursei de alimentare în timp ce sunt deconectate de la restul computerului și, în cele din urmă, pornim întregul computer.

Secțiunea transformator/redresor

Am început prin a scoate sursa de alimentare de pe computer și a deconecta cele două jumătăți. Jumătatea stângă a sursei de alimentare (de mai jos) produce patru ieșiri DC nereglate și o ieșire de curent alternativ de joasă tensiune. In conține două transformatoare mari de putere, patru condensatoare mari de filtrare, redresoare cu știft (partea superioară a spatelui), diode mai mici (față dreapta) și siguranțe. Acesta este un modul mare și foarte greu din cauza transformatoarelor. 2 Transformatorul mai mic alimentează lămpile și releele, în timp ce transformatorul mai mare alimentează sursele de +15 și -15 volți, precum și oscilatorul. Probabil, utilizarea transformatoarelor separate împiedică zgomotul și fluctuațiile lămpilor și releelor ​​să afecteze sursele de referință de precizie.

O preocupare cu sursele de alimentare vechi este că condensatoarele electrolitice se pot usca și se pot defecta în timp. (Acești condensatori sunt cilindrii mari de mai sus.) Am măsurat capacitatea și rezistența condensatoarelor mari (folosind contorul HP LCR de epocă al lui Marc) și au testat bine. De asemenea, am verificat rezistența de intrare a sursei de alimentare pentru a ne asigura că nu există scurte evidente; totul părea în regulă.

Am scos toate cardurile din cușca cardului, am introdus cu grijă sursa de alimentare și. nu s-a întâmplat nimic. Din anumite motive, nici o tensiune AC nu a ajuns la sursa de alimentare. Siguranța era un suspect evident, dar era în regulă. Carl a întrebat despre comutatorul de alimentare de pe panoul de control și ne-am dat seama că comutatorul era conectat la sursa de alimentare prin priza etichetată „CP” (mai jos). Am adăugat un jumper, am alimentat alimentarea și de data aceasta am găsit tensiunile DC așteptate din modul.

Cardurile regulatoare

Apoi, am testat diferitele carduri ale sursei de alimentare individual. Sursa de alimentare are patru carduri de reglare care generează „tensiunea lămpii”, „+15”, „-15” și „tensiunea releului”. Scopul unui card de regulator este de a prelua o tensiune DC nereglementată din modulul transformatorului și de a o reduce la tensiunea de ieșire dorită.

Am conectat cardurile de reglare folosind o sursă de alimentare pe bancă ca intrare pentru a ne asigura că funcționează corect. Am reglat potențiometrul de pe regulatorul de +15 V pentru a obține exact 15 V de ieșire. Regulatorul de -15 V părea temperamental și tensiunea a sărit în jur când l-am reglat. Am bănuit un potențiometru murdar, dar s-a stabilit la o ieșire stabilă (narator: aceasta este o prefigurare). Nu știm care ar trebui să fie tensiunea lămpii și a releului și nu sunt critice, așa că am lăsat aceste plăci neajustate.

Fotografia de mai sus prezintă unul dintre cardurile regulator; s-ar putea să credeți că are o mulțime de componente doar pentru a regla o tensiune. Primul cip regulator de tensiune a fost creat în 1966, astfel încât acest computer folosește un regulator liniar construit din componente individuale. Tranzistorul mare de metal de pe radiator este inima regulatorului de tensiune; acționează ca un rezistor variabil pentru a controla ieșirea. Restul componentelor furnizează semnalul de control către acest tranzistor pentru a produce ieșirea dorită. O diodă Zener (dungi galbene și verzi în dreapta) acționează ca referință de tensiune, iar ieșirea este comparată cu această referință. Un tranzistor mai mic generează semnalul de control pentru tranzistoarele de putere. În dreapta jos, se utilizează un potențiometru multi-turn pentru a regla tensiunea de ieșire. Condensatorii mai mari (cilindrii metalici) filtrează tensiunea, în timp ce condensatorii mai mici asigură stabilitatea. Majoritatea sursei de alimentare de doar câțiva ani mai târziu ar înlocui toate aceste componente (cu excepția condensatoarelor de filtrare) cu un regulator de tensiune IC.

Oscilatorul chopper

Amplificatoarele de operare de precizie din computerul analogic folosesc un circuit chopper pentru performanțe DC mai bune, iar elicopterul necesită impulsuri de 400 Hz. Aceste impulsuri sunt generate de placa oscilatorului din sursa de alimentare (numită poartă din anumite motive). Am alimentat placa separat pentru a o testa și am constatat că produce 370 Hz, care părea suficient de aproape.

Circuitul acestui card este oarecum bizar și nu la ceea ce mă așteptam pe un card oscilator. Partea stângă are trei condensatori mari și trei diode, alimentate de curent alternativ de joasă tensiune de la transformator. După ce m-am nedumerit puțin, am stabilit că este un dublor de tensiune cu undă completă, producând curent continuu la dublul tensiunii de intrare AC. Presupun că impulsurile tocătorului trebuie să fie de tensiune mai mare decât sursa de alimentare a computerului de +15 volți, așa că au folosit acest dublator de tensiune pentru a obține suficientă oscilație de tensiune.

Oscilatorul în sine (partea dreaptă a cardului) folosește un tranzistor NPN ca oscilator și un alt tranzistor NPN ca tampon. Mi-a luat ceva timp să-mi dau seama cum funcționează un oscilator cu un singur tranzistor. Se dovedește a fi un oscilator cu schimbare de fază; cei trei condensatori albi din mijlocul plăcii schimbă semnalul la 180 °; inversarea acestuia determină oscilații.

Amplificatorii op

Calculele din computerul analogic sunt trimise la tensiuni de referință de +10 volți și -10 volți, deci aceste tensiuni trebuie să fie foarte precise. Cardurile regulatoare produc tensiuni destul de stabile, dar nu suficient de bune. (În timp ce testam cardurile de reglare, am observat că tensiunea de ieșire s-a modificat considerabil pe măsură ce am modificat tensiunea de intrare.) Pentru a obține această precizie, tensiunile de referință sunt generate de circuite amplificator op, construite din două plăci amplificator op și o placă de rețea de feedback.

Oarecum surprinzător, cardurile amplificatorului de operare utilizate în sursa de alimentare sunt exact aceleași cu amplificatoarele de operare de precizie utilizate chiar în computerul analogic. În 1969, circuitele integrate ale amplificatorului operațional nu erau suficient de exacte pentru computerul analogic, astfel încât proiectanții acestui computer analogic combinau un cip amplificator operațional cu un circuit chopper și multe alte părți pentru a crea un card op ap de înaltă performanță. Am descris detaliile cardurilor amplificator op în prima postare, așa că nu voi intra în mai multe detalii aici.

Placa de rețea

Placa de rețea are două joburi. În primul rând, are rezistențe de precizie pentru a crea rețelele de feedback pentru alimentarea cu energie a amplificatorilor. În al doilea rând, are două tranzistoare de putere (componente circulare metalice de mai jos) care tamponează tensiunile de referință de la amplificatorul op pentru utilizare de către restul computerului.

Una dintre problemele cu un computer analog este că rezultatele sunt la fel de exacte ca și componentele. Cu alte cuvinte, dacă referința de 10 volți este dezactivată cu 1%, răspunsurile dvs. vor fi dezactivate cu 1%. Rezultatul este că computerele analogice au nevoie de rezistențe scumpe și de înaltă precizie. (În schimb, tensiunile unui computer digital pot deriva mult, atâta timp cât se poate distinge un 0 și un 1. Acesta este unul dintre motivele pentru care computerele digitale au înlocuit computerele analogice.) Rezistențele tipice au o toleranță de 20%, ceea ce înseamnă rezistența poate fi cu până la 20% diferită de valoarea indicată. Rezistoarele mai scumpe au o toleranță de 10%, 5% sau chiar 1%. Dar rezistențele de pe această placă au o toleranță de 0,01%! (Aceste rezistențe sunt cilindrii roz.) Cele două rezistențe mari din stânga sunt rezistențe de putere "Brown Devil" de 15Ω. Acestea protejează ieșirile de tensiune în cazul în care cineva introduce un cablu greșit în panoul de patch-uri și scurtcircuită o ieșire, ceea ce ar fi ușor de făcut.

Placa de rețea primește o tensiune de reglare de la panoul de control și are, de asemenea, potențiometre cu mai multe ture în dreapta pentru reglare (cum ar fi cardurile de reglare). Conectorii verzi sunt folosiți pentru conectarea plăcii de rețea la plăcile amplificator op. (Amplificatoarele de operare au un conector separat pentru intrare, pentru a reduce zgomotul electric.)

Porniți-l și remediați o problemă

În cele din urmă, am pus toate plăcile de alimentare înapoi în dulap, am pus sursa de alimentare înapoi în computer și am alimentat șasiul (dar nu modulele analogice ale computerului). Unele indicatoare luminoase de pe panoul de control s-au aprins și alimentarea cu +15 V a apărut pe contor. Cu toate acestea, alimentarea cu -15 V nu dădea nicio tensiune, iar luminile de supraîncărcare ale amplificatorului op erau aprinse pe panoul frontal, iar tensiunile de referință de la amplificatoarele op nu erau acolo. Alimentarea proastă -15 V arăta ca primul lucru de investigat, deoarece fără ea, plăcile amplificatorului op nu ar funcționa.

Am scos regulatorul de lucru +15 și regulatorul care a eșuat -15 din cușca cardului și le-am testat pe bancă. În mod convenabil, ambele plăci sunt identice, așa că aș putea compara cu ușurință semnalele de pe cele două plăci. (Circuitele moderne folosesc de regulă regulatoare speciale pentru ieșiri de tensiune negativă, dar această sursă de alimentare a folosit același regulator pentru ambele.) Tranzistorul de ieșire de pe placa defectă nu primea niciun semnal de control pe baza sa, deci nu producea nicio ieșire . Urmărind semnalele înapoi, am constatat că tranzistorul care generează acest semnal nu primea nicio tensiune. Acest tranzistor a fost alimentat direct de la conector, deci de ce nu a ajuns nicio tensiune la tranzistor?

Am studiat placa cu circuite imprimate și am observat că nu există nici o urmă de PCB între tranzistor și conector! În schimb, o parte din calea actuală se afla prin radiator. Radiatorul a fost înșurubat la PCB, făcând o legătură între cele două săgeți roșii de deasupra. După ce am strâns toate șuruburile, placa a funcționat bine.

Am pus din nou plăcile înăuntru, am alimentat șasiul și de data aceasta toate tensiunile păreau a fi corecte. Lămpile de avertizare de suprasarcină ale amplificatorului op au rămas stinse; lumina de avertizare s-a aprins înainte, deoarece amplificatoarele operaționale nu puteau funcționa cu o tensiune lipsă. Următorul pas este să porniți modulele de circuite analogice și să le testați. De asemenea, trebuie să reparăm sursa de alimentare separată de 5 volți utilizată de logica digitală, deoarece am găsit niște condensatori defecte care vor trebui înlocuiți. Deci, acestea sunt sarcini pentru următoarele sesiuni.

Urmăriți-mă pe Twitter @kenshirriff pentru a fi la curent cu articolele viitoare. Am și un feed RSS.

Note și referințe

Circuitele integrate ale computerului au coduri de date din 1968 și 1969, așa că cred că computerul a fost fabricat în 1969. ↩

Majoritatea surselor de alimentare moderne sunt surse de comutare, deci sunt mult mai mici și mai ușoare decât sursele de alimentare liniare, precum cea din computerul analogic. (Încărcătorul pentru laptop, de exemplu, este o sursă de alimentare cu comutare.) În această epocă, sursele de alimentare cu comutare erau destul de exotice. Cu toate acestea, sursele de alimentare liniare sunt încă uneori utilizate, deoarece au mai puțin zgomot decât sursele de alimentare de comutare. ↩