تبديل إمدادات الطاقة للنوع التليفزيوني من أربعينيات القرن العشرين (مع ثيراترونز الزئبق المضيء!)

بدأنا مؤخرًا عملية استعادة نموذج Teletype طراز 19 ، وهو نظام اتصالات بحري من أربعينيات القرن العشرين [1] . تم تشغيل هذا النوع من التليفزيون بواسطة مصدر طاقة تيار مستمر ضخم ، والذي كان يسمى "REC-30 Rectifier". استخدم الثايراترون الخاص على بخار الزئبق ، والذي أعطى توهجًا أزرقًا رهيبًا عند تشغيله ، كما في الصورة أدناه.


تنتج أنابيب الثايراترون في مزود الطاقة REC-30 مثل هذا التوهج الأزرق. يأتي الضوء البرتقالي من مصباح نيون يستخدم كمرجع للجهد.

يعد REC-30 مثالًا مثيرًا للاهتمام ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه مصدر طاقة تحويل مبكر جدًا. (أعلم أنه من المثير للجدل أن نطلق على هذا الجهاز مصدر طاقة تحويل ، ولكن مع ذلك ، لا أرى أي سبب وجيه لعدم القيام بذلك). على الرغم من حقيقة أنه في هذه الأيام ، يتم استخدام إمدادات الطاقة في كل مكان (بسبب التكلفة المنخفضة للترانزستورات ذات الجهد العالي) ، إلا أنها كانت غريبة في الأربعينيات. إن REC-30 ضخم - وزنه يتجاوز 45 كجم! إذا قارنته بـ 300 جرام من مزود الطاقة لجهاز MacBook ، يمكنك أن ترى تقدمًا مثيرًا للإعجاب في تطوير مصادر الطاقة من الأربعينيات. في هذا المنشور ، سأنظر داخل مزود الطاقة ، وأصف مبادئ تشغيله وأقارنه مع PSU لـ MacBook'a.

ما هو teletype؟

نموذج Teletype 19. صورة من عام 1945 مجلة BuShips Electron .

Teletype هي علامة تجارية من الشركة المصنعة للطابعات ، والتي ، في جوهرها ، هي الآلات الكاتبة التي يمكن التواصل من خلال اتصال سلكي لمسافات طويلة. قد تكون على دراية بالتليفزيونات من خلال الأفلام القديمة حول الصحافة التي تم فيها استخدام هذه الأجهزة لإرسال الرسائل الإخبارية. أو ربما رأيت أجهزة الكمبيوتر من 1970s مع teletype ASR33 كمحطة. تأتي معظم المصطلحات الخاصة بتكنولوجيا المنافذ التسلسلية في أجهزة الكمبيوتر الحديثة من عصر teletypes: بدء وإيقاف بتات ، باودرات ، TTY وحتى مفتاح Break. تعرف Teletypes أيضًا كيفية كتابة وقراءة الأحرف من الأشرطة المثقوبة باستخدام تشفير 5 بت [2] .


"Teletype ستبقى إلى الأبد." تُظهر الصورة شريطًا مثقوبًا لترميز 5 بت تستخدمه أجهزة التليفزيون. صورة من 1945 BuShips Electron .

ظهرت Teletypes في أوائل القرن العشرين. في عصر ما قبل الإلكتروني ، تم تحقيق اختيار الشخصيات والتسلسل والطباعة من خلال استخدام الأجهزة الكهروميكانيكية المعقدة: المغناطيسات الكهربائية والمفاتيح والرافعات والتروس وآليات الكام. يؤدي الضغط على مفتاح في teletype إلى إغلاق مجموعة معينة من المفاتيح المرتبطة برمز. قام موزع آلي بتسلسل هذه المجموعة من البتات لنقل الأسلاك. على الجانب المستقبل ، حولت المغناطيسات الكهربائية بتات البيانات المستلمة إلى حركات التلال الانتقائية الميكانيكية. تشكل حركة التلال مجموعة من التجاويف المقابلة للرمز المعتمد ، وتتزامن مع الرافعة النموذجية المرتبطة بالعلامة. ونتيجة لذلك نحصل على الحرف المطبوع [3] .


نموذج Teletype جزئي 19

الحلقة الحالية

تتواصل الأنماط التليفزيونية مع بعضها البعض من خلال حلقة تيار 60 مللي أمبير: يعطي وجود التيار في الدائرة القيمة "علامة" (نوع التليفزيون ، على التوالي ، مثقب بشريط مثقب) ، وإذا انقطع التيار ، نحصل على قيمة تسمى "مسافة". يتم إرسال كل حرف في سبع بتات: بت البداية و 5 بتات البيانات وبت التوقف. إذا كنت قد استخدمت الأجهزة التسلسلية على جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، فاعلم أن تلك التليفزيونات هي التي قدمت مفاهيم بتات التوقف والإيقاف. وقد تم تسمية البودر على اسم مخترع الترميز 5 بت - إميل بودو . أعطى مزود الطاقة REC-30 900 مللي أمبير عند 120 فولت تيار مستمر ، وهو ما يكفي لتشغيل 15 نوعًا من teletypes.

ربما تتسائل لماذا لم تستخدم التلبسات ببساطة مستويات الجهد بدلاً من هذه الحلقة الحالية الغريبة؟ السبب الرئيسي هو أنه عند إرسال الإشارات عن طريق الأسلاك إلى مدينة أخرى ، من الصعب جدًا معرفة ما سيكون الجهد الناتج في هذه النهاية ، بسبب انخفاض الجهد على طول المسار. ولكن إذا قمت بإرسال 60 مللي أمبير ، فسوف يتلقى جهاز الاستقبال نفس 60 مللي أمبير (إذا لم يكن هناك ماس كهربائي ، بالطبع) [4] . يلزم وجود تيار كبير من أجل دفع المغناطيسات الكهربائية والمرحلات في teletypes. في المستقبل ، بدأت teletypes في استخدام حلقة 20mA الحالية في كثير من الأحيان بدلاً من 60mA.

لماذا استخدام تحويل التيار الكهربائي؟

هناك عدة طرق لتطوير مصدر طاقة مستقر. أبسطها وأكثرها وضوحًا هو مصدر الطاقة الخطي ، والذي يتم بناؤه على المصابيح أو الترانزستورات لتثبيت الجهد. يتصرف مصدر الطاقة مثل المقاوم المتغير ، مما يقلل من جهد الدخل إلى مستوى الإخراج المطلوب. تكمن مشكلة إمدادات الطاقة الخطية في أنها ، من حيث المبدأ ، ليست فعالة للغاية ، لأن الجهد الزائد يتم تحويله إلى حرارة لا يحتاجها أحد.

والواقع أن إمدادات الطاقة الحديثة تتغير. يتم تشغيلها وإيقافها بتردد عالٍ ، وبذلك يصل متوسط ​​الجهد إلى مستوى الإخراج المطلوب. نظرًا لأن عنصر التبديل (سواء كان نشطًا أم لا) لا يتمتع بمقاومة عالية مثل مصدر طاقة خطي ، فإن وحدات الدفع تنفق عبثًا قليلًا من الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، عادة ما تكون أصغر وأخف وزنًا ، ولكن من الواضح أن مطوري REC-30 لم يتبعوا هذا الشريعة (عرضه أكثر من 60 سم) [5] . يتم نبض معظم مصادر الطاقة التي تلفت انتباهك - بدءًا من شحن الهاتف ووصولاً إلى مصدر الطاقة الخاص بالكمبيوتر. اكتسبت إمدادات الطاقة النبضية شعبيتها في السبعينيات بعد تطوير أشباه الموصلات ذات الجهد العالي ، لذا فإن REC-30 ، مع قاعدة مكون أنبوب ، هي عينة غير عادية للغاية.


مصدر طاقة Teletype REC-30 في غلافه باللون الرمادي. كبلات الطاقة في الأعلى. تقع المصابيح خلف الباب على اليمين.

داخل مزود الطاقة REC-30

في الصورة أدناه يمكنك رؤية المكونات الرئيسية لمصدر الطاقة. يتدفق التيار المتناوب إلى اليسار ويتم تغذيته في محول ذاتي كبير. المحول الذاتي عبارة عن محول متعدد الأغراض ذو لف واحد يحول الجهد الكهربي للإدخال (الذي يمكن أن يكون من 95 فولت إلى 250 فولت) [6] في 230V ثابت. ونتيجة لذلك ، فإن مزود الطاقة قادر على هضم مجموعة واسعة من الفولتية المدخلات ، ببساطة عن طريق توصيل السلك بالطرف المقابل من المحول التلقائي. يتم تغذية الإخراج 230 فولت من المحول الذاتي إلى محول الأنود (التحكم) ، الذي ينتج 400 فولت لأنابيب الثايرترون [7] . يقومون بدورهم بتصحيح واستقرار الجهد ، وتحويل التيار المتناوب إلى تيار مباشر. ثم يتم ترشيح التيار بواسطة المكثفات (لا تظهر في الصورة) والمحرِّضات (المحاثات) وأخيرًا يكون الناتج 120 فولت تيار مستمر.


المكونات الرئيسية لـ REC-30

في الوقت الحالي ، نحذف مفتاح الطاقة نفسه. يحدث تحويل التيار المتناوب إلى التيار المباشر في REC-30 من خلال استخدام مقوم كامل الموجة ومحول منتصف النقطة (محول التحكم) ، على غرار الرسم البياني أدناه (بدلاً من الثنائيات ، يتم استخدام أنابيب الثايراترون لتصحيح التيار). تعطي اللفات المحولة اثنين من الجيوب الأنفية في الطور المضاد ، لذلك سيكون لدينا دائمًا مرحلة إيجابية من التيار الذي نمره عبر أحد أنابيب الثاثرون ، ونستقبل تيارًا نابضًا مباشرًا (وبعبارة أخرى ، يتم عكس المرحلة السلبية للتيار المتناوب ويتم الحصول على إشارة خرج إيجابية). ثم ، فإن مصدر الطاقة ، باستخدام المحاثات (الاختناق) ومكثفات الترشيح ، ينعم التموج ويوفر جهد خرج متساوي.

مخطط مقوم الموجة الكاملة (في المنتصف) ، والذي يحول التيار المتناوب (يسار) إلى ثابت نابض (يمين). تنتمي الصورة إلى Wdwd ، CC BY 3.0 .

على عكس الثنائيات في الرسم البياني أعلاه ، يمكن تشغيل وإيقاف أنابيب الثايرترون في مزود الطاقة ، مما يتيح الفرصة للتحكم في جهد الخرج. الفكرة الرئيسية هي تضمين الثايراترون في مرحلة ثابتة معينة من الدورة الحالية بالتناوب ، كما هو الحال في الرسوم المتحركة أدناه. إذا تضمن الثاثرون دورة كاملة ، عندها نحصل على الجهد الكامل ، إذا تم تشغيل نصف الدورة ، ثم نصف الجهد ، وإذا كان جزء صغير فقط من الدورة ، فسيكون الناتج بجهد صغير جدًا [8] . تسمى هذه التقنية التحكم في الطور ، لأن الجهاز يتم تشغيله فقط بزاوية طور محددة (على سبيل المثال ، بين 0 درجة و 180 درجة لموجة جيبية تيار متناوب). يتم استخدام طريقة مشابهة جدًا في باهتة الإضاءة التقليدية ، باستثناء أنهم يستخدمون ترياق أشباه الموصلات بدلاً من أنابيب الثاثرون [9] .


مخطط تنظيم المرحلة. يُظهر الجزء العلوي من الرسم المتحرك أي جزء من النبض المستخدم ، ويظهر الجزء السفلي اللحظة التي يتم فيها تشغيل الثاثرون. تنتمي الصورة إلى Zureks ، CC BY-SA 2.5 .

تشبه الأنابيب الثايرترون لمصدر الطاقة الأنابيب اللاسلكية ، ولكن على النقيض من ذلك ، فإنها تحتوي على بخار الأرجون والزئبق داخل لمبة زجاجية (في حين يتم الاحتفاظ بالفراغ في الأنابيب اللاسلكية). تتكون أنابيب الثيراترون من ثلاثة مكونات: خيوط متوهجة (كاثود) ، وأنود وشبكة. خيوط متوهجة ، مماثلة لتلك المستخدمة في المصابيح التقليدية ، تسخن وتصدر الإلكترونات. يلتقط الأنود المركب فوق الأنبوب هذه الإلكترونات ، مما يسمح بتدفق التيار من الكاثود إلى الأنود. يخدم القطب المرجعي (الشبكة) الموجود بين الأنود والكاثود الغرض من منع تدفق الإلكترونات. عندما تتدفق الإلكترونات إلى الأنود ، يتأين بخار الزئبق ، وبالتالي يفتح الثايراترون وينتج تأثيرًا جانبيًا على شكل توهج أزرق ، والذي يمكنك رؤيته في الصورة (ولكن في الأنابيب اللاسلكية العادية يوجد تيار من الإلكترونات ، ولكن لا يوجد أي شيء للتأين). يخلق الزئبق المؤين مسارًا عالي التوصيل بين الكاثود والأنود ، مما يسمح بتدفق تيار قوي إلى حد ما (1.5 أمبير). بمجرد تأين الزئبق ، لم تعد الشبكة تتحكم في الثايرترون ، وستظل مفتوحة حتى ينخفض ​​الجهد بين الأنود والكاثود إلى الصفر. عند هذه النقطة ، ينخفض ​​التأين وينطفئ الأنبوب حتى يتم نقله مرة أخرى إلى الحالة المفتوحة.


وحدة تزويد الطاقة REC-30 لنوع تليفزيوني. يمكن للمرء أن يرى التوهج الأزرق لأنابيب الثيراترون ؛ التوهج البرتقالي لمصباح النيون يستخدم كمصدر مرجعي للجهد. يظهر المؤقت والتتابع في أعلى اليسار

يتحكم الجهد على الشبكة في الثايراترون. يعكس الجهد السالب الإلكترونات المشحونة سلبًا ، وبالتالي يعيق تدفق الإلكترونات بين الكاثود والأنود. ولكن عندما يصبح الجهد عند الأنود قويًا بما فيه الكفاية ، تتغلب الإلكترونات على تنافر الشبكة ، ويفتح الثاثرون. النقطة المهمة هي أنه كلما زاد الجهد السلبي على الشبكة ، كلما زاد النفور وكلما زاد الجهد المطلوب لفتح الثايراترون. وبالتالي ، فإن الجهد عبر الشبكة يتحكم في مرحلة الدورة الحالية المتناوبة التي يفتح فيها الثيراترون.

تعمل دائرة التحكم في وحدة تزويد الطاقة على استقرار جهد الخرج من خلال تغيير الجهد على الشبكة ، والتحكم في توقيت الثايراترون [10] . لقد استخدمت مقياس الجهد لضبط مصدر الطاقة لإظهار كيف يتغير الجهد عند تغيير التوقيت. تمكنت من ضبط جهد الخرج (الأزرق على شكل الموجة) في النطاق من 114V إلى 170V. نظمت دائرة التثبيت جهد الشبكة (الوردي) ، ومن خلاله تتحكم في توقيتات الثايراترون (الأزرق والأخضر والأصفر) [11] . شكل الموجة صعب قليلاً - انتبه للملاحظة المقابلة . التفاصيل الرئيسية التي من المهم ملاحظتها هي كيف تتحول قمم المنحنيات الزرقاء والخضراء والصفراء إلى اليسار مع زيادة جهد الخرج ، وهذا يعني أن الثايراترون يتم تشغيلها في وقت سابق.


عن طريق تغيير المرحلة ، يتم تنظيم جهد الخرج من 130 فولت إلى 170 فولت. يشير اللون الأصفر والأزرق والأخضر إلى الجهد على الثايراترون. الوردي - إشارة شبكة التحكم. الأزرق هو جهد الخرج المقلوب.

توضح الصورة أدناه دائرة وحدة تزويد الطاقة REC-30 (الأكبر هنا ). يتم تمييز دائرة إدخال التيار المتردد باللون الأخضر. في ذلك ، يقوم المحول التلقائي بتثبيت جهد الإدخال حتى 230 فولت ويغذيه إلى محول التحكم. تتميز أنابيب الثيراترون المركبة بميزة مثيرة للاهتمام - يجب أن يتم تسخينها مسبقًا قبل استخدامها للتأكد من أن الزئبق في حالة غازية. الاحماء باستخدام مؤقت بنظام المعدنين لمدة 20 ثانية [13] . يتم تمييز الجانب الثانوي لمحول التحكم الذي ينتج جهد 400 فولت باللون الأحمر ، ويتم تمييز الجهد المستقر للثيراترون باللون البرتقالي ، والجهد المنخفض باللون الأزرق [14] . إن دائرة التحكم (الجزء السفلي من الدائرة) أكثر تعقيدًا بعض الشيء. يوفر مصباح شبكة التحكم (pentode 6J6) جهد تحكم لشبكات ثيراترون ، أتحكم في وقت تشغيلها. يتلقى هذا المصباح جهد التغذية المرتدة (دبوس 5) من خلال مقياس الجهد (باستخدام تقسيم الجهد). يحدد دبوس خرج المصباح (دبوس 3) جهد شبكة الثايرترون وبالتالي يحافظ على استقرار جهد الخرج. يكون انخفاض الجهد عبر مصباح النيون ثابتًا تقريبًا ، مما يسمح له بالتصرف كمصدر جهد مرجعي وإعطاء جهد ثابت إلى كاثود مصباح التحكم (دبوس 8)


دائرة تزويد الطاقة REC-30. لسبب غير معروف ، في الرسم ، يتم تمييز أوم بأوميجا في الحالة الصغيرة (ω) بدلاً من المعتاد Ω

مقارنة مع MacBook Power Supply

من المثير للاهتمام مقارنة مورد الطاقة هذا بمصدر طاقة حديث لجهاز MacBook من أجل تتبع مقدار تحويل مصادر الطاقة التي تطورت على مدار السبعين عامًا الماضية. إن محول الطاقة لجهاز Apple MacBook يمكن مقارنته إلى حد ما بمورد الطاقة REC-30: فهو ينتج 85W من التيار المباشر ، ويحول متغير الإدخال (بالنسبة لـ REC-30 ، هذا المؤشر 108 واط). ومع ذلك ، في نفس الوقت ، يزن مزود طاقة MacBook حوالي 280 جرامًا ، بينما يبلغ وزن REC-30 حوالي 45 كجم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحجم أيضًا أصغر بكثير من 1 ٪ من أبعاد REC-30 ، مما يدل بوضوح على النجاح المذهل في تصغير الإلكترونيات منذ الأربعينيات. تم استبدال الثايرترونات الضخمة لتبديل الطاقة بأجهزة MOSFET صغيرة الحجم. انخفضت المقاومات من حجم الإصبع إلى أحجام أصغر من حبة الأرز. أصبحت المكثفات الحديثة أصغر ، ولكن ليس بنفس نسبة المقاومات - فهي واحدة من أكبر مكونات الشحن لجهاز MacBook ، كما ترى في الصورة أدناه.


داخل مصدر طاقة 85 واط لجهاز Apple MacBook. على الرغم من صغر حجمه ، فإن مزود الطاقة أكثر تعقيدًا بكثير مقارنة بـ REC-30. يحتوي على دائرة تصحيح معامل القدرة (PFC) لتحسين كفاءة خط الطاقة. وظائف أمنية عديدة (من أجله يوجد حتى وحدة تحكم دقيقة 16 بت في الدائرة!) مراقبة حالة مزود الطاقة وإيقاف تشغيله في حالة وجود أي تهديد أو خطأ.

تخلص شاحن MacBook من معظم وزنه عن طريق استبدال المحول التلقائي الضخم ومحول التحكم في الأنود بمحولات صغيرة عالية التردد. يعمل مزود طاقة MacBook بترددات تصل إلى 1000 مرة أكبر من REC-30 ، مما يسمح بأن تكون المحاثات والمحولات أصغر بكثير. (لقد كتبت مقالة أكثر تفصيلاً حول شحن MacBook هنا ، وتاريخ مصادر الطاقة هنا .)

في الجدول أدناه ، لخصت الاختلافات بين REC-30 ومصدر طاقة MacBook.

	REC-30	ماك بوك 85 وات
الوزن	47.4 كجم	0.27 كجم
الأبعاد	64.5 سم × 20.3 سم × 27.9 سم (36.5 لترًا)	7.9 سم × 7.9 سم × 2.9 سم (0.18 لتر)
إدخال التيار المتردد	95-250 فولت ، 25-60 هرتز	100-240 فولت ، 50-60 هرتز
الانتاج الحالي	108 واط ، 120 فولت تيار مستمر عند 0.9 أمبير	85 واط ، 18.5 فولت تيار مستمر عند 4.6 أمبير
خمول (زائف) استهلاك الطاقة	60 واط	أقل من 0.1 واط
المواد الضارة	الزئبق ، لحام الرصاص ، وربما عزل سلك الأسبستوس	لا (معتمد من RoHS )
الإدارة الخارجية	جهاز توقيت وتتابع ثنائية المعدن	متحكم MSP430 16 بت
عناصر التحويل	323 أنابيب ثيراترون	N-channel power 11A MOSFETs
مصدر الجهد المرجعي	مصباح التفريغ بالنيون GE NE-42	فجوة الحزمة TSM103 / A
السيطرة على التحول	بنتود 6F6	وحدة تحكم الرنين L6599
تردد التحويل	120 هرتز	حوالي 500 كيلو هرتز

قمت بقياس جودة إخراج REC-30 (في الصورة أدناه). ينتج مصدر الطاقة إشارة أفضل بكثير مما توقعت - تموج 200mV فقط (موجات على خط أفقي أزرق) ، وهو قريب جدًا من مستوى الأجهزة من Apple. ( ) 8 , . Apple, .


REC-30. .

الخلاصة

REC-30 100 . 1940, REC-30 , . 100- : 45 . 100 . , , . , — .



Carl Claunch Marc Verdiell !

ملاحظات

1. BuShips Electron 1945. (RTTY), (FSK), . , . : . , . , SIGTOT , . . ↑

2. 1870 5- , . 5- 1901 ITA-2 (CCITT-2). — . , , , . 5- ASCII 1960, . ↑

3. , — . , — Fundamentals of Telegraphy (Teletypewriter) , Army Technical Manual TM 11-655, 1954. REC-30 , — . ↑

4. , , , , , , . - , . , , , . ↑

5. , REC-30 , , , 60, . , ( ). ↑

6. REC-30 (95, 105, 115, 125, 190, 210, 230, 250 ) (25, 40, 50 60 ). , REC-30 . , 25 , 25- 1900. , 25 - . 1919 2/3 - 25, 1952 60 25. - 25 IBM 1900 25 ( المزيد من التفاصيل ). ↑

7. , , REC-30. . REC-30 . , , . , : , , , . , 120 : , 2 . ↑

8. - () . , . , . ↑

9. , SCR ( «» «»). SCR ( 2- 3- ). , SCR , . SCR , 0 ( , ). , SCR, , , . ↑

10. , , , . , , . , : - , . , , . , . ↑

11. , , . , . , . ↑

12. - . ( ) , . , , , ( ). — . , , . - . — (: ).

— , - . . , , , , , . ↑

13. 20- . . ,
. , - . . ↑

14. , , , , . 2.5 . , , . , 2.5 , . 35 , , , , , , . ↑