我们最近开始恢复19型电传打字机的过程，这是1940年代的海军通信系统
[1] 。
该电传打字机由大型直流电源供电，该电源称为“ REC-30整流器”。 它在汞蒸气上使用了特殊的闸流管，当打开时会发出可怕的蓝光，如下图所示。
REC-30电源中的晶闸管会发出蓝光。 橙色光来自用作参考电压的霓虹灯。REC-30是一个有趣的实例，主要是因为它是非常早期的开关电源。 （我知道将这个设备称为开关电源是非常有争议的，但是，我认为没有充分的理由不这样做）。 尽管最近有这样一个事实，开关电源无处不在（由于高压晶体管的成本低），但在1940年代，它们是一种好奇。 REC-30巨大-重量超过45公斤！ 如果将其与MacBook的300克电源进行比较，您会发现1940年代的电源开发取得了令人瞩目的进展。 在这篇文章中，我将研究电源内部，描述其工作原理，并将其与MacBook'a的PSU进行比较。
电传打字是什么？
电传打字机模型19。图片来自1945年BuShips Electron杂志。Teletype是电传打印机制造商的品牌，从本质上讲，电传打印机是可以通过有线连接进行长距离通信的打字机。 您可能会通过有关新闻的老电影熟悉电传打字机，其中这些设备被用来传输新闻通讯。 或者，也许您看到了1970年代使用ASR33电传打字机作为终端的计算机。 现代计算机中串行端口技术的大多数术语来自电传打字时代：开始和停止位，波特率，TTY甚至是Break键。 电传打字机还知道如何使用5位编码
[2]从打孔的磁带中写入和读取字符。
“电传打字将永远存在。” 照片显示了电传打字机使用的用于5位编码的打孔带。 图片来自1945年BuShips电子公司 。电传打字机出现在1900年代初期。 在这个电子时代之前，符号的选择，序列化和打印是通过使用复杂的机电设备实现的：电磁体，开关，杠杆，齿轮和凸轮机构。 按下电传打字机中的键会关闭与符号关联的一组特定开关。 电动分配器将这组钻头序列化以进行电线传输。 在接收方，电磁体将接收到的数据位转换为机械选择性脊的运动。 脊的移动形成对应于所采用的符号的凹槽的组合，并且与与该符号相关联的典型杠杆一致。 结果，我们得到了印刷字符
[3] 。
部分电传打字机型号19电流回路
电传打字机通过60mA电流环路相互通信：电路中存在的电流给出值“标记”（电传打字机分别用穿孔纸带打孔），如果电流中断，我们将得到一个称为“空格”的值。 每个字符以7位发送：起始位，5个数据位和停止位。 如果您曾经在PC上使用过串行设备，那么应该知道电传打字机引入了起始位和停止位的概念。 波特率以5位编码的发明者
Emil Bodo的名字命名。 REC-30电源在120V DC下发出900 mA电流，足以为15种电传打字机供电。
也许您想知道为什么电传打字机根本不使用电压电平而不是这个奇怪的电流回路？ 主要原因是，当通过电线将信号发送到另一个城市时，由于路径上的电压降，很难找出最终的电压值。 但是，如果发送60mA，则接收器将接收相同的60mA（当然，如果没有短路）
[4] 。
为了驱动电传打字机中的电磁体和继电器，需要大电流。 将来，电传打字机开始更多地使用20mA电流环路，而不是60mA。
为什么要使用开关电源？
有几种开发稳定电源的方法。 最简单，最明显的是线性电源，该线性电源建在灯或晶体管上以稳定电压。 电源的行为就像一个可变电阻，将输入电压降低到所需的输出电平。 线性电源的问题是，原则上，它们效率不高，因为多余的电压会转换为没人需要的热量。
实际上，更多的现代电源正在切换。 它们以高频率接通和关断，从而使平均电压达到所需的输出电平。 由于开关元件（无论它是否处于活动状态）不具有像线性电源那样的高电阻，因此脉冲单元浪费了相当多的能量。 此外，它们通常更小，更轻，但是很明显REC-30的开发人员没有遵循该标准（宽度超过60cm）
[5] 。 引起您注意的大多数电源都是脉冲式的-从电话充电到计算机电源。 随着高压半导体的发展，脉冲电源在1970年代开始流行，因此带有管组件底座的REC-30是非常不常见的样品。
电传REC-30电源为灰色外壳。 电源线在顶部。 灯位于右侧门的后面。REC-30电源内部
在下面的照片中，您可以看到电源的主要组件。 交流电流向左侧，并馈入大型
自耦变压器 。 自动变压器是一种特殊的单绕组多用途变压器，可将输入交流电压（可以从95V转换为250V）
[6]。 在固定的230V中 因此，通过简单地将电线连接到自耦变压器的相应端子，电源就可以吸收各种输入电压。 自耦变压器的输出230V被馈送到阳极变压器（控制），后者为晶闸管产生400V的电压
[7] 。
它们依次整流和稳定电压，将交流电转换为直流电。 然后，电流由电容器（在照片中不可见）和电感器（电感器）过滤，最终输出为120V DC。
REC-30的主要组件现在，我们省略电源开关本身。 通过使用全波整流器和中点变压器（控制变压器），在REC-30中将交流电转换为直流电，大致如下图所示（代替二极管，使用可控硅管来整流电流）。 变压器绕组会发出两个反相的正弦波，因此我们始终有一个流过可控硅管的电流的正相，接收脉动的直流电（换句话说，交流电的负相被反相并获得正输出信号）。 然后，电源使用电感器（扼流圈）和滤波电容器来消除纹波并提供均匀的输出电压。
全波整流器（在中间）的方案，它将交流电（左）转换为脉动常数（右）。 图像属于Wdwd ， CC BY 3.0 。与上图中的二极管不同，电源中的晶闸管可以导通和关断，从而有机会控制输出电压。 主要思想是将晶闸管包含在交流周期的某个固定相位中，如下面的动画所示。 如果晶闸管包括一个完整的周期，那么我们将获得完整的电压，如果打开半个周期，则获得一半的电压，如果周期的一小部分，那么输出将具有非常小的电压
[8] 。
这项技术称为
相位控制 ，因为该设备仅以特定的相位角（例如，对于交流正弦波在0°到180°之间）开启。 传统的
调光器使用了一种非常相似的方法，除了它们使用半导体
三端双向可控硅开关元件而不是
可控硅管
[9]。 。
相位调节方案。 动画的上部显示了使用脉冲的哪一部分，下部显示了晶闸管导通的时刻。 图片属于Zureks ， CC BY-SA 2.5 。电源的晶闸管类似于无线电管，但是相比之下，它们的玻璃灯泡内部含有氩气和汞蒸气（而无线电管中保持真空）。 晶闸管由三部分组成：白炽灯丝（阴极），阳极和栅极。 与传统灯泡中使用的白炽灯丝相似，白炽灯丝会加热并发射电子。 安装在管顶部的阳极会吸收这些电子，从而使电流从阴极流向阳极。 位于阳极和阴极之间的参比电极（栅极）用于阻止电子流动。 当电子流向阳极时，汞蒸气被电离，从而打开闸流管并产生蓝色发光的副作用，您可以在照片中看到它（但是在普通的无线电管中有电子流，但是没有可电离的东西）。 电离的汞在阴极和阳极之间形成一条高度导电的路径，从而允许相当大的电流流动（1.5A）。 汞被离子化后，栅极不再控制晶闸管，并保持打开状态，直到阳极和阴极之间的电压降至零为止。 此时，电离下降并且管关闭，直到再次转移到打开状态为止。
电传打字机的REC-30电源装置。 人们可以看到晶闸管的蓝色发光；用作参考电压源的霓虹灯的橙色发光。 计时器和继电器在左上方可见电网上的电压控制晶闸管。 负电压反射带负电的电子，从而阻碍了阴极和阳极之间的电子流动。 但是，当阳极上的电压变得足够强时，电子克服了栅极的排斥作用，晶闸管打开了。 重要的一点是，电网上的负电压越高，排斥力越强，打开晶闸管所需的电压也越高。 因此，跨栅极的电压控制晶闸管打开的交流周期的相位。
电源单元的控制电路通过改变电网电压来稳定输出电压，从而控制晶闸管的定时
[10] 。 我使用了电源的调节电位器来显示更改时序时电压的变化。 我能够在114V至170V的范围内设置输出电压（波形上的蓝色）。 稳定电路调节电网电压（粉红色），并通过它控制晶闸管定时（蓝绿色和黄色）
[11]。 。 波形有些棘手-请注意
相应的注意事项 。 需要注意的主要细节是，蓝绿色和黄色曲线的峰值如何随输出电压的增加而向左移动，这意味着晶闸管会更早触发。
通过改变相位，可将输出电压从130V调节至170V。 黄色和蓝绿色表示晶闸管上的电压。 粉红-控制电网信号。 蓝色是反相的输出电压。下图显示了REC-30电源单元的电路（
此处为大）。 交流输入电路以绿色突出显示。 在其中，自耦变压器将输入电压稳定在230V以内，并将其馈送到控制变压器。 安装的晶闸管具有有趣的功能-使用前必须对其进行预热，以确保汞呈气态。 通过使用
双金属计时器预热20秒
[13] 。 产生400V电压的控制变压器的次级侧用红色标记，晶闸管稳定的电压用橙色突出显示，而低压用蓝色突出显示
[14] 。 控制电路（电路的底部）要复杂一些。 控制格栅灯（五极管6J6）向晶闸管格栅提供控制电压，由我控制何时打开。 该灯通过电位计（使用分压）接收反馈电压（引脚5）。 灯输出引脚（引脚3）设置晶闸管栅极的电压，从而使输出电压保持稳定。 霓虹灯两端的电压降几乎是恒定的，这使其可以充当参考电压源，并向控制灯的阴极（引脚8）提供固定电压
电源电路REC-30。 由于某些未知原因，在图中，欧姆用小写（ω）标记为Ω，而不是通常的Ω与MacBook电源的比较
将此电源与MacBook的现代电源进行比较很有趣，以便跟踪过去70年来开发的开关电源的数量。 Apple MacBook的电源适配器或多或少可与REC-30电源媲美：它产生85W直流电，转换输入变量（对于REC-30，此指示器为108瓦）。 但是，与此同时，MacBook的电源重量约为280克，而REC-30的重量约为45公斤。 此外，其尺寸还远小于REC-30尺寸的1％，这清楚地表明了自1940年代以来在电子产品小型化方面取得的惊人成就。 用于开关电源的大型晶闸管已由紧凑型MOSFET取代。 电阻从手指的大小减小到小于米粒的大小。 现代电容器已经变得越来越小，但与电阻器的比例却不一样-它们是MacBook的最大充电组件之一，如下图所示。
内置Apple MacBook的85瓦电源。 尽管尺寸很小，但电源与REC-30相比要复杂得多。 它具有功率因数校正（PFC）电路以提高电源线效率。 众多安全功能（为此，电路中甚至还有16位微控制器！）监视电源状态，并在有任何威胁或错误的情况下将其关闭。MacBook的充电器通过将大型自耦变压器和阳极控制变压器替换为小型高频变压器来减轻大部分重量。 MacBook的电源频率高达REC-30的1000倍，从而使电感器和变压器小得多。 （我在
这里写了一篇有关MacBook充电以及电源历史的更详细的文章。）
在下表中，我总结了REC-30和MacBook电源之间的区别。
| REC-30 | MacBook 85W |
|---|
| 机重 | 47.4公斤 | 0.27公斤 |
| 尺寸图 | 64.5厘米x 20.3厘米x 27.9厘米（36.5升） | 7.9厘米x 7.9厘米x 2.9厘米（0.18升） |
| 交流输入 | 95-250V，25-60Hz | 100-240V，50-60Hz |
| 输出电流 | 108W，120V DC在0.9A | 85W，18.5V DC在4.6A |
| 空闲（杂散）能耗 | 60瓦 | 小于0.1w |
| 有害物质 | 汞，铅焊料，可能还有石棉线绝缘 | 否（ RoHS认证） |
| 外部管理 | 双金属计时器和继电器 | 16位MSP430微控制器 |
| 开关元件 | 晶闸管323 | N通道功率11A MOSFET |
| 参考电压源 | 霓虹灯GE NE-42 | 带隙TSM103 / A |
| 换档控制 | 五角星6F6 | 谐振控制器L6599 |
| 开关频率 | 120赫兹 | 约500 kHz |
我测量了REC-30的输出质量（如下图所示）。 电源产生的信号比我预期的要好得多-纹波仅为200mV（蓝色水平线上的波形），非常接近Apple的设备水平。 但是，在波形上，您还可以看到切换晶闸管时出现的大约8伏的窄脉冲串（垂直线）。 与苹果提供的电源相比，这些浪涌非常大，但仍远低于
廉价充电器 。
REC-30电源的输出信号。 切换电源时，您会看到轻微的波纹和爆裂。结论
REC-30电源为电传打字机产生100瓦以上的直流电源。 REC-30于1940年代发布，是使用汞晶闸管的极早期开关电源装置，具有更高的效率。 对于100W的电源来说，它实在太大了：重量超过45公斤。 可比的现代电源装置更紧凑，更轻巧100倍以上。 正如Mark的视频所示，尽管它已经使用了很长时间，但电源仍然可以正常工作。 此外，该过程本身看起来非常漂亮-晶闸管发出的蓝光和大霓虹灯发出的橙光。
感谢Carl Claunch和Marc Verdiell使用此电源所做的工作！注意事项
1945年9月，在BuShips Electron中首次提及为海军引入电传打字机。通常使用频移键控（FSK）的无线电电传打字机（RTTY）的发展已允许海军使用电传打字机。最初，舰队仅使用无线电电传打字机将沿海电台彼此连接起来，然后才开始在船上使用它们。电传打字的主要优点是速度：比通过无线电手动向操作员发送消息快四倍。此外，打孔磁带上的消息可以自动复制和转发。电传打字机可以与基于一次性笔记本电脑的加密系统的加密设备（例如SIGTOT）集成。您可以阅读有关第二次世界大战电传打字机的更多信息。在这里。 ↑2.在1870年代，埃米尔·博多（Emile Bodo）发明了以他命名的5位代码。唐纳德·默里（Donald Murray）在1901年创建了另一个5位代码，并将其标准化为ITA-2（CCITT-2）。两种编码方案看起来都是偶然的-字符似乎是随机分散的。但是，原始的Bodo码也是Grey码，并且对Murray码进行了优化，以减少最常见字符的穿孔，从而减少了机制上的磨损。在1960年代ASCII标准化之前，一直使用5位代码，此时字符的字母和二进制顺序一致。 ↑3.有关电传打字机工作原理的更多信息，请参见此处。此外，还有更广泛的文档- 电报基础知识（电传打字机），1954年，陆军技术手册TM 11-655。可从此处下载REC-30的图纸，并在此处下载文档。 ↑4.请注意，与基于电压测量的系统相反，顾名思义，电流环路的组件必须形成拓扑环路，以便电流可以流过它们。如果电路中没有任何器件，则在没有环路闭合机制的情况下，环路将中断。结果，电传打字机通信系统包含许多套接字，这些套接字在组件关闭时会关闭，从而电流环继续起作用。 ↑5.与现代开关电源相比，REC-30如此庞大和笨重的主要原因是脉冲频率仅为60 Hz，而现代PSU的工作频率为几十千赫兹。由于变压器的EMF与操作频率成正比，因此高频变压器可以比低频变压器小得多（更多）。 ↑6. REC-30可以在各种输入电压（95、105、115、125、190、210、230、250伏交流电）和各种频率（25、40、50和60 Hz）的电流下工作。现代开关电源会自动调整为输入电压，但是REC-30要求将触点连接到自耦变压器的相应端子以更改输入电压。您可能会发现25Hz的频率对于电源的输入电流来说很奇怪，但是在美国，许多地区在1900年代使用25赫兹的功率。尤其是，由于涡轮机的设计特点，尼亚加拉大瀑布产生了25 Hz的电流。在1919年，纽约超过25％的能源以2/3的频率发电，而在布法罗，仅在1952年才开始使用60 Hz的电流，发电量超过25 Hz。由于25Hz电流的普及，许多1900年代初期的IBM打孔机可以以25赫兹（更多细节）。 ↑7.将交流输入与直流输出隔离是大多数电源（包括充电器，计算机电源和相关的REC-30）中的关键安全因素。与输出触点接触时，这种隔离可防止强烈的电击。对于REC-30，阳极变压器作为绝缘体起着至关重要的作用。请注意，自耦变压器不提供任何绝缘保护，因为它只有一个主绕组，触摸其输出与触摸输入交流电流相同。电路的其余部分经过精心设计，以使输入和输出之间没有直接路径：控制系统完全位于次级侧，可控硅灯丝从与自耦变压器隔离的绕组中馈入，继电器为计时器提供隔离。另外，将120V输出设为推挽式而不是将其中一个触点接地：这意味着您需要立即抓住2个触点才能触电。 ↑8.现代开关电源使用脉冲宽度调制（PWM）电路以每秒一千次的频率开关电源。与仅在一个AC周期内切换一次的电源相比，这使它们具有更小的尺寸和更均匀的输出信号。但与此同时，他们需要更复杂的管理系统。 ↑9.晶闸管的现代固态等效物是硅整流器，也称为SCR或晶闸管（由“晶闸管”和“晶体管”组成）。 SCR具有四个半导体层（与2层二极管和3层晶体管相比）。就像晶闸管一样，SCR处于截止状态，直到有电流施加到控制电极上为止。 SCR保持导通并充当二极管，直到电压降至0（严格地说，直到流动电流变得小于保持电流）为止。三端双向可控硅开关元件是一种与SCR非常相似的半导体元件，不同之处在于，双向可控硅开关元件在两个方向上都可以传输电流，这使其在交流电路中更加方便。 ↑10.最初，我认为，随着负载的增加，晶闸管将打开更长的时间，以释放更多的电流。但是，在连接示波器并研究了在不同负载下晶闸管的行为之后，我没有发现任何相移。事实证明，这是预期的行为：无论负载如何，变压器都会产生通常恒定的电压。因此，在负载变化期间，晶闸管定时保持恒定，并且变压器仅产生更多电流。在此视频中，您可以注意到晶闸管的辉光如何随电流强度的增加而变化。 ↑11.在轻负载下，电源有时甚至可以完全跳过交流周期，而不是在其中间切换晶闸管。在视觉上，这可以看作是晶闸管的闪烁，而不是持续发光。不确定这是错误还是功能。 ↑12.在波形上，黄线和蓝绿线表示两个晶闸管的电压。线路的平坦部分（此时电压差大约为零）意味着此时晶闸管导通。晶闸管是非对称的，因此通常会在以后打开带有黄色信号的那个（在视觉上您可以观察到一个晶闸管比另一个更发光）。粉色线是控制网格的电压。请注意，它上升是为了增加输出电压，并且这种上升导致晶闸管更早地发射。粉红线的垂直爆发只是由于晶闸管的触发而产生的噪声。下面的蓝线是输出电压（反相：该线随着电压的升高而下降）。对我来说，谜语是为什么至少一个晶闸管始终起作用的原因-黄线或蓝绿线始终为零。我希望看到一个晶闸管的零电压与第二个晶闸管打开的时刻之间存在间隙。我怀疑大型电感器会在阴极上产生负电荷，因此即使阳极为负，阴极与阳极之间的电势差仍为正。 ↑13.通过定时器和继电器，在为手机通电之前有20秒的延迟。计时器使用带有加热器的双金属板。当您打开电源时，阴极会立即通电以加热灯管。同时，计时器内部的加热器会加热双金属板，并在某些时候该板弯曲到足以闭合触点并为管供电的程度。同时，继电器被激活，继而也闭合触点。 ↑14.与阴极有关的链有些棘手，因为晶闸管白炽灯丝既用作管加热，又直接用作阴极。它们从自耦变压器馈入2.5V电压。另外，由于阴极也是晶闸管中的灯丝，它们本身会产生输出电压，并连接到输出信号的高压侧。为了确保完成这两项任务，自耦变压器的分体绕组在灯丝上施加了2.5 V的电压，但同时直接通过了输出电压。两个晶闸管仅在白炽灯丝上使用的总功率为35W，因此，如您所见，加热会消耗大量能量，并且会释放大量热量，因此在某种程度上抵消了开关电源的优势。 ↑