NOSTALGIA SPECTRUM
Historia, hardware y juegos del Spectrum 16K / 48K y Spectrum+

lunes, 7 de febrero de 2011

HARDWARE. La alimentación eléctrica (I)

Como todo aparato que funcione con energía eléctrica, el Spectrum necesita de una tensión y amperaje para poder funcionar. En este caso precisa de una tensión de 9 voltios de corriente contínua, suministrada desde el exterior. Pero únicamente los nueve voltios no son suficientes: la fuente externa que los proporciona ha de estar capacitada para entregar una cierta potencia. El consumo del Spectrum, en su versión de 48K (lógicamente la de mayor consumo), está comprendido entre 700 y 800 miliamperios (mA). En el arranque y transitoriamente pueden presentarse picos de consumo de más de un amperio (A). Estos datos hacen que la fuente de alimentación deba ser, como mínimo de 9 watios (W). Este consumo de potencia descarta, obviamente, la utilización de pilas de 9 voltios para convertirlo en portátil, como muchos quisieron hacer en su época, a no ser que se montasen un número muy alto de éstas en paralelo (con lo que se obtiene el mismo voltaje, pero mayor potencia), y aún así se descargarían en un período corto de tiempo. Asimismo también queda descartado el uso de acumuladores de plomo o níquel-cadmio que no sean de 9 voltios nominales. Quizá estés pensando en una batería de litio de un teléfono móvil, pero tambíen se descargaría en poco tiempo y, lo que es más importante, no existían en la década de los 80. La conexión directa del Spectrum a una batería de automóvil dañaría a éste en corto espacio de tiempo, ya que se le obliga a disipar interiormente tres watios más. Vemos, por tanto, que es necesaria una fuente de alimentación adecuada, como la que se suministra con el aparato.

LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN. La fuente que sumistra al Spectrum la energía que necesita para funcionar está contenida en la caja negra que se conecta directamente a la red eléctrica (o, como vulgarmente lo llamamos, al enchufe de la pared).

Aspecto de la fuente de alimentación típica del Spectrum

Recuerdo que, cuando era pequeño, solía preguntar para qué servía esa caja negra que se intercalaba entre el enchufe de la pared y el Spectrum. Unos me decían "es un transformador", otros me respondían "sirve para adaptar la corriente que sale de la pared al Spectrum porque, de no ser así, se quemaría". Estas respuestas me generaban más preguntas, como ¿hay varios tipos de corrientes? ¿cómo lo hace para transformar una corriente en otra? ¿qué tiene dentro y cómo funciona?
Gracias a mis estudios de electrónica y a mi interes por la retroinformática, éstas y otras preguntas tienen respuesta para mi hoy en día. Si sigues teniendo la misma curiosidad que tenía yo de pequeño sobre la fuente de alimentación del Spectrum, sigue leyendo. Intentaré explicarlo de la forma más clara y sencilla posible, sin entrar demasiado en tecnicismos que puedan llegar a ser incomprensibles y aburridos.
Veamos qué hace la fuente de alimentación. Empecemos por la corriente que sale del enchufe, la que nos llega de la calle, a través de la red. Si la vemos a través de un osciloscopio (es un aparato que nos "dibuja" las tensiones que mide), obtenemos la siguiente gráfica:

La corriente alterna

Como vemos, se representa la tensión o voltaje frente al tiempo. El voltaje empieza siendo cero y va subiendo hasta los 220 voltios, que es el máximo positivo. Después vuelve a descender a cero y sigue haciéndolo hasta los -220 voltios, que es el máximo negativo, para volver a ascender hasta los 0 voltios. En definitiva, la tensión cambia hasta un máximo y un mínimo a lo largo del tiempo. A esto se le llama corriente alterna o CA (AC en inglés). En la gráfica solo se ha representado un ciclo completo, es decir desde que empieza en cero a ascender hasta que llega a cero desde el valor máximo negativo. En la práctica éstos ciclos se repiten sin parar. Al número de ciclos que se producen en un segundo, se le llama Hertzio o Herzio y se representa por las letras Hz. En nuestro enchufe tenemos una tensión de 220 voltios y una frecuencia de 50 Hz, lo que quiere decir que se repite el ciclo de la gráfica 50 veces en un segundo.
El caso que se expone en este ejemplo es para Europa. En otros países , como en el continente americano, el voltaje y la frecuencia son distintos.
Ahora veamos el tipo de tensión que necesita el Spectrum. Si también la observamos a través del osciloscopio, tenemos esta gráfica:

La corriente contínua

También aquí vemos representada la tensión frente al tiempo. La diferencia con la corriente alterna es que, en este caso, la tensión no varía a lo largo del tiempo. Se mantiene constante, inalterable. A esto le llamamos corriente contínua o CC (DC en inglés). La mayoría de los aparatos eléctricos que tenemos en nuestras casas funcionan con corriente contínua. Todos éstos aparatos tienen su fuente de alimentación, ya sea interna o externa o, en su defecto, un compartimento para las pilas, las cuales también suministran corriente contínua.
Volviendo a las gráficas y comparándolas vemos que, efectivamente, es necesario un dispositivo que adapte la tensión de la red a la que necesita el Spectrum. Esto es lo que hace la fuente de alimentación. Ahora nos falta saber cómo es por dentro y cómo lo hace.
Si vemos la fuente alimentación por dentro nos encontraremos un transformador, que es el encargado de reducir los 220 voltios de la red a 9. Estos 9 voltios siguen siendo de corriente alterna.

Aspecto interior de la fuente de alimentación

También hay cuatro diodos, montados en forma de puente rectificador de doble onda (también llamado puente de Graetz), y dos condensadores electrolíticos para el filtrado, que suman una capacidad total de 4400 µF. La salida de la fuente va directamente hacia el Spectrum.
Esta fuente suministra, como hemos visto, 9 voltios de salida de corriente contínua y es capaz de entregar hasta 1,4 Amperios.

 Esquema eléctrico de la fuente de alimentación

El transformador entrega a su salida 9 voltios de corriente alterna, que serán elevados a 12,7 voltios debido a la acción de los condensadores, los cuales tienden a cargarse a la tensión de pico; pero ésta tensión sólo alcanza estos valores en vacío, tal como se aprecia si se mide con un voltímetro en la salida de la fuente, sin conectarla al Sepctrum. Al enchufarla al ordenador, obtenemos los 9 voltios que necesitamos.

Vista general del interior de la fuente

Ya sabemos qué hace la fuente de alimentación y cómo es por dentro. En la próxima entrada veremos cómo es capaz de hacer la conversión de corriente alterna a continíua, analizando paso a paso cada componente mediante gráficas, para hacer más facil su comprensión.

13 comentarios:

  1. Me gusta tu post, más difícil que encontrar un Spectrum en buen estado en el mercado (que se vendieron bastantes) es encontrar una FA en buen estado.
    Saludos y sigue adelante, que cada vez somos más :D
    http://megahercios.blogspot.com

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  2. Muchas gracias, amigo Gattaca. Sabedor de lo difícil que es encontrar una FA de Spectrum, estoy publicando el esquema eléctrico y la lista de componentes. En el próximo post aparecerá la placa de circuito impreso y la distribución de componentes, por si alguien se anima a hacerse una.

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  3. Me gustan tus planteamientos acerca de la regulación eléctrica en el Spectrum.
    En estos momentos estamos con el eterno proyecto del Spectrum portátil y tenemos claro que debemos de minimizar los riesgos de un mayor amperaje cercano a los 2A de varias formas: cambiado el 7805 por los nuevos tracopower 2450, cambiando el TR4 por el ztx651, cambiando z80a por z80c y realizando el fix de la Upper 32K SRAM D43256BCZ-70LL y quitaríamos los 8 chips de la memoria. Pero aún así, no estoy muy seguro de poser conseguir que un 48K "gomas" más una LCD de 7" (gasto de 400mAh), y un divIDE, lleguemos a conseguir que esté cercano a los 1800mAh como quisiéramos. Mi duda es, ¿se puede anular los componentes de +12V de la placa y sustituirlos por componentes de +5V?. Te invito a que puedas compartir con nosotros tu experiencia en:
    http://www.worldofspectrum.org/forums/showthread.php?t=33996

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  4. Amigo Alberto, antes que nada déjame felicitarte por el proyecto tan ambicioso en que te has embarcado y en el que estoy seguro que te estás llevando más de un quebradero de cabeza.
    Respondiendo a tu pregunta debo decirte que, por desgracia, hace muchos años que estoy desconectado de la electrónica e ignoro los componentes modernos que existen en el mercado, así que solo puedo darte una ligerísima orientación.
    Hasta donde yo conozco el Spectrum, los +12V sirven para la memoria (problema que has resuelto), para alimentar periféricos conectados en la ranura de expasión (que podrías solucionar no conectando aparatos que necesiten más de 5V. Esta solución, personalmente, me parece algo chapuza)y, por último para alimentar al LM1889. Este circuito genera, junto con las señales de video que le llegan de la ULA, los 14MHz del cristal de cuarzo y los condensadores variables que hay cerca de él, la señal de video compuesto en sistema PAL que se envía al modulador de UHF, donde se conecta el televisor. Por lo que veo tu problema es el 1889. Supongo, y espero, que en el mercado habrán circuitos modernos capaces de generar esta señal con un bajo consumo, aunque no puedo asegurártelo. Siento muchísimo no haberte sido de gran ayuda.

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  5. Enhorabuena ¡. Buen blog.

    Propongo una solución para alimentar el Spectrum con baterías recargables. Se trata de usar baterías de Polímero de Litio (LIPO), de las que usamos en los aviones de aeromodelismo con propulsión eléctrica.

    Con este sistema yo alimento una pedalera de guitarra eléctrica con "12 pedales". Son baterías de carga rápida (1 hora) y de alta capacidad de descarga (muchos amperios). Cierto es, que necesitan un cargador específico para ellas.
    Ejemplo de cargador:
    http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__7028__Turnigy_Accucel_6_50W_6A_Balancer_Charger_w_accessories.html

    Hay dos formas de hacerlo:
    1ª. LIPO 2S (2 celdas). Recién cargadas dan 8,4 V (4,2 V x 2), siendo el valor medio 7,4 V.
    Ejemplo de baterías 2S:
    http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_listCategoriesAndProducts.asp?idCategory=317&LiPoConfig=2&sortlist=&CatSortOrder=desc

    2ª. LIPO 3S (3 celdas). Recién cargadas dan (12,6 V (4,2 V x 3), siendo el valor medio 11,1 V.
    Ejemplo baterías 3S:
    http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_listCategoriesAndProducts.asp?idCategory=317&LiPoConfig=3&sortlist=&CatSortOrder=desc
    Para esta opción (3S), es necesario colocar entre la batería y el sistema a alimentar, un regulador BEC que estabiliza a 9 V.
    Ejemplos de reguladores de tensión :
    De 4,5 Amp: http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__18786__9V_4_5A_UBEC_2_5S_Lipoly_6_23v_.html
    De 2,5 Amp: http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__18785__9V_2_5A_UBEC_2_5S_Lipoly_6_23v_.html

    En ambos casos es necesario colocar un dispositivo que avisa cuando el votaje baja de los 3,0 - 3,3 V, ya que las LIPOs "fallecen" si bajan de esa tensión.
    Ejemplo de LIPO safe:
    http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__22749__On_Board_Lipoly_Low_Voltage_Alarm_2s_3s.html

    Deseo que esta información pueda servir de ayuda para aquellos que quieran intentarlo.

    Saludos.

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    1. Muchas gracias Víctor, y gracias también por tu aportación. A estas baterías se les puede sacar mucho provecho.

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  6. Hola, ante todo felicitarte por el trabajo tan interesante que estás haciendo divulgando los conocimientos de hardware del spectrum. Tengo una duda, tengo una fuente de alimentacion original de zx spectrum 48k(la tipica caja negra con anagrama sinclair en color negro grabado encima)y veo que en la etiqueta que lleva donde pone los voltios y demás, pone 9v 1,2A y he aqui mi pregunta, son 1,2A los del zx spectrum 48k(el gomas), porque yo tengo otra fuente original tambien del gomas que pone 9v 1,4 A, asi pues tu crees que irá bien la nueva de 1,2A o freiremos algo?. o es que la de 1,4 A quiere decir que la tensión llega hasta 1,4 y nunca será realmente 1,4A? No entiendo porque pone eso de 1,2A en la etiqueta. Funcionará bien o voy a freir un gomas?

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    1. Muchas gracias por tu felicitación, amigo. En breve volveré a retomar mi blog y a subir nuevas publicaciones.

      Respecto a tu pregunta, decirte que puedes estar tranquilo y que no freirás tu viejo Spectrum de gomas con la fuente de alimentación que quieres conectarle. El valor de amperaje que indica es el máximo que puede entregar la fuente, por lo que, si conectas un aparato que consuma menos, la fuente de alimentación entregará lo que éste le pida. Como se comenta en esta misma entrada del blog, el consumo normal del Spectrum es de unos 800 mA (0,8 A) y, como puedes ver ninguno se ha quemado. Es normal que la fuente pueda entregar más intensidad de la consume el aparato para prevenir posibles picos en la demanda de energía ya que, por poner un ejemplo, el Spectrum al encenderse puede llegar a necesitar poco más de un amperio.
      El problema sería si el Spectrum necesitara más amperios de los que puede suministrar la fuente. En ese caso la fuente de alimentación simplemente no funcionaría o, en el peor de los casos se quemaría por trabajar por encima de sus posibilidades. Por suerte esto no te va a pasar, así que conecta tranquilamente tu Spectrum a la fuente de alimentación, porque ninguno de los dos aparatos corre peligro.

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  7. Hola , enhorabuena por el artículo.
    Tengo un 48k que funcionaba perfectamente y un día al enchufarlo no hacia nada y la fuente de alimentación empezo a calentarse y a oler a quemado, sino lo quito sale ardiendo. La fuente de alimentación en vacio va perfecta no se calienta y las mediciones en el centro de la clavija estan bien , solo cuando la enchufo al ordenador se calienta y huele a quemado. Por favor si alguien me puede ayudar. Saludos y gracias

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    1. Ante todo gracias por leer mi Blog, Pepe.

      Por lo que comentas aquí, efectívamente la avería está en el Spectrum y no en la fuente de alimentación. No sabría decirte exactamente qué es lo que falla, pero me atrevería a afirmar que es el regulador de tensión que se encuentra en el interior del Spectrum (el LM 7805). Al ser un circuito integrado muy barato y fácil de encontrar, yo empezaría por cambiarlo y ver cómo funcionan el ordenador y la fuente.

      Espero que con esto consigas solucionar el problema.

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    2. Hola Zoxkrom, tenias toda la razon del mundo he cambiado el 7805 y ya va todo perfecto, pero la fuente de alimentación se me ha jodido, la he abierto y tiene el puende de diodos quemado.
      Pero bueno el spectrum con el cambio del 7805 perfecto ( probado con otra fuente).
      Me quiero comprar una fuente de alimentación de 9v a 2A estabilizada, crees que puede valer al ser de 2A?
      Muchas gracias por todo y saludos

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    3. Amigo Jose, me alegra muchísimo haberte sido útil y poder ayudarte a resolver tu problema. Probablemente la fuente de alimentación ha sido la que te ha estropeado el 7805.

      Sobre tu pregunta de la fuente que quieres comprar no hay ningún problema por lo de los 2A, ya que éste valor es el máximo que puede entregar. Sobre el tema de los amperios puedes leer un poco más arriba una consulta similar que me hicieron antes de la tuya. Compra esa fuente, fíjate bien en la polaridad antes de conectarla al Spectrum y disfruta de tu ordenador.

      Gracias por leer mi Blog.

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  8. Mi 48k quema fuente de alimentación

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