HARDWARE. La alimentación eléctrica (II)

En la entrada anterior vimos la necesidad de emplear una fuente de alimentación para hacer funcionar al Spectrum, así como su interior, incluyendo el diagrama eléctrico. Ahora vamos a analizar su funcionamiento:

El primer componente con el que se encuentra la corriente es el transformador. Éste, como su nombre indica, transforma los 220V de CA que le llegan en 9V de CA.

Señal en la entrada del transformador

Señal en la salida del transformador

A la salida del transformador está el rectificador de doble onda o puente de Graetz, formado por los cuatro diodos. Debido a la polarización de los diodos, según el pico de tensión que le llegue en ese momento (positivo o negativo), unos conducirán y otros no lo harán. Cuando un diodo está polarizado directamente, es decir se le aplica un positivo a su terminal positivo y un negativo a su terminal negativo, conduce la corriente, actúa como un interruptor cerrado. Si se polariza inversamente, aplicando un negativo en su terminal positivo y un positivo en su terminal negativo, actúa como un interruptor abierto, no conduce la corriente. Este comportamiento del diodo en particular y del circuito rectificador en general, hace que en la salida del mismo tengamos la señal de la gráfica de abajo.

Señal en la salida del rectificador

Como puede apreciarse, los picos negativos han desaparecido, quedándonos solamente con los positivos y con la misma tensión de 9V. Esta señal se aplica al circuito de filtro, formado por los condensadores. Los condensadores son unos componentes que almacenan enrgía eléctrica. Dependiendo de su capacidad, almacenarán más o menos cantidad y, dependiendo de la circuiteria a la que se les asocie, tardarán más o menos tiempo en cargarse o descargarse. Es ésta cualidad la que se aprovecha para producir una señal de corriente contínua. 

 Detalle de los condensadores de filtro. Tras ellos pueden apreciarse dos de los cuatro diodos que forman el circuito rectificador, asi como parte del transformador.

Cuando le llega un pico de tensión al condensador, éste se carga casi instantáneamente. Recordemos que la frecuencia de la corriente alterna es 50 Hz, lo que quiere decir que a los condensadores les llegan 50 picos en un segundo. Debido a la gran capacidad de los condesadores, éstos se descargan más lentamente de lo que tarda en llegarles el siguiente pico de tensión, por lo que la señal en la salida del circuito de filtro, formado por éstos condensadores, es casi una señal contínua. Podemos verlo más claramente en la siguiente gráfica.

Señal en la salida del filtro

Para poder comparar el tiempo de descarga de los condensadores con la llegada de los picos de tensión, éstos se han representado en líneas discontíuas. La señal de salida verdadera es la que está en trazo contínuo. Ésta también es la señal que hay en la salida de la fuente de alimentación.

Como se puede ver, la señal de salida de una fuente de alimentación no es perfectamente contínua, sino que se producen pequeñas "montañas", llamadas rizado. Este rizado depende de la capacidad de los condensadores que actúan como filtro. A mayor capacidad, menos rizado. Sin embargo no podemos usar condensadores de capacidades muy grandes ya que, por un lado, tenemos un límite físico (tamaño) y, por otro, cuanta más capacidad tiene un condensador, más caro cuesta. Un valor típico es el que tiene el de la fuente del Spectrum (4400 micro Faradios).

En el caso de la gráfica el rizado se ha exagerado para poder explicarlo y verlo. En la realidad esto supone apenas una variación de pocos micro voltios, algo que no afecta al circuito que se quiere alimentar, por lo que se puede considerar que la salida de la fuente es una señal contínua casi perfecta.

Señal en la salida de la fuente de alimentación

Si eres de los que conocen el funcionamiento de las fuentes de alimentación, quizá estés echando de menos un úlimo componente entre el filtro y la salida final de la fuente: el estabilizador. Efectivamente, la fuente del Spectrum no tiene un estabilizador de corriente, por lo que las variaciones de tensión de la red en la entrada, se traducen en variaciones de tensión en la salida. Esto es bastante peligroso, sobre si todo si lo que vamos a conectar es un circuito tan delicado como un ordenador. La explicación para esta carencia tan importante en la fuente del Spectrum es que la alimentación eléctrica continúa con más circuitería en la propia placa del ordenador, justo donde se enchufa el conector.

 

 Lado de las pistas de la placa de circuito impreso

POLARIDAD DEL CONECTOR FUENTE-SPECTRUM. Puede resultar interesante, si no necesario, saber en algunas ocasiones cuál es la polaridad de la clavija de alimentación para sustituir la fuente en caso de avería, por otra de mayor potencia, para conectar ciertos periféricos o, simplemente, para cacharrear con el ordenador (mucho cuidado con esto, ya que hoy en día es casi imposible encontrar un Spectrum de recambio en buen estado). En las fotos de más abajo puedes ver detalladamente las polaridades de la clavija y del conector del Spectrum, siendo el polo negativo o tierra (GND) el tubillo interno de la clavija y el positivo la parte cilíndrica metálica del cuerpo. El cable que lleva la banda roja de los dos que forman el paralelo es, justamente, el polo negativo o tierra.

Polaridades de la clavija y conector del Spectrum

En la próxima entrada veremos el circuito estabilizador de tensión y el resto de circuitería relacionada con la alimentación eléctrica, que se encuentra dentro del propio Spectrum.

Quiero agradecer a la fuente de alimentación de mi Spectrum el haberse prestado a esta sesión de fotos, así como a su previo desmantelado y posterior reensamblado.

También quiero agradecer a Gattaca el haber recomendado en su blog una visita al mio. Puedes encontrar el blog de Gattaca aquí http://megahercios.blogspot.com

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.