Microhobby 24. Año II, del 16 al 22 de abril de 1985

Hardware: La alimentación en el Spectrum

Primitivo de Francisco

La unidad de alimentación del Spectrum se encuentra físicamente separada del microordenador y sólo se comunica con él mediante un simple cable. En este artículo vamos a desvelar los misterios de esta humilde pero imprescindible «caja negra».

El Spectrum precisa de una tensión única de 9 voltios de corriente continua (9V D.C.) suministrada desde el exterior, para funcionar. Pero únicamente los nueve voltios no son suficientes, la fuente que los proporciona ha de estar capacitada para entregar una cierta potencia.

El consumo del Spectrum en su versión de 48 K (lógicamente la de mayor consumo), está comprendido entre 700 y 800 mA. En el arranque y transitoriamente, pueden presentarse picos de más de un amperio. Estos datos hacen que la fuente de alimentación deba ser como mínimo de 9 watios. Este requerimiento de potencia descarta, obviamente, la utilización de pilas de 9 voltios para convertirlo en portátil, a no ser que se montase un paralelo de un número alto de éstas, y aún así, por periodo corto. Asimismo, queda también descartada la utilización de acumuladores de plomo o de níquel-cadmio que no sean de 9 voltios nominales. La conexión directa del Spectrum a la batería de un automóvil, dañaría a éste en corto espacio de tiempo, ya que se le obliga a disipar interiormente tres watios más. Se hace necesaria, por tanto, una adecuada fuente de alimentación como es la que se suministra con el aparato.

La fuente de alimentación

Aspecto y ubicación de transformador de ferrita.

La fuente de alimentación está contenida en la caja negra que se conecta directamente a la red eléctrica.

Su interior consta de un transformador, que reduce a 9 voltios eficaces los 220V de la red; cuatro diodos rectificadores, montados en forma de puente rectificador de doble onda (Puente de Graetz), y dos condensadores electrolíticos para el filtrado que suman una capacidad total de 4.400 µF. La salida de la fuente va directamente hacia el Spectrum.

Esta fuente tiene 9 voltios de salida y es capaz de suministrar hasta 1,4 Amperios.

El transformador entrega a su salida 9 Voltios eficaces de corriente alterna, que serán elevados a 12,7 voltios debido a la acción de filtro de los condensadores, los cuales tienden a cargarse a la tensión de pico (Vp = 2Ve/√2); pero esta tensión sólo alcanza estos valores en vacío, tal como se aprecia si es medida mediante un voltímetro en el conector de la fuente separado del Spectrum.

Esta tensión de pico, se aproxima a la eficaz cuando es conectada de la fuente al microordenador, el cual proporciona una carga próxima a 3/4 de lo que es capaz de suministrar la fuente de alimentación.

Polaridad del conector fuente-Spectrum

Conectores y polaridad de la fuente de alimentación.

Puede resultar interesante, si no necesario, saber en algunas ocasiones cuál es la polaridad de la clavija de alimentación para sustituir la fuente por otra de mayor potencia, para conectar ciertos periféricos o, simplemente, para «cacharrear» con el microordenador.

En la figura tres mostramos 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 +9V de continua la parte cilindrica metálica del cuerpo. Hacemos notar como anécdota, que el cable que lleva la banda roja de los dos que forman el paralelo esjustamente el polo negativo o tierra.

Alimentaciones internas del Spectrum

Fig. 1. Esquema del circuito de alimentación del Spectrum.

Como ya se ha dicho, al Spectrum le entran, únicamente, 9V de corriente continua sin estabilizar, lo que los hace totalmente inútiles si no se los convirtiera en estables interiormente. La inestabilidad de una fuente de alimentación, radica en que la salida en continua varía con relación a las variaciones de la red de distribución eléctrica que pueden darse en la entrada.

Echando una ojeada a la figura uno, se observa que de los 9 voltios de entrada se consiguen tres tensiones diferentes: +5 V, +12 V y -5 V. Estos tres voltajes son los que necesita realmente el Spectrum para funcionar.

  • Los +5 V son los más estables, de mayor potencia y mejor controlados. Se utilizan para alimentar al Z-80, la ULA, memorias y al resto de la circuitería lógica.

El dispositivo que se encarga de proporcionar esta tensión es el regulador 7805, muy utilizado en el mundo del hardware.

  • Los +12 V se obtienen por conversión, según veremos después, y son de poca potencia, pero suficientes para polarizara los ocho circuitos de memoria RAM dinámica 4116 que cubren los primeros 16 KBytes de memoria.

El circuito integrado LM-1889 que genera la subportadora de color, también se polariza con +12 V.

  • Los -5 V también se obtienen por conversión, y son utilizados únicamente para polarizar las RAM dinámicas 4116 (recordamos aquí que estas memorias utilizan tres tensiones: +12 V, +5 V y -5 V).

El regulador 7805

Fig. 2. Regulador de tensión 7805, aspecto externo y esquema interno.

Este dispositivo es un auténtico circuito integrado con aspecto exterior de transistor de potencia media (véase figura 2). Físicamente, consta de tres patitas que, de izquierda a derecha, tienen los siguientes cometidos:

INPUT: Por esta entrada se puede aplicar una tensión máxima de 35 V sin estabilizar.

GROUND: Es el terminal central y es el que se conecta a tierra, punto común de referencia para todas las tensiones.

OUTPUT: Por este tercer terminal salen hacia el exterior +5 V con un margen de estabilidad próxima al 2%, según tolerancias y carga aplicada.

El regulador de tensión 7805 es capaz de proporcionar una intensidad nominal de un amperio. Dispone de auto-protección de modo que si se produce un cortocircuito, la intensidad se limita hasta un nivel no destructivo en nano-segundos.

Generalmente, en su funcionamiento se requiere disipación, por lo que hay que ponerle en contacto mecánico con un disipador que evacúe, al aire circundante, su producción de calor.

En el Spectrum, el disipador es la pieza de aluminio que se ve ostentosamente cuando se abre el microordenador. Este disipador de aluminio ha de evacuar el calor generado por los cuatro watios residuales de los 9 voltios de entrada, para obtener los 5 de salida. De no ser por este disipador, el calor se concentraría en sí mismo hasta llegara la destrucción.

En el 7805, el fragmento metálico con una perforación en el centro está conectado interiormente al terminal central de ground, por lo que, en realidad, tiene doble misión: ser adosado a un disipador mediante un tornillo, y ser un terminal auxiliar de masa.

En la figura 3 se puede ver su circuitería integrada. La estabilidad eléctrica se obtiene con un diodo zener de referencia, la regulación de tensión se hace en el último transistor conectado entre input y output, el límite de corriente se obtiene gracias a la resistencia de 0,3 ohmnios que hay en serie con el transistor de salida mencionado, y la estabilidad térmica se obtiene gracias a una termorresistencia que puede variar entre 0 y 19 K ohmnios.

Los condensadores C50, C34 y C61 ayudan al 7805 en su estabilización y eliminación de transitorios (Fig. 1).

El circuito convertidor

El convertidor está realizado en el Spectrum mediante el transformador de ferrita L1, los transistores TR4 y TR5 y las resistencias que los polarizan (R59, R58 y R61) y los condensadores C43 y C49 que le auxilian en su funcionamiento.

L1 en conjunción con TR4 y C49 forman un oscilador de aproximadamente 15 KHz. TR5 se encarga de la realimentación y del control de tensión de salida.

La elevación de la tensión se obtiene debido a la diferente relación de espiras entre el primario y el secundario de L1.

En el colector de TR4 existe una onda cuadrada que, medida respecto a masa, es de +12 V; esta misma señal sale hacia el exterior del Spectrum para ulteriores aplicaciones por el terminal 23A del conector posterior.

El diodo D15 y el condensador C44 son un rectificador y filtro para obtener los +12 V que irán hacia el interior del microordenador y saldrán por el conector trasero (terminal 22A).

Siguiendo la figura 1, C46 hace el papel de filtro de la componente continua. D11 actúa de rectificador para obtener la semionda negativa de 12 Vpp cortocircuitando la positiva, R55 y el diodo ZENER D16 son un circuito estabilizador de —5,6 V, D12 se utiliza para eliminar los 0,6 V residuales y C47 y R54 actúan de filtro final. Los —5 V van hacia el interior del Spectrum y salen hacia el exterior por el terminal 20 del conector trasero.

Condensadores de desacoplo

Fig. 4. Desacoplo de los circuitos integrados TTL.

Repartidos por toda la tarjeta del Spectrum existen unos condensadores de 0,1 µF o valor próximo para el desacoplo de las líneas de alimentación.

Un circuito lógico, en especial si es de la familia TTL, produce picos de consumo debidos a sus rápidas transiciones o flancos, picos que se traducen en caídas de tensión transitorias que pueden alterar el funcionamiento de otros circuitos vecinos. En evitación de esto se coloca un condensador de desacoplo por cada circuito integrado y colocado próximo a sus patas de alimentación.

El efecto funcional de estos condensadores es el de restituir localmente los transitorios de bajada de tensión, estos transitorios son del orden de 100 nS o menos. (Ver Fig. 4.)

 
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