¿Porqué el Spectrum ZX crea tantas tensiones diferentes?

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¿Porqué el Spectrum ZX crea tantas tensiones diferentes?

Mensaje por JupiterJones » 18 Feb 2021, 16:52

Hola a todos,

Navegando por la red, he encontrado este artículo que explica cómo se generan las distintas tensiones del Spectrum ZX:

https://retrocomputing.stackexchange.co ... y-voltages

Me ha parecido muy interesante, porque lo explica genial y muy fácil. Lo he traducido y os lo adjunto aquí. Si alguien quiere corregir o añadir algo, no hay ningún problema!

¿Cómo es que el ZX Spectrum crea tantas tensiones diferentes, y por qué la fuente de alimentación produce 9V en lugar de 5V o 12V?

Empezaré con la primera pregunta:
La fuente de alimentación es una muy barata. De hecho, la tensión sin carga puede subir hasta unos 15-16V. 9V es la tensión nominal de suministro bajo la carga normal que el circuito del Spectrum impone.
¿Por qué 9V? Era una configuración “standard” de tensión en la época (equivale a seis pilas de 1.5V), por lo que los transformadores que generaban 9V AC en el bobinado secundario eran baratos y fácilmente disponibles para el fabricante. El circuito del Spectrum necesita sobre 1 A por lo que cualquier cosa por encima de 9V para esa corriente hubiera necesitado de un transformador más grande, pesado (y posiblemente más caro). Recuerda que Sinclair pretendía un producto barato.
¿Por qué no 5V? Para empezar, 5V no era una elección “standard” para una fuente de alimentación externa (por las razones arriba mencionadas). En el caso concreto del Spectrum, 5V hubieran estado demasiado lejos de los 12V necesarios para algunos dispositivos dentro de la placa del ordenador.
Los componentes del ZX Spectrum tienen distintas necesidades en cuanto al suministro de energía:
  • Primero, los circuitos lógicos: Estos operan por los valores “standard” TTL/MOS, son los más avariciosos de todos ellos y el suministro debe ser muy preciso. Los circuitos TTL usan 5V, por lo que se usó un regulador 7805 “standard”. Es un regulador lineal que acepta cualquier tensión desde los 7V hasta casi los 30V, y proporciona una señal de 5V estable y prácticamente libre de ruido. Lineal significa que el excedente de suministro se disipa en forma de calor. Para una entrada de 9V DC y 1 A, esto significa: (9V-5V) * 1 A = 4W de disipación en forma de calor. Usar una tensión mayor, como 12V en la entrada hubiera incrementado el calor que el regulador hubiera necesitado disipar. El raíl de suministro de 5V alimenta la CPU, la ULA, la lógica de ensamblado, la ROM, la RAM no contenida (la memoria que va desde 8000h hasta FFFFh en el espacio de memoria del Z80). Además alimenta el circuito emisor-seguidor que comanda el altavoz, a pesar de que en algunas ediciones de la placa madre, el circuito emisor-seguidor se conecta a los 9V en lugar de los 5V.
  • El chip codificador de vídeo, el LM1889, utiliza una tensión de alimentación de 11-13V. La memoria RAM contenida (la que se direcciona desde 4000h hasta 7FFFh) también lo usa, así que es necesaria una manera de generar 12V de los 9V o los 5V .
  • La memoria RAM contenida también usa -5V, así que también se debe generar.
El método es usar un convertidor boost DC-DC. Aquí se muestra:
zx_inverter.jpg
zx_inverter.jpg (59.95 KiB) Visto 420 veces
Nota: la señal rotulada como 5V (20B) es realmente -5V (20B es el pin del conector trasero en el que la señal está disponible)

Esencialmente es un circuito inversor. TR5, TR4 y la bobina forman el inversor. Genera una señal pulsante de 12V en el pin del colector del TR4 (viene de la reactancia descargando a través del transistor TR4). Esta señal es AC acoplada por C80, así que tenemos algo similar a un suministro de 12V AC, de aproximadamente 110kHz, en el lado derecho de C80.

D15, D17 y C44 forman un rectificador simple y un filtro simple. Como la frecuencia es mucho más elevada que 50Hz, no se necesita un rectificador completo o grandes condensadores para obtener una alimentación estable. La unión entre D15 y C44 proporciona una señal de 12V adecuada para los chips de DRAM.

La misma tensión se pasa a través de un filtro PI formado por C44, R62 y C45 para proporcional otro raíl de 12V, aislado del primero. El aislamiento (conseguido de algún modo a causa del filtro PI) es necesario para evitar que el ruido conmutado de alta frecuencia proveniente de los chips de DRAM entre en la sección del circuito de video, que causaría que se mostrara en la pantalla, degradando la calidad de imagen.

Para generar -5V, se usa un circuito similar: Desde el mismo punto donde se obtiene la alimentación de 12V, otro condensador, C46, da una señal de 12V AC. Los diodos D11, D18 y el condensador C79 juegan un papel similar a D15, D17 y C44. Sólo que esta vez, los diodos se disponen en dirección opuesta, así que la señal de salida es negativa (con respecto a masa). D19 es un diodo zener de 5.1, que se usa para bajar la tensión desde -12V a -5V. Con tal de no destruir el diodo zener, se usa una resistencia limitadora de corriente, R79. La alimentación -5V es muy débil y se usa solamente para polarizar el substrato de los chips de DRAM.

Este particular convertidor DC-DC es la causa de muchos Spectrum rotos. Sucede que las DRAM 4116 (aquellos que necesitan 3 tensiones diferentes y forman el bloque de memoria contenida) requieren ser aplicados en un orden muy específico. Orden que el circuito DC-DC no respeta. Si eso sucede, hay una posibilidad que la memoria DRAM se dañe. Sin el bloque de memoria no contenida en orden de marcha, la máquina no puede arrancar y la ROM cuelga el ordenador. El usuario no ve el mensaje de bienvenida (C) 1982... , sino una pantalla con barras gruesas verticales grises, blancas y/o negras. El patrón puede variar. El borde es siempre blanco (gris claro en realidad).

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Re: ¿Porqué el Spectrum ZX crea tantas tensiones diferentes?

Mensaje por kik3 » 18 Feb 2021, 20:00

En el +2/+3 se pasaron lo de barato ,discreto y standart por el forro :))

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Re: ¿Porqué el Spectrum ZX crea tantas tensiones diferentes?

Mensaje por Popopo » 19 Feb 2021, 01:22

Ah!
Hacía tiempo que lo leí, ya no lo recordaba, y esto me ha solucionado una duda que me había vuelto... D19, ahora ya sé por cual sustituirlo (por si me lo había cepillado).
Tengo una duda, creía que los diodos 5.1 se usaban para invertir polaridad, es decir... obteniendo en -5v de salida regulada, pero según el artículo, esto no es así, sino que lo que hace es trabajar con una tensión negativa para reducirla a -5v ¿correcto?.

Por otro lado ahora entiendo el problema de los chips de RAM, y también entiendo el como van los módulos de RAM baja que los sustituyen, simplemente dichos módulos no requieren las tensiones tan raras y por ello en principio son más estables y menos propensos a freirse...
Gracias por el artículo ;)

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Re: ¿Porqué el Spectrum ZX crea tantas tensiones diferentes?

Mensaje por JupiterJones » 19 Feb 2021, 10:20

Popopo escribió:
19 Feb 2021, 01:22
Ah!
Hacía tiempo que lo leí, ya no lo recordaba, y esto me ha solucionado una duda que me había vuelto... D19, ahora ya sé por cual sustituirlo (por si me lo había cepillado).
Tengo una duda, creía que los diodos 5.1 se usaban para invertir polaridad, es decir... obteniendo en -5v de salida regulada, pero según el artículo, esto no es así, sino que lo que hace es trabajar con una tensión negativa para reducirla a -5v ¿correcto?.

Por otro lado ahora entiendo el problema de los chips de RAM, y también entiendo el como van los módulos de RAM baja que los sustituyen, simplemente dichos módulos no requieren las tensiones tan raras y por ello en principio son más estables y menos propensos a freirse...
Gracias por el artículo ;)
Por lo que entiendo de los zener, aquí se usa como estabilizador de tensión dada la poca corriente que se necesita. Un Zener 5.1 polarizado a la inversa se "come" toda la tensión sobrante por encima de 5.1V. Aquí, al estar en el raíl de -5V, se monta a la inversa porque la corriente va al "revés", de 0 a -5V.

El que da las tensiones negativas -5V es el rectificador de diodos formado por D11 y D18. Al ser tensión negativa, se montan al revés porque la corriente fluye de 0V a -5V. En el rectificador de 12V, la corriente va de 12V a 0V y por eso los diodos están montados a la inversa que en el de -5V.

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Re: ¿Porqué el Spectrum ZX crea tantas tensiones diferentes?

Mensaje por flopping » 19 Feb 2021, 14:09

Los diodos zener, siempre se polarizan en inversa, ya que en directo se comportan como un diodo normal.
No me hago responsable de mis post pues estan escritos bajo la influencia del alcohol y drogas psicotropicas, por la esquizofrenia paranoide que padezco.
(C) 1982-2021, 39 años de ZX Spectrum.
http://www.va-de-retro.com/ un foro "diferente".

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Re: ¿Porqué el Spectrum ZX crea tantas tensiones diferentes?

Mensaje por Lord Raptor » 21 Feb 2021, 05:56

Hola, gracias por la traducción del artículo.
Leyendo he visto algo ke desconozco su significado y nunca antes había oído nombrar..
Ké es, o a ké se refiere con "la lógica de ensamblado" ?
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Re: ¿Porqué el Spectrum ZX crea tantas tensiones diferentes?

Mensaje por mad3001 » 21 Feb 2021, 11:07

Lord Raptor escribió:
21 Feb 2021, 05:56
Hola, gracias por la traducción del artículo.
Leyendo he visto algo ke desconozco su significado y nunca antes había oído nombrar..
Ké es, o a ké se refiere con "la lógica de ensamblado" ?
Bueno, en el artículo se refiere a la "glue logic". Se refiere a las puertas de la serie 74 (puertos lógicas) que dan a apoyo para diversas funciones (RAS/CAS/multiplexores/retardos de algunas señales de sincronismo).
Última edición por mad3001 el 21 Feb 2021, 11:09, editado 2 veces en total.
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Re: ¿Porqué el Spectrum ZX crea tantas tensiones diferentes?

Mensaje por Zup » 21 Feb 2021, 11:08

Lord Raptor escribió:
21 Feb 2021, 05:56
Ké es, o a ké se refiere con "la lógica de ensamblado" ?
Supongo que es lo que los ingleses llaman "glue logic". Son los circuitos lógicos que se utilizan para "pegar" trozos de ordenador a otros trozos de ordenador. Por ejemplo, todas las puertas lógicas que sirven para que la CPU seleccione periféricos o memorias RAM.

Al final, Sir Clive Sinclair siempre se caracterizó porque sus diseños utilizaran los componentes que le salían más baratos. Suponiendo que estuvieran disponibles todos los componentes creo que hubieran podido hacer este otro diseño:
- Fuente de alimentación con transformador de +15v y salida de +12v regulada.
- Pasar esta tensión directamente a los circuitos que la necesiten.
- Mantener en la carcasa del equipo un regulador de +5v.
- Cambiar toda la RAM inferior por integrados que solo necesiten +5v.

Con eso deberías poder eliminar la línea de -5v (¿se usa en alguna otra parte o solo en la RAM inferior?) y el conversor DC-DC... y quizás aumentar algo la fiabilidad.
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Re: ¿Porqué el Spectrum ZX crea tantas tensiones diferentes?

Mensaje por mad3001 » 21 Feb 2021, 11:08

Veo que hemos respondido a la vez
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Re: ¿Porqué el Spectrum ZX crea tantas tensiones diferentes?

Mensaje por Lord Raptor » 23 Feb 2021, 21:56

Gracias a los dos por la respuesta
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