Импульсный блок питания для телетайпа из 1940х (со светящимися ртутными тиратронами!)

Недавно мы начали процесс восстановления телетайпа Model 19, военно-морской системы связи из 1940х [1]. Этот телетайп питался от массивного блока питания постоянного напряжения, который звался «Выпрямитель REC-30». В нём использовались специальные тиратроны на ртутных парах, которые выдавали жуткое голубое свечение при включении, как на фото ниже.

Тиратронные трубки в блоке питания REC-30 выдают такое голубое свечение. Оранжевый свет исходит от неоновой лампы, используемой как источник опорного напряжения.

REC-30 интересный экземпляр в первую очередь из-за того, что это очень ранний импульсный блок питания. (Я знаю, что весьма спорно называть этот девайс импульсным блоком питания, но, тем не менее, я не вижу хорошей причины не делать этого). Несмотря на то, что в наши дни импульсные блоки питания используются повсеместно (из-за дешевизны высоковольтных транзисторов), они были диковинкой в 1940х. REC-30 огромен — его вес превышает 45 килограмм! Если сравнить его с 300 граммами блока питания для MacBook'а, то виден впечатляющий прогресс в развитии блоков питания с 1940х годов. В данной записи я загляну внутрь блока питания, опишу принципы его работы и сравню его с БП для MacBook'a.

Что же такое телетайп?

Телетайп Model 19. Изображение из журнала BuShips Electron от 1945 года.

Teletype является брендом производителя телепринтеров, которые, по сути, являются пишущими машинками, способными сообщаться через проводное соединение на длинных дистанциях. Возможно, вы знакомы с телетайпами через старые фильмы о журналистике, в которых эти устройства использовали для передачи новостных бюллетеней. Или, может быть, вы видели компьютеры из 1970х с телетайпом ASR33 в качестве терминала. Большая часть терминологии для технологии последовательных портов в современных компьютерах исходит из эры телетайпов: стартовый и стоповый биты, бодрейт, TTY и даже клавиша Break. Телетайпы также умели записывать и считывать символы с перфолент, используя 5-битное кодирование [2].

«Телетайп останется навсегда.» На фотографии показана перфолента для 5-битного кодирования, используемого телетайпами. Изображение из журнала BuShips Electron от 1945 года.

Телетайпы появились в ранних 1900х. В этой доэлектронной эре выбор символа, сериализация и печать достигались за счет использования сложных электромеханических устройств: электромагнитов, переключателей, рычагов, шестеренок и кулачковых механизмов. Нажатие на клавишу в телетайпе замыкало определенный набор переключателей, ассоциированных с символом. Моторизованный распределитель сериализовал этот набор бит для передачи по проводу. На принимающей стороне электромагниты преобразовывали полученные биты данных в движения механических избирательных гребней. Передвижение гребней образует сочетание выемок, соответствующее принятому символу, и совпадает с типовым рычагом, связанным со знаком. В результате получаем напечатанный символ [3].

Частично разобранный телетайп Model 19

Токовая петля

Телетайпы сообщаются друг с другом через 60мА токовую петлю: наличие тока в цепи даёт значение «маркер» (телетайп, соответственно, дырявит перфоленту), а если течение тока прерывается, то получаем значение, называемое «пробел». Каждый символ передаётся семью битами: стартовый бит, 5 бит данных и стоп-бит. Если вы когда-либо использовали последовательные устройства на вашем ПК, то знайте — именно телетайпы ввели понятия стартовых и стоповых битов. А бодрейт получил название по имени изобретателя 5-битного кодирования — Эмиля Бодо. Блок питания REC-30 выдавал 900 мА при 120В постоянного тока, достаточного для питания 15 телетайпов.

Возможно вы гадаете, почему же телетайпы просто не использовали уровни напряжения вместо этой странной токовой петли? Главная причина заключается в том, что при посылке сигналов по проводам в другой город очень трудно узнать какое же итоговое напряжение будет на том конце, из-за падения напряжения по пути. Но если вы отправляете 60мА, приемник получит те же самые 60мА (если не будет короткого замыкания, конечно же) [4]. Большой ток необходим для того, чтобы приводить в движение электромагниты и реле в телетайпах. В дальнейшем телетайпы стали чаще использовать 20мА токовую петлю вместо 60мА.

Зачем использовать именно импульсный блок питания?

Существует несколько путей разработки стабилизирующего источника питания. Наиболее простой и очевидный — линейный блок питания, который построен на лампах или транзисторах для стабилизации напряжения. Блок питания ведёт себя как переменный резистор, понижая входное напряжение до необходимого выходного уровня. Проблема с линейными блоками питания заключается в том, что они в принципе не очень-то и эффективны, ибо избыточное напряжение конвертируется в никому не нужное тепло.

Действительно, более современные блоки питания являются импульсными. Они с высокой частотой включаются и выключаются, таким образом доводя среднее напряжение до желаемого выходного уровня. Так как переключающий элемент (не важно активен он или нет) не имеет такого высокого сопротивления как линейный источник питания, то импульсные блоки тратят зазря совсем немного энергии. Кроме того, обычно они еще намного меньше и легче, но, очевидно, что разработчики REC-30 не следовали этому канону (его ширина больше 60см) [5]. Большинство блоков питания, которые попадутся вам на глаза, являются импульсными — начиная от зарядки для телефона, заканчивая блоком питания вашего компьютера. Импульсные БП набрали свою популярность в 1970х после разработки высоковольтных полупроводников, поэтому REC-30, с ламповой компонентной базой, является весьма необычным экземпляром.

Блок питания телетайпа REC-30 в своём сером окрашенном корпусе. Кабели питания выходят сверху. Лампы находятся за дверцей справа.

Внутри блока питания REC-30

На фото ниже можете увидеть основные компоненты блока питания. Переменный ток поступает слева и подаётся в большой автотрансформатор. Автотрансформатор — это специальный однообмоточный многоцелевой трансформатор, который преобразует напряжение входного переменного тока (которое может быть от 95В до 250В) [6] в фиксированные 230В. Благодаря этому, блок питания способен переваривать широкий спектр входных напряжений, путём простого подключения провода к соответствующей клемме автотрансформатора. Выходные 230В от автотрансформатора подаются на анодный трансформатор (управляющий), который выдаёт 400В для тиратронных трубок [7]. Они, в свою очередь, выпрямляют и стабилизируют напряжение, превращая переменный ток в постоянный. Затем ток фильтруется конденсаторами (их не видно на фото) и катушками индуктивности (дроссели) и окончательно на выходе получается 120В постоянного тока.

Основные компоненты REC-30

Опустим пока само переключение питания. Преобразование переменного тока в постоянный в REC-30 происходит через использование полноволнового выпрямителя и трансформатора со средней точкой (управляющий трансформатор), примерно так, как на схеме ниже (вместо диодов для выпрямления тока используются тиратроновые трубки). Обмотки трансформатора выдают две синусоиды в противофазе, поэтому у нас всегда будет положительная фаза тока, которую мы проводим через одну из тиратроновых трубок, получая пульсирующий постоянный ток (другими словами, отрицательная фаза переменного тока инвертируется и получается положительный выходной сигнал). Затем блок питания, с помощью катушек индуктивности (дросселей) и фильтрующих конденсаторов, сглаживает пульсацию и предоставляет ровное напряжения на выходе.

Схема полноволнового выпрямителя (по центру), который преобразует переменный ток (слева) в пульсирующий постоянный (справа). Изображение принадлежит Wdwd, CC BY 3.0.

В отличие от диодов на схеме выше, тиратроновые трубки в блоке питания могут включаться и отключаться, давая, таким образом, возможность контролировать выходное напряжение. Основная идея заключается в том, чтобы включать тиратрон в определенную фиксированную фазу цикла переменного тока, как на анимации снизу. Если тиратрон включен полный цикл, то мы получаем полное напряжение, если включен пол-цикла, то половину напряжения, а если всего на какую-то малую долю цикла, то на выходе будет совсем небольшое напряжение [8]. Такая техника называется фазовым регулированием, потому что устройство включается только в определенный фазовый угол (к примеру, между 0° и 180° для синусоиды переменного тока). Очень похожий метод используется в обычном диммере освещения, разве что в них используются полупроводниковые симисторы вместо тиратроновых трубок [9].

Схема фазовой регуляции. Верхняя часть анимации показывает какая часть импульса используется, а нижняя показывает момент в котором тиратрон включен. Изображение принадлежит Zureks, CC BY-SA 2.5.

Тиратроновые трубки блока питания напоминают радиолампы, но в отличие от них содержат аргон и ртутные пары внутри стеклянной колбы (тогда как в радиолампах поддерживается вакуум). Тиратроновые трубки состоят из трех компонент: нить накаливания (катод), анод и сетка. Нить накаливания, похожая на те, которые используются в обычных лампочках, нагревается и испускает электроны. Анод, закрепленный сверху трубки, улавливает эти электроны, позволяя, таким образом, течение тока от катода к аноду. Контрольный электрод (сетка), находящийся между анодом и катодом служит цели блокировки потока электронов. Когда электроны текут к аноду, ртутный пар ионизируется, открывая таким образом тиратрон и производя побочный эффект в виде синего свечения, которое вы можете наблюдать на фото (а вот в обычных радиолампах хотя и имеется поток электронов, но ионизировать нечего). Ионизированная ртуть создаёт высокопроводящий тракт между катодом и анодом, позволяя течь довольно сильному току (1.5А). Как только ртуть ионизируется, сетка больше не управляет тиратроном, и он остаётся открытым до тех пор, пока напряжение между анодом и катодом не упадёт до нуля. В этот момент ионизация спадает и трубка выключается, пока её опять не переведут в открытое состояние.

Блок питания REC-30 для телетайпа. Видно синие свечение тиратроновых трубок оранжевое свечение неоновой лампы, используемой как источник опорного напряжения. Таймер и реле заметны слева сверху

Напряжение на сетке управляет тиратроном. Отрицательное напряжение отражает отрицательно-заряженные электроны, препятствуя таким образом току электронов между катодом и анодом. Но когда напряжение на аноде становится достаточно сильным, электроны преодолевают отталкивание сетки, и тиратрон открывается. Важный момент заключается в том, что чем выше отрицательное напряжение на сетке, тем более сильное отталкивание происходит и тем более высокое напряжение требуется, чтобы открыть тиратрон. Таким образом, напряжение на сетке управляет фазой цикла переменного тока, в которой тиратрон открывается.

Управляющая схема блока питания стабилизирует выходное напряжение через изменение напряжение на сетке, контролируя тайминги тиратрона [10]. Я использовал регулировочный потенциометр блока питания чтобы показать как меняется напряжение при смене таймингов. У меня получалось выставить выходное напряжение (синий на осциллограмме) в интервале от 114В до 170В. Стабилизирующая схема регулировала напряжение сетки (розовый), и через него управляя таймингами тиратронов (сине-зелёный и желтый) [11]. Осцилограмма устроена немного хитро — обратите внимание на соответствующее примечание. Главная деталь, которую важно подметить, это то, как пики сине-зелёной и желтой кривых сдвигаются влево с увеличением выходного напряжения, и это означает что тиратроны срабатывают раньше.

Изменением фазы регулируется выходное напряжения от 130В до 170В. Желтым и сине-зеленым обозначаются напряжения на тиратронах. Розовым — сигнал управляющей сетки. Синим — инвертированное выходное напряжение.

На изображении ниже показана схема блока питания REC-30 (крупнее — здесь). Входная цепь переменного напряжения выделена зеленым. В ней автотрансформатор стабилизирует входное напряжение до 230В и подаёт его на управляющий трансформатор. Установленные тиратроновые трубки имеют интересную особенность — они должны быть предварительно прогреты перед использованием, дабы гарантировать то, что ртуть находится в газообразном состоянии. Выполняется прогрев за счет использования биметаллического таймера на 20 секунд [13]. Вторичная сторона управляющего трансформатора, которая выдаёт 400В напряжение маркирована красным, стабилизированное тиратронами напряжение выделено оранжевым, а низкое напряжение — синим [14]. Цепь управления (нижняя часть схемы) чуть сложнее. Лампа управляющей сетки (пентод 6J6) обеспечивает управляющее напряжение на сетки тиратронов, контролирую когда они должны быть включены. Эта лампа принимает напряжение обратной связи (пин 5) через потенциометр (используя деление напряжения). Выходной контакт лампы (пин 3) задаёт напряжение сетки тиратронов и таким образом держит выходное напряжение стабилизированным. Падение напряжения на неоновой лампе практически постоянно, что позволяет ей вести себя как источник опорного напряжения и выдавать фиксированное напряжение на катод управляющей лампы (пин 8)

Схема блока питания REC-30. По какой-то неведомой причине, на чертеже Омы маркируются омегой в нижнем регистре (ω) вместо привычной Ω

Сравнение с блоком питания MacBook'а

Интересно сравнить данный блок питания с современным блоком питания для MacBook'а дабы проследить насколько сильно импульсные блоки питания развились за последние 70 лет. Адаптер питания для Apple MacBook'а более-менее сопоставим с блоком питания REC-30: он выдает 85Вт постоянного тока, преобразуя входной переменный (у REC-30 этот показатель равен 108 ваттам). Однако при этом блок питания MacBook'а весит примерно 280грамм, в то время как вес REC-30 около 45 килограмм. Кроме того, размер так же значительно меньше чем даже 1% от габаритов REC-30, что наглядно показывает невероятные успехи в миниатюризации электроники с 1940х годов. Массивные тиратроны для переключения питания были заменены компактными MOSFET'ами. Резисторы уменьшились от размеров пальца до размеров меньше зернышка риса. Современные конденсаторы стали меньше, но не в такой пропорции как резисторы — они являются одним из наиболее крупным компонентом зарядки для MacBook'а, в чем вы можете убедиться на фото ниже.

Внутри 85-ваттного блока питания для Apple MacBook. Несмотря на его небольшое размер, блок питания устроен намного сложнее в сравнение с REC-30. В нём есть цепь коррекции коэффициента мощности (PFC) для улучшения эффективности линии питания. Многочисленные функции безопасности (ради которых в схеме даже есть 16-битный микроконтроллер!) отслеживают состояние блока питания, и отключает его в случае какой-либо угрозы или ошибки.

Большую часть веса зарядное устройство от MacBook'а сбросило за счет замены громадных автотрансформатора и анодного управляющего трансформатора небольшими высокочастотными трансформаторами. Блок питания MacBook'а работает на частотах в 1000 раз больших, чем REC-30, что позволяет катушкам индуктивности и трасформаторам быть намного меньших размеров. (Я написал более подробную статью про зарядку MacBook'a здесь, а про историю блоков питания — здесь.)

В таблице ниже я резюмировал различия между REC-30 и блоком питания MacBook'a.

Я измерил качество выходного сигнала REC-30 (на изображении ниже). Блок питания выдаёт куда более качественный сигнал чем я ожидал — пульсация всего в 200мВ (волны на синей горизонтальной линии), что весьма близко к уровню устройств от Apple. Однако на осцилограмме также можно видеть узкие всплески (вертикальные линии) примерно в 8 вольт, которые происходят при переключении тиратронов. Эти всплески весьма велики по сравнению с блоком питания от Apple, но всё равно куда меньше чем в дешёвых зарядных устройствах.

Выходной сигнал блока питания REC-30. Видно небольшую пульсацию и всплески при переключении питания.

Заключение

Блок питания REC-30 выдаёт более 100 Ватт мощности постоянного тока для телетайпа. Вышедший в 1940х, REC-30 был крайне ранним импульсным блоком питания, использующим ртутные тиратроновые трубки ради большей эффективности. Он был чудовищно большим для 100Вт-ного блока питания: вес был более 45 килограмм. Сравнимый современный блок питания компактнее и легче более чем в 100 раз. Несмотря на свой возраст, блок питания работал безупречно, как вы можете убедиться в видео Марка. Кроме того, сам процесс работы выглядит весьма красиво — голубое свечение от тиратронов и оранжевое от большой неоновой лампы.

Спасибо Carl Claunch и Marc Verdiell за их работу с этим блоком питания!

Примечания

1. Первое упоминание о внедрении телетайпов для ВМФ было в журнале BuShips Electron от сентября 1945го. Разработка радиотелетайпа (RTTY), в котором обычно используется частотная манипуляция (FSK), позволила применять телетайпы для нужд ВМФ. Сначала флот использовал радиотелетайпы только для связи береговых станций между собой, и только потом стал применять их и на кораблях. Ключевым преимуществом телетайпа была скорость: он был в четыре раза быстрее чем отправка сообщения по радио оператором вручную. Кроме того, сообщения на перфоленте можно было автоматически копировать и пересылать. А еще телетайп мог быть интегрирован с криптографическим оборудованием, таким как SIGTOT, основанным на криптосистеме одноразовых блокнотов. Больше про телетайпы Второй мировой войны можете почитать здесь. ↑

2. В 1870х Эмиль Бодо изобрел 5-битовый код, названный его именем. Другой 5-битовый код создал Дональд Мюррей в 1901 году и был стандартизован как ITA-2 (CCITT-2). Обе схемы кодирования выглядят бессистемно — символы кажутся разбросанными в случайном порядке. Однако оригинальный код Бодо являлся так же и кодом Грея, а код Мюррея был оптимизирован для того, чтобы делать меньшее число перфораций для наиболее встречающихся символов, что позволяло уменьшить износ механизмов. 5-битные кода были актуальны до стандартизации ASCII в 1960х, в котором алфавитный и бинарный порядок символов совпадают. ↑

3. Более подробная информация о том, как работает телетайп — здесь. Кроме этого, есть еще более обширный документ — Fundamentals of Telegraphy (Teletypewriter), Army Technical Manual TM 11-655, 1954. Чертежи на REC-30 можно скачать отсюда, а документацию — здесь.↑

4. Учтите, что в противоположность системе, основанной на измерении напряжения, компоненты токовой петли, как следует из названия, и должны формировать топологическую петлю для того, чтобы ток мог протекать через них. Если исключить какое-либо устройство из цепи, то петля разорвется в случае отсутствия механизма замыкания петли. В результате, в системе коммуникации телетайпов содержится множество сокетов, которые замыкаются при отключении компонента для того, чтобы токовая петля продолжала функционировать.↑

5. Главная причина того, что REC-30 такой большой и тяжелый, в сравнении с современными импульсными блоками питания, заключается в том, что частота импульсов всего 60Гц, в то время как современные БП работают на частоте в десятки килогерц. Так как ЭДС трансформатора пропорциональна частоте его работы, то высокочастотные трансформаторы могут быть гораздо меньше по размеру чем низкочастотные (подробнее). ↑

6. REC-30 может работать с широким набором входных напряжений (95, 105, 115, 125, 190, 210, 230, 250 вольт переменного тока) и током различной частоты (25, 40, 50 и 60 Гц). Современные импульсные блоки питания автоматически подстраиваются к входному напряжению, но REC-30 требует подключения контакта к соответствующей клемме автотрансформатора для смены входного напряжения. Возможно, вам покажется частота в 25Гц весьма странной для входного тока блока питания, но многие регионы США использовали 25-герцовое питание в 1900х. В частности, Ниагарский водопад генерировал электрический ток в 25Гц из-за особенностей дизайна турбин. В 1919 более чем 2/3 выработки энергии в Нью-Йорке была с частотой в 25Гц, а в Буффало только в 1952 году стали использовать 60Гц ток в больших объемах чем 25Гц. Из-за такой популярности 25Гц тока многие перфораторы IBM ранних 1900х могли работать на 25 герцах (подробнее). ↑

7. Изоляция входного переменного тока от выходного постоянного тока является ключевым элементом безопасности в большинстве блоков питания, включая зарядные устройства, блоки питания компьютеров и рассматриваемый REC-30. Такая развязка предотвращает сильный удар током при соприкосновении с выходными контактами. Для REC-30 критическую роль изолятора выполняет анодный трансформатор. Заметьте, что автотрансформатор не предоставляет никакой изоляционной защиты, так как у него только одна главная обмотка и прикоснуться к его выводу тоже самое что и коснуться входного переменного тока. Остальная цепь аккуратно спроектирована с таким расчетом, что нет прямого пути между входом и выходом: система управления находится целиком на вторичной стороне, нити накаливания тиратронов питаются от обмотки, изолированной от автотрансформатора, а реле обеспечивают изоляцию таймеру. Кроме этого, 120В выход сделан двухтактным вместо заземления одного из контактов: это означает, что нужно схватить сразу за 2 контакта чтобы получить удар током.↑

8. Современные импульсные блоки питания используют схемы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для переключения питания с частотой в тысячи раз за секунду. Это позволяет им иметь гораздо меньший размер и более ровный выходной сигнал по сравнению с блоками питания, которые переключаются только единожды за один цикл переменного тока. Но в то же время, им нужна куда более сложная система управления.↑

9. Современным твердотельным эквивалентом тиратронов является кремниевый выпрямитель, который так же называют SCR или тиристор (комбинация слов «тиратрон» и «транзистор»). SCR имеет четыре полупроводниковых слоя (в сравнении с 2-слойным диодом и 3-слойным транзистором). Точно так же как и тиратрон, SCR находится в выключенном состоянии до тех пор, пока не будет подан ток на управляющий электрод. SCR остаётся включенным и работает в роли диода до тех пор, пока напряжение не падает до 0 (строго говоря, пока протекающий ток не становится меньше тока удержания). Симистор это полупроводниковый элемент, весьма похожий на SCR, за исключениме того, что он пропускает ток в обоих направлениях, что делает его более удобным в схемах с переменным током.↑

10. Изначально я полагал, что, с увеличением нагрузки, тиратроны будут открыты на более длительные временные промежутки дабы выдать больше тока. Однако, после подключения осциллографа и изучения поведения тиратронов под различной нагрузкой, я не заметил никакого смещения фазы. Оказалось, что это ожидаемое поведение: трансформатор выдаёт в общем-то постоянное напряжение, вне зависимости от нагрузки. Таким образом, и тайминги тиратронов остаются постоянными при изменениях в нагрузке, а трансформатор просто выдаёт больше тока. В этом видео можете заметить, как меняется свечение тиратронов при увеличении силы тока. ↑

11. Под небольшой нагрузкой блок питания может даже иногда пропускать цикл переменного тока полностью, вместо того, чтобы переключать тиратроны посреди него. Визуально это можно наблюдать как мерцание тиратронов, вместо постоянного свечения. Не уверен в том, баг ли это или фича.↑

12. На осцилограмме желтые и сине-зеленые линии обозначают напряжение на двух тиратронах. Плоская часть линий (в этот момент разница в напряжениях около нуля) означает, что в этот момент тиратрон включается. Тиратроновые трубки несимметричны, и поэтому та, за которой закреплен желтый сигнал, обычно включается позже (визуально можно наблюдать как один тиратрон светится ярче чем другой). Розовая линия — напряжение управляющей сетки. Отметьте, что оно возрастает дабы повысить выходное напряжение, и это увеличение заставляет тиратроны срабатывать раньше. Вертикальный всплеск розовой линии это просто шум из-за срабатывания тиратронов. Синия линия снизу — выходное напряжение (инвертированное: линия идёт вниз при возрастании напряжения).

Для меня загадка почему всегда хотя бы один тиратрон работает — постоянно либо желтая, либо сине-зеленая линия находятся в нуле. Я ожидал бы увидеть разрыв между нулевым напряжением на одном тиратроне и моментом открытия второго. Я подозреваю, что большие катушки индуктивности нагнетают отрицательный заряд на катод, таким образом, даже, когда сам анод отрицательный, разница потенциалов между катодом и анодом всё равно положительная. ↑

13. 20-секундная задержка перед подачей питания на трубки достигается за счет таймера и реле. В таймере используется биметаллическая пластина с подогревателем. Когда вы включаете блок питания, катод получает питание незамедлительно
для прогрева трубок. В то же время, подогреватель внутри таймера прогревает биметаллическую пластину и в какой-то момент пластина изгибается достаточно для замыкания контактов и питания трубок. В этот же момент срабатывает реле и в свою очередь тоже замыкает контакты.↑

14. Цепь, относящаяся к катодам, немного каверзная, так как нити накаливания тиратронов используются как в качестве подогрева трубок, так и непосредственно в качестве катодов. На них подаётся 2.5В от автотрансформатора. Кроме этого, так как в тиратронах нити накаливания еще и катоды, они сами производят выходное напряжение и подсоединены к высокой стороне выходного сигнала. Дабы обеспечить выполнение обоих задач, расщепленная обмотка автотрансформатора накладывает напряжение в 2.5В на нить накаливания, но в то же время напрямую пропускает выходное напряжение. Оба тиратрона используют в сумме 35Вт только на нити накаливания, так что, как можете видеть, подогрев тратит кучу энергии и выделяется много тепла, и таким образом, в некотором роде, сводит на нет преимущества импульсного блока питания. ↑

Автор: mark_ablov

Источник