Часть 1 • Часть 2 • Часть 3

Прослеживая путь, проделанный инженерами Sinclair Research, становятся заметными ошибки, допущенные при проектировании схем питания ZX Spectrum. Возникает вопрос, а возможно ли было их избежать? Чтобы ответить на него надо оценить альтернативные решения доступные на тот период времени. Разумеется, сравнивать источники питания ZX-ов и IBM PC мы не будем. Цена последних была соизмерима с компьютерами Синклера, а качество и надежность далеко не те, что сейчас.

Схема питания ZX Spectrum строилась по образу и подобию ZX81 c 16K-BYTE RAM pack. Но в отличие от предшественника, преобразователь работал от нестабилизированного источника и должен был питать помимо ОЗУ еще и дополнительные устройства. Защиты по току не предусматривалось и излишняя нагрузка или короткое замыкание во внешнем контроллере приводили к остановке преобразователя. Дальнейшее было лишь делом случая.

Самой простой альтернативой стал бы отказ от использования микросхем 4116 с тремя напряжениями питания (-5; +5; +12В). В начале 80-х уже выпускалось аналогичное ОЗУ требующее только один источник питания (+5В). Но такие микросхемы стоили дороже, и пришлось бы поднимать цену на ZX Spectrum, либо снижать долю прибыли. Предвидь Клайв Синклер, насколько быстро упадут цены на память он, возможно, предпринял бы такой ход.

Были и другие весьма простые и надежные решения. Например, дополнительная обмотка во внешнем блоке питания, для получения напряжения +12 (-12) и −5 вольт внутри компьютера. По количеству элементов и цене такая схема соизмерима с использовавшейся в ZX Spectrum, но последовательность подачи напряжений гарантировалась. Разумеется, потребовались бы некоторые вложения в разработку, а к этому Клайв Синклер относился негативно. Впрочем, спустя два года для источника UK2000 (Sinclair QL) этот шаг был сделан.

После выхода в январе 1984 года Sinclair QL стало очевидно, что планам Синклера создать бизнес-компьютер с автономным питанием и плоским (CRT) экраном не суждено сбыться. Компьютер подключался к монитору (телевизору) и работал от электрической сети. Схема питания не имела принципиальных отличий от используемых в семействе ZX. Внешний трансформаторный блок и встроенные на плату компьютера стабилизаторы порождали те же проблемы, что и в предыдущих моделях. Использование линейных стабилизаторов (78XX 79XX) с низким КПД приводило к большому тепловыделению:

В результате нагрузочная способность источника была весьма ограничена. Для бизнес-компьютера, к которому планировалось подключать различную периферию, это являлось огромным минусом.

Использование внешних устройств с собственными источниками превращало систему в путаницу из проводов. При этом еще и возрастала вероятность «спалить» Sinclair QL, шины которого не были буферизованы. Разумеется, дополнительные блоки питания приводили к удорожанию периферии. Все это не добавляло плюсов к «сырому» и не очень надежному Sinclair QL и осложняло разработку внешних устройств.

К 1984 году на рынке было достаточно надежных и недорогих импульсных стабилизаторов в интегральном исполнении. Их применение уменьшало тепловыделение и повышало КПД источников питания. Однако ничего подобного использовано не было. Схема, созданная еще для калькуляторов, без существенной переработки перекочевала в бизнес машину Синклера. Видимо попытки использовать автономное питание на ранних стадиях разработки Sinclair QL не оставили времени и средств на решение этого вопроса. Доработки, сделанные для стабилизаторов +12 и −12 вольт, стали бы идеальными для ZX Spectrum. Но, увы, столь простое решение, избавлявшее пользователей от множества проблем, никогда не было реализовано.

Между «плюсом» и QL

Электрическая схема UK2000 (EURO2000):

Вид со стороны днища на английский блок питания для Sinclair QL:

Розетка для подключения питания на корпусе ZX Sinclair QL: 

Потребность в более совершенных стабилизированных блоках питания возникла незадолго до начала выпуска персональных компьютеров серии ZX. Производимые Синклером в 70-х годах калькуляторы были носимыми. Их основное питание осуществлялось от батарей, а сетевые адаптеры были дополнительной опцией. Под маркой Синклера они почти не выпускались, а в случае необходимости пользователи приобретали их самостоятельно.

Окончание разработки DERBY совпало с финансовым кризисом в Sinclair Research летом 1985 года. Перебои в снабжении комплектацией привели к тому, что в часть испанских ZX Spectrum 128 поставлялась с блоками Investronica Q-341A, рассчитанными на ток 1,3 ампера. Это был вынужденный ход, снижающий надежность компьютеров. Но уже к осени 1985 года испанцы наладили выпуск собственных блоков питания аналогичных EURO1400. Именно такими источниками было укомплектовано большинство ZX Spectrum 128 произведенных на Investronica:

Отказ испанцев от использования производимых в Англии блоков питания EURO1400 (ZX Spectrum+) стал очевиден после разработки на Investronica упаковки для ZX Spectrum 128. В пенопластовой коробке место было предусмотрено только под собственный источник аналогичный EURO1400 (ZX Spectrum), другие туда не поместились бы физически.

ZX Spectrum. За прототип источника приняли UK2000 от Sinclair QL. Его начинку упростили, убрав дополнительную обмотку. Оставшаяся, была рассчитана на ток 1,85 ампера. Так появился новый блок в старом корпусе под маркой UK1850 (EURO1850 для Европы). Его корпус, идентичный UK2000, превосходил по размерам корпус блока UK1400 для ZX Spectrum+. Расположение низковольтного провода также отличалось. Поэтому при подготовке к выпуску ZX Spectrum 128 пришлось доработать дизайн пенопластовой коробки, изменив расположение источника питания:

Если вы обратите внимание на отсек, где размещается UK1850, то заметите, что пазы для провода сконструированы таким образом, что туда помещается и UK1400. Вероятнее всего, в условиях финансового кризиса 1985-86 годов в Sinclair Research хотели подстраховаться от возможных перебоев с поставками новых блоков питания.

Но «жизнь» английских ZX Spectrum 128 оказалась очень короткой. Их выпуск продолжался меньше полугода и был прекращен летом 1986-го. Все выпущенные в Англии компьютеры комплектовались источниками UK1850, либо EURO1850:

Следуя принятым в Sinclair Research традициям, блоки питания ZX Spectrum 128 поставлялись без сетевых вилок.

Новый ZX Spectrum+ с радиатором

Разработчики DERBY были поставлены перед серьезной проблемой: встроенный на плату ZX Spectrum стабилизатор работал на пределе возможностей, а дополнительная функциональность компьютера еще больше увеличивала энергопотребление. К тому же страны, в которые планировалось поставлять DERBY, отличались жарким климатом, и требования к охлаждению возрастали. Кардинальным решением проблемы мог стать импульсный стабилизатор и переход на новую элементную базу с пониженным энергопотреблением. Это требовало привлечения английских коллег, поскольку архитектура и элементная база (ULA) определялись Sinclair Research. Но у Клайва Синклера испытывавшего в 1985 году финансовые проблемы не было возможностей проведения крупных проектов. Возможно, он не хотел появления компьютера, который мог составить конкуренцию «тонущему» Sinclair QL. В результате инженеры Investronica были вынуждены использовать простые решения в рамках незначительных доработок. Поскольку дополнительный нагрев радиатора в корпусе ZX Spectrum+ был недопустим, испанцы решили вынести радиатор наружу. Его закрепили на правой стороне корпуса. Эстетикой такое решение не отличалось, но проблема перегрева была решена кардинально. Внешний радиатор площадью около 200 кв. см. (против 80 кв. см. в ZX Spectrum Issue 3-6) значительно облегчал тепловой режим стабилизатора в ZX Spectrum 128:

Блок питания от ZX Spectrum+ в базовом комплекте поставки ZX Spectrum 128 (страница 2 испанского описания ZX Spectrum 128 Introducciony Guia de Funcionamiento):

Упаковка испанских ZX Spectrum 128:

Внешний радиатор и похожая на калькулятор клавиатура KEYPAD вызвали сарказм в английской компьютерной прессе (Sinclair User, декабрь 1985):

Несмотря на усмешки, новая схема охлаждения свою задачу выполняла отлично: надежность работы значительно возросла, а проблемы перегрева отошли в прошлое. Поскольку для питания внутренних схем ZX Spectrum 128 требовались иные напряжения, чем у ZX Spectrum, встроенный на плату преобразователь доработали. Как и ранее он размещался на правой стороне платы:

Между ребрами радиатора скапливалась пыль, крепление к корпусу выглядело кустарным: Слега скошенные края ZX Spectrum 128 и вертикальные грани ребер радиатора образовывали щель:

Поскольку стабилизатор напряжения +5 вольт (7805) в ZX Spectrum 128 крепился к корпусу, для облегчения монтажа и демонтажа платы был предусмотрен разъем:

Еще в самых первых ZX Spectrum 128 выпущенных Investronica осенью 1985 года на плате компьютера предусматривалось место под схему подавления помех в цепи питания 9 вольт. Фильтр включал в себя конденсатор (C101) и трансформатор на ферритовом кольце. Однако в испанских ZX Spectrum 128 эти элементы никогда не распаивались (вместо трансформатора стояли перемычки). На платах английских версиях фильтр всегда устанавливался.

Вероятнее всего, на включении схемы подавления помех настояли инженеры Sinclair Research, памятуя о проблемах, возникающих иногда в ZX Spectrum от наводок по питанию. Выбор места для фильтра нельзя назвать оптимальным, поскольку подобные схемы обычно встраивались во входные (сетевые) цепи питания.

Поскольку в ZX Spectrum 128 устаревшие микросхемы ОЗУ (4116) заменили более современными (4164), отпала необходимость в напряжении питания −5 вольт. Но для аппаратной совместимости это напряжение все же вырабатывалось и подавалось на краевой разъем (контакт 20B).

Формирователю сигналов для порта RS232 требовались напряжения +12 и −12 вольт. Поэтому преобразователь доработали для получения −12 вольт (R137, C112). В остальном схема встроенного на плату ZX Spectrum 128 источника питания мало отличалась от реализованной в ZX Spectrum. Нумерация многих элементов сохранилась неизменной:

Напряжение +12 вольт использовалось также для питания KEYPAD в испанских ZX Spectrum 128. С английскими моделями эта клавиатура никогда не поставлялась, и нагрузка на преобразователь в них была меньше.

 Фильтр питания 9 вольт на плате английского ZX Spectrum 128:

Новый хозяин и старые проблемы

После приобретения прав на компьютеры Sinclair Research компанией Amstrad в 1986 году, началась подготовка к выпуску улучшенного варианта ZX Spectrum 128. По заявлению Алана Сагара (владельца Amstrad) целью было увеличение надежности синклеровских машин. Плата компьютера была переразведена под новый корпус, однако схема почти не изменилась. Доработки носили скорее косметический характер. Модель, получившая название ZX Spectrum +2, имела встроенный накопитель на магнитной ленте и как следствие, большее энергопотребление. Она комплектовалась трансформаторным источником питания, рассчитанным на выходной ток до 2,1 ампер (при напряжении около 9 вольт) и входное напряжение 220-240 вольт. Таким образом, была достигнута универсальность для Европы и Англии. И хотя серый цвет блока соответствовал ZX Spectrum +2, дизайн его корпуса, в отличие от самого компьютера, не изменился (по сравнению с ZX Spectrum + и ZX Spectrum 128):

Еще одной внешней деталью блока питания ZX Spectrum +2 стала красная надпись Sinclair соответствующая логотипу на корпусе компьютера.

Хотя схемотехника встроенного на плату источника питания практически не изменилась по сравнению с ZX Spectrum 128, конструкция была переработана. Учитывая критику уродовавшего внешний вид радиатора, было решено установить его внутри корпуса компьютера. Но при этом опять возникала проблема перегрева, а потребление тока сильно возросло по сравнению с ZX Spectrum. Дополнительная память, схемы управления, новая ULA и кассетный магнитофон питались от общего стабилизатора на 5 вольт (7805). Корпус ZX Spectrum +2 имел большое количество вентиляционных отверстий расположенных по краям, что облегчало тепловой режим находящихся в нем элементов. Решение для источника питания попытались найти в использовании большего по площади радиатора, развернутого в сторону от печатной платы и находящегося вблизи вентиляционных прорезей на задней стороне корпуса:

Внешний вид блока питания ZX Spectrum +2:

Несмотря на принятые меры, проблема перегрева оставалась достаточно острой. Инженеры Amstrad даже установили радиатор на микросхему ULA, расположенную посередине платы (фотография обрезана с правой стороны):

Но главная проблема состояла в том, что при обеспечении удовлетворительной работы имевшегося аппаратного решения, были исчерпаны все резервы. Это означало, что дальнейшее расширение архитектуры, будь то установка дисковода и его контроллера, или подключение внешних устройств питающихся через краевой разъем (EDGE connector), будет создавать дополнительную нагрузку на стабилизатор и снижать надежность.

«Мы наш, мы новый мир построим...»

В отличие от компаний Клайва Синклера, техническая политика Amstrad не была столь подвержена влиянию одного человека, часто не учитывавшего быстро меняющиеся реалии окружающего мира. Поэтому осознав проблемы присущие аппаратному наследию, полученному от Sinclair Research, инженеры Алана Шугара быстро взялись за дело.

За семь месяцев, прошедших с момента приобретения прав на компьютеры Sinclair Research, параллельно выпуску ZX Spectrum +2 была полностью переработана аппаратная часть ZX Spectrum 128, включая источник питания. Этот проект завершился появлением модели ZX Spectrum +3, вышедшего в свет в ноябре 1986 года:

Что бы уменьшить перегрев, возникавший при работе ZX Spectrum, владелец этого экземпляра проделал вентиляционные отверстия в корпусе:

Как и у ZX Spectrum 128, стабилизатор (5 вольт) ZX Spectrum +2 подключался к плате с помощью разъема, а форма его радиатора была достаточно сложной и нетехнологичной:

В нем использовалась более современные и экономичные ULA, ОЗУ, а схема источника питания была полностью переработана. Все элементы, включая стабилизаторы, размещались в корпусе внешнего блока питания. Новый источник выдавал три стабилизированных напряжения (+5V 2А +12V 700mA, −12V 50mA). Подача питания в компьютер осуществлялась через разъем mini-DIN с шестью выводами:

Нельзя сказать, что новый источник был верхом технологических достижений своего времени. Но его схема была достаточно надежной: трансформатор плюс аналоговые стабилизаторы, хорошо зарекомендовавшие себя в самых разнообразных блоках питания.

Встроенному дисководу для работы требовалось напряжение 12 вольт при токе до 400 миллиампер, а компьютер потреблял до 1,3 ампер от источника напряжения 5 вольт. Таким образом, обеспечивался запас по току и мощности.

КПД стабилизаторов у ZX Spectrum +3 варьировался в пределах 50-70%, поэтому радиатор охлаждения был значительных размеров. Корпус нового блока питания имел достаточное количество вентиляционных прорезей для эффективного охлаждения. Вместе с тем это могло привести к попаданию в него посторонних предметов и несколько снижало надежность.

Внешний вид корпуса с решетками и закругленными краями несколько диссонировал с корпусом компьютера, несмотря на стильную надпись Sinclair +3.

Переработка схем питания в ZX Spectrum +3 привела к некоторой несовместимости с имевшимся периферийным оборудованием, поскольку напряжения +9 и −5 вольт больше не вырабатывались и не поступали на ламели краевого разъема (EDGE connector). И хотя это были далеко не первые изменения в архитектуре ZX Spectrum, они затронули очень важные элементы конструкции, связанные с питанием. Например, подключить ZX Printer или ZX Interface 1 и ZX Microdrive стало невозможно.

Отличия в сигналах на краевом разъеме (EDGE connector) у разных версий ZX Spectrum приведены в таблице:

Блок питания ZX Spectrum +3:

Сборка ZX Spectrum +3 и их блоков питания осуществлялась на Тайване (наклейка на задней крышке блока питания):

По следам Клайва Синклера

Несмотря на проделанную инженерами Amstrad работу, источник питания ZX Spectrum +3 был далеко не идеален. Хорошая концепция и основательный подход чуть не разбились о несколько нелепых ошибок в реализации схемотехники:

Все началось с того, что вместо ставшего к 1986-му году классикой схемотехники стабилизатора 7912 (для −12 вольт) использовали примитивный стабилитрон с резистором (R1, VD1). Вероятно, пытаясь компенсировать отсутствие у этой схемы защиты по току, установили общий предохранитель с источником +12 вольт. По замыслу авторов, такое решение должно было отключить оба источника (+12 и −12). Фактически этого не происходило: блок питания рассчитывался на ток 700 миллиампер по +12 вольтам, а в качестве стабилизатора использовалась микросхема 7812 (ток срабатывания защиты около 2 ампер). Установленный для ограничения тока плавкий предохранитель был на 1 ампер. Это означало, что такая защита не могла сработать в случае короткого замыкания по минус двенадцати вольтам. Если от перегрузки по току (+12) предохранитель перегорал, то подача тока не прекращалась, а лишь ограничивалась резистором R1. Выходные напряжения в этом случае предсказать было достаточно сложно.

Этот недостаток приводил к невозможности запитать от +12 вольт стабилизатор CA723. И для этого пришлось использовать дополнительную обмотку трансформатора с отдельным выпрямителем (D13, C6). Кроме того, функционал встроенной защиты в CA723 по каким-то причинам не использовался. Все это приводило к снижению надежности блока питания ZX Spectrum +3. И хотя запас по току и мощности был значительным, схемотехнику реализованного инженерами Amstrad источника нельзя назвать удачной и оптимальной.

Перечисленные недостатки стали причиной еще одной доработки источника питания, произведенной после начала выхода ZX Spectrum +2A. На этот раз инженеры Amstrad оказались на высоте: в источнике питания −12 вольт использовалась микросхема MC79L12CP. Она имела встроенную защиту, и это позволило отказаться от использования плавких предохранителей. В свою очередь, это сделало возможным питание стабилизатора CA723 от источника +12 вольт и отказ от дополнительной обмотки и выпрямителя.

Некоторые изменения коснулись характеристик источника питания: в ZX Spectrum +2A не было дисковода, который потреблял значительный ток. Поэтому блок питания был рассчитан на ток 200 миллиампер по +12 вольтам. Это позволило уменьшить емкость C1 c 3300 до 1000 микрофарад.

Еще одним новшеством стало использование двухполупериодных выпрямителей с общей точкой (вместо мостовых). Это слегка увеличило КПД и уменьшило вдвое количество диодов в выпрямителях.

В таком виде блоки питания поставлялись с ZX Spectrum +2A и ZX Spectrum +2B до момента прекращения производства в 1991 году.

Вместо заключения

Оценивая эволюцию источников питания у ZX-ов, можно заметить общие недостатки и достоинства. Безусловно, дешевизна была необходимым фактором, ограничивающим инженеров в выборе возможных решений. Расплатой за это стало ограничение в наращивании архитектуры, значительное количество брака и отказов, порой приводящих к полному выходу компьютеров из строя. Это создавало имидж компьютеров весьма ненадежных и не предназначенных для сколь ни будь серьезных задач.

Использовавшаяся Клайвом Синклером схемотехника хорошо подходила при питании бытовой радиоаппаратуры, где щелчок в динамиках от включения холодильника или другого бытового прибора не наносил никакого вреда. В случае с компьютерами сбой программы, которая была плодом многочасовой работы, был фатален. Именно это закрыло путь на корпоративный рынок, навсегда оставив детища Синклера недорогими игрушками на столах подростков.

Цоколевка разъема питания DIN6 (вид со стороны отверстий) у ZX Spectrum +2A/B/+3: