Да натрупаме заряд: получаване на -5V от 5V захранване

Когато става дума за електроника, моите интереси не са нещо особено. В идеалния случай бих искал да работя само с едно напрежение и заземяване – така наречената маса. В института на мен много по-добре ми се отдаваше цифровата електроника в сравнение с аналоговата, но това са си лични причини. Така или иначе, от време на време се налага да си имам работа с нещо по-сложно от 1 и 0. Но днес ще се спрем върху най-плашещата ситуация: -1. Това съвсем не е равновесна троична бройна система. Дали положението ще бъде спасено от един съвсем обикновен аналогов чип?

Аркадните автомати

Какво е общото между Sega System 1 и Hyper Neo Geo 64? Мога да подскажа: те имат общи черти и с вашия персонален компютър, ако няма ISA шина.

Те нямат 5V отрицателно напрежение. Това е съвсем очевидно при малките платки от типа Neo Geo MV0, които поддържат само една игра. При тях клемата с -5V в конектора тип JAMMA е заменен с неголемият логотип SNK, както се вижда в горното изображение. Повечето подобни разширителни платки, въпреки че не използват -5V, там си има клема, но тя с нищо не е съединена.

Това е доста удобно, ако се използва supergun платка подобна на Retroelectronik, за които става дума в тази статия, понеже към тези устройства лесно се включва ATX PC компютърно захранване. [Да уточним, че Supergun е устройство, което дава възможност да се играят игрите от съвсем реалните платки за аркадни автомати, на обикновен телевизор. На практика това си е друг вид аркаден миниавтомат]. Аз обикновено използвам PicoPSU. Но в началото на века производителите на ATX захранвания се отказаха от използването на – 5V, а редица компании престанаха да осигуряват това напрежение още по-рано, понеже то не е необходимо за машините, които нямат ISA конектори, а подобни машини в края на 90-те години имаше много.

Това не е зле, само че за тия платки, които използвах по-рано…

Triple-Z80 и неговите аудио приятели

Аз се сблъсках с Athena – SNK игра от 1986 година. Може би сте виждали нейния портнат вариант за NES, но аз гарантирам, че аркадната версия работи много по-добре. В нея се използва SNK платката triple Z80, която е получила това име, понеже на нея са поставени цели три процесора Z80. Двата от тях съвместно изпълняват кода на програмата, а третият е предназначен да обработва звука. Подобна структура на дънните платки се използваше и в някои други игри, като например във Fighting Golf.

Съвместната работа на три процесора е нещо много интересно, но нека да се върнем към нашата тема. За какво са ѝ на подобна платка – 5V?

Аудио усилвателят Mitsubishi M51516L осигурява изходна мощност от 12 W. В платките JAMMA се използва доста силен звук, който може да бъде директно подаден на пасивен говорител. Само че това е реална опасност за потребителите на устройствата supergun, понеже подаването на подобно аудио със силен сигнал към устройство очакващо линеен входен сигнал, може да приключи твърде зле. Нека да пропуснем това и да погледнем използваната схема. Тя бе твърде трудна за намиране, но аз я открих в един голям PDF със стотици други аудио усилватели.

В този усилвател никъде не се виждат -5V – на нито един негов извод не се подава подобно напрежение.

Това може да не се вижда на схемата, но когато измерих с моя мултиметър видях, че -5V има на кондензатора с капацитет 0,01 µF и на изводите 6 и 2. Какви са тези изводи? Разбира се, това е общият проводник в тази схема, който сме свикнали да наричаме маса. Съединявайки масата с -5V става възможно използването на 12 V на извод 9 за +V_cc и по този начин да се получат цели 17 V между масата и положителното напрежение. Това е много подходящо за подобен усилвател, понеже колкото по-голямо е захранващото напрежение, толкова по-силен и по-добър ще бъде изходният сигнал.

За сравнение, в Sega System 1 се използва подобния усилвател LA4460A с мощност 12 W, но платката може да му подава максимум 12 V. Тоест, аркадният автомат Athena може да се чува по-силно и SNK може да привлече малко повече хора, които да играят нейните платформъри.

Но какво се случва, когато няма отрицателно напрежение? В този случай усилвателят не работи в правилния режим и имаме Athena без звук.

Другата полярност

Най-подходящото решение е да се купи евтино компютърно захранване, което да подаде необходимото напрежение на аркадния автомат. Но в тази конкретна ситуация бе необходимо да се действа бързо: поръчката и пристигането на подобно устройство отнема време, а в случая нямах време. Би било много добре, ако се направи кратковременна замяна, която да даде възможност за получаването на въпросните -5V.

Нека да се вгледаме в този невероятно опростена схема. Имаме само източник на напрежение, кондензатор и маса. Тъй като нашият източник на напрежение подава постоянен ток, то той зарежда кондензатора – на единия му извод напрежението ще бъде по-високо, понеже електроните се отблъскват от него и оставят положителен заряд. На вторият извод на кондензатора електроните се притеглят и по този начин кондензаторът натрупва заряд. Разбира се, това твърде опростено обяснение се нарушава след като започнеш да си имаш работа с реално захранване.

Какво ще стане, ако извадим кондензатора от тази схема? Ако направим това след неговото зареждане, обърнем местата на неговите изводи и отново го включим към масата, ще видим, че той ще започне да подава отрицателно напрежение там където преди това бяха 5V.

Виждаме, че напрежението си сменя своя знак и сега разполагаме с -5V. Разбира се, това ще работи докато кондензаторът има заряд, но ако можем да се върнем към първата конфигурация и отново сменим поляритета на кондензатора, то отново можем да получим необходимото отрицателно напрежение. По този начин натрупваме заряд в кондензатора и го използваме за получаването на необходимото ни отрицателно напрежение. Разбира се, можем да автоматизираме този процес с помощта на транзистори или още по-добре със специализиран чип. Импулсните схеми от подобен род са изключително много, а техният принцип на работа е добре описан и в Уикипедия..

Недостатъците

Аналоговата техника и изисква внимание. Редица аркадни платки, за които е необходимо отрицателно напрежение, каквато е например SNK Triple-Z80, са твърде стари и лесно се повреждат. Проверявайте всичко. Ако използвате този метод, рискът си е ваш.

Решението

Реших да използвам чипа ICL7660.

Той осигурява всичко необходимо, за да има достатъчно натрупан заряд на кондензатора. Схемата на неговото използване е съвсем лесна и най-подходящият вариант изглежда е този на Peter J. Vis. Необходими са само три кондензатора – два с по-голям капацитет, на които се натрупва необходимия заряд и един филтриращ, който изглажда пулсациите.

В тази ситуация разполагах само с чипове с форм-фактор SOP8. Ако бях робот, те щяха да ми бъдат много удобни. Дори се вижда, че тяхната опаковка е предназначена за автоматично поставяне на тези компоненти върху дънните платки. За щастие разполагах с преходници, които могат да се използват върху макетна платка. Ако искате да използвате същата схема, препоръчвам да си вземете чипове с DIP8 форм-фактор. Или да станете робот – това би опростило редица други неща!

Преди да включите едно подобно решение към аркаден автомат, първо проверете какво е изходното напрежение, преди да го подадете към платката.

Въпреки че това е аналогова техника, всичко е съвсем опростено и схемата започва да работи веднага.

Работи!

Сега вече звуците на играта Athena се чуват добре. За мен звуците в геймплея са нещо много важно. Да отбележа, че в моя случай въпросните -5V падат до -3V, но за нискочестотния усилвател това не е чак толкова важно, понеже той работи добре, макар и с по-ниска мощност. Това бе едно временно решение, което спаси ситуацията до пристигането на стандартно добре стабилизирано компютърно захранване, което може да подаде стабилни -5V. Разбира се, има и други решения – В PicoPSU обикновено има -12 V и може да бъде използван един L7905. Но аз разполагах само с тези компоненти и реших проблема сравнително бързо.