Ламповый дисплей для компьютера, часть 4: блок питания, строчная развертка и первый растр
Краткое содержание предыдущих статей цикла:
- Часть 1 — обзор возможных концепций и постановка задачи
- Часть 2 — запуск ЭЛТ и фокусировка электронного пучка в ней
- Часть 3 — построение канала синхронизации и блока кадровой развертки
В этой части будет рассказ о тех электронных узлах, которые я создавал дальше, а именно — описание окончательного оформления блока питания, переделки источника высокого напряжения кинескопа, строчной развертки и получения первого растра.
Как я уже упоминал, рабочий стол стал сильно захламлен сделанными макетами разных узлов будущего дисплея, особенно трансформаторами и выпрямителями на разные напряжения, которые нужны для питания их всех. Поскольку список всех требуемых напряжений был уже более-менее сформирован, можно было приступить к сборке окончательной версии блока питания. Высокая сложность проекта приводит к тому, что есть смысл делать блок питания в виде отдельного устройства. На выходе блока питания требовалось наличие следующих напряжений:
- переменное 220 для питания трансформаторов дисплейного блока;
- +12В с изолированной землёй для питания схем центровки растра;
- +600В для питания генератора ВН;
- +450В стабилизированное и +250В стабилизированное для питания блоков синхронизации и развертки;
- -140В стабилизированное, из которого резисторами будет формироваться требуемые напряжения смещения;
- выход питания фокусирующей катушки, стабилизированный по току
Ввиду того, что мне был неизвестен потребляемый ток по всем стабилизированным каналам, я решил делать блок питания с большим запасом мощности. В ламповой технике блоки питания строились исключительно по линейной топологии с последовательными электронными стабилизаторами напряжения. А любой такой блок питания начинается с трансформатора. В первую очередь был намотан мощный анодный трансформатор, который выдает напряжения для выпрямителей +600, +450, +250 и +12В. Основой для намотки такого трансформатора послужило железо с первичной обмоткой от одного из трансформаторов лабораторного блока питания УИП-1. Первичная обмотка этого трансформатора была домотана с несколькими отводами для того, чтобы иметь небольшой диапазон регулировки выходных напряжений во время настройки блока питания.
Рис. 1: Намотанная обмотка анодного трансформатора.
Рис. 2: Анодный трансформатор в сборе
Большое количество ламп в блоке питания требует большой мощности на накал, при этом, во избежание нежелательных паразитных связей и банального пробоя изоляции, лампы из разных функциональных участков схемы должны накаливаться от раздельных накальных обмоток. Объединять можно накалы только тех ламп, катоды которых находятся или под одним потенциалом, или под разными потенциалами, не превышающими допустимого напряжения на участке катод-спираль накала, если применяются лампы с катодами косвенного накала. Поэтому помимо анодного трансформатора был намотан ещё один вспомогательный, содержащий накальные обмотки, обмотку для выпрямителя на напряжение -140В и отдельную обмотку питания схемы задержки включения анодного напряжения. Поскольку у меня не было подходящего одиночного сердечника для этого трансформатора, пришлось городить составной, потому пропорции трансформатора получились несколько необычными (рис. 3).
Рис. 3: Трансформатор питания накала и отрицательного смещения
Блок выпрямителей был уже готов и содержит два двухполупериодных выпрямителя на лампах 6Д22С, которые дают на выходе 600 и 400В соответственно. После выпрямителей стоят П-фильтры из конденсаторов и дросселей.
Вспомогательные выпрямители -напряжения смещения (со своим стабилизатором), центровки и схемы задержки анодного, а также стабилизатор отрицательного напряжения смещения требовалось разместить на отдельном шасси.
Для объединения в одном функциональном узле основных анодных стабилизаторов и стабилизатора тока фокусировки понадобилось третье шасси. Таким образом, в источнике питания формируются три функциональных блока — блок основных выпрямителей, блок основных стабилизаторов и блок вспомогательных выпрямителей, которые я стал примерять внутрь корпуса серии «Надел» (рис. 4), в которых делалась многая советская измерительная аппаратура.
Рис. 4: Первая примерка компонентов БП в корпусе
После этой примерки я занялся передней панелью корпуса. На ней разместились все органы управления и индикации состояния источника питания. Головка на 500 мкА на передней панели работает как вольтметр и предназначена для контроля величины всех анодных напряжений, подача которых на вольтметр коммутируется переключателем слева от него. Амперметр нужен для измерения тока через фокусирующую катушку. Контроль наличия анодных напряжений также осуществляется рядом неоновых лампочек вверху слева. Ниже размещены лампочки, индицирующие включение БП в сеть, его готовность после прогрева ламп и включение анодных напряжений. Анодные напряжения включаются вручную по классической схеме с кнопками «пуск-стоп» и пускателем в цепи первички анодного трансформатора.
Рис. 5: Передняя панель блока питания
После сборки передней панели можно было уже установить на место трансформаторы, блок выпрямителей и начать соединять всё проводами. Как можно видеть на рис. 6 — трансформаторов получилось всё же три, третий питает цепи индикации и управления. Монтаж проводки оказалось очень удобным выполнять с помощью зачищенной моножилы от толстого эмальпровода, одетой в изоляционную трубку из термостойкого материала. Получается очень жестко, достаточно один раз уложить все провода и они не стремятся расползтись в разные стороны в отличие от классических гибких.
Рис. 6: Сборка БП продолжается
Затем был окончательно собран блок вспомогательных выпрямителей. На нем смонтирован выпрямитель отрицательного напряжения на двух кенотронах 6ц10п с П-фильтром и стабилизатором на 6с19п, выпрямитель напряжения центровки растраи схема задержки включения анодного напряжения, которая нужна для того, чтобы анодное не подавалось на непрогретые лампы. Она работает как электронное реле времени на лампе 6н2п. После выдержки порядка 50 секунд, длительность которой определяется параметрами RC-цепи, лампа отпирается, и ток в её анодной цепи заставляет сработать маломощное реле, которое замыкает цепь блокировки включения анодного напряжения. Питается схема задержки от отдельного маломощного выпрямителя на 6ц4п. Напряжение центровки растра имеет относительно малую величину, порядка 12В, так как подается напрямую в отклоняющие катушки. Так как при постройке всей установки ставилась задача не применять полупроводниковых элементов, то выпрямитель столь низкого напряжения был построен по двухполупериодной схеме на тиратронах ТГ1–0.1\0.3 с RC фильтром. Подбором сопротивления в фильтре можно подстраивать выходное напряжение. Только ионные приборы позволяют выполнять выпрямители на относительно большие токи нагрузки при малых напряжениях из-за сравнительно малого падения напряжения на выпрямительном элементе, но все равно придется мириться с потерей 14 вольт на каждом тиратроне, поэтому питающую обмотку на трансформаторе надо мотать с учетом этого фактора.
Рис. 7: Блок вспомогательных выпрямителей
Рис. 8: Вид на монтаж блока вспомогательных выпрямителей
Рис. 9: Блок вспомогательных выпрямителей на своем месте
После того, как блок вспомогательных выпрямителей был установлен на место и подключен, оставалось собрать блок основных стабилизаторов анодных напряжений и стабилизатора тока фокусировки. Схемы стабилизаторов напряжений +250 и +450В практически идентичны, они отличаются только величиной опорного напряжения, которое подбирается комбинированием разных видов стабилитронов, и типом лампы в усилителе постоянного тока. В качестве регулирующих ламп выбраны хорошо зарекомендовавшие себя для этой цели 6с33с. Для увеличения коэффициента стабилизации, усилители постоянного тока в обоих стабилизаторах выполнены по двухкаскадной схеме на лампах 6н6п и 6н2п соответственно. Стабилизированное напряжение +450В формируется из нестабилизированного напряжения +600В. От этого же напряжения запитывается стабилизатор тока фокусировки и высоковольтный источник питания кинескопа. Стабилизированное напряжение +250В вырабатывается из нестабилизированного напряжения +400В. Также стабилизаторы позволяют выполнять настройку выходных напряжений в пределах 120–150В
Рис. 10: Сборка блока основных стабилизаторов.
После сборки стабилизаторы заработали сразу и их можно было установить на свое место в корпусе.
Рис. 11: Блок питания практически готов.
Особое внимание нужно уделить креплению ламп 6с33с — они тяжелые и их просто необходимо дополнительно крепить, чтобы они не расшатывались и не выпадали из панелек. Для этого нужны крепежные колпачки, которые одеваются на лампу сверху и удерживаются пружинами за крепежные винты на панельках. У меня нашлись родные такие колпачки (если нет родных, то можно сделать из любого подходящего листового металла), а в качестве пружин идеально подходят таковые из спиц автоматического складного зонта.
Рис. 12: Крепление ламп 6с33с.
В конце оставалось настроить выходные напряжение, делать это нужно под нагрузкой, подключив на выход несколько мощных резисторов для получения требуемого тока нагрузки.
Рис. 13: Настройка выходных напряжений БП
Считаю также немаловажным написать несколько слов о защите от короткого замыкания на выходе блока питания. Казалось бы, так как на выходе блока несколько разных напряжений, то на каждое из них нужна своя схема защиты. Но, на самом деле, все эти напряжения связаны между собой одним общим проводом, а значит можно встроить одну цепь защиты в общий провод. Состоит эта цепь всего из двух деталей — низкоомного резистора, включенного в разрыв общего провода и реле, обмотка которого включена параллельно резистору. Если применяется реле с обмоткой на 12В, то при величине резистора 12 Ом, реле будет срабатывать, когда ток в общем проводе превысит 1А. Подбирая сопротивление этого резистора, очень легко добиться требуемого тока срабатывания защиты. В моем случае 1А как раз достаточно, чтобы быть уверенным, что при случайном КЗ ничего не выйдет из строя.
Рис. 14: Цепь защиты от КЗ
На этом блок питания дисплея был, по сути, завершен. Все выходные напряжения выведены на один разъем типа ШР на задней стенке и сделан соединительный кабель. Также на задней стенке закреплен вентилятор продувающий корпус, чтобы не было перегрева каких-либо узлов. Все же большое количество ламп в тесном пространстве создают прямо таки много жара. Можно посчитать, что только в источнике питания находятся 23 лампы разных типов! Ниже приведу несколько фотографий готового БП.
Рис. 15: Блок питания готов!
Рис. 16: Вид с обратной стороны
Рис. 17
Рис. 18
Далее я предлагаю просто насладиться свечением ламп в темноте.
Рис. 19: Свечение ламп
Рис. 20: попытка захватить общий план
Рис. 21: 6с33с крупным планом
Рис. 22: Блок питания закончен и работает!
В завершение рассказа о блоке питания приведу его полную схему.
Рис. 23: Схема электрическая принципиальная блока питания
Финальное оформления блока питания стало огромным куском работы, на фоне которого дальнейшие задачи казались гораздо проще
нет, не проще
Как минимум, радикально уменьшился бардак на столе (можно снова захламлять по новой). Тогда я решил переключиться на доработку высоковольтного источника питания кинескопа. Как я упоминал в конце первой части, релаксационный генератор с тиратроном, на основе которого был сделан этот ИВН, обладал крайне неприятной особенностью — генерированием импульсных помех и размазыванием их везде, куда можно было дотянуться. Увеличение рабочей частоты генератора помогало снизить их интенсивность (высокочастотные сигналы хуже проходят через паразитные индуктивности проводов и лучше стекают на землю через паразитные емкости), но это и приводило к ухудшению стабильности работы, срывы коммутации тиратронов мне набили оскомину ещё во времена работы над импульсными модуляторами лазеров. Попытки фильтровать помехи желаемого результата не давали. Оставался один путь — радикально поменять топологию. Я решил вернуться к схеме двухтактного автогенератора, который дает незатухающие колебания и настраивается на резонансную частоту трансформатора, загоняя его в режим, близкий к катушке Тесла. Для построения автогенератора я решил выбрать лампы ГУ50, которых есть большой запас. Отфильтровать помехи такого генератора гораздо легче, так как они находятся в узкой полосе частот, а интенсивность их гораздо меньше. Под автогенератор пришлось полностью обновить обмотки трансформатора, заменив первичную обмотку и перемотав вторичную для сохранения требуемого коэффициента трансформации, заодно я переместил внутрь бака конденсаторы, которые совместно с первичной обмоткой трансформатора образуют колебательный контур.
Рис. 24: Обновленная конструкция высоковольтного трансформатора
Частота этого контура должна быть настроена на собственную резонансную частоту вторичной, высоковольтной обмотки. Самое противное в этой настройке заключается в том, что частота эта различна для случаев, когда все устройство находится в масле и когда находится на воздухе, так как собственная емкость вторичной обмотки изменяется. Поэтому предварительную настройку пришлось выполнять, навешивая конденсаторы снаружи.
Рис. 25: Новый макет ИВН.
Немного повозившись с настройкой, удалось добиться удовлетворительной работы этого генератора в режиме стабилизации напряжения. Диапазон регулирования несколько изменился, но это не играло существенной роли, все равно он перекрывал рабочий диапазон напряжений кинескопа. Схему окончательного варианта ИВН я привожу ниже:
Рис. 26: Принципиальная электрическая схема ИВН
В итоге генератор и стабилизатор я объединил на общем шасси, которое к тому же удалось уменьшить в размерах, и разместил весь ИВН рядом с основным БП, полностью освободив стол.
Можно было вернуться к электронной части будущего дисплея. На тот момент уже были готовы блоки синхронизации и кадровой развертки, так что для получения растра нужно было сделать развертку строчную. В качестве основы я взял снова схему развертки от ТВ, на этот раз от УЛПЦТ с блоком развертки типа БР-2. Это широкоизвестная схема, в которой работает лампа 6п45с совместно со строчным трансформатором ТВС90ЛЦ5. Поскольку высокое напряжение для кинескопа и напряжение ускоряющего электрода генерируются отдельно, то цепи связанные с этими задачами можно сразу исключать из оригинальной схемы.
Рис. 28: Схема блока БР-2
Достаточно странным выглядит решение для грубой регулировки размера по горизонтали — подключение конденсаторов С24-С27, которые просто закорачивают часть высокочастотной энергии на массу — их я тоже из схемы выбросил, так как это бесполезные потери, особенно с повышением частоты развертки при смене видеорежима. Цепь обратной связи с варистором для начала тоже решил исключить. Схема центровки в этой схеме не давала достаточного смещения изображения на экране, потому пришлось использовать напряжение центровки от внешнего источника, с таким же мостиком Уинстона, как и в кадровой развертке. Ламп 6п45с у меня опять же нет в наличии, потому решил испытать в строчной развертке 6п7с, которая использовалась в старых ТВ с углом отклонения 70 градусов, тем более что у 45ЛМ2У тоже такой же угол отклонения. В общем, вот перерисованная схема — рис. 29. Трансформатор и индуктивные элементы остаются«родными» от УЛПЦТ.
Рис. 29: Переделанная схема строчной развертки.
Поскольку амплитуда сигнала на управляющей сетке выходной лампы должна быть не меньше сотни вольт, то сигнал из задающего генератора строчной развертки нужно усилить, для этого в схеме присутствует двухкаскадный предусилитель на лампе 6н6п. Схема развертки очень критично относится к амплитуде сигнала на сетке выходной лампы, она должна иметь определенное оптимальное значение, которое удобно найти с помощью регулировки резистором R18. Ещё один немаловажный момент — конденсатор С1. Он должен выдерживать напряжение не менее 1000В. А лучше 1500–2000В. Эта схема была нарисована уже после того, как был создан работоспособный макет. Изначально я предполагал, что её можно будет запитать от стабилизированного напряжения 450В, но оказалось, что не удается добиться нужного размаха по горизонтали, особенно на видеорежиме 800×600 с высокой кадровой частотой, и, тем более, при разрешении 1024×768 с частотой 72 Гц и выше. Поэтому пришлось подключить его к нестабилизированному напряжению 600В. К счастью, отсутствие стабилизации не сказалось так сильно, как я предполагал. Вот как строчная развертка выглядит на макете.
Рис. 30: Макет блока строчной развертки.
Точно также очень важна форма сигнала (её можно менять регулировками в задающем генераторе). В противном случае получится что-то вроде того, что показано на рис. 31. Это осциллограмма тока в строчных катушках, когда форма сигнала на сетке отличается от пилообразной, а амплитуда недостаточна. В отклоняющих катушках форма сигнала не воспроизводится, зато «вылезает» третья гармоника от частоты строчных импульсов.
Рис. 31: Осциллограмма тока в строчных катушках при неверном режиме работы
А вот как это выглядит на экране ЭЛТ — рис. 32.
Рис. 32: Нечто похожее на растр из трех сложенных полос, обусловленных изменением направления движения электронного пучка.
Однако, если режим строчной развертки правильно настроить, то… Форма тока в катушках воспроизводится практически идеально — рис. 33.
Рис. 33: Пилообразный ток строчной развертки.
А на экране это выглядит так, как на рис. 34. Красивый и ровный растр, практически на весь экран.
Рис. 34: Первый растр на экране.
Рис. 35: Растр удается растянуть практически на всю площадь экрана, если снизить напряжение присоски.
Рис. 36: Яркость растра просто отличная!
Как и предсказывалось, масштаб изображения можно изменять путем изменения высокого напряжения в присоске кинескопа, яркость — изменением напряжения модулятора, а пропорции — соответствующими регулировками в строчной и кадровой развертках. Размер по вертикали регулируется изменением смещения у лампы выходного каскада кадровой развертки, а размер по горизонтали — регулировкой напряжения на второй сетке выходной лампы строчной развертки. Схемы центровки также оказались работоспособны, изображение легко позиционировать на экране. С фокусировкой сложнее — можно добиться или идеального фокуса в центральной области экрана при некотором расфокусекраёв, или же наоборот. Или же искать какую-то компромиссную регулировку, в которой та или иная зона на экране имеет максимальную четкость. Даже при включении разрешения 1024×768 при четкой фокусировке идеально различимы отдельные строки в растре. Но самым удобным в работе оказалось разрешение 800×600. К моменту получения рабочей развертки я уже узнал о таком методе исправления данной проблемы, как динамическая фокусировка, но решил отложить на потом. Получение растра стало настоящим прорывом в данном проекте, так как до этого момента было немало — растянувшихся где-то на месяц времени — бесплодных попыток его получить, пока я не узнал, что нужен предусилитель пилообразного сигнала со всеми регулировками. Я даже мотал особый строчный трансформатор, думая, что не годится телевизионный ТВС90ЛЦ5. Теперь же можно было немного выдохнутьи пересобрать на общем шасси строчную и кадровую развертки, заодно сконцентрировав там все регулировки.Соединение с отклоняющей системой сделал через разъем. Ещё зарезервировал на этом шасси несколько панелек для ламп узла динамической фокусировки.
Рис. 37: Блок разверток в виде, близком к окончательному.
Рис. 38: вид на монтаж блока разверток
Не хватало последнего критического узла — видеоусилителя. Именно он создает необходимые перепады напряжения на модуляторе, которые изменяют ток электронного пучка и вместе с этим яркость свечения люминофора, за счет чего и создается изображение на экране. Но об этом речь пойдет в следующей части.
PS: если есть желание, любой читатель может оказать помощь в виде доната криптовалютой на любой из кошельков:
BTC: 3BV9B2Jsy8CY86YHpsBgrXsQe3N2db8yF8
ETH: 0×193c70a3826c63eb3738a9d3c982c02ba3a07c84
doge: DLLNGqSeyXo786jiurzMAnj8USwaU5u9xY
Я пробовал подключить сервис destream для того чтобы тут появилась кнопка «задонатить», но узнал что для этого требуется разглашение личных данных, что для меня неприемлемо. Поэтому только криптовалюта.
