[Перевод] Накачиваем заряд аркадного автомата: -5 В от источника питания на 5 В

Когда дело касается электроники, мои интересы просты. В идеале мне бы хотелось работать с одним напряжением и заземлением — в колледже я гораздо лучше училась цифровой электронике, чем аналоговой, и на то были причины. Но время от времени приходится разбираться с чем-то более сложным, чем 1 и 0. Сегодня мы рассмотрим самую из пугающих ситуаций: -1. И это не уравновешенная троичная система. Спасёт ли нас простая интегральная схема?

Источник мотивации: аркадные автоматы

Что общего у Sega System 1 и Hyper Neo Geo 64? Подсказка: ту же общую черту они имеют и с вашим PC, если у вас нет шины ISA.

У них нет отрицательных пяти вольт. Это особенно очевидно на одноигровых платах Neo Geo MV0, потому что контакт -5V на разъёме JAMMA заменён у них на небольшой логотип «SNK». У большинства плат, не использующих -5V, там всё равно будет контакт, но он ни с чем не соединён.

Это довольно удобно, если ты используешь supergun-платы наподобие Retroelectronik, о которых я говорю в статье, потому что к ним легко можно подключить блок питания ATX PC. [Прим. пер.: Supergun — это устройство, позволяющее играть в игры на настоящих платах аркадных автоматов дома, на обычном телевизоре. По сути, это аркадный миниавтомат.] Я обычно пользуюсь PicoPSU. Однако в 2000-х годах производители блоков питания ATX отказались от -5V, а многие изготовители перестали обеспечивать это напряжение ещё раньше, потому что оно не требовалось для машин, не имеющих разъёмов ISA, а таких машин к концу 90-х было очень много.

То есть всё здорово! Ну, по крайней мере, для тех плат, которые я использовала раньше…

Triple-Z80 и его аудиодрузья

Это Athena, игра SNK 1986 года. Вам может быть знаком её порт на NES, но я гарантирую, что в аркадной версии она работает лучше. В ней используется плата SNK «triple Z80»; её назвали так, потому что на ней установлено три процессора Z80. Два из них совместно выполняют код программы, а третий занимается кодом звука. Подобная структура платы использовалась и в некоторых других играх, например, в Fighting Golf.

Совместная работа трёх процессоров — это интересно, но давайте придерживаться нашей темы. Для чего же подобная плата использует -5V?

Аудиоусилитель Mitsubishi M51516L на 12 Вт. На платах JAMMA используется усиленный звук, который можно соединять непосредственно с пассивным динамиком; это может быть реальной опасностью для пользователей supergun, так как подача усиленных аудиосигналов на устройство, ожидающее линейного уровня, может окончиться взрывом. Но давайте опустим это и взглянем на схему контактов. Найти её было сложно; я обнаружила её в большом PDF с сотнями других аудиоусилителей.

И этот усилитель не использует -5V ни на одном перечисленном контакте, верно?

Хотя этого может быть и не видно на схеме, когда я прозвонила схему мультиметром, то увидела, что -5V проходит через конденсатор на 100 мкФ, а затем идёт на контакты 6 и 2. Что это за контакты? Разумеется, это заземление. Соединив заземление с -5V, они могут использовать 12V на контакте 9 для +V_cc, и получить аж целых 17V между заземлением и положительным напряжением. Это отлично подходит для усилителя, потому что чем больше диапазон входных напряжений, тем лучше будет выходной сигнал.

Для сравнения, внутри Sega System 1 (в частности, у моей копии Pitfall II) используется похожий усилитель LA4460A на 12 Вт, но плата может подать на него максимум 12V; следовательно, машина Athena может оказаться громче, а значит, SNK сможет привлечь чуть больше людей для игры в её платформер.

Но что происходит, если нет отрицательного напряжения? В таком случае нет заземления. И это плохо для усилителя; не знаю, сможет ли это на самом деле повредить оборудование, потому что ток не может течь без заземления, но нас ожидает гораздо худший итог: Athena без звука.

Переворачиваем знак

Умным решением стала бы покупка источника питания аркадного автомата, но я оказалась в ситуации, когда необходимо временное решение, потому что в 2021 году ожидание подобного заказа может занять некоторое время. Было бы здорово создать временную замену, которую можно использовать для создания -5V.

Давайте взглянем на эту невероятно простую схему. Это всего лишь источник напряжения, конденсатор и заземление. Так как источник напряжения DC, он будет «заряжать» конденсатор: с одной стороны напряжение будет выше, поэтому электроны будут отталкиваться, оставляя положительный заряд. С другой стороны конденсатора электроны будут притягиваться к этому положительному заряду. (Заземление, по сути, является источником электронов или местом, куда их можно сбросить. Его напряжение не изменится. Разумеется, это допущение нарушается, как только ты начинаешь иметь дело с реальным питанием.)

Что будет, если мы мгновенно отключим конденсатор от остальной части Вселенной, в том числе от источника питания и от заземления? Если мы сделаем так после зарядки конденсатора, то заметим на источнике питания другое напряжение. Что если бы мы подключили заземление с той стороны, где раньше было +5V?

Как видите, разность сменит знак. Теперь у нас есть источник -5V. Разумеется, он будет работать только пока на конденсаторе есть заряд, но если мы сможем вернуться к первой конфигурации, то можем создать большее отрицательное напряжение. В каком-то смысле, мы «накачиваем» заряд — это нагнетательный насос. Здесь можно использовать транзисторы как переключатели, чтобы не пришлось постоянно отсоединять и подключать провода.

Недостатки

Вся аналоговая электроника опасна. В этом случае мы имеем дело с низкими напряжениями, поэтому опасность для человека, наверно, относительно низка. Однако она никогда не равна нулю!

Использование нагнетательного насоса на линии +5V перетянет ток с этой положительной линии +5V. Убедитесь, что ваш источник питания с этим справится. Повторюсь, лучший вариант — использовать настоящий источник питания аркадного автомата. Моя система стала для меня временным решением.

Использование -5V для усилителя обычно более терпимо к погрешностям и колебаниям, чем использование -5V для чипов ОЗУ. Хоть я и не знаю ни одной платы JAMMA, использующей ОЗУ -5V, это не значит, что они не существуют. Используйте этот способ на свой страх и риск!

Многие аркадные платы, требующие отрицательных напряжений, например, SNK Triple-Z80, довольно стары и их легко повредить. Проверяйте всё. Используйте этот способ на свой страх и риск!!!

Цепь

Разумеется, постоянное переключение напряжений вручную было бы утомительным процессом. Именно поэтому за нас это делают интегральные схемы: в данном случае ICL7660.

Она обеспечивает насос. Нам всё ещё нужно подключить конденсатор между и соединить напряжение питания. Также неплохо будет подключить конденсатор между выводом и заземлением, чтобы снизить колебания; так как мы постоянно заряжаем и разряжаем конденсатор, будут присутствовать колебания переменного тока. LV используется для низких напряжений, и в спецификации написано, что при напряжении выше 3,5 В его следует отключить. OSC тоже можно оставить отключенным. (Рекомендую посмотреть на схему Питера Виса.)

Стоит заметить, что я сглупила и заказала чипы в форм-факторе SOP8. Если бы я была роботом, они оказались бы очень удобными, и даже видно, что они прибыли в упаковке, рассчитанной на автомат для установки компонентов. К счастью, у меня нашлись переходники, которые можно было использовать на макетной плате, но если вы хотите изготовить эту схему, то рекомендую покупать DIP8. Или быть роботом. Это упростило бы и многие другие вещи.

При помощи мультиметра проверьте вывод, прежде чем подключать его к плате. Но несмотря на всю эту аналоговую сложность, схема в целом очень проста.

Получилось!

Теперь я слышу звук игры Athena. И для меня звуки в игре являются очень важной частью процесса. Стоит однако заметить, что в моём случае -5V упали до -3V; даже в этом случае системе сложно обеспечить полные -5V. Для её усилителя это нормально, но так может быть не всегда. И стоит ещё заметить, что силы тока не хватит для работы усилителя на полную мощность; здесь я сделала громкость маленькой (на плате есть регулировочный потенциометр) и выполняю усиление на динамиках.

Но мне всё равно кажется. что был забавный и очень простой проект. В случае подобных мелких аналоговых проблем есть чипы, которые помогут вам в решении! А серьёзные проблемы обычно уже решены кем-то другим.

Стоит также сказать, что использование -5V не всегда означает, что игра была сделана в 1980-х. Midway продолжала использовать это напряжение уже сильно после наступления эпохи 3D. Для JAMMA оно по-прежнему является стандартом, и нет никаких гарантий, что оно не будет использоваться в какой-то плате.