Kompletní repas ZX Spectrum ISSUE 3 - gumák
Úvod
Potřeboval jsem dát dohromady jedno plně funkční bezproblémové ZX Spectrum a protože všechno, z čeho lze dneska vycházet, nechci-li darovat svůj vlastní udržovaný počítač, jsou počítače často skladované v nejrůznějších nevhodných (přinejmenším neznámých) podmínkách, třeba ve vlhkém sklepě, nebo na půdě, často různě opravované, nebo rozvrtané kutilem, tak jsem se tentokrát rozhodl udělat to opravdu důkladně a zbytečně se s tím nezdržovat. Čímž myslím, nezdržovat se s diagnostikou a hledáním možné závady, když je sice dražší, ale ve výsledku jednodušší a rychlejší sundat z desky vše, osadit patice, všechny součástky vyzkoušet v prověřeném počítači a osadit zpět už prověřené, vytříděné a hlavně s možností snadné nedestruktivní výměny, pokud by přeci jen něco selhalo.
U takhle starého počítače je zároveň skoro jisté, že bude vadná část elektrolytických kondenzátorů, hlavně ty v měniči a na 12V větvi. Keramické kondenzátory jsou poddimenzované už z výroby a chci-li stabilní počítač a pěkný nezarušený obraz, tak je opět snazší vyměnit vše. Tentokrát jsem se proto ani nezdržoval měřením a zkoumáním starých pasivních součástek a vyhazoval jsem je do elektroodpadu rovnou.
Počítač je nejprve potřeba umýt. Krom toho, že byl zaprášený, silikonová klávesnice pouští olej, dokud je čerstvá a všechna ZX Spectra s touto klávesnicí jsou po čase ulepená, především pod krycím plechem a v bezprostředním okolí tlačítek. Docela dobře se osvědčil kuchyňský odmašťovač na sporáky. Částečně se jím rozpustilo i lepidlo lepenky, kterým byl přilepený plech k plastu šasi.
Nebýt mírného opotřebení tlačítek a trochu poškrábaného plechu, vypadal by počítač skoro jako nový. To není špatné, na to, že byl vyroben někdy v roce 1983.
Integrované obvody do patic
Nejjednodušším způsobem, jak počítač zprovoznit, je osadit místo všech integrovaných obvodů nové precizní zlacené patice a vyměnit vše podezřelé.
Některé desky byly opravované a spoje pod jednou vypájenými integrovanými obvody nemusí být úplně v pořádku. Mohou být i zkorodované od prachu a vlhkosti, která se dostala pod pouzdra. Potíže může způsobit i kousek zapadlého drátku. U desky bez ochranného laku na straně součástí je možné leccos. Staré patice mohou být zoxidované a kontakty vymačkané, pokud do nich někdo předtím zasunul vypájený integrovaný obvod s nedostatečně očištěnými vývody. Lépe vše podezřelé odstranit, prázdnou desku lze snadněji zkontrolovat.
Některé patice starého typu se odstraňují docela snadno. Při troše štěstí se dá sundat celý plast, kontakty zahřát, vytahat po jednom pinzetou a pak odsát pájku z otvorů. Je to tak mnohem šetrnější k desce. Podobně lze odštípat některé málo cenné integrované obvody, jako třeba 74LS00 a pod. Nicméně otvory na vývody v desce ZX Spectra jsou dost velké a při troše cviku není velký problém vypájet i Z80 se 40 vývody aniž by deska znatelně utrpěla.
S prázdnou deskou bez integrovaných obvodů se taky mnohem lépe dají zkontrolovat pasivní součástky a tranzistory. Dost často zůstanou zcela odpojené, resp. připojené jen ke spojům končícím v neosazené pozici.
Mohl bych vyměnit i rezistory, ale nesetkal jsem se s tím, že by nějaký byl vadný. Stejně tak malé keramické kondenzátory jsou skoro vždy v pořádku, nejsou-li poškozené mechanicky.
Mezitím je vhodné zalepit i nějaké otvory od kutilů, které se občas v šasi vyskytují. Ten na snímku byl pravděpodobně od audio konektoru. Ale když jsem počítač dostal, konektor tam už nebyl, jen díra po něm. Později bude zaretušován černou lesklou barvou.
A po odpájení součástek je potřeba desku umýt od starého a přidaného tavidla, nejlépe lihem a papírovým ubrouskem. Lepší příležitost než v tuto chvíli, když je deska skoro prázdná, nebude. Nová pájka s bezoplachovým tavidlem sice trochu nečistot taky zanechá, ale ty pak půjdou umýt mnohem snadněji. Bezoplachové tavidlo se snadněji rozpouští a nebývá ho tolik.
Tentokrát jsem sundal i konektory. Audio jacky MIC a EAR bylo potřeba opláchnout v lihu, napájecí konektor jsem vyměnil za nový. Kondenzátory jsou pryč, integrované obvody taky, kromě LM1889. Tu není potřeba dávat do patice skoro nikdy, většinu poruch ZX Spectra přežije bez potíží.
Naopak RAM v paticích mohou ušetřit hodně starostí, pokud je některá z nich nespolehlivá a zlobí jen občas. To se týká jak VRAM, tak čipů pro RAM 32768 - 65535.
Všude jsem pak osazoval patice precizní, které snad mají lepší kontaktní vlastnosti než obyčejné. Rozhodně se do nich lépe osazují případné upgrady v modulech. Vejdou-li se do šasi, což lze realizovat pouze v plusku a i tak musí být upgrade nízký. V Gumácích místo není.
Precizní patice mají také tu výhodu, že se dají pájet z obou stran desky. Při pájení pájka vzlíná a většinou proteče i na vrchní stranu desku, takže se vývod patice připájí, nebo dá připájet správně i v případě, že je poškozené prokovení otvoru. Kontakty patice zůstávají i po připájení dostupné, nebo alespoň viditelné. Naštěstí tato deska byla v docela dobrém stavu a prokovení přežilo všude.
Stabilizátor napětí 5V
Místo staré a velmi hřející 7805 jsem tentokrát osadil modul s regulovatelným spínaným stabilizátorem LM2596S. Bohužel to není zcela bez potíží. Spínací frekvence stabilizátoru podezřele nesedí ke katalogovým 150kHz, je možné, že integrovaný obvod je padělek (a stejně tak se vyjadřoval i kdosi v hodnocení eshopu). I prodejcem deklarované 3A jsou nesmyslné. Nárazově to možná obvod vydrží, ale zhruba od 1 až 1,5A se hřeje velmi citelně a to včetně cívek, které jsou určitě vinuté mnohem tenčím vodičem než je pro 3A potřeba. Nicméně funguje a pro ZX Spectrum stačí s rezervou. Samotné ZX Spectrum z něho bude odebírat max. 0,75A a při takovém odběru je i bez chladiče mnohem studenější než původní 7805 s velkým chladičem.
Napětí stabilizátoru jsem nastavil na 5,05V naprázdno a teprve pak připojil k ZX Spectru. Při pokusu o zavření šasi jsem ale zjistil, že se stabilizátor nevejde. Musel jsem tedy nejprve vyměnit šroub skrz desku do distančního sloupku, oželet 1µF kondenzátory pod EPROM a Z80, místo toho osadit jen 100n a ještě odpájet trimr a osadit ho na vývody na boku desky, aby se šroubkem neopíral o plast šasi zevnitř. Po všech těchto úpravách to skoro vyšlo. Aby to bylo ideální, nesměly by být Z80 a ROM v paticích, nebo cca o 1mm nižších. Nakonec jsem se smířil raději s mírným prohnutím desky a neutahování vrutů šasi nadoraz. V plusku to nebude problém.
Menší spínaný stabilizátor než tento jsem nenašel. Leda si vyrobit vlastní na míru pro ZX Spectrum a ani tak by asi nemohl dost nízký, resp. o mnoho nižší. Oproti jiným má tento alespoň dvojitou výstupní filtraci, za prvním LC článkem je ještě jeden, takže napětí na výstupu není tolik rušené spínáním samotného stabilizátoru.
Samozřejmě můžete s klidem ponechat původní 7805 s původním chladičem. Ale z minulosti mám změřeno, že teplota 7805 může v zavřeném ZX Spectru snadno dosáhnout 70°C, stačí zatížit nějakou další periferií, jako je třeba DivIDE a stabilizátor zvládne slušně prohřát půlku šasi, což určitě okolním součástkám, šasi, ani membráně klávesnice příliš nesvědčí.
Pokud necháváte původní stabilizátor, je vhodné spolehlivým voltmetrem zkontrolovat jeho napětí. U několika ZX Specter jsem si všiml, že stabilizované napětí je pod 4,9V, občas i pouhých 4,80V To je pod hranicí na kterou je LS logika stavěná a samo o sobě se to může projevovat nestabilitou. S připojenou periferií to pak bude nestabilní zcela určitě. Naopak, napětí nemá být větší než 5,1V. Na spínaném stabilizátoru jsem nastavil 5,05V právě proto, aby napětí na periferiích, po všech úbytcích na spojích a konektorech, typicky u DivIDE, nekleslo pod 4,95V, protože při nižších napětích začínaly mít potíže některé SD-ATA redukce i některé CF karty.
Nové blokovací kondenzátory
Součástí repasu byla i výměna všech možných blokovacích kondenzátorů za lepší s větší kapacitou, nebo alespoň nové a bezvadné. Preferuji použití toho nejlepšího, co lze za rozumnou cenu koupit a fyzicky se vejde. Keramiky i elektrolyty obvykle zvětším na maximum, co stabilizátor zvládne. Jde hlavně o nabíjecí proud po zapnutí, což LM2596S zvládne určitě a ani se 7805 jsem nezaznamenal potíže, pokud byla celková kapacita v řádu několika málo jednotek mF.
Pokud nějaké kondenzátory přidávám, tak se snažím je umisťovat co možná nejblíže integrovaným obvodům, které rušení způsobují, nebo jsou na něj citlivé. Případně vhodně rozmístit po plošném spoji a pojistit si tak místa, na která výrobce pozapoměl.
V originálním ZX Spectru jsou blokovací elektrolyty v kapacitách pouhých 22µF, nebo 100µF na 12V větvi pro VRAM 4116 ... to je hodně málo. Po spoustě let stárnutí pak zcela nedostatečné, protože u elektrolytů se stárnutím snižuje ESR a nejsou schopné se vybíjet dost rychle a tím vyrovnávat výkyvy napětí způsobené měnícím se odběrem IO. Stejně tak blokovací keramiky jsou nejčastěji pouhých 22nF, opět zoufale málo. Konkrétní hodnoty viz schéma ISSUE 3. Pro srovnání, následující fotky ukazují zvlnění 12V napájení VRAM v originálním ZX Spectru stejné ISSUE 3, se starými původními kondenzátory včetně míst, kde jsem měřil.
Na 5V napájecí větvi je situace velmi podobná, šum značný a některé špičky téměř dosahují 400mV, což je např. hranice šumové odolnosti EPROM, kterou udává výrobce v katalogu pro typ 27C128. Stačí málo, aby se počítač stal nestabilním a např. se náhodně resetoval, nebo prováděl jiné chyby. Přitom navzdory značnému zvlnění 12V napájení a šumu na 5V se počítač zdál být stabilní. Bez připojených periferií v BASICu fungoval a kromě zarušeného video výstupu se nezdál být ničím podezřelý.
Konkrétně jsem vyměňoval tyto kondenzátory.
| číslo | původně | po výměně | účel (umístění) |
|---|---|---|---|
| C1 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací video DRAM 4116 -5V |
| C2 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací video DRAM 4116 -5V |
| C3 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací video DRAM 4116 -5V |
| C4 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací video DRAM 4116 -5V |
| C5 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací video DRAM 4116 12V |
| C6 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací video DRAM 4116 12V |
| C7 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací video DRAM 4116 12V |
| C8 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 5V u Z80 (u zámku sběrnice) |
| C25 | 22µF axiální elektr. | 470µF/16V axiální el. | blokovací 5V analog video (vlevo na kraji desky) |
| C26 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací video DRAM 4116 12V |
| C27 | 1µF axiální elektr. | 1µF/50V X7R | /RESET Z80 RC článek (u konektoru KB2) |
| C28 | 22µF axiální elektr. | 220µF/25V axiální el. | blokovací 5V u ULA (vpravo) |
| C29 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací ULA analog 5V (pred 15R u konektoru MIC) |
| C30 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací ULA analog 5V (po 15R u ULA vlevo) |
| C33 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 12V video (u konektoru KB1) |
| C34 | 22µF axiální elektr. | 220µF/25V axiální el. | blokovací 5V za stabilizátorem |
| C40 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 5V analog u LM1889 |
| C41 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací ROM 5V (u sběrnice a ROM) |
| C42 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 5V analog video (u modulátoru a TR1) |
| C44 | 100µF axiální elektr. | 220µF/25V axiální el. | blokovací 12V VRAM (mezi RAM pro 4116) |
| C45 | 100µF axiální elektr. | 220µF/25V axiální el. | blokovaci 12V analog (mezi RAM pro video) |
| C48 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 12V analog u LM 1889 (a u TR3) |
| C50 | 22µF axiální elektr. | 220µF/25V axiální el. | blokovací 9V před stabilizátorem |
| C55 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 5V DRAM |
| C56 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 5V DRAM |
| C57 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 5V DRAM |
| C58 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 5V DRAM |
| C59 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 5V DRAM |
| C60 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 5V DRAM |
| C61 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 5V DRAM |
| C62 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 5V DRAM |
| C66 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací 9V před stabilizátorem |
| C75 | 22nF axiální keram. | 1µF/50V X7R | blokovací ULA 5V |
Keramický kondenzátor na signálu /RESET je proto, protože mi axiální elektrolyty došly. Jiný důvod to nemá.
A navíc jsem přidal tyto:
| typ | účel (umístění) | 1µF/50V X7R | mezi IC3 a IC4 ze strany součástí na +5V a GND | 1µF/50V X7R | mezi IC23 a IC24 ze strany součástí na +5V a GND | 470µF/16V radiální low ESR elektr. | nad DRAM 4116 a pod R65 ze strany součástí na +5V a GND | 1000µF/16V radiální low ESR elektr. | vedle konektoru MIC a nad IC3 ze strany součástí na +5V a GND | 220µF/25V radiální elektr. | u konektoru stabil. (7805) ze strany součástí vpravo od transf. měniče na 9V a GND | 100F/50V Y5U | mezi napájecí vývody patice +5V a GND Z80 ze strany spojů | 100F/50V Y5U | mezi napájecí vývody patice +5V a GND ROM ze strany spojů |
|---|
Všechny přidané kondenzátory jsou doufám dostatečně dobře vidět na fotkách a netřeba popisovat víc. Pod ROM a Z80 jsou menší kapacity a horší materiál proto, protože se mi tam 1µF nevešly a těch 100nF jsem měl hodně v zásobách, které jsem chtěl spotřebovat.
Koncem roku 2014 jsem kondenzátory kupoval pod následujícím označením v GME a TME. Obvykle ve větším nožství, protože je používám i jinde.
- 1µF/50V X7R - http://www.gme.cz/ck-1u-50v-x7r-rm5-08-10-hitano-p120-258
- 100nF/50V X7R - http://www.gme.cz/ck-100n-50v-x7r-rm2-54-10-hitano-p120-105
- 1µF/63V axiální el. - http://www.gme.cz/cea-1u-63v-vis-asm-4-5x10-p123-350
- 4,7µF/63V axiální el. - http://www.gme.cz/cea-4-7u-63v-vis-asm-4-5x10-p123-369
- 220µF/25V axiální el. - http://www.gme.cz/cea-220u-25v-vis-asm-6-5x18-p123-138
- 470µF/16V axiální el. - http://www.gme.cz/cea-470u-16v-vis-asm-8x18-p123-303
- 470µF/16V radiální low ESR - http://www.gme.cz/ce-470u-16vit-hit-exr-10x12-5-rm5-bulk-p123-406
- 1000µF/16V radiální low ESR - http://www.tme.eu/cz/details/eeufr1c102l/elektrolyticke-kondenzatory-tht-105c/panasonic/#
Měněné kondenzátory jsou rozmístěné na ISSUE 3 zhruba takto - oranžově blokovací kondenzátory, zeleně pak změny v měniči, viz dále. Oranžové nevyplněné obdélníky vyznačují přibližnou polohu přidaných elektrolytů.
Byl bych samozřejmě rád, kdyby vše bylo na 105°, kvůli delší životnosti v podmínkách ZX Spectra, ale axiální elektrolyty se mi v takovém provedení sehnat nepodařilo a po snížení teploty výměnou stabilizátoru to není kritické (IO se drží okolo 30 - 40°C, kondenzátory jsou proto mnohem studenější). Stejně tak v Low ESR provedení nevím kde koupit, navíc už takto jsou axiální kondenzátory docela drahé, protože se jich evidentně prodává velmi málo. Low ESR by byly vhodnější kvůli spínanému stabilizátoru, hlavně v jeho bezprostřední blízkosti, naštěstí většinu špiček vyrovnají už ty polymerové, které jsou na jeho plošném spoji.
Ani kvalitní keramiky v axiálním provedení není snadné sehnat. To jsem vyřešil naohýbáním vývodů a nasazením bužírek - viz násl. foto.
Ze strany spojů jsem na použil pouze 100nF s dielektrikem pravděpodobně Y5U, prostě něco levného "co dům dal". Není to žádná sláva, ale velké 1µF zdvihaly desku a zrovna jsem jiné rozměrově menší neměl. I šroubek držící stabilizátor (nebo sloupek v mém případě) jsem musel volit zápustný a k němu vhodnou podložku, aby to celé bylo nízké.
Drobným zlepšením, které má na úroveň šumu také měřitelný vliv, je i posílení GND k patici ROM a sběrnici ZX Spectra od stabilizátoru. Méně se pak na napájení ROM a Z80 projevuje rušení působené měničem napětí pro VRAM a šum způsobený připojenou periferií. Mezi GND a +5V ROM a Z80 jsou navíc připojené výše zmiňované 100nF keramiky. Na desce ZX Spectra jsou napájecí spoje sice silnější než signálové, ale přesto příliš tenké.
Po všech provedených úpravách a po úpravě měniče zmíněné v následujím textu vypadal šum na napájení tak, jako na násl. obrázcích - měřeno na stejných místech, jako v neupraveném ZX Spectru. Šum na napájecí větvi pro video výstup s LM1889 se zlepšil hodně radikálně a pohybuje se někde na hranici mezi 50 až 100mV. Podobně i šum na napájení Z80 klesl z původních téměř 400mV na něco málo přes 100mV. To už je dost na to, aby ZX Spectrum zůstalo stabilní i s běžnými rozumně navrženými periferiemi.
Měnič napětí 12V a -5V pro VRAM
Pokud v počítači zůstaly původní RAM typu 4116, musí být dobře funkční i měnič napětí pro tyto RAM. V ISSUE 3 byl zjednodušený až příliš a v dalších ISSUE Sinclair měnič vylepšoval, ISSUE 3B je už správně.
Naštěstí není velký problém měnič osadit podle novější ISSUE 6A i na ISSUE 3. Obnáší to přidání jedné rychlé diody a kondenzátoru na 12V větev a zpřeházení součástek na -5V větvi.
Všimněte si, že nebylo potřeba vůbec upravovat desku. Žádné propojky, žádné přeškrábané spoje. Pouze pár součástek je na pozici jiných. a v případě 12V větve se to dá vyřešit vrabčím hnízdem na pozici původní D15 pod konektorem klávesnice.
Konkrétně bylo potřeba součástky zpřeházet a změnit takto:
- C44 a C45, nesouvisí přímo s úpravou měniče, ale osazoval jsem axiální 220µF/25V, umístěné u VRAM (viz tabulka výše)
- podobně C1, C2, C3, C4 nejsou přímo součástí měniče, ale jsou připojené mezi -5V a GND u VRAM, osadil jsem 1µF/50V (viz tabulka výše)
- a nakonec C5, C6, C7 jsou připojené mezi 12V a GND u VRAM, osadil jsem 1µF/50V (opět viz tabulka výše)
- C46 vyměnit za nový ekvivalent
- C49 má být 560pF, případně vyměnit, pokud není
- C47 vypájet, zůstane prázdné, postačí 1µF keramiky přímo u DRAM 4116
- D16 vypájet (může být přesunuta na pozici R54), osadit kondenzátor 4.7µF, plus na GND, (v ISSUE 6A C79)
- R54 vypájet
- zenerova dioda 5V1 na pozici R54 (v ISSUE 6A BZY88 D19)
- 2k2 rezistor na pozici D12 (v ISSUE 6A R79)
- D11 ponechat, případně osadit novou rychlou usměrňovací, stejnou jako bude ta na pozici R55 (byla 1N4148)
- R55 vypájet, osadit rychl. usměrňovací diodu, jako je D11 (v ISSUE 6A D18, obě typu 1N4148), katodou k C46
- D15 vypájet anodu, propojit s 22µF (C80) a druhou diodou (D17) dle schématu, umístění dle fotografie, kondenzátor plusem do otvoru po anodě D15
- diody D15 a D17 se mi místo BA157 podařilo koupit jen trochu pomalejší BA159, funguje bez potíží
- C43 nahradit 22nF keramikou
- C74 nahradit 1µF keramikou
- C77 by neměl být osazený vůbec, v mé ISSUE 3 na něj ani není pozice, jinde jsem ji viděl
Vlevo vidíte kompletní výsledek úpravy v ISSUE 3 a vpravo pro srovnání skutečnou ISSUE 6A, také s vyměněnými kondenzátory. Ten integrovaný obvod nohama vzhůru je 74LS32, tj. hradlo OR na signálech /MREQ a /ROMCS kvůli EPROM místo originální ROM.
Hotovo
Posledním krokem je osazení nové membrány pod gumová tlačítka a přilepení plechu oboustrannou lepící páskou. Tady jsem trochu proklínal ten úzký proužek plastu, na kterém občas páska nedrží dost, zvláště u plechů trochu (byť nepatrně) zohýbaných.
Pak už je pravděpodobně čas radovat se z funkčního ZX Spectra a spustit nějakou pořádnou herní pecku.
