1940年代からのテレタイプ用のスイッチング電源（発光水銀サイラトロンを使用！）

最近、1940年代の海軍通信システムであるモデル19テレタイプの復元プロセスを開始しました[1] 。 このテレタイプは、「REC-30整流器」と呼ばれる大規模なDC電源によって駆動されていました。 下の写真のように、水銀蒸気に特別なサイラトロンを使用し、電源を入れるとひどい青い光を放ちました。


REC-30電源のサイラトロンチューブは、このような青い光を発します。 オレンジ色の光は、電圧基準として使用されるネオンランプから来ます。

REC-30は、主に非常に初期のスイッチング電源であるため、興味深いインスタンスです。 （このデバイスをスイッチング電源と呼ぶことは非常に議論の余地があることを知っていますが、それでも、これをしない理由はありません）。 最近では、スイッチング電源がどこでも使用されているという事実にもかかわらず（高電圧トランジスタの低コストのため）、1940年代には好奇心でした。 REC-30は巨大です-その重量は45キログラムを超えます！ MacBookの300グラムの電源と比較すると、1940年代からの電源の開発の印象的な進歩を見ることができます。 この投稿では、電源の内部を調べ、その動作原理を説明し、MacBook'aのPSUと比較します。

テレタイプとは何ですか？

テレタイプモデル19。1945年のBuShips Electronマガジンの画像。

テレタイプは、本質的に、長距離の有線接続を介して通信できるタイプライターであるテレプリンターのメーカーのブランドです。 ジャーナリズムについての古い映画を通して、これらのデバイスがニュースレターの送信に使用されたテレタイプに精通しているかもしれません。 あるいは、ASR33テレタイプを端末として使用した1970年代のコンピューターを見たことがあるかもしれません。 現代のコンピューターのシリアルポート技術の用語のほとんどは、テレタイプの時代から来ています：スタートビットとストップビット、ボーレート、TTY、さらにはブレークキーです。 テレタイプは、5ビットエンコーディングを使用してパンチテープから文字を読み書きする方法も知っていました[2] 。


「テレタイプは永遠に残ります。」写真は、テレタイプで使用される5ビットエンコーディング用のパンチテープを示しています。 1945年のBuShips Electron誌からの画像。

テレタイプは1900年代初期に登場しました。 この電子化以前の時代では、電磁石、スイッチ、レバー、ギア、カム機構などの複雑な電気機械装置を使用して、文字の選択、シリアル化、および印刷が実現されていました。 テレタイプでキーを押すと、シンボルに関連付けられた特定のスイッチセットが閉じられます。 電動ディストリビューターは、ワイヤー伝送用にこのビットセットをシリアル化しました。 受信側では、電磁石が受信したデータビットを機械的選択リッジの動きに変換しました。 隆起の動きは、採用された記号に対応する凹部の組み合わせを形成し、記号に関連付けられた典型的なレバーと一致します。 その結果、印刷​​された文字[3]を取得します。


部分テレタイプモデル19

電流ループ

テレタイプは、60mAの電流ループを介して相互に通信します。回路内の電流の存在は、値「マーカー」を提供します（テレタイプは、それぞれ、パンチテープでパンチされます）。 各文字は、スタートビット、5データビット、ストップビットの7ビットで送信されます。 PCでシリアルデバイスを使用したことがある場合は、開始ビットと停止ビットの概念を導入したのはテレタイプであることに注意してください。 また、ボーレートは5ビットコーディングの発明者であるEmil Bodoにちなんで命名されました。 REC-30電源ユニットは、120 V DCで900 mAを生成し、15のテレタイプに電力を供給します。

おそらく、この奇妙な電流ループの代わりに、テレタイプが単に電圧レベルを使用しなかったのではないかと思われているでしょうか？ 主な理由は、別の都市に有線で信号を送信する場合、経路に沿った電圧降下のために、結果として生じる電圧がその端にあることを知ることは非常に難しいからです。 ただし、60mAを送信すると、受信機は同じ60mAを受信します（もちろん、短絡がない場合） [4] 。 テレタイプで電磁石とリレーを駆動するには、大電流が必要です。 将来、テレタイプは60mAではなく20mAの電流ループを使用するようになりました。

スイッチング電源を使用する理由

安定化電源を開発するにはいくつかの方法があります。 最も簡単で明白なのは、ランプまたはトランジスタ上に構築されて電圧を安定化するリニア電源です。 電源は可変抵抗器のように動作し、入力電圧を必要な出力レベルまで下げます。 リニア電源の問題は、原則として、過剰な電圧が無駄な熱に変換されるため、あまり効率的ではないことです。

実際、最新の電源がスイッチングされています。 高周波でオンとオフを切り替えるため、平均電圧が目的の出力レベルになります。 スイッチング素子は（アクティブであるかどうかに関係なく）リニア電源のような高い抵抗を持たないため、インパルスユニットはかなりのエネルギーを無駄に費やします。 さらに、通常ははるかに小さくて軽いですが、REC-30開発者がこのキヤノンに従わなかったことは明らかです（幅は60cm以上） [5] 。 目を引くほとんどの電源は、携帯電話の充電からコンピューターの電源まで、パルス駆動です。 パルス電源は、高電圧半導体の開発後、1970年代に人気を博したため、チューブコンポーネントベースのREC-30は非常に珍しい標本です。


グレー塗装のケースに入ったテレタイプREC-30電源。 電源ケーブルが上にあります。 ランプは右側のドアの後ろにあります。

REC-30電源の内部

下の写真では、電源の主要なコンポーネントを見ることができます。 交流電流は左に流れ、大型の単巻変圧器に供給されます。 単巻変圧器は、入力AC電圧（95Vから250Vまで可能）を変換する特別な単巻き多目的変圧器です[6] 230Vに固定。 このため、電源は、ワイヤを単巻変圧器の対応する端子に接続するだけで、広範囲の入力電圧を消化できます。 単巻変圧器からの出力230Vは陽極変圧器（制御）に供給され、サイラトロン管用に400Vを生成します[7] 。 次に、電圧を整流および安定化し、交流電流を直流電流に変換します。 その後、電流はコンデンサ（写真では見えません）とインダクタ（インダクタ）でフィルタリングされ、最終的に出力は120V DCになります。


REC-30の主要コンポーネント

ここでは、電源スイッチ自体を省略します。 REC-30での交流から直流への変換は、ほぼ下図のように、全波整流器と中点変圧器（制御変圧器）を使用して行われます（ダイオードの代わりに、サイラトロン管が電流の整流に使用されます）。 変圧器の巻線は逆位相の2つの正弦波を出力するため、サイラトロン管の1つを通過する電流の位相は常に正になり、脈動する直流電流を受け取ります（つまり、交流電流の負の位相が反転し、正の出力信号が得られます）。 次に、インダクター（チョーク）とフィルターコンデンサーを使用して、電源がリップルを平滑化し、均等な出力電圧を提供します。

交流（左）を脈動直流（右）に変換する全波整流器（中央）のスキーム。 画像はWdwd 、 CC BY 3.0に属します。

上図のダイオードとは異なり、電源のサイラトロン管はオンとオフを切り替えることができるため、出力電圧を制御する機会が与えられます。 主なアイデアは、以下のアニメーションのように、サイラトロンを交流サイクルの特定の固定フェーズに含めることです。 サイラトロンが全サイクルでオンになっている場合、半サイクルがオンになっている場合、次に半分の電圧になり、サイクルのほんの一部の場合、出力の電圧は非常に小さくなります[8] 。 この技術は位相制御と呼ばれます。これは、デバイスが特定の位相角（たとえば、交流正弦波の場合は0°〜180°）でのみオンになるためです。 サイラトロン管の代わりに半導体トライアックを使用することを除いて、非常によく似た方法が従来の照明調光器で使用されます[9] 。


位相調整のスキーム。 アニメーションの上部は、パルスのどの部分が使用されているかを示し、下部はサイラトロンがオンになった瞬間を示しています。 画像はZureks 、 CC BY-SA 2.5に属します。

電源のサイラトロン管は無線管に似ていますが、対照的に、ガラス球の内部にアルゴンと水銀蒸気が含まれています（一方、真空は無線管で維持されます）。 サイラトロンチューブは、白熱フィラメント（カソード）、アノード、グリッドの3つのコンポーネントで構成されています。 従来の電球で使用されているものと同様の白熱フィラメントが加熱され、電子を放出します。 チューブの上部に取り付けられたアノードがこれらの電子を拾い上げ、カソードからアノードへの電流の流れを可能にします。 アノードとカソードの間に配置された参照電極（グリッド）は、電子の流れをブロックする目的に役立ちます。 電子がアノードに流れると、水銀蒸気がイオン化されるため、サイラトロンが開き、写真で見ることができる青色のグローの形で副作用が生じます（ただし、通常のラジオチューブには電子の流れがありますが、イオン化するものはありません）。 イオン化された水銀は、カソードとアノードの間に非常に伝導性の高い経路を作成し、かなり強い電流を流します（1.5A）。 水銀がイオン化されると、グリッドはサイラトロンを制御しなくなり、アノードとカソード間の電圧がゼロになるまで開いたままになります。 この時点で、イオン化は低下し、チューブは再び開いた状態に移行するまでオフになります。


テレタイプ用のREC-30電源ユニット。 サイラトロン管の青い輝き、電圧基準源として使用されるネオンランプのオレンジ色の輝きを見ることができます。 タイマーとリレーは左上に表示されます

グリッドの電圧はサイラトロンを制御します。 負の電圧は負に帯電した電子を反映するため、カソードとアノード間の電子の流れが抑制されます。 しかし、アノードの電圧が十分に強くなると、電子がグリッドの反発に打ち勝ち、サイラトロンが開きます。 重要な点は、グリッドの負電圧が高いほど反発が強くなり、サイラトロンを開くのに必要な電圧が高くなることです。 したがって、グリッド全体の電圧は、サイラトロンが開く交流サイクルの位相を制御します。

電源ユニットの制御回路は、グリッド上の電圧の変化により出力電圧を安定化し、サイラトロンのタイミングを制御します[10] 。 電源の調整ポテンショメーターを使用して、タイミングを変更したときの電圧の変化を示しました。 出力電圧（波形の青色）を114Vから170Vの範囲で設定できました。 安定化回路はグリッド電圧（ピンク）を調整し、それを介してサイラトロンのタイミング（青緑と黄色）を制御しました[11] 。 波形は少しトリッキーです- 対応する音に注意してください 。 注目すべき重要な詳細は、出力電圧の増加に伴って青緑と黄色の曲線のピークが左にシフトする方法です。これは、サイラトロンがより早くトリガーされることを意味します。


位相を変えることにより、出力電圧は130Vから170Vに調整されます。 黄色と青緑色は、サイラトロンの電圧を示しています。 ピンク-グリッド信号を制御します。 青は反転出力電圧です。

下の画像は、REC-30電源の回路を示しています（ こちらのほうが大きい）。 AC入力回路は緑色で強調表示されます。 その中で、自動変圧器は入力電圧を最大230Vに安定化し、それを制御変圧器に供給します。 設置されたサイラトロンチューブには興味深い特徴があります。水銀が確実にガス状になるように、使用前に予熱する必要があります。 20秒間バイメタルタイマーを使用してウォームアップ[13] 。 400Vの電圧を生成する制御トランスの2次側は赤色でマークされ、サイラトロン安定化電圧はオレンジ色で強調表示され、低電圧は青色で強調表示されます[14] 。 制御回路（回路の下部）はもう少し複雑です。 制御グリッドランプ（五極管6J6）は、サイラトロングリッドに制御電圧を供給し、それらをオンにするタイミングを制御します。 このランプは、ポテンショメーター（電圧分割を使用）を介してフィードバック電圧（ピン5）を受け取ります。 ランプ出力ピン（ピン3）はサイラトロングリッドの電圧を設定し、出力電圧を安定させます。 ネオンランプの電圧降下はほぼ一定であるため、基準電圧源として動作し、制御ランプ（ピン8）のカソードに固定電圧を供給することができます。


電源回路REC-30。 何らかの未知の理由により、図面では、オームは通常のΩの代わりに小文字（ω）でオメガでマークされています

MacBook電源との比較

この電源をMacBookの最新の電源と比較して、過去70年間にどれだけのスイッチング電源が開発されたかを追跡することは興味深いことです。 Apple MacBookの電源アダプタは、REC-30電源にほぼ匹敵します。85Wの直流を供給し、入力変数を変換します（REC-30の場合、このインジケータは108ワットです）。 ただし、同時に、MacBookの電源の重量は約280グラムで、REC-30の重量は約45キログラムです。 さらに、サイズはREC-30の寸法の1％よりも大幅に小さく、1940年代以降の電子機器の小型化における驚くべき成功を明確に示しています。 スイッチング電源用の大規模なサイラトロンは、コンパクトなMOSFETに置き換えられました。 抵抗器は、指のサイズから米粒よりも小さいサイズに減少しました。 最近のコンデンサは小さくなりましたが、抵抗器ほどの大きさではありません。下の写真にあるように、MacBookの最大の充電コンポーネントの1つです。


Apple MacBook用の85ワット電源の内部。 小さいにもかかわらず、電源はREC-30と比較してはるかに複雑です。 電力線の効率を改善する力率補正（PFC）回路を備えています。 多数のセキュリティ機能（回路には16ビットのマイクロコントローラーさえあります！）電源の状態を監視し、脅威やエラーが発生した場合に電源をオフにします。

MacBookの充電器は、大規模な自動変圧器と陽極制御変圧器を小型の高周波変圧器に置き換えることにより、その重量の大部分を削減しました。 MacBookの電源は、REC-30の最大1000倍の周波数で動作するため、インダクタとトランスをさらに小さくできます。 （ ここでMacBookの充電に関する詳細な記事と、電源の歴史についての記事をここに書きました。）

下の表に、REC-30とMacBookの電源の違いをまとめました。

	REC-30	MacBook 85W
重さ	47.4kg	0.27kg
寸法	64.5cm x 20.3cm x 27.9cm（36.5リットル）	7.9cm x 7.9cm x 2.9cm（0.18リットル）
AC入力	95-250V、25-60Hz	100-240V、50-60Hz
出力電流	108A、120V DC、0.9A	85W、4.6Aで18.5V DC
アイドル（スプリアス）エネルギー消費	60W	0.1w未満
有害物質	水銀、鉛はんだ、場合によってはアスベスト線の絶縁	いいえ（ RoHS認定）
外部管理	バイメタルタイマーとリレー	16ビットMSP430マイクロコントローラー
スイッチング素子	サイラトロン管323	Nチャネルパワー11A MOSFET
基準電圧源	ネオン放電ランプGE NE-42	バンドギャップTSM103 / A
シフト制御	ペントード6F6	共振コントローラーL6599
スイッチング周波数	120Hz	約500 kHz

REC-30の出力品質を測定しました（下の画像）。 電源は私が予想したよりもはるかに良い信号を生成します-わずか200mVのリップル（青い水平線上の波）、これはAppleのデバイスのレベルに非常に近いです。 ただし、波形では、サイラトロンの切り替え時に発生する約8ボルトの狭いバースト（垂直線）も確認できます。 これらのサージは、アップルの電源に比べて非常に大きいですが、 安価な充電器よりもはるかに少ないです。


REC-30電源の出力信号。 電源を切り替えると、わずかなリップルとバーストが発生します。

おわりに

REC-30電源は、テレタイプ用に100ワット以上のDC電力を生成します。 1940年代にリリースされたREC-30は、水銀サイラトロンチューブを使用して効率を大幅に向上させた非常に初期のスイッチング電源ユニットでした。 100Wの電源では途方もなく大きく、重量は45キログラム以上でした。 同等の最新の電源ユニットは、100倍以上コンパクトで軽量です。 あなたはマークのビデオで見ることができるように、その時代にもかかわらず、電源は完璧に働きました。 さらに、プロセス自体は非常に美しく見えます-サイラトロンからの青い輝きと大きなネオンランプからのオレンジ。



この電源での作業をしてくれたCarl ClaunchとMarc Verdiellに感謝します！

注釈

1.海軍へのテレタイプの導入に関する最初の言及は、1945年9月からのBuShips Electronにありました。 一般に周波数シフトキーイング（FSK）を使用する無線テレタイプ（RTTY）の開発により、海軍のニーズに合わせてテレタイプを使用できるようになりました。 当初、艦隊は、海岸のステーションを相互に接続するためだけに無線テレタイプを使用し、その後、船舶でそれらを使用し始めました。 テレタイプの主な利点は速度でした。無線でメッセージを手動で送信するよりも4倍高速でした。 さらに、パンチされたテープ上のメッセージは自動的にコピーおよび転送されます。 また、テレタイプは、使い捨てノートブックの暗号システムに基づいて、 SIGTOTなどの暗号機器と統合できます。 第二次世界大戦のテレタイプの詳細については、 こちらをご覧ください 。 ↑

2. 1870年代、エミールボードは彼にちなんで名付けられた5ビットコードを発明しました。 別の5ビットコードは、1901年にドナルドマレーによって作成され、ITA-2（CCITT-2）として標準化されました。 両方のコーディングスキームは偶然に見えます-文字はランダムに散らばっているようです。 ただし、元のBodoコードはグレイコードでもあり、Murrayコードは、最も一般的なキャラクターの穿孔を少なくしてメカニズムの摩耗を減らすために最適化されました。 5ビットコードは、文字のアルファベット順とバイナリ順が一致する1960年代のASCIIの標準化まで関連していました。 ↑

3.テレタイプの仕組みの詳細については、 こちらをご覧ください 。 さらに、より広範なドキュメント- 電信の基礎（テレタイプライター） 、陸軍技術マニュアルTM 11-655、1954があります。REC-30の図面はここからダウンロードでき、ドキュメントはこちらです。 ↑

4.電圧測定に基づくシステムとは対照的に、電流ループのコンポーネントは、名前が示すように、電流が流れることができるようにトポロジカルループを形成する必要があることに注意してください。 回路からデバイスが除外されている場合、ループクロージャメカニズムがないと、ループが切断されます。 その結果、テレタイプ通信システムには多くのソケットが含まれています。これらのソケットは、コンポーネントがオフになると閉じて、現在のループが機能し続けます。 ↑

5.最新のスイッチング電源と比較して、REC-30が非常に大きくて重い主な理由は、パルス周波数がわずか60 Hzである一方で、最新のPSUは数十キロヘルツの周波数で動作するためです。 変圧器のEMFは動作周波数に比例するため、高周波変圧器は低周波変圧器よりもはるかに小さくすることができます（ more ）。 ↑

6. REC-30は、広範囲の入力電圧（95、105、115、125、190、210、230、250ボルトの交流）およびさまざまな周波数（25、40、50および60 Hz）の電流で動作します。 最新のスイッチング電源は、入力電圧に自動的に調整されますが、REC-30では、入力電圧を変更するために、オートトランスの対応する端子に接続する接点が必要です。 25Hzの周波数は、電源の入力電流にとって非常に奇妙ですが、米国の多くの地域では1900年代に25ヘルツの電力を使用していました。 特に、ナイアガラの滝は、タービンの設計上の特徴により、25 Hzの電流を生成しました。 1919年には、ニューヨークのエネルギー生産の2/3以上が25 Hzの周波数であり、バッファローでは1952年にのみ25 Hzを超えるボリュームで60 Hzの電流を使用し始めました。 25Hz電流の人気により、1900年代初期の多くのIBMパンチャーは25ヘルツ（ more ）で動作しました。 ↑

7. DC入力からAC入力を分離することは、充電器、コンピューターの電源、問題のREC-30など、ほとんどの電源の重要な安全機能です。 このデカップリングにより、出力接点と接触したときの強い感電を防ぎます。 REC-30の場合、陽極変圧器は絶縁体として重要な役割を果たします。 自動変圧器は主巻線が1つしかなく、出力に触れることは入力AC電流に触れることと同じであるため、絶縁保護を提供しないことに注意してください。 回路の残りの部分はきちんと設計されているため、入力と出力の間に直接の経路はありません：制御システムは完全に二次側にあり、サイラトロンフィラメントは自動変圧器から分離された巻線から供給され、リレーはタイマーを分離します。 さらに、120V出力は、接点の1つを接地するのではなく、プッシュプルになっています。これは、感電するために2つの接点を一度につかむ必要があることを意味します。 ↑

8.最新のスイッチング電源は、パルス幅変調（PWM）回路を使用して、毎秒1000回の周波数で電力を切り替えます。 これにより、1つのACサイクルで1回だけスイッチングする電源と比較して、はるかに小さいサイズとより均一な出力信号を持つことができます。 しかし、同時に、はるかに複雑な管理システムが必要です。 ↑

9.サイラトロンに相当する最新のソリッドステートは、SCRまたはサイリスタ（「サイラトロン」と「トランジスタ」という言葉の組み合わせ）とも呼ばれるシリコン整流器です。 SCRには4つの半導体層があります（2層ダイオードと3層トランジスタに比べて）。 サイラトロンと同様に、SCRは電流が制御電極に印加されるまでオフ状態です。 SCRはオンのままで、電圧が0に下がるまで（厳密には、流れる電流が保持電流より小さくなるまで）ダイオードとして機能します。 トライアックは半導体素子で、SCRと非常に似ていますが、電流を両方向に伝送することを除いて、交流回路でより便利です。 ↑

10.最初は、負荷が増加すると、より多くの電流を供給するためにサイラトロンがより長い時間オープンになると思いました。しかし、オシロスコープを接続し、さまざまな負荷でのサイラトロンの動作を調べた後、位相シフトに気付きませんでした。これは予想される動作であることが判明しました。負荷に関係なく、トランスは一般に一定の電圧を生成します。したがって、サイラトロンのタイミングは負荷の変化中に一定のままであり、変圧器は単により多くの電流を生成します。このビデオでは、現在の強度が増加するとサイラトロングローがどのように変化するかを確認できます。↑

11.軽負荷では、電源は途中でサイラトロンを切り替えるのではなく、ACサイクルを完全にスキップすることもあります。視覚的には、これは一定のグローではなく、サイラトロンの点滅として観察できます。これがバグか機能かはわかりません。↑

12.波形の黄色と青緑色の線は、2つのサイラトロンの電圧を示しています。ラインの平らな部分（この時点で電圧差はほぼゼロです）は、この時点でサイラトロンがオンになっていることを意味します。サイラトロン管は非対称であるため、黄色の信号が接続されているものは通常、後で点灯します（視覚的に、1つのサイラトロンが他のサイラトロンよりも明るく輝く様子を見ることができます）。ピンクの線は、制御グリッドの電圧です。出力電圧を上げるために上昇し、この上昇によりサイラトロンがより早く発火することに注意してください。ピンク色の線の垂直バーストは、サイラトロンのトリガーによるノイズです。下部の青い線は出力電圧です（反転：電圧が上昇すると線が下がります）。

私にとって謎は、少なくとも1つのサイラトロンが常に機能する理由です。黄色または青緑色の線は常にゼロです。私は、1つのサイラトロンのゼロ電圧と2番目のサイラトロンが開く瞬間との間にギャップがあると予想しています。大きなインダクタはカソードに負の電荷を誘発するので、アノードが負の場合でも、カソードとアノード間の電位差は正のままです。↑

13.ハンドセットに電源を投入する前の20秒の遅延は、タイマーとリレーによって実現されます。タイマーは、ヒーター付きのバイメタルプレートを使用します。電源をオンにすると、カソードはすぐ
に電力を受け取り、チューブを温めます。同時に、タイマー内のヒーターがバイメタルプレートを加熱し、ある時点でプレートが十分に曲がって接点を閉じ、チューブに電力を供給します。同時に、リレーがアクティブになり、接点も閉じます。↑

14.サイラトロン白熱フィラメントは、チューブの加熱としても直接カソードとしても使用されるため、カソードに関連するチェーンは少し注意が必要です。それらには、自動変圧器から2.5Vが供給されます。さらに、カソードはサイラトロンのフィラメントでもあるため、カソード自体が出力電圧を生成し、出力信号のハイサイドに接続されます。両方のタスクを確実に実行するために、単巻変圧器の分割巻線はフィラメントに2.5 Vの電圧を印加しますが、同時に出力電圧を直接通過させます。両方のサイラトロンは白熱フィラメントのみで合計35Wを使用するため、ご覧のように、加熱は多くのエネルギーを消費し、多くの熱が放出されるため、何らかの方法でスイッチング電源の利点を無効にします。↑