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DarwinNE

Recupero PowerMac G4 Graphite

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Ciao a tutti,

ho recuperato qualche giorno fa al lavoro un PowerMac G4 guasto destinato ad essere gettato, completo di monitor Apple Studio Display, un CRT da 17".

L'ho portato a casa per cercare di rimetterlo in piedi ed è stato abbastanza chiaro fin da subito che il guasto era dovuto all'alimentatore.

Ho ovviamente aperto l'alimentatore per cercare il guasto, ma questo non era banale (spesso è il ponte di diodi in alta tensione che salta, oppure uno dei transistor, oppure ancora i condensatori o i diodi Shottky in bassa tensione).

Non sono equipaggiato per lavorare in sicurezza sulla sezione in alta tensione di un alimentatore a commutazione e quindi non ho insistito più di tanto... non voglio mettere in pericolo me stesso e la mia strumentazione per un'operazione maldestra.

DISCLAIMER: tutte le modifiche non autorizzate da Apple possono compromettere in maniera irreparabile l'utilizzo della macchina.

Ho quindi voluto rimpiazzare il vecchio alimentatore con un ATX regalatomi da un caro amico (grazie Paolo!!!), ma è stato subito evidente che le prese di alimentazione non sono le stesse e che un certo lavoro era necessario. Ecco una pagina interessante, con alcune informazioni sui connettori di alimentazioni:

http://www.outofspec.com/frankenmac/wire.shtml

Ed ecco, direttamente dal sito Apple, la disposizione dei contatti che ho sul connettore di alimentazione relativo alla mia macchina (un modello Gigabit Ethernet, monoprocessore a 400 MHz):

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Il connettore standard ATX ha 20 contatti mentre quello Apple ne ha 22.

Più o meno tutte le tensioni sono quelle standard delle motherboard da PC: i 3,3 V, i 5V ed i 12V a forte corrente, il comando di accensione (power on), la tensione di -12V a bassa corrente.

Diciamo che il connettore da 20 poli può essere utilizzato in quello originale da 22, a patto di tagliare qualche linea e fare corrispondere le varie tensioni, come indicato nella pagina che ho linkato.

Quello che provoca veramente dei problemi è la linea a 28V, che non si trova nei PC e che si trova su uno dei due pin lasciati liberi dal connettore a 20 poli. Questa linea veniva utilizzata per alimentare i dispositivi Firewire, ma l'utilizzatore che richiede più potenza è il monitor.

Su questi modelli, veniva montato il famigerato Apple Display Connector (ADC), che forniva alimentazione, segnali analogici e USB al monitor:

http://it.wikipedia.org/wiki/Apple_Display_Connector

Questo vuole dire che sulla linea a 28V il computer si aspetta un assorbimento di circa 100W (i dati di targa indicano 4A, che è persino di più). Gli alimentatori ATX forniscono 5V 1A per gli utilizzatori USB. Apparentemente, non si riesce a combinare un granché.

Buona notizia: in assenza di monitor ADC, il calcolatore parte regolarmente anche con soli 5V sulla linea da 28V. Questo vuol dire che facendo a meno del monitor originale che non si può alimentare con altro che con 28V a meno di modificarlo pesantemente, si può collegare un monitor alla presa VGA e continuare a vivere felici. Qualcuno per la verità riporta che la macchina può non essere stabile se utilizzata in questo modo. Un alimentatorino esterno da 28V e pochi milliamper è sufficiente per far sì che il calcolatore parta, a condizione di non dover alimentare un monitor.

Cattiva notizia: io non ho un monitor VGA disponibile in casa né ho intenzione di cercarne uno. Avendo l'Apple Studio Display, ho quindi cercato il modo di fornire l'alimentazione al monitor in modo un po' diverso, sfruttando la linea a 12V, che nel mio alimentatore ATX è piuttosto robusta e che può fornire 12A, contro gli 8A dell'alimentatore originale Apple.

Ho messo a punto un convertitore DC/DC da 100W, adatto a convertire i 12V in 25-28V per alimentare il monitor. Quando la linea a 12V non è disponibile, un semplice diodo fornisce i 5V necessari alla macchina per poter rispondere al comando di start ed attivare le altre sezioni dell'alimentatore. Un po' rudimentale, ma il sistema funziona, anche se non permette (a dire il vero) di lasciare in stop il calcolatore.

Ecco il circuito montato su millefori:

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Per comodità, l'ho fissato su uno dei supporti per i dischi aggiuntivi disponibili all'interno del G4. Ecco il retro del circuito:

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Nel mio prossimo intervento, mostrerò lo schema elettrico e darò una descrizione tecnica del funzionamento del circuito.

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@ robattistella: :)

Come promesso, continuiamo con qualche informazione più tecnica sul convertitore. Ecco lo schema elettrico (realizzato con FidoCadJ):

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Si tratta di un convertitore boost (o step up) più che classico. La particolarità è che io vado piuttosto controcorrente e non amo utilizzare integrati tuttofare. Il motivo è presto detto: nelle realizzazioni casalinghe ci si scontra spesso con problemi di reperibilità di componenti e con package difficili da saldare. Io lavoro spesso su millefori e diciamo che ne approfitto anche per imparare qualcosa, cosa per me più importante del risultato finale. Ovvio che se dovessi far realizzare 10000 circuiti ripiegherei verso uno schema basato su un UC3842 o similari.

Sulla sinistra, i transistor Q1 e Q2 formano il più classico degli oscillatori a rilassamento, un venerabile schema ben conosciuto dagli appassionati di qualche anno fa. Ho utilizzato la tensione di carica dei condensatori sulla base dei transistor per generare una specie di tensione a dente di sega, alla frequenza di 66 kHz circa. La forma d'onda non è perfetta (dopotutto, è un tratto di esponenziale e non è lineare), ma va più che bene per quanto ci proponiamo di fare. I diodi D1 e D2, più il condensatore C3 si occupano di portare la tensione (che ha una componente negativa, dato che l'oscillatore si comporta come pompa di carica) nell'intervallo ammesso dal comparatore X1A, la prima metà di un LM393. L'uscita dei X1A è quindi un segnale modulato in PWM che viene inviato ad un IRF540, un mosfet in contenitore TO220 adatto a controllare correnti fino ad una ventina di amper. I transistor Q3 e Q4 si occupano di pilotare in maniera piuttosto robusta la base del mosfet, di modo da ridurre il tempo di commutazione e quindi la potenza dissipata. L'induttanza L1 l'ho ricavata da un trasformatore di un alimentazione a commutazione di tipo flyback.

L'induttanza di 18µH è abbastanza bassa ma indica che il nucleo in ferrite di questa bobina è provvisto di un traferro abbastanza largo. Questo è importante perché a differenza di un trasformatore classico qui si tratta di immagazzinare ad ogni ciclo di commutazione un'energia abbastanza rilevante. Un nucleo senza traferro darebbe luogo ad un'induttanza più elevata, ma saturerebbe abbastanza in fretta riscaldandosi moltissimo.

Una rete di controreazione adopera X1B, la seconda metà del comparatore LM393 per controllare il duty cycle con cui viene pilotato il mosfet. In realtà, qui c'è da stare attenti perché il comparatore è utilizzato in regime lineare e potrebbe non essere stabile. Nella mia realizzazione, l'effetto dei condensatori C4 e C5 evita dei problemi, ma una prova al banco è comunque più che consigliata.

Non ho potuto misurare con precisione l'efficienza, perché non avevo abbastanza voltmetri ed amperometri per fare le prove in contemporanea con una certa precisione. Alcune misure fatte sequenzialmente mi hanno comunque fornito valori compresi tra 92 e 96%. Mi sento di dire che l'efficienza dovrebbe superare il 90% e probabilmente aggirarsi intorno al 95% per la maggioranza dei carichi.

Il prezzo da pagare per l'uso di un circuito così semplice è l'assenza di qualunque tipo di protezione. Un cortocircuito sull'uscita provocherà probabilmente la bruciatura del mosfet. In questo caso, si avranno in uscita i 12V forniti dall'alimentatore ATX e questo entrerà in protezione.

Potrebbe essere interessante adottare una protezione crowbar per una condizione di sovratensione sull'uscita. Allo stesso modo, si potrebbe pensare di utilizzare altri comparatori per verificare che tutto si svolga come previsto.

La regolazione di linea è ottenuta a partire dai 12V forniti e non è quindi per nulla eccezionale. Si potrebbe stabilizzare con uno zener (o meglio, un riferimento di tensione shunt) la tensione a valle della resistenza R11 ad un valore intorno ai 10V. Il mio monitor comunque funziona correttamente con tensioni anche più basse di 28V ed il mio circuito fornisce sotto carico circa 24V.

Ho usato come dissipatore un vecchio radiatore da CPU su cui ho fissato il diodo Shottky MBR4045 (prelevato dall'alimentatore originale del G4) ed il mosfet IRF540. Ho utilizzato degli isolatori per evitare cortocircuiti ed un po' di pasta termica per migliorare la conduzione del calore. Si deve poter toccare il radiatore sotto carico nominale. Se scotta, vuole dire che è troppo piccolo. Volendo, si possono mettere in parallelo più mosfet IRF540 (ognuno con la sua brava resistenza di gate) per guadagnare un po' nel margine di progetto che non è enorme. Si faccia attenzione comunque alle piste o ai fili percorsi da forti correnti e consiglio di utilizzare condensatori a bassa resistenza serie (ESR).

Bene, mi pare doveroso dire che ho montato un solo prototipo e quindi la realizzazione non è a prova di bomba. Non provate a montare il circuito in assenza almeno di un oscilloscopio!

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Terminiamo con qualche foto.

Ecco il convertitore installato all'interno del PowerMac G4:

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Ed ecco una vista del sistema in funzione, con il monito Apple Studio Display acceso, a fianco dell'iMac G5 che uso di solito. Il MacBook che uso al lavoro schiaccia un pisolino...

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