Das C64 Netzteil, Schwachstellen und Reparatur

Das C64 Netzteil und seine Schwachstellen.

Bei den inzwischen 25 Jahren alten Netzeilen kommt es leider immer häufiger zu Defekten, es wird zeit das Netzeil einer Inspektion zu unterziehen und ein paar Updates nachzurüsten.

Kommen wir erstmal zur alten Commodore Netzteil Technik:

Der Trafo im Netzeil:
Defekte am Trafo sind sehr Selten, ein Windungsschluss auf der Primärseite könnte zwar die Spannung auf der Sekundärseite deutlich anheben, aber ich habe noch nie ein Netzteil mit so einem Defekt gesehen.
Ein Windungsschluss auf der Sekundärseite würde die Ausgangsspannung Reduzieren, bzw. eine Unterbrechung die Spannung zusammenbrechen lassen, was unkritisch ist da es üblicherweise keine Zerstörungen auslöst im C64. Kurzschlüsse von der Primär auf die Sekundärwicklung sind ich durch die Trafobauart
fast unmöglich.

Ein Trafotausch wegen möglichen Defekt auf der 9 Volt AC Versorgung ist nicht notwendig, Spikes oder HF Störungen sind eine kleine Gefahr die durch die Serienmäßige Eingangsdrossel im C64 deutlich Reduziert wird. Eine Supressordiode schadet aber nicht um Spikes etc zu minimieren.
Ein Trafo Defekt ist sehr selten und führt in 2 von 5 Defektmöglichleiten zu keiner Zerstörung des Computers, in der Praxis habe ich noch keinen Defekten Commodore Trafo gesehen.

Der Siebkondensator 16V 4700uF:

Da das Netzteil üblicherweise ständig am Stromnetz angeschlossen ist gibt es eine Eigenerwärmung über den Transformator und die Ruheströme in den Dioden und Spannungsregler, die Temperatur Steigt bei eingeschalteten C64 nochmals deutlich an.
Der Kondensator ist so ständig im Standby Temperaturen zwischen 30 bis 40°C und im Rechnerbetrieb bis zu 70°C ausgesetzt.
Bei einer Betriebszeit von bis zu 25. Jahren und geringer Temperaturfestigkeit ist die erwartete Lebensdauer bereits deutlich überschritten
so das ein Ausfall sehr wahrscheinlich ist.
Im Fehlerfall kann der Kondensator das Netzteil spontan Kurzschließen àSicherung im Netzteil löst aus meist kein Defekt am C64.
Am Häufigsten reduziert sich die Kapazität so weit das der 5 Volt Ausgang vom Netzteil anfängt um die 5 Volt zu Schwingen, das führt zu Abstürzen durch Unterspannung oder bei Ungünstigen Reglerverhalten auch zu Überspannungen die den Rechner zerstören kann.
Fehlerbilder das der C64 ohne ein Modul Läuft und mit Modul nicht mehr aufstartet oder Instabil ist, sind häufige anzeichen von einem Kondensator Defekt.

Gleichrichter Dioden:
Die Gleichrichterdioden sind zum Teil unterdimensioniert, deutliche Schwarze verfärbungen der Leiterplatte zeigen das die Dioden am Thermischen Limit betrieben werden.
Laut Datenblatt der 1N4001 ist eine Dauerlast von 1 Ampere zulässig, der zulässige Strom vom Netzeil ist 1,5 Ampere.
Die Dioden werden im Gleichrichter 50% der Zeit (Eine Halbwelle) mit bis zu 2,1 Ampere Peak belastet, was viel Optimismus bei Commodore zeigt bei der Überlastfestigkeit. Dunkel verfärbte Leiterplatten zeigen die hohen betriebstemperaturen.

In Seltenen Fällen hat Commodore auch Gleichrichter statt einzeldioden verbaut, leider auch zu schwach ausgelegt, der Dicke Gleichrichter auf der
einen Leiterplatte ist Nachgerüstet.

Fehlermöglichkeiten:
Ein Kurzschluß einer Diode führt zu einem Kurzschluß im Gleichrichter, die Sicherung (160mA) wird ausgelöst und die 5 Volt versorgung ist Defekt, Überspannungen sind keine zu erwarten.

Eine Unterbrechung einer Diode führt zu einer Überlastung von der anderen hälfte des Brückengleichrichters, was nach kurzer zeit zur
weitern zerstörung von Dioden führt, im Worst Case kann so der Gleichrichter eine Wechselspannung am Ausgang führen, was zur zerstörung des
Reglers und des angeschlossenen Computers führt (Mir ist ein Netzteil mit so einem Defekt bekannt).

Der Einzeldefekt mit einer Defekten unterbrochenen Diode ist schwer zu erkennen, da die Spannung des Netzteils unbelastet bei 5 Volt liegt,
und bei Last eines Rechners auf ca.4,8 Volt absinkt, und der C64 meistens normal arbeitet.

Im Anhang ist ein Oszi Bild von einem Netzteil mit einer Defekten Diode, ohne lasst sind 5 Volt am Stecker.

Tantalkondensator:
Der Ausgang eines 78XX Spannungsreglers soll laut Datenblättern mit einem kleinen Kondensator versehen werden.
Aufgabe des Kondensators ist es die Restwelligkeit zu reduzieren, kurzzeitige Stromspitzen abzumildern und ein Schwingen des Reglers zu vermeiden.
Heutzutage sind Tantalkondensatoren sehr funktionssichere bauteile, leider war das in den 1980ern nicht immer der fall, es wurde viel minderwertige wahre
verbaut.

Bei Defekt des Tantalkondensators kommt es meistens zu einem Kurzschluß der zum Auslösen der 160mA Sicherung führt.
Nach ersetzen der Sicherung scheint das Netzteil wieder normal zu arbeiten, bis auf dem markanten geruch der durch den Zerstörten
Tantalkondensator verursacht wurde.
Im anschließenden betrieb kann die Ausgangsspannung des Reglers instabil werden, plötzliche Rechnerabstürze sind häufig die Folge, auch Spannungsspitzen können entstehen die zu zerstörung von IC´s führen.

Mit sind zwei Netzteile bekannt wo der Kondensator geplatzt ist und der Braune Elektroyt sich im Netzteil verteilt hat.

Spannungsregler 7805:
Der Spannungsregler ist im Netzteil das Thermisch am höchsten belastete Bauelement, die Entstehende Verlustleistung wird über ein eingegossenes Aluminumblech abgeleitet, wobei die unmittelbare nähe des warmen Transformators und die Kapselung in der Vergussmasse + PVC Gehäuse die Kühlung negativ beeinflussen.

Bei einen Defekt kann der Regler in einen nicht leitenden zustand ausfallen = 0 Volt = Keine Zerstörungen.
Oder was leider am häufiger passiert ausfall in einen leitenden zustand = 9 bis 10 Volt =Zerstörung des Angeschlossenen Rechners.
Desweiteren driften die Regler nach vielen betriebsstunden so das die vorgesehene Spannung von 4,75V bis 5,25 V nicht eingeregelt wird,
eine angestiegene Spannung auf 6 Volt bedeutet das bereits 44% mehr verlustwärme im Rechner.

Bei einigen Netzteilen von anderen geräten kann es zu einen betriebszustand kommen das der Regler am Ausgang eine höhere Spannung hat wie am Eingang. Dieser zustand ist für den Regler unter umständen tötlich. Zum glück kommt dieser zustand unter normalen umständen nicht am C64 vor, da intern
kaum größere Ladungsmengen gespeichert werden. Eine Schutzdiode für diesen fall hat sich Commodore eingespart.

Auch die Umstellung von 220V auf 230 V (bedeutet mehr Thermischen Stress für den Spannungsregler, da die Spannungsdifferenz zwischen dem Eingang und Ausgang in Wärme umgewandelt wird.

Widerstand 270 Ohm:
Dieser Wiederstand ist im Ausgang des 5 Volt Spannungsreglers nach Masse angeschlossen.
Bei einer Spannung von 5 Volt fließ ein Strom von ca. 18,5 mA bei einer Leistung von ca. 0,0926 Watt.

Der Widerstand soll bei abgesteckten 220V Anschluß die verbliebende Ladung des Siebkondensators über den Spannungsreglers entladen.

Widerstände sind sehr ausfallsichere bauteile wenn sie nicht überlastet werden, ein Kurzschluß ist sehr unwahrscheinlich, eine unterbrechung selten.
Eine veränderung des Elektrischen Widerstandes ist bei diesem anwendungsfall auch unkritsch.

Widerstand 12 Ohm:
Der Widerstand 12 Ohm 1/4 Watt ist ungewöhnlich verbaut.
Beide Seiten sind mit Masse verbunden, ausfall oder nichtverbau führen zu keinerlei änderungen.
Theorie:
Es war ein Elektroniker of Borg, "Widerstand ist Zwecklos"

Der folgende umbau soll das Netzteil wieder für Jahre betriebssicher machen und bekannte
Schwachstellen beseitigen.

Mein Persönliches Lastenheft:
Umbau soll einfach sein
Möglichst wenig verschiedene Bauteile
Wenn das ausfällt soll der Computer nicht zerstört werden.
Es soll mindestens 10 Jahre halten.
Das Gehäuse soll von außen unverändert bleiben

Wichtig:
Die Arbeiten am Netzteil sind in unmittelbarer nähe zu 230V Spannungsführenden Teilen, Fehler können
tötlich sein oder auch das Haus abbrennen lassen.

Bitte nur das Netzteil öffnen wenn man ausreichend erfahrung mit arbeiten im 230 Volt bereich hat und wirklich weiss was man tut.
Unbedingt sicherstellen das auch der Richtige Stecker aus der Steckdose gezogen wurde (Messen) und gegen "Wiedereinschalten sichern".
Eine Alte Socke mit einem Kabelbinder gesichert über den Stecker, oder professionelle einrichtungen gegen wiedereinstecken des Steckers sind dringend zu Empfehlen.
Nicht das die Frau mit den Worten "Das kann doch gar nicht funktionieren" den Stecker in die Steckdose Steckt

Nun kommen wir zum Umbau:
Das erste problem ist das Netzteilgehäuse, keine Schraube zu sehen, keine Clips.
Nach dem zusammenbau der Elektrik ist das Gehäuse mit vergussmasse teilweise gefüllt wurden, und die Bodenplatte mit der vergussmasse verklebt.

Am besten fängt man mit zwei Schraubendrehern am Flachen Teil an die Ober und unterseite vorsichtig auseinander zu hebeln
(Ein guter moment nochmal zu schauen ob wirklich der Stecker aus der Steckdose ist).

Die dünnen plastikstäbe zwischen ober und unterseite ziehen sich meistens aus der vergussmasse, wenn nicht einfach mit einem Cutter messer anritzen dann reißen sie einfach ab.
In der Mitte der längsseite sind nochmal Plastikstäbe falls möglich einfach aus der vergussmasse ziehen, ansonsten anschneiden und abreißen.

Am ende vom Gehäuse ( Wo die Sicherung sitzt), sind in den Ecken sehr dicke kunstoffprofile die in die Vergussmasse stecken, leider kann man sie nicht rausziehen, hier muss man vorsichtig
mit dem Cuttermesser die beiden profile durchschneiden, leicht unter mechanischer Spannung klappt das am besten.

Nun kommt die Leiterplatte dran, mit einem Edding die Kabelfarben markieren, und den Lötkolben anheizen.

Die Leitungen mit den 5 Volt ausgang (Weiß und Grün), die beiden Trafoleitungen (Achtung nicht zu oft verbiegen), und der Spannungsregler (In der Leiterplatte in der Mitte mit drei Anschlüssen), müssen ausgelötet werden.

Nun sollte man die Leiterplatte ohne Kraftaufwand aus dem Gehäuse entnehmen können.

Vor dem auslöten ist es empfehlenswert markierungen zu machen.
Die Seite von der Diode die einen Ring hat bekommt einen Punkt auf die Leiterplatte, die Kondensatoren ein + beim Positiven anschluß.

Als ersatzdioden bietet sich die SB340 an, belastbar bis 3 Ampere, und geringerer spannungsabfall wie bei der 1N4001 (0,3 statt 0,7 Volt).
Die Löcher in der Leiterplatte sind ausreichend groß um die Dioden einzustecken, bei dem Seitlichen abstand muss man etwas geduld haben um alles schön zu bestücken.

Die Dioden sollen nun im betrieb 100% Reserve haben, bei verbau eines Schaltreglers ca.175 % da der Strom geringer wird.

Der Tantalkondensator ist einfach gegen einen neuen zu ersetzen, bei mir waren immer 2,2 uF 16Volt verbaut.
Achtung auf richtigen anschluß von Plus und Minus achten!

Beim Siebkondensator sollte beim einkauf auf eine hohe angabe der Betriebstemperatur geachtet werden, Standard ist 85°C , es gibt aber auch 105°C und 125°C.
Der vorteil der Hochtemperatur ausführungen ist das sie langsamer bei höheren Temperaturen altern, ein 105°C hält in ausfallberechungen 4 mal Länger wie ein 85°C Kondensator, ein 125°C sogar 16 mal.

Perfekt sind die Automotive taugliche mit Festelektrolyt ausführungen die man selten im Handel bekommt und mindestens 15 Jahre halten sollen.
Falls jemand eine bezugsquelle kennt, bitte melden!

Der Einbau ist auch einfach zu bewerkstelligen, bei bauformabweichungen hat man in alle richtungen reichlich platz.
Auch hier auf richtige Polung achten.

Der Spannungsregler 7805 (Oder vergleichbare) stellt das schwerste teil beim Austausch dar.
Wenn man die Vergussmasse wegfräst (Bis dato hatte ich noch kein Netzteil wo die Vergussmasse mit Wärme zu verflüssigen war), sieht man das zweite problem.

Der Regler ist mit dem Kühlblech vernietet, und der Metallkörper vom Transformator behindert zusätzlich den arbeitsraum.
Das ausbauen des Reglers ist war noch möglich, aber die Montage eines neuen Reglers mit vernünftiger befestigung und Thermischer anbindung
fast unmöglich.

Hier Bietet sich der einsatz eines Schaltreglers an, die Verlustleisung ist so gering das keine Kühlung notwendig ist, nachteil ist der Preis von ca. 14 Euro (Best nr.154987 - 6T).

Wenn man Zeit und Werkzeug hat sollte man den alten Regler ausfräsen und in das endstandene Loch den Schaltregler einbauen, für den mittlern Masseanschluß muss ein neues Masseloch gebohrt werden da die Anschlußdrähte sehr kurz sind.

Es ist auch möglich den Schaltregler in das dreieckige Fach unter der Leiterplatte zu verlegen, das ist aber nicht die Perfekte elektrische Lösung.
Man verlängert die drei anschlüsse des Reglers mit ca.5 cm Langen Kabeln und klebt den Regler in das Fach (Weich PVC Kleber hat sich bewährt).
Anschließend verlegt man die Leitungen so kurz wie möglich zu dem Regleranschluß, der Leitungsquerschnitt sollte 1mm2 betragen.
Unter der Leiterplatte ist es empfehlenswert das Plastik etwas auszuschneiden damit die Kabel nicht eingeklemmt werden.

Zu Lange Leitungen können dazu führen das der Regler Schwingt und die Ausgangsspannung instabil wird!
Bei meinem "Fotomodell" konnte ich keine probleme mit einem Oszi ausmachen.

Danke noch an JerryMaus mit den Hinweis mit dem Wiederstand in der Masseleitung bei einigen Leiterplatten.
Bei diesen Leiterplatten wird der Regler nicht funktionieren da größere ströme durch den Masseanschluß fließen.
Hier muss die unterbrechung bei der Leiterplatte überbrückt werden damit der Schaltregler funktioniert.

Bei gelegenheit werde ich noch einige "Türkeile" Öffnen und nach anderen Leiterplatten versionen suchen.

Ein Schutz für den C64, der möglichst jeden fehler/störung abfängt war gesucht.

Nach einer ganzen weile Basteln und Probieren habe ich eine Schaltung zusammengestellt die, die Ziele ereicht.

1. Negative Spannungen sollen Kurzgeschlossen werden
2. Spannungsdrifts durch langsame ausfälle sollen erkannt und durch notabschaltung des Netzteiles gestoppt werden
3. Kurze Spikes (Spannungstransienten) sollen abgefangen werden

Als grundlage der Schaltung habe ich eine Crowbar (Brechstange) schaltung verwendet.

Einfaches Konzept:
Wenn die Spannung über einen gewissen wert steigt, schließ die Spannung Kurz.
Im Fehlerfall löst die gerätesicherung aus und die Teure Schaltung ist gerettet.

Um vor negativen Spannungen im verpolungsfall zu schützen hat sich eine "Dummheits Diode" bewährt, eine Leistungsdiode wird mit dem Ring nach
Plus in den Spannungseingang geschaltet, im fehlerfall wird die Spannung kurzgeschlossen.

Meine erfahrung zeigt das die meisten Halbleiter ab ca. -0,7 bis -0,9 zerstört werden, deswegen kommt mal wieder eine SB140 zum einsatz die unter belastung ca. 0,3 bis 0,5 Volt spannungsabfall haben, und sehr schnell reagieren.

Um vor Spannungsspitzen die durch ESD Endladung, Bitzeinschläge in der nähe, oder auch Netzstörungen in die 5 Volt gelangen zu schützen kommt eine
Suppressordiode zum einsatz, die Diode ist eine Zenerdiode mit besonders Steiler Kennlinie und sehr hoher impulsleistung.
Die verwendete Diode kann bis zu 600W Peak vertragen und durch die bidirektionale Ausführung ist auch der verbau verpolungssicher.

Im Anhang Eagle Dateien mit einem Leiterplatten Layout.

Nachteil der Schaltung ist, das sie abgeglichen werden muss.
Die verwendete Zenerdiode hat ein große Toleranzen, so das eine 4,7 Volt oder auch eine 5,1 Volt in Frage kommt, am besten beide Typen beschaffen.

Nachdem die Schaltung aufgebaut ist, müssen die Elektrischen Eckdaten überprüft und ggf. eingestellt werden.

An einem Labornetzteil 5,00 Volt einstellen und die Strombegrenzung auf 500mA.
Die Schutzschaltung anschließen und den Strom beachten, es sollten weniger wie 5mA fließen.
Nun Langsam die Spannung erhöhen bis die Crowbar auslöst , und die Spannung unter 1 Volt zusammenbricht.
Bei 20°C Sollte das bei ca. 5,3 bis 5,5 Volt geschehen.

Wenn die Schaltung zu früh auslöst kann der Wiederstand R1 verkleinert werden (Unteres Limit ca. 180 Ohm), oder eine andere Z-Diode getestet werden.
Bei zu Später auslösung kann R1 auf ca. max 560 Ohm vergrößert werden oder eine ander Z Diode getestet werden.

Test 2.
Da die Bauteile, insbesondere die Z-Diode Temperatur Drift haben ist auch ein Test unter erhöhten Temperaturen notwendig.
Mit einem Haarfön oder besser einem Regelbaren Heißluftfön die Schaltung auf ca.50-60°C erwärmen und den versuch wiederholen.
Die auslösespannung darf nicht unter 5,25 absinken.

Wenn die Schaltung diese Tests überstanden hat, kann sie im Dreieckigen Bauraum unter der Leiterplatte eingeklebt werden, Weich PVC Kleber hat sich
bei dem Commodore Kunstoff bewährt. die Beiden Anschlußleitungen werden einfach mit an die Leiterplatte angeschlossen wo der 5 Volt ausgang ist.

Bugfixing:
Falls Sporadisch die Schaltung auslösen sollte kann die Empfindlichleit mit vergrößern von C1 verringert werden, bei einsatz eines Eprom Brenners hatte ich
sporadisch fehlauslösungen. Bei verbau eines Klassischen Spannungsreglers löst die 160mA sicherung aus, wenn ein Schaltregler verbaut ist, geht
der Schaltregler in einen Kurzschlußfesten zustand über, der nach trennen der 220 Volt Versorung selbstheilend ist.

Wie wurde die Schaltung getestet:
Ca. 2000 betiebsstunden bei eingesteckten Netzteil und abgeschalteten C64
Ca. 170 betriebsstunden bei eingeschalteten C64.
Ca. 2 Stunden unter Extrembedingungen, (Epromer wärend des Betriebs abstecken etc.)
Die Funktion gegen transienten wurde mit einer ESD-Pistole und einer Opferschaltung in form eines PIC 18F248 getestet
Die Funktion gegen verpolung wurde mit einem Manipulierten C64 Netzteil getestet.

Ich habe die Schaltung Recht lange getestet um sicherzustellen das alles passt, trotzdem übernehme ich keine Verantwortung für mögliche Schäden oder Verletzungen bei dem Umbau und der Gesammten Bauanleitung! Für die Sicherheit bei Umbauten ist jeder selbst verantwortlich.
Bitte Nehmen sie im eigenen Interesse keine Umbauten vor wenn sie nicht die nötigen berechtigungen oder ausbildung haben.

Nachdem das Netzteil umgebaut wurde, und möglichst eine Weile getestet wurde muss es wieder sicher verschlossen werden.

Für den Testbetrieb hat vieleicht eine verklebung mit Gewebeband gereicht, nun muss es aber wieder sicher werden!

Zuerst sollten die Plastikbolzenreste aus der vergussmasse gezogen werden, am besten mit einer Kombizange greifen und leicht drehen.

An dem Gehäuseboden sollten auch die bolzen die abgerissen sind möglichst kurz abgeschnitten werden, bei den beiden Plastikprofilen in den
Ecken müssen auch geplant werden.

Die vier Bolzen die, die Leiterplatte stützen dürfen nicht gekürzt werden.

Falls das Gehäuse Helle stellen bekommen hat bei der Demontage können diese mit einem Heißluftfön beseitigt werden.
Vorsicht, Temperaturen über 200°C Führen zu Turbo Gilb.

Wenn der Gehäuseboden leicht auf das Netzteil passt wird es zeit diesen zu verkleben.

Klebstoff möglichkeit 1:
Pattex Kontakt kleber (Der Gelbe der nach lösungsmittel Stinkt)

Klebstoff möglichkeit 2:
Pattex Weich PVC (Transparent auch stark Richend)

Klebstoff 1 ist wieder Lösbar, hält aber unter umständen nicht Kinderhänden statt.
Klebstoff 2 ist nach dem Aushärten kaum noch lösbar, da der PVC angelöst wird, hält aber sicher wie die Originalmontage.

Die Ränder dünn mit Klebstoff beschichten und beide Gehäuseteile miteinander verpressen, eine Schraubzwinge oder ein Schweres Gewicht sind eine gute grundlage.

Nachdem der Klebstoff ca.24 Stunden getrocknet ist, steht dem normalbetrieb nichts mehr im Wege.

Ja das geht wunderbar, beim Schalter kommt man Gut an 5V und Masse dran.

Gruß.
AREA51HT