- Macintosh LC III 系列のC22コンデンサは -5V 電源レールに逆向きに接続されており、部品の実装方向だけでなく PCBシルクスクリーン も誤っていたことが確認された
- C22は -5V レール用のバルクコンデンサだが、基板表示どおりに実装すると陽極が -5V に、陰極がグラウンドに接続され、電源投入時にコンデンサ両端へ -5V が加わる
- 初代Mac LCとLC II、後継のLC 475では、-5V がコンデンサ陰極に、グラウンドが陽極に接続されており、LC IIIだけが同時代の設計と異なる向きになっている
- 工場実装の16Vアルミ電解コンデンサはこのミスに耐えていたようだが、修理でよく使われる タンタルコンデンサ を同じ向きで取り付けると、過電流、シリアルポートの問題、発火リスクが生じる可能性がある
- LC IIIをリキャップする際は、PCB表示とは逆向きにC22を実装する必要があり、電源断の状態でマルチメータの導通テストを使って、陽極がグラウンドに、陰極が -5V に接続されているか確認できる
LC IIIで見つかったC22極性エラー
- Macintosh LC IIIには電源コネクタ周辺にC19、C21、C22の3つのコンデンサが配置されている
- C19: +5V 電源レール用バルクコンデンサ
- C21: +12V 電源レール用バルクコンデンサ
- C22: -5V 電源レール用バルクコンデンサ
- 基板のシルクスクリーンは3つのコンデンサすべてで下側を陽極として示しており、工場実装コンデンサも陰極が上側を向くように取り付けられていた
- C19とC21は正電圧レールに接続されるためこの向きで正しいが、C22は -5V レールに接続されるため、同じ向きで実装すると極性が逆になる
回路測定で確認された接続状態
- コンデンサを取り外して基板を確認した結果、各コンデンサの陰極パッドはグラウンドプレーンに接続されていた
- C22の陽極パッドは電源コネクタの -5Vピン に直接つながっている
- マルチメータの導通テストでも、C22陽極が -5V ピンに、C22陰極がグラウンドに接続されていることが確認された
- 電源を入れるとC22には -5Vの逆電圧 が加わり、この種の極性付きコンデンサでは陽極電圧が陰極電圧以上でなければならない
- 正しい接続は、C22陽極がグラウンドに、陰極が -5V に接続される形である
他のMacモデルとの比較
- 初代Mac LCはLC IIIと同じ電源装置を使っているが、-5V レールのコンデンサは正しい向きで取り付けられている
- -5V はコンデンサ陰極に接続される
- グラウンドはコンデンサ陽極に接続される
- 結果としてコンデンサ両端には +5V が加わる
- LC IIも初代LCと同じ向きを採用している
- LC IIIの後継モデルであるLC 475も、初代LCと同じ正しい向きに戻っている
- こうした比較から、LC IIIのC22問題は単なる部品実装ミスではなく、PCBシルクスクリーンまで含めた設計ミス と判断される
当時は大きく表面化しなかった理由
- 工場実装コンデンサは16V定格で、実際には -5V の逆電圧が加わっていた
- この程度の逆電圧でも電解コンデンサを恒久的に損傷させる可能性はあるが、必ずしも破裂に至るほどではない場合がある
- -5V レールは主に RS-422シリアルポート に必要とされるため、コンデンサが正常動作しなくてもシステム全体では問題が大きく現れなかった可能性がある
- 当該基板の元のSMD電解コンデンサには液漏れがあり、とくにC21は漏れがひどく、ソルダーマスクと銅箔を損傷させていた
リキャップ時に高まるタンタルコンデンサの危険性
- 現在のビンテージMac修理では、電解コンデンサの代わりに タンタルコンデンサ を使うことが多い
- タンタルコンデンサは逆向き実装に対して電解コンデンサより許容度が低い
- C22を工場実装の向きどおりにタンタルへ交換した事例では、-5V レール電圧が異常になる問題が観測されている
- 最初に問題提起したpaul.gaastraは、タンタルのC22を誤った向きで取り付けた場合、電流が1.3Aまで流れ、電圧は -2.3V にとどまったと報告している
- -5V レールがこの状態になると、少なくともシリアルポートの問題が起きる可能性があり、最悪の場合はコンデンサが破裂したり発火したりするおそれがある
- 電源装置にとっても好ましくなく、この -5Vレールの定格は75mA である
修理時の確認方法
- LC IIIをリキャップする際、C22はPCBシルクスクリーンが示す向きと 逆向きに実装 しなければならない
- 電源を切った状態で、マルチメータの導通テストにより次を確認できる
- C22陽極はグラウンドに接続されている必要がある
- C22陰極は -5V に接続されている必要がある
- 電源投入後にDC電圧モードで測定すると、陰極プローブをコンデンサ陰極に、陽極プローブを陽極に当てたとき、コンデンサ両端に 5V が表示されるはずである
- -5V レールを持つ他のMacでも、この方法が正しい接続である
1件のコメント
Hacker News のコメント
34年前のコンピューターのPCBでは、コンデンサを1つ逆向きに挿さなければならない、ということを今日知った。
水曜日をかなり生産的に始めているところ。
何十年も前の入門電子工学の授業では、電流がどちら向きに流れても同じように動作する部品だけを扱っていた。
今日は生産的な日だったと分類してよさそうだ。
こういう例は多すぎて現実離れしているほどだが、もっと呆れるケースもある。
数年前、リニア電源を修理していて1つ見つけたのだが、サービスマニュアルがなかったので先にリバースエンジニアリングする必要があった。
配線全体を追ってみると、電解コンデンサ1個の両方の足がどちらもグラウンドに接続されていて、そんな誤りの入った電源を何千台も出荷していたはずなのに、誰も気づかなかったらしい。
基板上のあちこちにコンデンサを多めに散りばめることはよくあり、容量が足りないよりは多い方がたいていはましだからだ。
今でもとてもよく動いている。
Commodoreは、68040プロセッサを使うAmiga 4000のCPUボードであるA3640に、コンデンサを3個逆向きに実装していた: https://youtu.be/zhUpcBpJUzg?si=j6UFmIJzoC-UDS6u&t=945
ここにも出ている: https://amiga.resource.cx/exp/a3640
そのせいで画面に目に見えるアーティファクトまで出ていたが、工場が問題に気づくには十分ではなかったようだ。
ずさんな製造品質を挙げるだけでもきりがなく、その次には、A1200に欠陥があり、しかも基本構成をかろうじて支えるだけの電源を入れるような意図的な悪手まで続いた。
さらに笑えるのは、より非力なモデルであるA500に使われていた電源の方が出力は大きかったことだ。
CD32とA4000にも逆向きに実装されたコンデンサがあった。
投稿者はPCB設計フローを誤解しているようだ。
これは「工場での部品配置の問題」でもシルクスクリーンのミスでもなく、回路図にある誤りだ。
レイアウトCADは、設計エンジニアリングが提供した回路図に従って別チームが行うことが多く、自動化されたフローも一般的だ。
シルクスクリーンは検証済みのライブラリにあらかじめ定義されており、そのチームの役割はエンジニアリングの回路図を再検証することではない。
部品はレイアウトデータに従って配置され、どちらのチームも誤った仕様を基準に自分たちの仕事を正しく行ったというわけだ。
実際の組立工場は、機微な知的財産だという理由で回路図にアクセスできないことも多い。
30年前のコンピューターを責めるなら、少なくとも正しいチームを責めるべきだ。工場がはんだ付けを間違えたのではなく、指示されたとおり正確に逆向きにはんだ付けしたのだ。
うちの会社では回路図設計とレイアウトを一緒に扱い、後者ができない応募者は落としていた。
主な理由は、レイアウトがもはや後から付け足す仕事ではなく、システムの電気設計の中核だからであり、どの配線をどの特性に合わせて最適化すべきかについて、回路設計者とレイアウト担当者が退屈にやり取りする余地はほとんどないからだ。
80年代半ばにCS学生会長を務め、理学部のコンピューター室を運営していた。
約20台のMac 128kがある部屋があったのだが、Appleがコンデンサをどこから調達していたのかは知らないが、一級品ではなかった。
Macが白い煙を上げて死ぬことが毎週あり、Appleに修理へ送っている間に使い回す予備機も何台か持っていた。
追伸: それでも今までで一番好きなMacはIIcxで、「full page display」と一緒に使うと本当に夢のようだった。
ある日、商用電源で動作する装置をデバッグする必要があり、絶縁トランスなしで商用電源とプログラミングドングルを同時に接続してみると言い出した。
ドングルは文字どおり爆発し、プラスチックのふたが急に静かになったオフィスの机にぶつかった場面が一番記憶に残っている。
会社支給のモニターと装置も壊れたが、真ん中にあった私物のMac miniはどうにか生き残った。
昔の記憶がよみがえる。
約30年前、初めてGHz帯の周波数を扱うPCBを設計した。
数百MHz以上の周波数の手ごわい伝送線路がぎっしりだったが、すべての高速信号が設計どおりに動作し、シグナルインテグリティとパワーインテグリティも優秀だったことは今でも誇りに思っている。
大きなFPGAが特に難しく、放射ノイズ試験にも合格した。
ところが1つだけやらかした。それが直流だった。
どういうわけか直流入力コネクタを逆向きに配置してしまった。
基板は非常に高価で、1枚2,000ドルだったためすぐには作り直せず、コネクタを逆に挿して電子が正しい向きに流れるようにする接点セットを設計しなければならなかった。
その後、私はマルチGHz設計は得意だが直流回路は任せてはいけない、という冗談が生まれた。
Commodore もオーディオ部の負電圧レールで同じミスをしており、高価な上位 CPU ボードでもどういうわけか同じ問題がありました
https://wiki.console5.com/wiki/Amiga_CD32 C408 C811「元の部品が逆向きに取り付けられている可能性あり！ コンデンサマップと向きを確認」
A4000 https://wordpress.hertell.nu/?p=1438 C443 C433「A4000 に元々載っていたコンデンサ 2 個は極性が間違っている」
さらに深刻なのは、最上位の A3000 と A4000 向けに出た Commodore A3640 68040 CPU ボードです: http://amiga.serveftp.net/A3640_capacitor.html https://forum.amiga.org/index.php?topic=73570.0
C105 C106 C107 のシルクスクリーンが間違っており、初期リビジョンはその誤ったシルクスクリーンどおりに作られていました
Mac が何かをやると、Amiga のほうがもっとひどかったと証明しなければならない、という感じです
「逆極性コンデンサが入ったモデルが 1 つだけだって？ Commodore では体系的な問題だったんだ！」
ボードを設計した人は、とても単純で賢明なルールに従ったようです: 常に負極をグラウンドに接続せよ
間違いようがありません……-5V の負電圧を扱う必要が出てくるまでは。これも範囲外バグの一種です
2011〜2015年ごろ、元海軍の電気技師で、SF Bay Area で初期の Apple 再作業技術者でもあったという人と時々話していました
製造上の問題を直し、再作業の改善を追加し、カスタムのテスト機器を作る仕事が絶えなかったそうです
その後解雇され、業務はどこかの国へ外注され、その後 2016年ごろまでホームレス状態だったとのことです
これらのマシンが実際には -5V を必要としていないのは幸いです
正電圧だけが供給されても、LocalTalk を含めて RS-422 は依然として動作します
-5V は、拡張カードが必要とする場合に備えて用意されているようです
一般に RS-422 ドライバは +5V と 0V で駆動されます
スイングを -5V まで広げると Mac のポートが RS-232 と互換になるため、この時代の Mac は特殊配線のケーブルさえあればモデムに接続できます
レベル変換は不要で、RS-422 レシーバは -6V まで動作する必要があるため、Mac は同時に完全に有効な RS-422 信号も出していることになります
当時のほとんどの RS-232 レシーバはかなりゲインがあり、しきい値が 0V に近かったので、実際には完全な -5V ではなく、わずかな負電圧だけでも足りたはずです
そのため、逆向きのコンデンサがレールを完全に短絡させていなければ、動作していた可能性が高いです