Originalul este de Ken Shirriff, un cunoscut specialist în hardware

alimentare

Majoritatea utilizatorilor nu acordă prea multă atenție alimentării computerului. Aproape toată lumea știe ce procesor este utilizat în computer și câtă memorie este introdusă, dar cel mai probabil nu vor putea spune nimic despre sursa de alimentare. Acest lucru nu este surprinzător: producătorii de sisteme informatice se gândesc, de asemenea, la modulul de alimentare cu energie.

Acest lucru este foarte regretabil, deoarece s-au făcut eforturi mari pentru a crea surse de alimentare adecvate, care pot fi văzute astăzi în sistemele informatice. Acestea sunt semnificativ mai bune decât circuitele care alimentau electronica de consum până la sfârșitul anilor 1970. Această descoperire a fost posibilă prin progresele semnificative în tehnologia semiconductoarelor în urmă cu aproximativ jumătate de secol. Interesant este că această revoluție este practic necunoscută publicului larg.

S-ar putea să fiți surprinși, dar unul dintre cei mai străluciți revoluționari de acest tip a fost Steve Jobs. Potrivit biografului său Walter Isaacson, Jobs avea cerințe extrem de serioase pentru alimentarea cu energie a computerului Apple II creat de Rod Holt. Isaacson scrie:

„În loc de putere liniară convențională, Holt a creat o sursă de alimentare care este utilizată în osciloscoape. Pulsațiile din el nu sunt cu o frecvență de șaizeci de ori pe secundă, ci de zeci de mii de ori. În acest fel, energia trebuie stocată mult mai puțin timp, iar căldura degajată este în cantități foarte mici. „Această sursă de alimentare cu comutare a fost la fel de revoluționară ca placa Apple II”, a spus ulterior Jobs. „Pentru crearea acestui bloc de impulsuri, Rod nu a intrat în manualele de istorie, dar a trebuit. În prezent, fiecare computer folosește o sursă de comutare proiectată de Rod Holt.

Dar versiunea fondatorului Apple este fundamental greșită. Această revoluție a puterii a avut loc între sfârșitul anilor 1960 și mijlocul anilor 1970, când alimentarea cu energie electrică a înlocuit circuitele liniare foarte simple, dar ineficiente. Apple II, introdus în 1977, a beneficiat de această revoluție, dar nu a provocat-o deloc.

Această corecție a versiunii evenimentelor anterioare date de Jobs nu este în niciun caz un fleac. În zilele noastre, sursele de comutare sunt folosite peste tot - cu ajutorul lor ne încărcăm smartphone-urile, funcționează pe tablete și laptopuri, încarcă niște mașini electrice, specialiștii care au realizat această revoluție merită cu adevărat respect. Aceasta este o poveste foarte interesantă.

Modulul de alimentare cu energie a unui computer desktop, inclusiv Apple II, convertește tensiunea de rețea alternativă în curent continuu, asigurând o sursă de alimentare stabilă pentru întregul sistem computerizat. Sursele de alimentare au o varietate de scheme, dar cele mai populare sunt soluțiile liniare și de comutare.

Alimentarea liniară tipică are un transformator uriaș pentru a reduce tensiunea relativ ridicată de la contactele electrice, care este apoi convertită la tensiune continuă de curent continuu folosind patru diode incluse în circuitul clasic de punte. Condensatorii electrolitici mari sunt apoi folosiți pentru a netezi pulsațiile punții diodei. Sursele de alimentare pentru computer de acest tip folosesc, de asemenea, un stabilizator liniar de tensiune, care stabilizează tensiunea de ieșire la același nivel și menține acest nivel atunci când tensiunea de intrare AC crește, când crește sarcina etc.

Sursele de alimentare liniare sunt absurd de simple și ușor de fabricat, folosind componente electronice foarte ieftine. Dar au două dezavantaje grave.

Primul sunt condensatorii mari și transformatorul greu și mare, care nu pot fi deloc găzduiți în ceva la fel de mic, ușor și confortabil ca un laptop sau o tabletă modernă.

Al treilea dezavantajul este stabilizatorul de tensiune liniar, care transformă totul în pragul reglabil în căldură. Aceste surse de alimentare eliberează de obicei mai mult de jumătate din energia pe care o consumă în căldură. Sunt necesare radiatoare și ventilatoare metalice uriașe pentru a disipa această căldură.

La începutul celui de-al XXI-lea realizări tehnice permit deja crearea unor surse de alimentare de comutare compacte pentru dispozitive electronice mici. Și după ce prețul convertoarelor AC/DC scade, acestea înlocuiesc rapid transformatoarele mari și greoaie din aparatele de uz casnic.

Apple a transformat sursa de alimentare într-un dispozitiv de ultimă generație, introducând încărcătorul elegant iPod în 2001 cu un controler IC compact încorporat (imaginea din stânga). Încărcătoarele USB vor deveni în curând omniprezente, iar încărcătorul iPhone foarte compact, introdus în 2008, va deveni unul dintre cele mai populare la nivel mondial (dreapta).

Cea mai recentă tendință în ceea ce privește încărcătoarele este utilizarea dispozitive semiconductoare cu nitrură de galiu (GaN), care comută mult mai repede decât tranzistoarele de siliciu și sunt semnificativ mai eficiente. Odată cu dezvoltarea tehnologiei, prețurile au scăzut brusc și astăzi cele mai ieftine încărcătoare USB se vând cu aproximativ un dolar, deși datorită calității slabe a curentului de ieșire și a lipsei unor protecții.

Sursele de alimentare cu comutare funcționează pe un principiu complet diferit. În ele, tensiunea alternativă de la rețea este rectificată cu ajutorul unei punți cu diode și este filtrată de un condensator de înaltă tensiune. Tensiunea continuă DC astfel obținută este convertită în tensiune de înaltă frecvență alternativă cu o frecvență de multe ori sute de kiloherci. Tensiunea de înaltă frecvență se aplică înfășurării primare a unui transformator de impulsuri, după care, deja coborâtă, este preluată din înfășurarea secundară, îndreptată și stabilizată. Frecvențele înalte permit utilizarea transformatoarelor și condensatoarelor foarte mici și de lumină. Aceste surse de alimentare nu folosesc stabilizatori liniari și pierd foarte puțină energie. Eficiența lor este de obicei de 80-90%, din cauza căreia se eliberează prea puțină căldură.

Dar puterea de comutare este mult mai complexă decât liniară și este mai complexă de proiectat. În plus, cerințele pentru componente sunt mult mai mari și este necesar să se utilizeze tranzistoare de putere care pot porni și opri rapid și eficient.

Principiile care stau la baza surselor de alimentare prin comutare au fost cunoscute de specialiști încă din anii 1930, dar apoi aceste soluții au fost folosite foarte rar, deoarece aceasta era epoca lămpilor cu vid. Unele surse de alimentare din acel moment foloseau tironii - lămpi speciale de vid, de obicei umplute cu vapori de mercur. Sunt considerați a fi unul dintre primii și cei mai primitivi stabilizatori de impulsuri și regulatori de tensiune de joasă frecvență.

Exemple de utilizare a unor astfel de soluții includ unitatea de alimentare a teletipului REC-30 din anii 1940 și unitatea de alimentare a computerului IBM 704 din 1954. Dar de la apariția tranzistoarelor de putere în anii 1950, sursele de alimentare de comutare s-au îmbunătățit rapid. Pioneer Magnetics a început să le folosească în 1958, iar General Electric a publicat circuitul sursei sale de alimentare cu tranzistor în 1959.

Desigur, noile tehnologii încep să fie utilizate de către militari și NASA. În anii 1960, NASA și întregul sector spațial foloseau doar surse de alimentare de comutare, deoarece dimensiunea și greutatea redusă, precum și eficiența ridicată, depășeau cu mult costul considerabil. De exemplu, în 1962 Telstar, care este primul satelit din lume pentru difuzarea emisiunilor de televiziune și a rachetei Minuteman utilizați numai surse de alimentare cu comutare. De-a lungul anilor, prețul a scăzut și aceste dispozitive au devenit accesibile pentru oamenii obișnuiți. În 1966, Tektronix a început să utilizeze o sursă de comutare în osciloscopul său portabil, care putea funcționa atât pe rețea, cât și pe baterii.

Această tendință se accelerează rapid pe măsură ce producătorii de energie electrică de comutare încep să vândă aceste dispozitive către alte companii. În 1967, RO Associates a introdus prima sursă de comutare de 20 KHz, care a devenit primul produs comercial de succes de acest tip. Și Nippon Electronic Memory Industry Co. a început să dezvolte surse de alimentare standardizate în Japonia în 1970. Până în 1972, toți producătorii de o gamă largă de surse de alimentare oferă acum modele de comutare.

În acest moment, industria computerelor a început să folosească și surse de alimentare cu comutare. Au apărut pentru prima dată în minicomputerele Digital Equipment PDP-11/20 în 1969 și în Hewlett-Packard 2100A în 1971. La mijlocul anilor '70, acestea erau deja utilizate în computerele multor companii, inclusiv HP, IBM, Univac, DEC, RCA și altele. A început și utilizarea lor în televizoarele color.

Circuitele de alimentare cu comutare au fost publicate pe scară largă în revistele de computere din acei ani. În 1071, variantele de 500 W erau la modă.

Unul dintre principalii dezvoltatori ai surselor de alimentare cu comutare este Robert Boshert, care și-a părăsit locul de muncă în 1970 și a început să-și proiecteze propriile surse de alimentare de comutare literalmente pe masa din bucătărie. Se concentrează pe simplificarea designului lor și își propune să le facă ieftine și competitive cu sursele de alimentare liniare. În 1974, a început producția de masă a surselor de alimentare cu comutare redusă pentru imprimante, apoi în 1976 a lansat un model foarte reușit cu o putere de 80 W. În 1977 la Boschert Inc. 650 de persoane lucrează deja. Boshert a început să producă surse de alimentare de comutare pentru sateliți, pentru luptătorii Grumman F-14 și apoi pentru computerele HP și Sun și astfel numele său a intrat în istorie.

Producția în masă a tranzistoarelor ieftine de înaltă tensiune și viteză la sfârșitul anilor 1960 și începutul anilor 1970 de către companii precum Solid State Products Inc., Siemens Edison Swan și Motorola a susținut puternic dezvoltarea surselor de alimentare de comutare. Cu cât este mai mare viteza de comutare a tranzistorului, cu atât este mai mare eficiența acestuia. Tranzistorul generează căldură atunci când se află în poziția intermediară între pornit și oprit. Evident, cu cât această tranziție este mai rapidă, cu atât mai puțină energie este transformată în căldură.

Acest tip de tehnologie a făcut progrese semnificative atunci când în 1976 Robert Mamano, unul dintre fondatorii Silicon General Semiconductors, a introdus primul cip specializat pentru alimentarea cu energie electrică. Controlorul său SG1524 simplifică semnificativ proiectarea acestor surse de alimentare și reduce costurile, ceea ce duce automat la creșterea vânzărilor.

La urma urmei, în 1974, oricine înțelege cel puțin puțin despre electronică este conștient de faptul că există o adevărată revoluție în domeniul surselor de alimentare electronice.

Computerul personal Apple II a fost introdus în 1977. Una dintre caracteristicile sale este alimentarea cu comutare cu răcire complet pasivă, care oferă o putere totală de 38 W pe autobuzele 5, 12, -5 și -12 V. Astfel, unul dintre principiile principale ale Jobs este observat că computerul nu ar trebui să facă zgomot sau să facă zgomote inutile, deoarece aceasta afectează concentrația. Această sursă de alimentare utilizează designul simplificat al Holt - un convertor-invertor autonom cu feedback. Jobs a susținut atunci că acum fiecare computer din compania sa folosește tehnologia revoluționară a lui Holt. Dar a fost acest proiect revoluționar în 1977? Sau copiat de la alți producători de computere?

Nu. Acești convertoare de feedback au fost vândute de Boschert și de o serie de alte companii la acea vreme. Holt a primit brevete pentru unele caracteristici în modulul său de alimentare cu energie electrică, dar acestea nu s-au extins. Și utilizarea componentelor discrete individuale, pe măsură ce se face Apple II, se dovedește a fi o cale tehnologică fără ieșire. Viitorul surselor de alimentare cu comutare aparține controlerelor IC specializate.

Dacă există un computer care a avut un impact foarte grav asupra proiectării surselor de alimentare de acest tip, acesta este computerul IBM, introdus în 1981. La acel moment, la doar 4 ani de la lansarea Apple II, tehnologiile utilizate la comutarea surselor de alimentare au fost îmbunătățite semnificativ.

De exemplu, în sursa de alimentare a IBM PC folosește un controler IC care integrează aproximativ de două ori mai multe componente decât o sursă de alimentare similară Apple II. Aceste componente suplimentare oferă o mai bună stabilizare a tensiunii de ieșire și o indicație că totul funcționează normal atunci când toate cele patru tensiuni de ieșire sunt normale.

În 1984, IBM a introdus îmbunătățiri semnificative IBM Personal Computer AT. Multe cipuri noi sunt utilizate în alimentarea sa de comutare, iar compania renunță la topologia de feedback utilizată anterior. Această sursă de alimentare IBM a devenit imediat standardul de facto și a rămas până în 1995, când Intel a introdus oficial specificațiile factorului de formă. ATX, care determină, printre altele, caracteristicile surselor de alimentare ATX. ATX este încă standardul pentru computere astăzi.

În ciuda apariției standardului ATX, în același an 1995 circuitele de alimentare cu comutare au devenit semnificativ mai complexe odată cu apariția procesorului Pentium Pro, care necesita o tensiune mai mică la un curent mai mare decât ar putea furniza sursa de alimentare ATX. Pentru a furniza aceste tensiuni și curenți, Intel introduce un regulator de tensiune VRM (modul de reglare a tensiunii) - un stabilizator de impulsuri DC care este plasat aproape de procesor. Reduce tensiunea standard de 5 V la 3 V necesară pentru funcționarea CPU. Plăcile video au și VRM-uri pentru a alimenta GPU-uri de înaltă performanță. Dar necesită o tensiune de aproximativ 1 V în loc de intrare 12 V.

În zilele noastre, procesoarele rapide din computerele personale necesită până la 150 W de VRM, ceea ce este semnificativ mai mare decât 0,5 W necesară în procesorul 6502 din Apple II. Un procesor modern consumă de peste trei ori mai multă energie decât întregul computer Apple II.

Consumul în creștere de energie electrică a provocat îngrijorare pentru mediu și au fost adoptate o serie de reglementări pentru creșterea eficienței alimentării cu energie electrică. Sursele de alimentare de linie sunt acum uitate practic și nu sunt utilizate în computere. Funcționează în Statele Unite Steaua Energiei și diferit 80 Plus certificate care încurajează producătorii să creeze surse de alimentare mai „verzi”.

Acest lucru se realizează prin utilizarea unor componente mai eficiente, circuite rezonante pentru a reduce pierderile de putere la comutarea tranzistoarelor, soluții APFC pentru a compensa puterea reactivă și pentru a îmbunătăți eficiența, precum și o serie de alte soluții similare.

Este dificil să comparăm această poveste cu afirmația lui Jobs că Holt ar fi trebuit să intre în manuale de istorie. Rod Holt este probabil cel mai faimos dezvoltator de surse de alimentare cu comutare, deși nu a făcut nimic revoluționar.