În urmă cu jumătate de secol, tranzistoare mai bune și regulatoare de comutare au revoluționat designul
Apple a beneficiat, deși nu a declanșat această revoluție, așa cum a susținut Steve Jobs
Surse de alimentare pentru computer nu primi prea mult respect.
În calitate de pasionat de tehnologie, probabil că știți ce microprocesor este în computerul dvs. și câtă memorie fizică are, dar șansele sunt că nu știți nimic despre sursa de alimentare. Nu vă simțiți rău - chiar și pentru producători, proiectarea sursei de alimentare este o idee ulterioară.
Este o rușine, deoarece a fost nevoie de un efort considerabil pentru a crea sursele de alimentare găsite în computerele personale, care reprezintă o îmbunătățire imensă față de circuitele care alimentau alte tipuri de electronice de consum până la sfârșitul anilor 1970. Această descoperire a rezultat din progresele uriașe realizate în tehnologia semiconductoarelor cu o jumătate de secol în urmă, în special îmbunătățirile în comutarea tranzistoarelor și inovațiile în circuite integrate. Și totuși, este o revoluție care este complet nerecunoscută de publicul larg și chiar de mulți oameni familiarizați cu istoria microcomputerelor.
Cu toate acestea, sursele de alimentare nu sunt lipsite de campioni înfocați, inclusiv unul care te-ar putea surprinde: Steve Jobs. Potrivit biografului său autorizat, Walter Isaacson, Jobs a avut sentimente puternice cu privire la alimentarea cu energie a computerului personal pionier Apple II și a designerului său, Rod Holt. Afirmația lui Jobs, așa cum a raportat Isaacson, este următoarea:
Afirmația lui Jobs este una mare și nu mi-a venit bine, așa că am făcut unele investigații. Am descoperit că, deși sursele de alimentare cu comutare au fost revoluționare, revoluția a avut loc între sfârșitul anilor 1960 și mijlocul anilor 1970, deoarece sursele de alimentare cu comutare au preluat de la surse de alimentare liniare simple, dar ineficiente. Apple II, introdus în 1977, a beneficiat de această revoluție, dar nu a instigat-o.
Această corecție a versiunii de evenimente a lui Jobs este mult mai mult decât o trivia de inginerie. Astăzi, sursele de alimentare cu comutare sunt un pilon omniprezent, pe care îl folosim zilnic pentru a încărca smartphone-urile, tabletele, laptopurile, camerele și chiar unele dintre mașinile noastre. Alimentează ceasurile, aparatele de radio, amplificatoarele audio de acasă și alte aparate mici. Inginerii care au promovat de fapt această revoluție merită să fie recunoscuți. Și este și o poveste destul de bună.
Sursa de alimentare într-un computer desktop ca Apple II convertește tensiunea de curent alternativ în curent continuu, oferind tensiuni foarte stabile pentru alimentarea sistemului. Sursele de alimentare pot fi construite într-o varietate de moduri, dar modelele liniare și de comutare sunt cele mai comune.
O sursă de alimentare liniară tipică folosește un transformator voluminos pentru a converti AC de înaltă tensiune relativ de la liniile de alimentare în AC de joasă tensiune, care este apoi transformat în DC de joasă tensiune folosind diode, de obicei patru dintre ele cablate în configurația clasică de pod. Condensatorii electrolitici mari sunt utilizați pentru a netezi ieșirea podului diodă. Sursele de alimentare ale computerului utilizează un circuit numit regulator liniar, care reduce tensiunea de curent continuu la nivelul dorit și îl menține fixat chiar dacă sarcina variază
Sursele de alimentare liniare sunt aproape banale pentru proiectare și construire. Și folosesc semiconductori de joasă tensiune ieftini. Dar au două dezavantaje majore. Unul este condensatorul mare și transformatorul puternic necesar, care nu ar putea fi niciodată împachetat în nimic atât de mic, ușor și convenabil precum încărcătoarele pe care le folosim cu toții acum cu smartphone-urile și tabletele noastre. Celălalt este regulatorul liniar, un circuit bazat pe tranzistori, care convertește excesul de tensiune continuă - orice depășește tensiunea de ieșire desemnată - în căldură reziduală. Astfel, astfel de surse de alimentare risipesc de obicei mai mult de jumătate din puterea pe care o consumă. Și adesea necesită chiuvete metalice mari sau ventilatoare pentru a scăpa de toată căldura respectivă.
Negii și toate
În trecut, dispozitivele electronice mici foloseau de obicei transformatoare de perete voluminoase, denumite în mod disprețuitor „negii de perete”. În jurul secolului al XXI-lea, îmbunătățirile tehnologice au făcut ca consumabilele de comutare compacte și de mică putere să fie practice pentru dispozitivele mici. Odată cu scăderea prețului de comutare a adaptoarelor AC/DC, acestea au înlocuit rapid transformatoarele de perete voluminoase pentru majoritatea dispozitivelor de uz casnic.
Apple a transformat încărcătorul într-un obiect extrem de proiectat, introducând în 2001 un încărcător elegant pentru iPod, cu o sursă de alimentare flyback compactă controlată de IC în interiorul [stânga]. Încărcătoarele USB au devenit în curând omniprezente, încărcătorul ultracompact inch-cub de la Apple (introdus în 2008) devenind iconic [dreapta].
Cea mai recentă tendință în ceea ce privește încărcătoarele de acest tip este utilizarea semiconductoarelor de nitrură de galiu (GaN), care sunt capabile să comute mai repede decât tranzistoarele de siliciu și să fie astfel mai eficiente. Împingând tehnologia în cealaltă direcție, cele mai ieftine încărcătoare USB sunt acum vândute cu mai puțin de un dolar, deși cu prețul unei calități slabe a energiei și a caracteristicilor de siguranță lipsă. —K.S.
O sursă de alimentare de comutare funcționează pe un principiu diferit: într-o sursă de alimentare de comutare tipică, intrarea liniei de curent alternativ este convertită în curent continuu de înaltă tensiune, care este pornit și oprit de zeci de mii de ori pe secundă. Frecvențele înalte utilizate permit utilizarea transformatoarelor mult mai mici și mai ușoare și a condensatoarelor mai mici. Un circuit special crește precis comutarea pentru a controla tensiunea de ieșire. Deoarece nu au nevoie de regulatoare liniare, astfel de consumabile risipesc puțină energie: sunt de obicei eficiente între 80 și 90% și, prin urmare, degajă mult mai puțină căldură.
Cu toate acestea, o sursă de comutare este mult mai complexă decât o sursă de alimentare liniară și, prin urmare, este mai dificil de proiectat. În plus, este mult mai solicitant în ceea ce privește componentele, necesitând tranzistoare de putere de înaltă tensiune care se pot porni și opri eficient la viteză mare.
Ca o notă laterală, ar trebui să menționez că unele computere au folosit surse de alimentare care nu sunt nici liniare, nici comutatoare. O tehnică brută, dar eficientă, a fost aceea de a porni un motor de la puterea liniei și de a folosi acel motor pentru a acționa un generator care creează tensiunea de ieșire dorită. Unitățile generatoare de motoare au fost folosite de zeci de ani, cel puțin încă de pe vremea mașinilor de perforat carduri IBM din anii 1930 și continuând până în anii 1970 pentru lucruri precum supercomputere Cray.
O altă opțiune, populară din anii 1950 până în anii 1980, a fost utilizarea transformatoarelor ferorezonante, un tip special de transformator care asigură o ieșire constantă de tensiune. De asemenea, în anii 1950, reactorul saturabil, un inductor controlabil, a fost utilizat pentru reglarea alimentării cu energie a computerelor cu tuburi vidate. A reapărut [PDF] ca „amplificator magnetic” în unele surse moderne de alimentare pentru PC, oferind o reglementare suplimentară. Dar, în cele din urmă, aceste abordări ciudate au cedat în mare măsură comutării surselor de alimentare.
Principiile din spatele sursa de comutare a fost cunoscută de inginerii electrici încă din anii 1930, dar această tehnică a găsit o utilizare limitată în epoca tuburilor de vid. Tuburi speciale care conțin mercur, numite tiratroni, au fost utilizate în unele surse de alimentare ale timpului care ar putea fi considerate regulatoare de comutare primitive, de joasă frecvență. Exemplele includ sursa de alimentare REC-30 Teletype din anii 1940 și sursa utilizată în computerul IBM 704 din 1954. Cu introducerea tranzistoarelor de putere în anii 1950, totuși, sursele de alimentare de comutare s-au îmbunătățit rapid. Pioneer Magnetics a început să construiască surse de alimentare cu comutare în 1958. Și General Electric a publicat un proiect timpuriu pentru o sursă de alimentare cu comutare tranzistorizată în 1959.