Una revolución en el diseño de las fuentes de alimentación para computadoras hace medio siglo

Hace medio siglo, los transistores mejorados y los reguladores de voltaje de conmutación revolucionaron el diseño de las fuentes de alimentación de las computadoras. Apple, por ejemplo, obtuvo ventajas, aunque no fue ella quien lanzó esta revolución, a pesar de las declaraciones de Steve Jobs.

Sin Intel adentro: los rayos X muestran los componentes de una fuente de alimentación conmutada utilizada en el microordenador Apple II original, lanzado en 1977

Las fuentes de alimentación de la computadora no reciben la debida atención.

Como entusiasta de la tecnología, probablemente sepa qué microprocesador tiene su computadora y cuánta memoria física tiene, pero existe la posibilidad de que no sepa nada sobre su fuente de alimentación. No se asuste, incluso los fabricantes están desarrollando PSU por última vez.

Es una pena, ya que tomó mucho esfuerzo crear una fuente de alimentación para computadoras personales, y esto fue una mejora seria en comparación con los circuitos que alimentaron otros productos electrónicos de consumo hasta finales de la década de 1970. Este avance fue posible gracias a los enormes avances en la tecnología de semiconductores realizados hace medio siglo, en particular, las mejoras en los reguladores de voltaje de conmutación y las innovaciones en los circuitos integrados. Pero al mismo tiempo, esta revolución atrajo la atención del público, e incluso es desconocida para muchas personas familiarizadas con la historia de las microcomputadoras.

En el mundo de BP, hubo algunos campeones sobresalientes, incluida una personalidad cuya mención puede sorprenderle: Steve Jobs . Según su biógrafo autorizado, Walter Isaacson , Jobs se tomó muy en serio la fuente de alimentación de Apple II, una computadora personal avanzada , y su desarrollador, Rod Holt. Jobs, según Isaacson, declaró lo siguiente:

En lugar de la fuente de alimentación lineal habitual, Holt creó una que se utilizó en osciloscopios. Encendió y apagó la energía no 60 veces por segundo, sino miles de veces; Esto le permitió ahorrar energía durante períodos de tiempo mucho más cortos, como resultado de lo cual emitió mucho menos calor. "Esta fuente de alimentación impulsiva fue tan revolucionaria como la placa lógica Apple II", dijo Jobs más tarde. - El tipo no es a menudo elogiado por esto en los libros de historia, pero debería haberlo sido. Hoy, todas las computadoras usan UPS, y todas se copian del circuito de Rod Holt ”.

Esta declaración seria me pareció poco confiable, y conduje mi investigación. Descubrí que, aunque los UPS eran revolucionarios, esta revolución tuvo lugar a fines de los años 60 y mediados de los 70, cuando los UPS tomaron el control de fuentes de alimentación lineales simples pero ineficientes. Apple II, que apareció en 1977, recibió los beneficios de esta revolución, pero no la causó.

La corrección de la versión de Jobs de los eventos no es un poco del campo de la ingeniería. Hoy en día, los UPS son el pilar de todo; los usamos diariamente para cargar nuestros teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles, cámaras e incluso algunos automóviles. Alimentan el reloj, la radio, los amplificadores de audio para el hogar y otros pequeños electrodomésticos. Los ingenieros que provocaron esta revolución merecen reconocimiento. De todos modos, esta es una historia muy interesante.

Una fuente de alimentación en computadoras de escritorio, como la Apple II, convierte la corriente de línea de CA en corriente continua y produce un voltaje muy estable para alimentar el sistema. BP puede diseñarse de muchas maneras diferentes, pero la mayoría de las veces hay circuitos lineales e impulsivos.

Con todas las verrugas

En el pasado, los pequeños dispositivos electrónicos han utilizado transformadores de BP voluminosos, conocidos como "verrugas de pared". A principios del siglo XXI, las mejoras tecnológicas permitieron comenzar la aplicación práctica de fuentes de alimentación de baja potencia de conmutación compacta para alimentar dispositivos pequeños. Con la caída en el costo de los adaptadores de conmutación de CA / CC, reemplazaron rápidamente las voluminosas fuentes de alimentación en la mayoría de los dispositivos domésticos.

Apple convirtió el cargador en un dispositivo ingenioso, introdujo la carga elegante para el iPod en 2001, dentro de la cual había un convertidor flyback compacto controlado por circuitos integrados (a la izquierda en la imagen). Pronto, la carga USB se generalizó, y el cargador ultracompacto en forma de cubo de una pulgada de Apple, que apareció en 2008, se convirtió en un ícono de culto (a la derecha).

Los cargadores de alto nivel más modernos de este tipo utilizan hoy en día semiconductores basados ​​en nitruro de galio que pueden cambiar más rápido que los transistores de silicio y, por lo tanto, son más eficientes. Desarrollando tecnologías en una dirección diferente, hoy en día los fabricantes ofrecen carga USB a un precio inferior a un dólar, aunque al mismo tiempo ahorran en calidad de energía y sistemas de seguridad.

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Una fuente de alimentación lineal típica usa un transformador voluminoso para convertir una salida de CA de alto voltaje en una CA de bajo voltaje, que luego se convierte en una CC de bajo voltaje utilizando diodos, generalmente cuatro conectados a un circuito de puente de diodos clásico. Los condensadores electrolíticos grandes se utilizan para suavizar el voltaje de salida del puente de diodos. Las fuentes de alimentación de la computadora utilizan un circuito llamado estabilizador lineal, que reduce el voltaje de CC al nivel deseado y lo mantiene en ese nivel incluso con cambios en la carga.

Las fuentes de alimentación lineales son triviales en diseño y creación. Utilizan componentes semiconductores baratos de bajo voltaje. Sin embargo, tienen dos grandes desventajas. Una de ellas es la necesidad de usar condensadores grandes y transformadores voluminosos, que no se pueden agrupar en algo tan pequeño, liviano y conveniente como los cargadores que todos usamos para nuestros teléfonos inteligentes y tabletas. Otro, un circuito estabilizador lineal basado en transistores, convierte el voltaje de CC excesivo, todo por encima del nivel requerido, en calor parásito. Por lo tanto, tales PSU generalmente pierden más de la mitad de la energía consumida. Y a menudo necesitan grandes radiadores metálicos o ventiladores para deshacerse de este calor.

El UPS funciona con un principio diferente: la entrada de la línea AV se convierte en una CC de alto voltaje, que se enciende y apaga decenas de miles de veces por segundo. Las altas frecuencias permiten el uso de transformadores y condensadores mucho más pequeños y ligeros. Un circuito especial controla con precisión la conmutación para controlar el voltaje de salida. Dado que tales unidades de suministro de energía no necesitan estabilizadores lineales, pierden muy poca energía: por lo general, su eficiencia alcanza el 80-90% y, como resultado, se calientan mucho menos.

Sin embargo, los UPS suelen ser mucho más complejos que los lineales y más difíciles de diseñar. Además, presentan más requisitos para los componentes y necesitan transistores de alto voltaje que puedan encenderse y apagarse de manera eficiente con alta frecuencia.

Debo mencionar que algunas computadoras usaban PSU que no eran lineales ni pulsadas. Una técnica cruda pero efectiva era alimentar el motor desde una toma de corriente y usarlo para hacer girar un generador que produjera el voltaje requerido. Los generadores de motores se han utilizado durante varias décadas, al menos desde el advenimiento de las máquinas IBM con tarjetas perforadas en la década de 1930 y hasta la década de 1970, alimentando, entre otras cosas, las supercomputadoras Cray .

Otra opción, popular desde la década de 1950 y hasta la de 1980, utilizaba transformadores ferroresonantes , un tipo especial de transformador que proporciona una salida de voltaje constante. También en la década de 1950, se usó un inductor de saturación , un inductor controlado, para controlar el voltaje de las computadoras de tubo. En algunas PSU de PC modernas, reapareció bajo el nombre de " amplificador magnético ", lo que brinda una regulación adicional. Pero al final, todos estos viejos enfoques dieron paso a los UPS.

Los ingenieros eléctricos conocen los principios subyacentes del UPS desde la década de 1930, pero esta tecnología rara vez se ha utilizado en la era de los tubos electrónicos. En ese momento, algunas unidades de suministro de energía usaban lámparas especiales de mercurio, tiratrones , y pueden considerarse estabilizadores de pulso primitivos de baja frecuencia. Entre ellos se encuentra el REC-30 , que alimentó el teletipo en la década de 1940, así como la unidad de fuente de alimentación para la computadora IBM 704 de 1954. Pero con la llegada de los transistores de potencia en la década de 1950, los UPS comenzaron a mejorar rápidamente. Pioneer Magnetics comenzó a producir UPS en 1958. General Electric lanzó el primer proyecto de UPS de transistores en 1959.

En la década de 1960, la NASA y la industria aeroespacial se convirtieron en la principal fuerza impulsora en el desarrollo de UPS, ya que para las necesidades aeroespaciales, las ventajas del tamaño pequeño y la alta eficiencia tenían prioridad sobre el gran costo. Por ejemplo, en 1962, el satélite Telstar (el primer satélite en comenzar a transmitir televisión) y el cohete Minitman usaban UPS. Pasaron los años, los precios cayeron y los UPS comenzaron a integrarse en los equipos de consumo. Por ejemplo, en 1966, Tektronix usó UPS en un osciloscopio portátil, lo que le permitió funcionar tanto desde un tomacorriente de pared como desde baterías.

La tendencia se aceleró a medida que los fabricantes comenzaron a vender UPS a otras compañías. En 1967, RO Associates presentó el primer UPS de 20 KHz, que llamó el primer UPS comercialmente exitoso. Nippon Electronic Memory Industry Co. comenzó el desarrollo de UPS estandarizados en Japón en 1970. En 1972, la mayoría de los fabricantes de UPS estaban vendiendo UPS o preparándose para su lanzamiento.

Alrededor de este tiempo, la industria informática comenzó a usar UPS. Los primeros ejemplos incluyen la microcomputadora PDP-11/20 de Digital Equipment en 1969, y la microcomputadora 2100A de Hewlett-Packard en 1971. Una publicación de 1971 declaró que entre las compañías que usaban UPS, todos los principales actores del mercado fueron notados: IBM, Honeywell, Univac, DEC, Burroughs y RCA. En 1974, la lista de microordenadores que usaban UPS incluía Nova 2/4 de Data General, 960B de Texas Instruments y sistemas de Interdata. En 1975, los UPS se usaron en el terminal HP2640A, similar al Selectric Composer de IBM, y en la computadora portátil IBM 5100. En 1976, Data General había usado UPS en la mitad de sus sistemas, y HP en sistemas pequeños como 9825A Desktop Computer y 9815A Calculator. Los UPS comenzaron a aparecer en dispositivos domésticos, por ejemplo, en algunos televisores en color en 1973.

Los UPS a menudo estaban cubiertos en revistas electrónicas de esa época, tanto en forma de publicidad como en artículos. En 1964, Electronic Design recomendó usar un UPS debido a su mayor eficiencia. En la portada de octubre de 1971, la revista Electronics World presentó un UPS de 500 W, y el título del artículo decía: "Fuente de alimentación con estabilizador de pulso". Computer Design en 1972 describió en detalle los UPS y su captura gradual del mercado de computadoras, aunque también mencionó el escepticismo de algunas compañías. En la portada de Electronic Design en 1976, se escribió "Cambiar de repente se volvió más fácil" y se describió el nuevo circuito integrado de UPS. La revista Electronics tiene un largo artículo sobre este tema; Powertec tenía materiales promocionales de dos páginas sobre los beneficios de un UPS con el lema "El gran cambio es a los conmutadores" [grandes cambios para los interruptores]; Byte anunció el lanzamiento de UPS para microcomputadoras por Boschert.

Robert Boshert, quien renunció a su trabajo y comenzó a recolectar suministros de energía en su cocina en 1970, fue un desarrollador clave de esta tecnología. Se concentró en simplificar los circuitos para hacer que las unidades de suministro de energía de pulso fueran competitivas en precio con las lineales, y en 1974 ya había producido unidades de suministro de energía de bajo costo para impresoras en cantidades industriales, y luego en 1976 también lanzó UPS de 80 W de bajo costo. K 1977 Boschert Inc. ha crecido a una empresa de 650 personas. Ella hizo la fuente de alimentación para satélites y el caza Grumman F-14, y más tarde - fuentes de alimentación para computadoras para HP y Sun.

El advenimiento de transistores de alta frecuencia y alto voltaje de bajo costo a fines de los años sesenta y principios de los setenta por compañías como Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) y Motorola, ayudaron a llevar el UPS a la corriente principal. Las frecuencias de conmutación más altas aumentaron la eficiencia, ya que el calor en dichos transistores se disipaba principalmente al momento de cambiar entre estados, y cuanto más rápido el dispositivo podía hacer esta transición, menos energía gastaba.

Las frecuencias del transistor en ese momento aumentaron a pasos agigantados. La tecnología de transistores se estaba desarrollando tan rápido que los editores de Electronics World en 1971 podrían afirmar que la fuente de alimentación de 500 W en la portada de la revista no podría haberse producido solo 18 meses antes.

Otro avance notable se produjo en 1976 cuando Robert Mammano, cofundador de Silicon General Semiconductors, presentó el primer circuito integrado UPS desarrollado para el teletipo electrónico. Su controlador SG1524 simplificó drásticamente el desarrollo de las PSU y redujo su costo, lo que provocó un aumento en las ventas.

Para 1974, más o menos un par de años, era claro para cada persona, al menos aproximadamente entendiendo el estado de la industria electrónica, que había una verdadera revolución en los diseños de BP.


Líderes y seguidores: Steve Jobs demuestra la computadora personal Apple II en 1981. Presentado por primera vez en 1977, el Apple II se ha beneficiado del cambio industrial de las PSU lineales voluminosas a las pequeñas y eficientes. Pero Apple II no lanzó esta transición, como afirmó más tarde Jobs.

La computadora personal Apple II se introdujo en 1977. Una de sus características era un UPS compacto sin ventilador, que proporcionaba 38 W de potencia y voltaje de 5, 12, –5 y –12 V.Utilizó un circuito Holt simple, un UPS con la topología de un convertidor fuera de línea. Jobs dijo que hoy cada computadora copia el revolucionario circuito de Holt. ¿Pero fue este circuito revolucionario en 1977? ¿Y todos los fabricantes de computadoras lo copiaron?

No y no Boschert y otras compañías ya vendieron convertidores de retorno similares en ese momento. Holt recibió patentes para un par de características de su BP, pero no fueron ampliamente utilizadas. Y la creación de un circuito de control de componentes discretos, como lo hizo Apple II, resultó ser un callejón sin salida tecnológico. El futuro del UPS pertenecía a los circuitos integrados especializados.

Si hubo una microcomputadora que tuvo un impacto a largo plazo en el diseño de las PSU, fue IBM Personal Computer, lanzada en 1981. En ese momento, solo cuatro años después del lanzamiento de Apple II, la tecnología de PSU había cambiado drásticamente. Y aunque ambas PC usaban un UPS con la topología de un convertidor fuera de línea y varias salidas, eso era todo lo que era común entre ellos. Los circuitos de potencia, control, retroalimentación y estabilización fueron diferentes. Y aunque la PSU para la PC IBM utilizaba un controlador de circuito integrado, tenía casi el doble de componentes que la PSU Apple II. Los componentes adicionales proporcionaron una estabilización adicional del voltaje de salida y la señal de "potencia de calidad" cuando los cuatro voltajes eran correctos.

En 1984, IBM lanzó una versión significativamente actualizada de la PC, llamada IBM Personal Computer AT. Su PSU utilizó muchos esquemas nuevos, abandonando por completo la topología de retorno. Rápidamente se convirtió en el estándar de facto y lo siguió siendo hasta 1995, cuando Intel introdujo el factor de forma ATX, que, como otras cosas que determinaron la fuente de alimentación ATX, sigue siendo el estándar hasta nuestros días.

Pero a pesar del advenimiento del estándar ATX, los sistemas de energía de las computadoras se volvieron más complejos en 1995 cuando apareció el Pentium Pro, un microprocesador que requería menos voltaje y altas corrientes de lo que la fuente de alimentación ATX podía proporcionar directamente. Para esta fuente de alimentación, Intel introdujo un módulo de regulación de voltaje (VRM), un convertidor DC-DC pulsado instalado al lado del procesador. Redujo 5 V de la fuente de alimentación a 3 V utilizados por el procesador. Las tarjetas gráficas de muchas computadoras también tienen VRM, que alimenta los chips gráficos de alta velocidad instalados en ellas.

Hoy en día, un procesador rápido VRM puede requerir hasta 130 vatios, mucho más que la potencia de medio vatio que usaba el procesador Apple II 6502. Un procesador moderno solo puede usar tres veces más energía que una computadora Apple II completa.

El aumento del consumo de energía de las computadoras ha causado preocupaciones ambientales, lo que ha dado lugar a iniciativas y leyes que requieren fuentes de alimentación más eficientes. En los Estados Unidos, los certificados gubernamentales Energy Star e Industrial 80 Plus requieren que los fabricantes emitan suministros de energía más ecológicos. Logran hacer esto usando varias tecnologías: consumo de energía en espera más eficiente, circuitos de arranque más eficientes, circuitos resonantes que reducen las pérdidas de energía en los transistores de pulso, circuitos de pinza activa que reemplazan los diodos de pulso con transistores más eficientes. Las mejoras en la tecnología de los transistores de potencia MOSFET y los rectificadores de silicio de alto voltaje en los últimos diez años también han servido para aumentar la eficiencia.

La tecnología UPS continúa evolucionando de otras maneras. Hoy, en lugar de circuitos analógicos, muchos proveedores usan chips digitales y algoritmos de software que controlan la salida. El desarrollo del controlador de PSU se ha convertido tanto en una cuestión de diseño de hardware como en un problema de programación. La administración digital de energía permite a los proveedores comunicarse con el resto del sistema con mayor eficiencia y mantener registros. Y aunque estas tecnologías digitales se utilizan principalmente en servidores, están comenzando a influir en el desarrollo de las PC de escritorio.

Es difícil conciliar toda esta historia con la opinión de Jobs de que Holt debería ser conocido más ampliamente, o que "Roda no es a menudo elogiada por esto en los libros de historia, pero debería haberlo sido". Incluso los mejores desarrolladores de BP no se hacen famosos fuera de la pequeña comunidad. En 2009, los editores de Electronic Design invitaron a Boscher a su Salón de la Fama de la Ingeniería . Robert Mammano recibió el premio Lifetime Achievement Award en 2005 de los editores de Power Electronics Technology. Rudy Severns recibió otro premio de este tipo en 2008 por la innovación de UPS. Pero ninguna de estas luminarias en el campo del diseño de una fuente de alimentación se observó en Wikipedia.

, , , Apple, " " , California 1982, , , 2011. , , Apple II , , , .