ثورة في تصميم إمدادات طاقة الكمبيوتر قبل نصف قرن

منذ نصف قرن من الزمن ، أحدثت الترانزستورات المحسنة ومنظمات تحويل الجهد ثورة في تصميم إمدادات الطاقة بالكمبيوتر. على سبيل المثال ، اكتسبت شركة أبل مزايا - رغم أنها لم تكن هي التي أطلقت هذه الثورة ، على الرغم من تصريحات ستيف جوبز.

بدون Intel من الداخل: تُظهر الأشعة السينية مكونات وحدة تزويد الطاقة بالتبديل المستخدمة في الحواسب الصغيرة الأصلية من Apple II ، والتي تم إصدارها في عام 1977

لا يتم إيلاء الاهتمام اللازم لإمدادات طاقة الكمبيوتر.

بصفتك متحمسًا للتكنولوجيا ، ربما تعرف أي المعالج الدقيق للكمبيوتر الخاص بك ومقدار الذاكرة الفعلية الموجودة به ، ولكن هناك فرصة لأنك لا تعرف شيئًا عن مصدر الطاقة الخاص بها. لا تخجل - حتى الشركات المصنعة تقوم بتطوير وحدات دعم البرامج الأخيرة.

إنه لأمر مؤسف ، لأنه استغرق الكثير من الجهد لإنشاء PSU لأجهزة الكمبيوتر الشخصية ، وكان هذا تحسنا خطيرا مقارنة بالدوائر التي غذت غيرها من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية حتى أواخر 1970s. تم تحقيق هذا التقدم بفضل القفزات الكبيرة في تكنولوجيا أشباه الموصلات التي تمت قبل نصف قرن ، على وجه الخصوص ، التحسينات في تبديل منظمات الفولتية والابتكارات في الدوائر المتكاملة. لكن في الوقت نفسه ، جذبت هذه الثورة انتباه الرأي العام ، وهي غير معروفة للعديد من الأشخاص المطلعين على تاريخ الحواسيب الصغيرة.

في عالم BP ، كان هناك بعض الأبطال البارزين ، بما في ذلك الشخصية التي قد يفاجئك ذكرها: Steve Jobs . وفقًا لسيرة حياته المعتمدة ، والتر آيزاكسون ، استحوذت جوبز على PSU من Apple II ، وهو جهاز كمبيوتر شخصي متطور ، ومطورها ، رود هولت ، على محمل الجد. الوظائف ، وفقا لإيزاكسون ، ذكرت ما يلي:

بدلاً من PSU الخطي المعتاد ، أنشأ Holt واحدة تم استخدامها في الذبذبات. لقد أطفأ الطاقة وأوقفها ليس 60 مرة في الثانية ، بل آلاف المرات ؛ هذا سمح له بتوفير الطاقة لفترات أقصر بكثير من الوقت ، ونتيجة لذلك كان ينبعث حرارة أقل بكثير. وقال جوبز في وقت لاحق: "كان هذا الدافع لجامعة الأمير سلطان ثورية مثل مجلس منطق Apple II". - لا يتم الإشادة بهذا النوع في كثير من الأحيان في كتب التاريخ ، ولكن ينبغي أن يكون كذلك. اليوم ، تستخدم جميع أجهزة الكمبيوتر أجهزة UPS ، ويتم نسخها جميعًا من دائرة رود هولت. "

بدا لي هذا البيان الخطير غير موثوق به للغاية ، وقد أجريت تحقيقي. لقد وجدت أنه على الرغم من أن UPS كانت ثورية ، إلا أن هذه الثورة حدثت في أواخر الستينيات ومنتصف سبعينيات القرن الماضي عندما استحوذت UPS على إمدادات الطاقة الخطية البسيطة ولكن غير الفعالة. آبل 2 ، التي ظهرت في عام 1977 ، تلقت فوائد هذه الثورة ، لكنها لم تسبب لها.

تصحيح إصدار وظائف Jobs ليس تافهًا من المجال الهندسي. اليوم ، تعد UPS بمثابة الدعامة الأساسية لكل شيء ؛ فنحن نستخدمها يوميًا لشحن هواتفنا الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات وحتى بعض السيارات. إنها تغذي الساعة والراديو ومكبرات الصوت المنزلية وغيرها من الأجهزة المنزلية الصغيرة. المهندسين الذين أثاروا هذه الثورة يستحقون التقدير. على أي حال ، هذه قصة مثيرة جدا للاهتمام.

تقوم وحدة PSU في أجهزة الكمبيوتر المكتبية ، مثل Apple II ، بتحويل تيار خط التيار المتردد إلى التيار المباشر ، وتنتج جهدًا مستقرًا جدًا لتشغيل النظام. يمكن تصميم BP بعدة طرق مختلفة ، ولكن غالبًا ما توجد دارات خطية ودوافع.

مع كل الثآليل

في الماضي ، كانت الأجهزة الإلكترونية الصغيرة تستخدم عادة محولات BP الضخمة ، التي يطلق عليها "الثآليل الجدارية". في بداية القرن الحادي والعشرين ، مكنت التحسينات التكنولوجية من البدء في التطبيق العملي لإمدادات الطاقة المنخفضة التبديل المدمجة لتشغيل الأجهزة الصغيرة. مع انخفاض تكلفة محولات التبديل AC / DC ، استبدلوا بسرعة وحدات PSU الضخمة في معظم الأجهزة المنزلية.

حولت شركة آبل الشاحن إلى جهاز مبتكر ، تم تقديم شحن أنيق له على جهاز iPod في عام 2001 ، وكان بداخله محول flyback مضغوطًا يتم التحكم فيه بواسطة دوائر متكاملة (على اليسار في الصورة). سرعان ما أصبح شحن USB واسع النطاق ، وأصبح الشاحن الصغير للغاية في شكل مكعب بوصة من شركة Apple ، الذي ظهر عام 2008 ، رمزًا للعبادة (على اليمين).

تستخدم أكثر أجهزة الشحن عالية المستوى شيوعًا من هذا النوع اليوم أشباه الموصلات القائمة على نيتريد الغاليوم والتي يمكنها التبديل بشكل أسرع من ترانزستورات السيليكون ، وبالتالي فهي أكثر كفاءة. تطوير التكنولوجيات في اتجاه مختلف ، تقدم الشركات المصنعة اليوم شحن USB بسعر أقل من دولار ، على الرغم من توفير في الوقت نفسه على جودة الطاقة وأنظمة الأمن.

* * *

تستخدم وحدة PSU الخطية النموذجية محولًا ضخمًا لتحويل مخرج تيار متردد عالي الجهد إلى تيار متردد منخفض الجهد ، والذي يتم تحويله بعد ذلك إلى تيار مستمر منخفض الجهد باستخدام الثنائيات ، عادةً أربعة متصلة بدائرة جسر الصمام الثنائي الكلاسيكي. تستخدم المكثفات الكبيرة كهربائيا لتنعيم الجهد الناتج لجسر الصمام الثنائي. تستخدم مزودات طاقة الكمبيوتر دائرة تسمى مثبت خطي ، مما يقلل من جهد التيار المستمر إلى المستوى المرغوب ويبقيه على هذا المستوى حتى مع حدوث تغييرات في الحمل.

PSUs الخطية تافهة في التصميم والإبداع. أنها تستخدم مكونات أشباه الموصلات الجهد المنخفض رخيصة. ومع ذلك ، لديهم اثنين من السلبيات الكبيرة. أحدها هو الحاجة إلى استخدام المكثفات الكبيرة والمحولات الضخمة ، التي لا يمكن حشرها في شيء صغير جدًا وخفيف ومريح مثل أجهزة الشحن التي نستخدمها جميعًا للهواتف الذكية والأجهزة اللوحية الخاصة بنا. وظيفة أخرى - دائرة استقرار خطية تعتمد على الترانزستورات ، تحول الجهد الزائد للتيار المستمر - كل شيء فوق المستوى المطلوب - إلى حرارة طائشة. لذلك ، عادة ما تفقد وحدات دعم البرامج هذه أكثر من نصف الطاقة المستهلكة. وغالبًا ما يحتاجون إلى مشعات معدنية كبيرة أو مراوح للتخلص من هذه الحرارة.

تعمل UPS على مبدأ مختلف: يتحول دخل خط AV إلى تيار عالي الجهد ، والذي يعمل على تشغيل وإيقاف تشغيل عشرات الآلاف من المرات في الثانية. تسمح الترددات العالية باستخدام المحولات والمكثفات الأصغر والأخف وزناً. دائرة خاصة تتحكم بدقة في التبديل للسيطرة على الجهد الناتج. نظرًا لأن وحدات دعم البرامج هذه لا تحتاج إلى مثبتات خطية ، فإنها تفقد قدرًا كبيرًا من الطاقة: عادة ما تصل كفاءتها إلى 80-90٪ ، ونتيجة لذلك فهي أقل تسخينًا.

ومع ذلك ، عادة ما تكون UPSs أكثر تعقيدًا من تلك الخطية وأكثر صعوبة في التصميم. بالإضافة إلى ذلك ، وضعوا المزيد من المتطلبات للمكونات ، ويحتاجون إلى ترانزستورات عالية الجهد يمكنها تشغيل وإيقاف تشغيلها بكفاءة عالية التردد.

يجب أن أذكر أن بعض أجهزة الكمبيوتر تستخدم وحدات PSU التي لم تكن خطية أو نابضة. أحد الأساليب الخام ولكن الفعالة هي تشغيل المحرك من مأخذ التيار الكهربائي واستخدامه لتدوير مولد ينتج الجهد المطلوب. لقد تم استخدام مولدات المحركات لعدة عقود ، على الأقل منذ ظهور أجهزة IBM مع بطاقات مثقبة في ثلاثينيات القرن العشرين وحتى سبعينيات القرن الماضي ، وهي تعمل ، من بين أمور أخرى ، على استخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة كراي .

هناك خيار آخر ، شائع منذ الخمسينيات وحتى ثمانينيات القرن الماضي ، يستخدم محولات فاعلة - نوع خاص من المحولات يعطي ناتج جهد ثابت. أيضًا في الخمسينيات من القرن العشرين ، تم استخدام محث التشبع ، وهو محث متحكم فيه ، للتحكم في جهد أجهزة الكمبيوتر الأنبوبية. في بعض أجهزة PSU الحديثة ، عادت إلى الظهور تحت اسم " مضخم مغناطيسي " ، مما أعطى تنظيمًا إضافيًا. ولكن في النهاية ، كل هذه الأساليب القديمة أفسحت المجال أمام UPS.

إن المبادئ التي تستند إليها شركة يو بي إس معروفة للمهندسين الكهربائيين منذ ثلاثينيات القرن العشرين ، ولكن هذه التكنولوجيا نادراً ما استخدمت في عصر الأنابيب الإلكترونية. في ذلك الوقت ، استخدمت بعض وحدات PSU مصابيح خاصة من الزئبق ، وثيراترون ، ويمكن اعتبارها مثبتات نبضية منخفضة التردد. من بينها REC-30 ، التي تغذت على teletype في 1940s ، وكذلك وحدة تزويد الطاقة لجهاز الكمبيوتر IBM 704 من عام 1954. ولكن مع ظهور ترنزستورات الطاقة في الخمسينيات ، بدأت UPS في التحسن السريع. بدأت شركة Pioneer Magnetics في إنتاج UPS في عام 1958. أطلقت General Electric مشروع UPS الترانزستور المبكر في عام 1959.

في الستينيات من القرن الماضي ، أصبحت وكالة الفضاء والطيران الأمريكية (ناسا) وصناعة الطيران القوة الدافعة الرئيسية في تطوير أنظمة UPS ، لأن مزايا الحجم الصغير والكفاءة العالية كانت لها الأسبقية على التكلفة الباهظة. على سبيل المثال ، في عام 1962 ، استخدم القمر الصناعي Telstar (أول قمر صناعي يبدأ البث التلفزيوني) وصاروخ Minitman UPS. مرت السنوات ، وانخفضت الأسعار ، وبدأت UPS في بناء المعدات الاستهلاكية. على سبيل المثال ، في عام 1966 ، استخدمت تكترونكس UPS في منظار الذبذبات المحمولة ، مما سمح لها بالعمل من مقبس الحائط ومن البطاريات.

تسارعت الاتجاه حيث بدأت الشركات المصنعة في بيع UPS لشركات أخرى. في عام 1967 ، قدمت RO Associates أول UPS 20 كيلو هرتز ، والتي أطلق عليها أول UPS الناجحة تجاريًا. شركة نيبون لصناعة الذاكرة الالكترونية بدأ تطوير UPS قياسي في اليابان في عام 1970. بحلول عام 1972 ، كان معظم مصنعي UPS يبيعون UPS أو يستعدون لإصدارها.

حول هذا الوقت ، بدأت صناعة الكمبيوتر باستخدام UPS. تشمل الأمثلة المبكرة حاسوب PDP-11/20 المصغر من Digital Equipment في عام 1969 ، والكمبيوتر المصغر 2100A من Hewlett-Packard في عام 1971. جاء في منشور صدر عام 1971 أنه من بين الشركات التي تستخدم UPS ، تمت الإشارة إلى جميع اللاعبين الرئيسيين في السوق: IBM و Honeywell و Univac و DEC و Burroughs و RCA. في عام 1974 ، تضمنت قائمة الحواسيب الصغيرة التي تستخدم UPSs Nova 2/4 من Data General و 960B من Texas Instruments وأنظمة من Interdata. في عام 1975 ، تم استخدام UPS في محطة HP2640A ، على غرار جهاز Selectric Composer من IBM ، وفي كمبيوتر محمول IBM 5100. بحلول عام 1976 ، كانت Data General قد استخدمت UPS في نصف أنظمتها ، و HP في أنظمة صغيرة مثل 9825A Desktop Computer و 9815A Calculator. بدأت UPS في الظهور في الأجهزة المنزلية ، على سبيل المثال ، في بعض أجهزة التلفزيون الملونة بحلول عام 1973.

غالبًا ما تمت تغطية UPS في المجلات الإلكترونية في تلك الحقبة ، سواء في شكل إعلانات أو في مقالات. في عام 1964 ، أوصى التصميم الإلكتروني باستخدام UPS بسبب كفاءتها العالية. على غلاف أكتوبر 1971 ، ظهرت مجلة Electronics World على UPS 500 واط ، وكان عنوان المقال كما يلي: "مزود الطاقة مع مثبت النبض". وصف تصميم الكمبيوتر في عام 1972 بالتفصيل يو بي إس والاستيلاء التدريجي على سوق الكمبيوتر ، على الرغم من أنه أشار أيضا إلى تشكك بعض الشركات. على غلاف "التصميم الإلكتروني" في عام 1976 ، تمت كتابته "التبديل أصبح فجأة أسهل" ووصفت الدائرة المتكاملة UPS الجديدة. مجلة الالكترونيات لديها مقال طويل حول هذا الموضوع. كان لدى Powertec مواد ترويجية من صفحتين حول فوائد UPS مع شعار "المفتاح الكبير هو المحولات" [تغييرات كبيرة للمفاتيح] ؛ أعلن بايت الافراج عن UPS لأجهزة الكمبيوتر الصغيرة من قبل بوشيرت.

كان روبرت بوشرت ، الذي ترك وظيفته وبدأ في جمع إمدادات الطاقة في مطبخه عام 1970 ، مطورًا رئيسيًا لهذه التكنولوجيا. ركز على تبسيط الدوائر من أجل جعل وحدات PSU النبضية تنافسية في الأسعار مع تلك الخطية ، وبحلول عام 1974 كان قد أنتج بالفعل وحدات PSU غير مكلفة للطابعات بكميات صناعية ، ثم في عام 1976 أطلق أيضًا وحدات UPS غير مكلفة 80W. ك 1977 شركة بوشيرت نمت لتصبح شركة من 650 شخص. لقد صنعت مصدر الطاقة للأقمار الصناعية ومقاتلة Grumman F-14 ، ولاحقًا - مزودات طاقة الكمبيوتر لـ HP و Sun.

ظهور ترانزستورات عالية التردد عالية الجهد منخفضة التكلفة في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات من قبل شركات مثل Solid State Products Inc. (SSPI) ، وسيمنز إديسون سوان (SES) وموتورولا ، ساعدت في جلب UPS في التيار الرئيسي. زادت ترددات التبديل الأعلى من الكفاءة ، نظرًا لأن الحرارة في هذه الترانزستورات قد تبددت بشكل أساسي في وقت التبديل بين الحالات ، وكلما أسرع الجهاز في إجراء هذا الانتقال ، قل استهلاك الطاقة.

ترددات الترانزستور في ذلك الوقت زادت على قدم وساق. كانت تكنولوجيا الترانزستور تتطور بسرعة كبيرة حتى أن محرري عالم الإلكترونيات في عام 1971 كانوا يدعون أن مصدر الطاقة 500 واط على غلاف المجلة لم يكن من الممكن إنتاجه قبل 18 شهرًا فقط.

حدث تقدم ملحوظ آخر في عام 1976 عندما قام روبرت مامانو ، المؤسس المشارك لشركة السيليكون العامة لأشباه الموصلات ، بتقديم أول دائرة متكاملة من شركة يو بي إس مطورة من أجل التيليتبي الإلكتروني. قامت وحدة التحكم SG1524 التابعة لها بتبسيط عملية تطوير وحدات PSU بشكل كبير وخفضت تكلفتها ، مما تسبب في زيادة المبيعات.

بحلول عام 1974 ، زائد أو ناقص بضع سنوات ، كان من الواضح لكل شخص ، على الأقل فهمًا تقريبًا لحالة صناعة الإلكترونيات ، أن هناك ثورة حقيقية في تصاميم BP.


القادة والأتباع: يوضح ستيف جوبز كمبيوتر Apple II الشخصي في عام 1981. تم طرح Apple II لأول مرة في عام 1977 ، وقد استفادت من التحول الصناعي من وحدات PSU الخطية الضخمة إلى وحدات نبضية صغيرة وفعالة. لكن Apple II لم تطلق هذا الانتقال ، كما ادعى Jobs لاحقًا.

تم تقديم الكمبيوتر الشخصي Apple II في عام 1977. ومن ميزاته جهاز UPS صغير الحجم بدون مروحة ، مما وفر 38 واط من الطاقة والجهد من 5 و 12 و -5 و -12 فولت. واستخدم دارة Holt البسيطة وهي UPS مع طوبولوجيا محول دون اتصال flyback. قال جوبز أن كل كمبيوتر يقوم اليوم بنسخ دارة هولت الثورية. ولكن هل كانت هذه الدائرة ثورية عام 1977؟ وهل قام كل مصنع للكمبيوتر بنسخه؟

لا و ​​لا. تم بالفعل بيع محولات flyback مماثلة في ذلك الوقت بواسطة Boschert وشركات أخرى. حصل هولت على براءات اختراع لعدد من ميزات BP الخاصة به ، لكن لم يتم استخدامها على نطاق واسع. وقد تحول إنشاء دائرة تحكم للمكونات المنفصلة ، كما حدث مع Apple II ، إلى طريق مسدود تكنولوجي. ينتمي مستقبل UPS إلى دوائر متكاملة متخصصة.

إذا كان هناك كمبيوتر صغير كان له تأثير طويل المدى على تصميم وحدات PSU ، فقد كان IBM Personal Computer الذي تم إطلاقه في عام 1981. بحلول ذلك الوقت ، بعد أربع سنوات فقط من إصدار Apple II ، تغيرت تكنولوجيا PSU بشكل كبير. وعلى الرغم من أن كلا من هذه الحواسيب الشخصية استخدمت جهاز UPS مع طوبولوجيا المحول دون اتصال flyback والعديد من النواتج ، فقد كان هذا هو الشيء المشترك بينهما. كانت القوة والتحكم والتغذية المرتدة وحلقات التثبيت مختلفة. على الرغم من أن وحدة PSU للكمبيوتر IBM تستخدم وحدة تحكم دائرة متكاملة ، إلا أنها تحتوي على ضعف عدد مكونات وحدة Apple II PSU. قدمت المكونات الإضافية ثباتًا إضافيًا لجهد الخرج و "قوة الجودة" عندما كانت جميع الفولتية الأربعة صحيحة.

في عام 1984 ، أصدرت IBM إصدارًا محدثًا بشكل كبير من جهاز الكمبيوتر ، يسمى IBM Personal Computer AT. استخدم PSU العديد من المخططات الجديدة ، متخليًا تمامًا عن طوبولوجيا flyback. سرعان ما أصبحت المعيار الفعلي وظلت كذلك حتى عام 1995 ، عندما قدمت Intel عامل الشكل ATX ، والذي ، مثل أشياء أخرى تحدد ATX PSU ، يظل المعيار حتى يومنا هذا.

لكن على الرغم من ظهور معيار ATX ، أصبحت أنظمة طاقة الكمبيوتر أكثر تعقيدًا في عام 1995 عندما ظهر Pentium Pro - وهو معالج دقيق يحتاج إلى جهد أقل وتيارات عالية مما يمكن أن تقدمه ATX PSU مباشرة. بالنسبة إلى مزود الطاقة هذا ، قدمت Intel وحدة تنظيم الجهد (VRM) - محول DC-DC نابض مثبت بجانب المعالج. قام بتخفيض 5 فولت من مزود الطاقة إلى 3 فولت المستخدم من قبل المعالج. تحتوي بطاقات الرسومات الخاصة بالعديد من أجهزة الكمبيوتر أيضًا على VRM ، والتي تغذي شرائح الرسومات عالية السرعة المثبتة فيها.

اليوم ، قد يتطلب معالج VRM السريع ما يصل إلى 130 واط - أكثر بكثير من طاقة نصف واط التي استخدمها معالج Apple II 6502. يمكن للمعالج الحديث وحده استخدام ثلاث مرات طاقة أكبر من كمبيوتر Apple II بأكمله.

تسبب استهلاك الطاقة المتزايد لأجهزة الكمبيوتر في المخاوف البيئية ، مما أدى إلى مبادرات وقوانين تتطلب إمدادات طاقة أكثر كفاءة. في الولايات المتحدة ، تطلب شهادات Energy Star و Industrial 80 Plus الحكومية من الشركات المصنعة إصدار إمدادات طاقة صديقة للبيئة. تمكنوا من القيام بذلك باستخدام العديد من التقنيات: استهلاك أكثر كفاءة للطاقة الاحتياطية ودوائر بدء تشغيل أكثر فاعلية ودارات رنانة تقلل من فقد الطاقة في ترانزستورات النبض ودارات المشبك النشطة التي تحل محل الثنائيات النبضية بترانزستورات أكثر كفاءة. تحسينات في تقنية ترانزستورات الطاقة MOSFET ومحولات السيليكون عالية الجهد على مدى السنوات العشر الماضية عملت أيضا على زيادة الكفاءة.

تستمر تقنية UPS في التطور بطرق أخرى. اليوم ، بدلاً من الدوائر التناظرية ، يستخدم العديد من البائعين الرقائق الرقمية وخوارزميات البرامج التي تتحكم في الإخراج. أصبح تطوير وحدة تحكم PSU مسألة تصميم الأجهزة ومشكلة البرمجة. تتيح إدارة الطاقة الرقمية للبائعين التواصل مع بقية النظام بكفاءة أكبر والحفاظ على السجلات. وعلى الرغم من استخدام هذه التقنيات الرقمية في الغالب في الخوادم ، إلا أنها بدأت تؤثر على تطوير أجهزة الكمبيوتر المكتبية.

من الصعب التوفيق بين هذه القصة بأكملها ورأي جوبز بأن هولت يجب أن يكون معروفًا على نطاق أوسع ، أو أن "رودا لا يتم الإشادة به في كثير من الأحيان في كتب التاريخ ، بل كان يجب أن يكون كذلك". حتى أفضل مطوري BP لا يشتهرون خارج المجتمع الصغير. في عام 2009 ، دعا محرري التصميم الإلكتروني بوشير إلى قاعة مشاهير الهندسة . حصل روبرت مامانو على جائزة Lifetime Achievement Award في عام 2005 من محرري Power Electronics Technology. حصل رودي سيفيرنز على جائزة أخرى في عام 2008 عن ابتكار UPS. لكن لم يلاحظ أي من هذه النجوم البارزة في مجال تصميم جامعة الأمير سلطان على ويكيبيديا.

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