Eine Revolution im Design von Computer-Netzteilen vor einem halben Jahrhundert

Vor einem halben Jahrhundert revolutionierten verbesserte Transistoren und Schaltspannungsregler das Design von Computer-Netzteilen. Apple zum Beispiel hat Vorteile erlangt - obwohl sie diese Revolution trotz der Aussagen von Steve Jobs nicht ins Leben gerufen hat.

Ohne Intel im Inneren: Röntgen zeigt die Komponenten eines Schaltnetzteils, das im originalen Apple II-Mikrocomputer von 1977 verwendet wurde

Computer-Netzteile werden nicht angemessen berücksichtigt.

Als Technikbegeisterter wissen Sie wahrscheinlich, über welchen Mikroprozessor Ihr Computer verfügt und wie viel physischen Speicher er hat, aber es besteht die Möglichkeit, dass Sie nichts über die Stromversorgung wissen. Scheuen Sie sich nicht - auch Hersteller entwickeln zuletzt Netzteile.

Schade, da die Erstellung eines Netzteils für PCs sehr aufwändig war. Dies war eine ernsthafte Verbesserung im Vergleich zu den Schaltkreisen, die bis Ende der 1970er Jahre andere Unterhaltungselektronik speisten. Möglich wurde dieser Durchbruch durch die großen Fortschritte in der Halbleitertechnologie vor einem halben Jahrhundert, insbesondere durch Verbesserungen bei Schaltspannungsreglern und Innovationen bei integrierten Schaltkreisen. Gleichzeitig erregte diese Revolution die öffentliche Aufmerksamkeit und ist vielen Menschen, die mit der Geschichte der Mikrocomputer vertraut sind, sogar unbekannt.

In der Welt von BP gab es einige herausragende Champions, darunter eine Persönlichkeit, deren Erwähnung Sie überraschen könnte: Steve Jobs . Laut seinem autorisierten Biographen Walter Isaacson nahm Jobs das Netzteil von Apple II, einem fortschrittlichen Personal Computer , und dessen Entwickler Rod Holt sehr ernst. Jobs gab laut Isaacson Folgendes an:

Anstelle des üblichen linearen Netzteils hat Holt eines entwickelt, das in Oszilloskopen verwendet wurde. Er schaltete die Energie nicht 60 Mal pro Sekunde, sondern tausende Male ein und aus; Dadurch konnte er viel kürzer Energie sparen, wodurch er viel weniger Wärme abgab. "Dieses Impulsnetzteil war genauso revolutionär wie die Apple II-Logikplatine", sagte Jobs später. - Die Art wird in Geschichtsbüchern nicht oft dafür gelobt, sollte es aber gewesen sein. Heutzutage verwenden alle Computer USVs und sie werden alle von Rod Holts Schaltkreis kopiert. “

Diese ernste Aussage schien mir nicht zu zuverlässig zu sein, und ich führte meine Untersuchung durch. Ich fand heraus, dass die USV zwar revolutionär waren, diese Revolution jedoch Ende der 1960er und Mitte der 1970er Jahre stattfand, als USVs einfache, aber ineffiziente lineare Stromversorgungen übernahmen. Apple II, das 1977 erschien, erhielt die Vorteile dieser Revolution, verursachte sie jedoch nicht.

Die Korrektur der Jobs-Version von Ereignissen ist keine Kleinigkeit aus dem technischen Bereich. USVs sind heute die Hauptstütze von allem. Wir verwenden sie täglich, um unsere Smartphones, Tablets, Laptops, Kameras und sogar einige Autos aufzuladen. Sie speisen die Uhr, das Radio, Heim-Audioverstärker und andere kleine Haushaltsgeräte. Die Ingenieure, die diese Revolution provoziert haben, verdienen Anerkennung. Auf jeden Fall ist dies eine sehr interessante Geschichte.

Ein Netzteil in Desktop-Computern wie dem Apple II wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um und erzeugt eine sehr stabile Spannung, um das System mit Strom zu versorgen. BP kann auf viele verschiedene Arten entworfen werden, aber meistens gibt es lineare und Impulsschaltungen.

Mit all den Warzen

In der Vergangenheit haben kleine elektronische Geräte häufig sperrige BP-Transformatoren verwendet, die als "Wandwarzen" bezeichnet werden. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts ermöglichten technologische Verbesserungen die praktische Anwendung kompakter Schaltnetzteile mit geringem Stromverbrauch für die Stromversorgung kleiner Geräte. Mit dem Rückgang der Kosten für AC / DC-Schaltadapter ersetzten sie schnell die sperrigen Netzteile in den meisten Heimgeräten.

Apple verwandelte das Ladegerät in ein geniales Gerät und führte 2001 ein elegantes Laden für den iPod ein, in dem sich ein kompakter Flyback-Wandler befand , der von integrierten Schaltkreisen gesteuert wurde (links im Bild). Bald verbreitete sich das Laden über USB, und das ultrakompakte Ladegerät in Form eines Zollwürfels von Apple, das 2008 erschien, wurde zu einer Kultikone (rechts).

Die modernsten Hochleistungsladegeräte dieses Typs verwenden heute Halbleiter auf Galliumnitridbasis, die schneller als Siliziumtransistoren schalten können und daher effizienter sind. Die Hersteller entwickeln Technologien in eine andere Richtung und bieten heute USB-Ladevorgänge zu einem Preis von weniger als einem Dollar an, sparen jedoch gleichzeitig Stromqualität und Sicherheitssysteme.

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Ein typisches lineares Netzteil verwendet einen sperrigen Transformator, um eine Hochspannungs-Wechselstromsteckdose in eine Niederspannungs-Wechselstromsteckdose umzuwandeln, die dann unter Verwendung von Dioden, die normalerweise vier an eine klassische Diodenbrückenschaltung angeschlossen sind, in eine Niederspannungs-Wechselstromsteckdose umgewandelt wird. Große Elektrolytkondensatoren werden verwendet, um die Ausgangsspannung der Diodenbrücke zu glätten. Computerstromversorgungen verwenden eine Schaltung, die als linearer Stabilisator bezeichnet wird und die Gleichspannung auf das gewünschte Niveau reduziert und sie auch bei Laständerungen auf diesem Niveau hält.

Lineare Netzteile sind in Design und Erstellung trivial. Sie verwenden billige Niederspannungshalbleiterkomponenten. Sie haben jedoch zwei große Minuspunkte. Eine davon ist die Notwendigkeit, große Kondensatoren und sperrige Transformatoren zu verwenden, die nicht in etwas so Kleines, Leichtes und Praktisches gepackt werden können wie die Ladegeräte, die wir alle für unsere Smartphones und Tablets verwenden. Eine andere - eine auf Transistoren basierende lineare Stabilisierungsschaltung - wandelt die übermäßige Gleichspannung - alles über dem erforderlichen Wert - in Streuwärme um. Daher verlieren solche Netzteile normalerweise mehr als die Hälfte der verbrauchten Energie. Und sie brauchen oft große Metallheizkörper oder Lüfter, um diese Wärme abzuführen.

Die USV arbeitet nach einem anderen Prinzip: Der AV-Leitungseingang wird in einen Hochspannungs-Gleichstrom umgewandelt, der zehntausende Male pro Sekunde ein- und ausgeschaltet wird. Hohe Frequenzen ermöglichen die Verwendung von viel kleineren und leichteren Transformatoren und Kondensatoren. Eine spezielle Schaltung steuert präzise das Schalten, um die Ausgangsspannung zu steuern. Da solche Netzteile keine linearen Stabilisatoren benötigen, verlieren sie sehr wenig Energie: Normalerweise erreicht ihr Wirkungsgrad 80-90% und ist daher viel weniger erwärmt.

USVs sind jedoch normalerweise viel komplexer als lineare und schwieriger zu konstruieren. Darüber hinaus stellen sie höhere Anforderungen an Komponenten und benötigen Hochspannungstransistoren, die sich mit hoher Frequenz effizient ein- und ausschalten lassen.

Ich muss erwähnen, dass einige Computer Netzteile verwendeten, die weder linear noch gepulst waren. Eine grobe, aber effektive Technik bestand darin, den Motor über eine Steckdose mit Strom zu versorgen und damit einen Generator hochzufahren, der die erforderliche Spannung erzeugte. Motorgeneratoren werden seit mehreren Jahrzehnten eingesetzt, zumindest seit dem Aufkommen von IBM-Maschinen mit Lochkarten in den 1930er und bis in die 1970er Jahre, die unter anderem Cray-Supercomputer antreiben .

Eine weitere Option, die seit den 1950er und 1980er Jahren beliebt war, waren ferroresonante Transformatoren - ein spezieller Transformatortyp mit konstanter Spannungsabgabe. Ebenfalls in den 1950er Jahren wurde ein Sättigungsinduktor , ein gesteuerter Induktor, verwendet, um die Spannung der Röhrencomputer zu steuern. In einigen modernen PC-Netzteilen tauchte es unter dem Namen „ Magnetverstärker “ wieder auf, was eine zusätzliche Regulierung ermöglichte. Aber am Ende machten all diese alten Ansätze den USVs Platz.

Die Prinzipien, die der USV zugrunde liegen, sind Elektrotechnikern seit den 1930er Jahren bekannt, aber diese Technologie wurde im Zeitalter der elektronischen Röhren selten eingesetzt. Zu dieser Zeit verwendeten einige Netzteile spezielle Quecksilberlampen, Thyratrons , und sie können als primitive niederfrequente Impulsstabilisatoren angesehen werden. Darunter befindet sich der REC-30 , der in den 1940er Jahren den Teletyp speiste, sowie das Netzteil für den IBM 704-Computer von 1954. Mit dem Aufkommen von Leistungstransistoren in den 1950er Jahren begannen sich die USVs rasch zu verbessern. Pioneer Magnetics begann 1958 mit der Produktion von USVs. General Electric startete 1959 das frühe Transistor-USV-Projekt.

In den 1960er Jahren wurden die NASA und die Luft- und Raumfahrtindustrie zur Hauptantriebskraft bei der Entwicklung von USVs, da für die Luft- und Raumfahrt die Vorteile der geringen Größe und des hohen Wirkungsgrads Vorrang vor den hohen Kosten hatten. Zum Beispiel verwendeten der Telstar- Satellit (der erste Satellit, der mit der Übertragung von Fernsehen begann) und die Minitman-Rakete 1962 USVs. Jahre vergingen, die Preise fielen und USVs wurden in Verbrauchergeräte eingebaut. Zum Beispiel verwendete Tektronix 1966 USVs in einem tragbaren Oszilloskop, mit denen es sowohl an einer Steckdose als auch an Batterien betrieben werden konnte.

Der Trend beschleunigte sich, als die Hersteller begannen, USVs an andere Unternehmen zu verkaufen. 1967 stellte RO Associates die erste 20-kHz-USV vor, die als erste kommerziell erfolgreiche USV bezeichnet wurde. Nippon Electronic Memory Industry Co. 1970 begann die Entwicklung einer standardisierten USV in Japan. 1972 verkauften die meisten USV-Hersteller USV oder bereiteten sich auf ihre Freigabe vor.

Um diese Zeit begann die Computerindustrie mit der Verwendung von USVs. Frühe Beispiele sind der PDP-11/20-Mikrocomputer von Digital Equipment aus dem Jahr 1969 und der 2100A-Mikrocomputer von Hewlett-Packard aus dem Jahr 1971. In einer Veröffentlichung von 1971 wurde festgestellt, dass unter den Unternehmen, die USVs verwenden, alle wichtigen Marktteilnehmer genannt wurden: IBM, Honeywell, Univac, DEC, Burroughs und RCA. 1974 umfasste die Liste der Mikrocomputer, die USVs verwenden, Nova 2/4 von Data General, 960B von Texas Instruments und Systeme von Interdata. 1975 wurden USVs in einem HP2640A-Terminal ähnlich dem Selectric Composer von IBM und in einem IBM 5100-Laptop verwendet. Bis 1976 hatte Data General USVs in der Hälfte seiner Systeme und HP in kleinen Systemen wie 9825A Desktop Computer und 9815A Calculator verwendet. USVs tauchten ab 1973 in Heimgeräten auf, beispielsweise in einigen Farbfernsehern.

UPS wurden häufig in elektronischen Zeitschriften dieser Zeit behandelt, sowohl in Form von Werbung als auch in Artikeln. Bereits 1964 empfahl Electronic Design die Verwendung einer USV wegen ihrer höheren Effizienz. Auf dem Cover des Oktober 1971 wurde in der Zeitschrift Electronics World eine USV mit 500 W vorgestellt. Der Titel des Artikels lautete: "Stromversorgung mit Impulsstabilisator". Computer Design im Jahr 1972 beschrieb UPS und ihre schrittweise Eroberung des Computermarktes im Detail, obwohl er auch die Skepsis einiger Unternehmen erwähnte. Auf dem Cover von Electronic Design stand 1976: „Das Schalten wurde plötzlich einfacher“ und die neue integrierte USV-Schaltung wurde beschrieben. Das Elektronikmagazin hat einen langen Artikel zu diesem Thema; Powertec hatte zweiseitiges Werbematerial über die Vorteile einer USV mit dem Slogan „Der große Schalter ist für Umschalter“ [große Änderungen für die Umschalter]; Byte kündigte die Veröffentlichung von UPS für Mikrocomputer durch Boschert an.

Robert Boshert, der 1970 seinen Job kündigte und in seiner Küche Stromversorgungen sammelte, war ein wichtiger Entwickler dieser Technologie. Er konzentrierte sich auf die Vereinfachung der Schaltkreise, um Impuls-Netzteile preislich mit linearen Netzteilen konkurrenzfähig zu machen. 1974 hatte er bereits kostengünstige Netzteile für Drucker in industriellen Mengen hergestellt und 1976 auch kostengünstige 80-W-USVs auf den Markt gebracht. K 1977 Boschert Inc. ist zu einem Unternehmen mit 650 Mitarbeitern gewachsen. Sie stellte die Stromversorgung für Satelliten und den Grumman F-14-Jäger her und später für Computer-Stromversorgungen für HP und Sun.

Das Aufkommen kostengünstiger Hochspannungs-Hochfrequenztransistoren in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren durch Unternehmen wie Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) und Motorola haben dazu beigetragen, die USV in den Mainstream zu bringen. Höhere Schaltfrequenzen erhöhten den Wirkungsgrad, da die Wärme in solchen Transistoren hauptsächlich zum Zeitpunkt des Umschaltens zwischen Zuständen abgeführt wurde. Je schneller das Gerät diesen Übergang durchführen konnte, desto weniger Energie wurde verbraucht.

Die Transistorfrequenzen nahmen zu dieser Zeit sprunghaft zu. Die Transistortechnologie entwickelte sich so schnell, dass die Herausgeber von Electronics World 1971 behaupten konnten, dass das 500-W-Netzteil auf dem Magazindeckel nicht erst 18 Monate zuvor hergestellt werden konnte.

Ein weiterer bemerkenswerter Durchbruch gelang 1976, als Robert Mammano, Mitbegründer von Silicon General Semiconductors, die erste für den elektronischen Fernschreiber entwickelte integrierte USV-Schaltung vorstellte. Der Controller SG1524 hat die Entwicklung von Netzteilen drastisch vereinfacht und deren Kosten gesenkt, was zu einem Umsatzanstieg führte.

Bis 1974, plus oder minus ein paar Jahre, war jedem klar, dass es eine echte Revolution in den BP-Designs gab, zumindest wenn er den Zustand der Elektronikindustrie grob verstand.


Führer und Anhänger: Steve Jobs demonstriert 1981 den Apple II Personal Computer. Der 1977 erstmals eingeführte Apple II profitierte von der industriellen Umstellung von sperrigen linearen Netzteilen auf kleine und effiziente gepulste Netzteile. Apple II hat diesen Übergang jedoch nicht gestartet, wie Jobs später behauptete.

Der Apple II-Personalcomputer wurde 1977 eingeführt. Eines seiner Merkmale war eine kompakte USV ohne Lüfter, die 38 Watt Leistung und Spannung von 5, 12, –5 und –12 V lieferte. Er verwendete eine einfache Holt-Schaltung, eine USV mit der Topologie eines Flyback-Offline-Konverters. Jobs sagte, dass heute jeder Computer Holts revolutionäre Schaltung kopiert. Aber war diese Schaltung 1977 revolutionär? Und hat es jeder Computerhersteller kopiert?

Nein und nein. Ähnliche Flyback-Konverter wurden zu dieser Zeit bereits von Boschert und anderen Unternehmen verkauft. Holt erhielt Patente für einige Merkmale seines BP, die jedoch nicht weit verbreitet waren. Und die Schaffung eines Steuerkreises aus diskreten Komponenten wie bei Apple II erwies sich als technologische Sackgasse. Die Zukunft der USV gehörte spezialisierten integrierten Schaltkreisen.

Wenn es einen Mikrocomputer gab, der sich langfristig auf das Design von Netzteilen auswirkte, war es IBM Personal Computer, der 1981 eingeführt wurde. Zu diesem Zeitpunkt, nur vier Jahre nach der Veröffentlichung von Apple II, hatte sich die Netzteiltechnologie dramatisch verändert. Und obwohl beide PCs eine USV mit der Topologie eines Flyback-Offline-Konverters und mehreren Ausgängen verwendeten, war dies alles, was ihnen gemeinsam war. Die Leistungs-, Steuerungs-, Rückkopplungs- und Stabilisierungsschleifen waren unterschiedlich. Obwohl das Netzteil für den IBM PC einen Controller für integrierte Schaltkreise verwendete, hatte es fast doppelt so viele Komponenten wie das Apple II-Netzteil. Zusätzliche Komponenten sorgten für eine zusätzliche Stabilisierung der Ausgangsspannung und des Signals „Qualitätsleistung“, wenn alle vier Spannungen korrekt waren.

Im Jahr 1984 veröffentlichte IBM eine erheblich aktualisierte Version des PCs namens IBM Personal Computer AT. Sein Netzteil verwendete viele neue Schemata und gab die Flyback-Topologie vollständig auf. Es wurde schnell zum De-facto-Standard und blieb es bis 1995, als Intel den ATX-Formfaktor einführte, der wie andere Dinge, die das ATX-Netzteil bestimmten, bis heute der Standard bleibt.

Trotz des Aufkommens des ATX-Standards wurden Computer-Stromversorgungssysteme 1995 komplizierter, als der Pentium Pro auf den Markt kam - ein Mikroprozessor, der weniger Spannung und hohe Ströme benötigte, als das ATX-Netzteil direkt liefern konnte. Für dieses Netzteil hat Intel ein Spannungsregelungsmodul (VRM) eingeführt - einen gepulsten DC-DC-Wandler, der neben dem Prozessor installiert ist. Er reduzierte 5 V von der Stromversorgung auf 3 V, die vom Prozessor verwendet wurden. Die Grafikkarten vieler Computer verfügen auch über VRM, das die darin installierten Hochgeschwindigkeits-Grafikchips speist.

Heutzutage benötigt ein VRM-Schnellprozessor möglicherweise bis zu 130 Watt - viel mehr als die halbe Wattleistung, die der Apple II 6502-Prozessor verwendet. Ein moderner Prozessor allein kann dreimal mehr Leistung verbrauchen als ein ganzer Apple II-Computer.

Der zunehmende Energieverbrauch von Computern hat zu Umweltproblemen geführt und zu Initiativen und Gesetzen geführt, die eine effizientere Stromversorgung erfordern. In den USA müssen Hersteller nach den staatlichen Zertifikaten Energy Star und Industrial 80 Plus umweltfreundlichere Stromversorgungen ausstellen. Dies gelingt ihnen mit verschiedenen Technologien: effizienterer Standby-Stromverbrauch, effizientere Anlaufschaltungen, Resonanzkreise, die Leistungsverluste in Impulstransistoren reduzieren, aktive Klemmschaltungen, die Impulsdioden durch effizientere Transistoren ersetzen. Verbesserungen in der Technologie von MOSFET-Leistungstransistoren und Hochspannungs-Siliziumgleichrichtern in den letzten zehn Jahren haben auch zur Steigerung der Effizienz beigetragen.

Die USV-Technologie entwickelt sich auf andere Weise weiter. Heutzutage verwenden viele Anbieter anstelle von analogen Schaltkreisen digitale Chips und Softwarealgorithmen, die den Ausgang steuern. Die Entwicklung des Netzteil-Controllers ist sowohl eine Frage des Hardware-Designs als auch des Programmierens. Dank der digitalen Energieverwaltung können Anbieter effizienter mit dem Rest des Systems kommunizieren und Protokolle führen. Und obwohl diese digitalen Technologien hauptsächlich in Servern verwendet werden, beginnen sie, die Entwicklung von Desktop-PCs zu beeinflussen.

Es ist schwierig, diese ganze Geschichte mit Jobs 'Meinung in Einklang zu bringen, dass Holt bekannter sein sollte oder dass "Roda in Geschichtsbüchern nicht oft dafür gelobt wird, aber hätte es sein müssen." Selbst die besten Entwickler von BP werden außerhalb der winzigen Community nicht berühmt. 2009 luden die Redakteure von Electronic Design Boscher in ihre Engineering Hall of Fame ein . Robert Mammano erhielt 2005 den Lifetime Achievement Award von den Herausgebern von Power Electronics Technology. Rudy Severns erhielt 2008 eine weitere solche Auszeichnung für UPS-Innovationen. Aber keine dieser Leuchten im Bereich der Entwicklung eines Netzteils wurde auf Wikipedia erwähnt.

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