Setengah abad yang lalu, transistor yang ditingkatkan dan regulator tegangan switching merevolusi desain pasokan daya komputer. Apple, misalnya, memperoleh keuntungan - meskipun bukan dia yang meluncurkan revolusi ini, terlepas dari pernyataan Steve Jobs.
Tanpa Intel dalam: X-ray menunjukkan komponen catu daya switching yang digunakan dalam komputer mikro Apple II asli, dirilis pada 1977Pasokan daya komputer tidak diperhatikan.
Sebagai penggila teknologi, Anda mungkin tahu mikroprosesor yang dimiliki komputer Anda dan berapa banyak memori fisik yang dimilikinya, tetapi ada kemungkinan Anda tidak tahu apa-apa tentang catu daya. Jangan menghindar - bahkan produsen mengembangkan PSU terakhir.
Sayang sekali, karena butuh cukup banyak upaya untuk membuat PSU untuk komputer pribadi, dan ini merupakan peningkatan yang serius dibandingkan dengan sirkuit yang memasok elektronik konsumen lainnya hingga akhir 1970-an. Terobosan ini dimungkinkan berkat lompatan besar dalam teknologi semikonduktor yang dibuat setengah abad yang lalu, khususnya, peningkatan switching regulator tegangan dan inovasi di sirkuit terintegrasi. Tetapi pada saat yang sama, revolusi ini melewati perhatian publik, dan bahkan tidak diketahui oleh banyak orang yang akrab dengan sejarah mikrokomputer.
Di dunia BP, ada beberapa juara luar biasa, termasuk kepribadian yang penyebutannya mungkin mengejutkan Anda:
Steve Jobs . Menurut penulis biografinya yang resmi,
Walter Isaacson , Jobs mengambil PSU
Apple II, komputer pribadi canggih
, dan pengembangnya, Rod Holt, dengan sangat serius. Jobs, menurut Isaacson, menyatakan yang berikut:
Alih-alih PSU linear biasa, Holt menciptakan satu yang digunakan dalam osiloskop. Dia menyalakan dan mematikan energinya bukan 60 kali per detik, tetapi ribuan kali; ini memungkinkannya menghemat energi untuk periode waktu yang jauh lebih singkat, akibatnya ia memancarkan panas yang jauh lebih sedikit. "Impuls PSU ini sama revolusionernya dengan dewan logika Apple II," kata Jobs kemudian. - Jenis ini tidak sering dipuji untuk ini dalam buku-buku sejarah, tetapi seharusnya. Saat ini, semua komputer menggunakan UPS, dan semuanya disalin dari sirkuit Rod Holt. ”
Pernyataan serius ini bagi saya tampaknya tidak terlalu dapat diandalkan, dan saya melakukan penyelidikan. Saya menemukan bahwa meskipun UPS revolusioner, revolusi ini terjadi pada akhir 1960-an dan pertengahan 1970-an ketika UPS mengambil alih dari catu daya linier sederhana namun tidak efisien. Apple II, yang muncul pada tahun 1977, menerima manfaat dari revolusi ini, tetapi tidak menyebabkannya.
Koreksi dari versi acara Jobs bukanlah hal sepele dari bidang teknik. Saat ini, UPS adalah andalan segalanya, kami menggunakannya setiap hari untuk mengisi daya ponsel cerdas, tablet, laptop, kamera, dan bahkan beberapa mobil kami. Mereka memberi makan jam, radio, amplifier audio rumah, dan peralatan rumah tangga kecil lainnya. Para insinyur yang memprovokasi revolusi ini patut mendapat pengakuan. Bagaimanapun, ini adalah kisah yang sangat menarik.
Sebuah PSU pada komputer desktop, seperti Apple II, mengubah arus listrik AC menjadi arus searah, dan menghasilkan tegangan yang sangat stabil untuk memberi daya pada sistem. BP dapat dirancang dengan berbagai cara, tetapi paling sering ada sirkuit linier dan impuls.
Dengan semua kutil
Di masa lalu, perangkat elektronik kecil biasanya menggunakan transformator BP besar, dijuluki "kutil dinding." Pada awal abad ke-21, peningkatan teknologi memungkinkan untuk memulai aplikasi praktis pemindahan kompak pasokan daya rendah untuk memberi daya pada perangkat kecil. Dengan penurunan biaya adaptor switching AC / DC, mereka dengan cepat mengganti PSU besar di sebagian besar perangkat rumah.
Apple mengubah pengisi daya menjadi perangkat yang cerdas, memperkenalkan pengisian daya yang ramping untuk iPod pada tahun 2001, di dalamnya terdapat
konverter flyback kompak yang dikendalikan oleh sirkuit terintegrasi (di sebelah kiri dalam gambar). Segera pengisian USB meluas, dan pengisi daya ultra-kompak dalam bentuk kubus inci dari Apple, yang muncul pada 2008, menjadi ikon kultus (di sebelah kanan).
Pengisi daya tingkat tinggi yang paling modis dari jenis ini saat ini menggunakan semikonduktor berbasis gallium nitride yang dapat beralih lebih cepat daripada transistor silikon, dan karenanya lebih efisien. Mengembangkan teknologi dalam arah yang berbeda, saat ini produsen menawarkan pengisian daya USB dengan harga kurang dari satu dolar, meskipun pada saat yang sama menghemat kualitas daya dan sistem keamanan.
* * *
PSU linier khas menggunakan transformator besar untuk mengubah outlet AC tegangan tinggi menjadi AC tegangan rendah, yang kemudian diubah menjadi DC tegangan rendah menggunakan dioda, biasanya empat terhubung ke rangkaian
jembatan dioda klasik. Kapasitor elektrolit besar digunakan untuk menghaluskan tegangan keluaran jembatan dioda. Catu daya komputer menggunakan sirkuit yang disebut stabilizer linier, yang mengurangi tegangan DC ke level yang diinginkan dan menjaganya tetap pada level itu bahkan dengan perubahan beban.
PSU linear adalah hal sepele dalam desain dan pembuatan. Mereka menggunakan komponen semikonduktor tegangan rendah murah. Namun, mereka memiliki dua minus besar. Salah satunya adalah kebutuhan untuk menggunakan kapasitor besar dan transformator besar, yang tidak dapat dijejali menjadi sesuatu yang begitu kecil, ringan dan nyaman seperti pengisi daya yang kita semua gunakan untuk smartphone dan tablet kita. Lain - sirkuit stabilizer linier berdasarkan transistor, mengubah tegangan DC yang berlebihan - semuanya di atas tingkat yang diperlukan - menjadi panas nyasar. Karena itu, PSU seperti itu biasanya kehilangan lebih dari setengah energi yang dikonsumsi. Dan mereka sering membutuhkan radiator atau kipas logam besar untuk menghilangkan panas ini.
UPS beroperasi dengan prinsip yang berbeda: input saluran AV berubah menjadi DC tegangan tinggi, yang menyala dan mati puluhan ribu kali per detik. Frekuensi tinggi memungkinkan penggunaan transformator dan kapasitor yang jauh lebih kecil dan lebih ringan. Sirkuit khusus secara tepat mengontrol switching untuk mengontrol tegangan output. Karena PSU seperti itu tidak memerlukan stabilisator linier, mereka kehilangan energi sangat sedikit: biasanya efisiensinya mencapai 80-90%, dan akibatnya mereka jauh lebih sedikit dipanaskan.
Namun, UPS biasanya jauh lebih kompleks daripada yang linier dan lebih sulit untuk dirancang. Selain itu, mereka mengedepankan lebih banyak persyaratan untuk komponen, dan membutuhkan transistor tegangan tinggi yang dapat secara efisien hidup dan mati dengan frekuensi tinggi.
Saya harus menyebutkan bahwa beberapa komputer menggunakan PSU yang tidak linier atau berdenyut. Salah satu teknik yang kasar tetapi efektif adalah memberi daya pada motor dari stopkontak dan menggunakannya untuk memutar generator yang menghasilkan tegangan yang diperlukan.
Generator motor telah digunakan selama beberapa dekade, setidaknya sejak munculnya mesin IBM dengan kartu berlubang pada 1930-an dan hingga 1970-an, yang menggerakkan, antara lain,
superkomputer Cray .
Pilihan lain, populer dari tahun 1950-an dan hingga 1980-an, menggunakan transformator
ferroresonant -
jenis transformator khusus yang memberikan output tegangan konstan. Juga pada 1950-an, sebuah
induktor saturasi , sebuah induktor yang dikendalikan, digunakan untuk mengontrol tegangan komputer tabung. Dalam beberapa PSU PC modern, itu muncul kembali dengan nama "
penguat magnetik ", memberikan peraturan tambahan. Tetapi pada akhirnya, semua pendekatan lama ini memberi jalan bagi UPS.
Prinsip-prinsip yang mendasari UPS telah dikenal oleh para insinyur listrik sejak tahun 1930-an, tetapi teknologi ini jarang digunakan di era tabung elektronik. Pada waktu itu, beberapa PSU menggunakan lampu merkuri khusus,
thyratron , dan mereka dapat dianggap sebagai penstabil denyut nadi frekuensi rendah yang primitif. Di antara mereka adalah
REC-30 , yang memberi makan teletype pada tahun 1940-an, serta unit catu daya untuk
komputer IBM 704 dari tahun 1954. Tetapi dengan munculnya transistor daya pada 1950-an, UPS mulai membaik dengan cepat.
Pioneer Magnetics mulai memproduksi UPS pada tahun 1958.
General Electric meluncurkan proyek transistor awal UPS pada tahun 1959.
Pada 1960-an, NASA dan industri kedirgantaraan menjadi kekuatan pendorong utama dalam pengembangan UPS, karena untuk kebutuhan kedirgantaraan, keunggulan ukuran kecil dan efisiensi tinggi diutamakan daripada biaya besar. Misalnya, pada tahun 1962, satelit
Telstar (satelit pertama yang mulai mentransmisikan televisi) dan roket Minitman menggunakan UPS. Tahun demi tahun berlalu, harga turun, dan UPS mulai dibangun menjadi peralatan konsumen. Misalnya, pada tahun 1966, Tektronix menggunakan UPS dalam osiloskop portabel, yang memungkinkannya bekerja baik dari stopkontak di dinding dan dari baterai.
Tren ini semakin cepat ketika produsen mulai menjual UPS ke perusahaan lain. Pada tahun 1967,
RO Associates memperkenalkan UPS 20 KHz pertama, yang disebutnya UPS yang berhasil secara komersial pertama.
Nippon Elektronik Memory Industry Co memulai pengembangan UPS terstandarisasi di Jepang pada tahun 1970. Pada tahun 1972, sebagian besar produsen UPS menjual UPS atau mempersiapkan pembebasan mereka.
Sekitar waktu ini, industri komputer mulai menggunakan UPS. Contoh awal termasuk komputer mikro PDP-11/20 dari Digital Equipment pada tahun 1969, dan komputer mikro 2100A dari Hewlett-Packard pada tahun 1971. Sebuah publikasi tahun 1971 menyatakan bahwa di antara perusahaan yang menggunakan UPS, semua pemain pasar utama dicatat: IBM, Honeywell, Univac, DEC, Burroughs, dan RCA. Pada tahun 1974, daftar mikrokomputer yang menggunakan UPS termasuk Nova 2/4 dari Data General, 960B dari Texas Instruments dan sistem dari Interdata. Pada tahun 1975, UPS digunakan di terminal HP2640A, mirip dengan IBM Selectric Composer, dan di laptop IBM 5100. Pada tahun 1976, Data General telah menggunakan UPS di setengah dari sistemnya, dan HP di sistem kecil seperti 9825A Desktop Computer dan 9815A Calculator. UPS mulai muncul di perangkat rumah, misalnya, di beberapa TV berwarna pada tahun 1973.
UPS sering diliput dalam jurnal elektronik pada masa itu, baik dalam bentuk iklan maupun dalam artikel. Kembali pada tahun 1964,
Desain Elektronik merekomendasikan penggunaan UPS karena efisiensinya yang lebih tinggi. Pada sampul Oktober 1971, majalah Electronics World menampilkan UPS 500 W, dan judul artikel itu berbunyi: "Catu daya dengan stabilisator pulsa." Desain Komputer pada tahun 1972 menjelaskan secara rinci UPS dan penangkapan mereka secara bertahap terhadap pasar komputer, meskipun ia juga menyebutkan skeptisisme dari beberapa perusahaan. Pada sampul Desain Elektronik pada tahun 1976, tertulis "Beralih tiba-tiba menjadi lebih mudah" dan sirkuit terintegrasi UPS baru dijelaskan. Majalah elektronik memiliki artikel panjang tentang hal ini; Powertec memiliki materi promosi dua halaman tentang manfaat UPS dengan slogan "Sakelar besar untuk sakelar" [perubahan besar untuk sakelar]; Byte mengumumkan rilis UPS untuk mikrokomputer oleh Boschert.
Robert Boshert, yang berhenti dari pekerjaannya dan mulai mengumpulkan pasokan listrik di dapurnya pada tahun 1970, adalah pengembang utama teknologi ini. Dia berkonsentrasi pada penyederhanaan rangkaian untuk membuat pulsa PSU kompetitif dalam harga dengan linier, dan pada 1974 dia telah menghasilkan PSU murah untuk printer dalam jumlah industri, dan kemudian pada tahun 1976 dia juga meluncurkan UPS 80W yang murah. K 1977 Boschert Inc. telah berkembang menjadi perusahaan yang terdiri dari 650 orang. Dia membuat catu daya untuk satelit dan pejuang Grumman F-14, dan kemudian - catu daya komputer untuk HP dan Sun.
Munculnya transistor frekuensi tinggi tegangan tinggi berbiaya rendah pada akhir 1960-an dan awal 1970-an oleh perusahaan seperti Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) dan Motorola, membantu membawa UPS ke arus utama. Frekuensi switching yang lebih tinggi meningkatkan efisiensi, karena panas dalam transistor seperti itu hilang terutama pada saat beralih antar negara, dan semakin cepat perangkat dapat melakukan transisi ini, semakin sedikit energi yang dihabiskan.
Frekuensi transistor pada waktu itu meningkat pesat. Teknologi transistor berkembang begitu cepat sehingga para editor Electronics World pada tahun 1971 dapat mengklaim bahwa catu daya 500-W pada sampul majalah tidak mungkin diproduksi hanya 18 bulan sebelumnya.
Terobosan penting lainnya terjadi pada 1976 ketika Robert Mammano, salah satu pendiri Silicon General Semiconductors, memperkenalkan sirkuit terintegrasi UPS pertama yang dikembangkan untuk teletype elektronik. Pengontrolnya
SG1524 secara drastis menyederhanakan pengembangan
PSU dan mengurangi biaya mereka, yang menyebabkan lonjakan penjualan.
Pada 1974, plus atau minus beberapa tahun, jelas bagi setiap orang, setidaknya secara kasar memahami keadaan industri elektronik, bahwa ada revolusi nyata dalam desain BP.
Pemimpin dan pengikut: Steve Jobs mendemonstrasikan komputer pribadi Apple II pada tahun 1981. Pertama kali diperkenalkan pada tahun 1977, Apple II telah mendapat manfaat dari pergeseran industri dari PSU linier yang besar ke yang berdenyut kecil dan efisien. Namun Apple II tidak meluncurkan transisi ini, seperti yang diklaim Jobs kemudian.Komputer pribadi Apple II diperkenalkan pada tahun 1977. Salah satu fiturnya adalah
UPS yang ringkas tanpa kipas, yang memberi daya 38 watt dan tegangan 5, 12, –5, dan –12 V. Dia menggunakan sirkuit Holt sederhana, sebuah UPS dengan topologi konverter flyback offline. Jobs mengatakan bahwa hari ini setiap komputer menyalin sirkuit revolusioner Holt. Tetapi apakah sirkuit ini revolusioner pada tahun 1977? Dan apakah setiap produsen komputer menyalinnya?
Tidak dan tidak Konverter flyback serupa pada saat itu sudah dijual oleh Boschert dan perusahaan lain. Holt menerima paten untuk beberapa fitur BP-nya, tetapi mereka tidak banyak digunakan. Dan penciptaan sirkuit kontrol komponen diskrit, seperti yang dilakukan untuk Apple II, ternyata merupakan jalan buntu teknologi. Masa depan UPS adalah milik sirkuit terpadu khusus.
Jika ada komputer mikro yang memiliki dampak jangka panjang pada desain PSU, itu adalah IBM Personal Computer, diluncurkan pada tahun 1981. Pada saat itu, hanya empat tahun setelah rilis Apple II, teknologi PSU telah berubah secara dramatis. Dan meskipun kedua PC ini menggunakan UPS dengan topologi flyback offline converter dan beberapa output, hanya itu yang umum di antara mereka. Putaran daya, kontrol, umpan balik, dan stabilisasi berbeda. Dan meskipun PSU untuk PC IBM menggunakan pengontrol sirkuit terintegrasi, komponennya hampir dua kali lipat dari PSU Apple II. Komponen tambahan memberikan stabilisasi tambahan dari tegangan output dan sinyal “kualitas daya” ketika keempat voltase benar.
Pada tahun 1984, IBM merilis versi terbaru dari PC, yang disebut IBM Personal Computer AT. PSU-nya menggunakan banyak skema baru, sepenuhnya mengabaikan topologi flyback. Dengan cepat menjadi standar de facto dan tetap demikian sampai 1995, ketika Intel memperkenalkan faktor bentuk ATX, yang, seperti hal-hal lain yang menentukan ATX PSU, tetap menjadi standar hingga hari ini.
Tetapi terlepas dari munculnya standar ATX, sistem daya komputer menjadi lebih kompleks pada tahun 1995 ketika Pentium Pro muncul - sebuah mikroprosesor yang membutuhkan lebih sedikit tegangan dan arus tinggi daripada yang bisa diberikan oleh PSU ATX secara langsung. Untuk catu daya ini Intel memperkenalkan modul pengaturan tegangan (VRM) - konverter DC-DC berdenyut yang dipasang di sebelah prosesor. Ia mengurangi 5 V dari catu daya menjadi 3 V yang digunakan oleh prosesor. Kartu grafis banyak komputer juga memiliki VRM, yang memberi makan chip grafis berkecepatan tinggi yang terpasang di dalamnya.
Saat ini, prosesor cepat VRM mungkin membutuhkan daya sebesar 130 watt - jauh lebih besar dari daya setengah watt yang digunakan prosesor Apple II 6502. Prosesor modern saja dapat menggunakan daya tiga kali lebih banyak daripada seluruh komputer Apple II.
Meningkatnya konsumsi energi komputer telah menyebabkan masalah lingkungan, menghasilkan inisiatif dan undang-undang yang membutuhkan pasokan daya yang lebih efisien. Di Amerika Serikat, sertifikat pemerintah Energy Star dan Industrial 80 Plus mengharuskan produsen mengeluarkan pasokan listrik yang lebih hijau. Mereka berhasil melakukan ini dengan bantuan berbagai teknologi: konsumsi daya siaga yang lebih efisien, sirkuit awal yang lebih efisien, sirkuit resonansi yang mengurangi kehilangan daya pada transistor pulsa, sirkuit penjepit aktif yang menggantikan dioda pulsa dengan transistor yang lebih efisien. Peningkatan dalam teknologi transistor daya MOSFET dan penyearah silikon tegangan tinggi selama sepuluh tahun terakhir juga telah berfungsi untuk meningkatkan efisiensi.
Teknologi UPS terus berkembang dengan cara lain. Saat ini, alih-alih sirkuit analog, banyak vendor menggunakan chip digital dan algoritma perangkat lunak yang mengontrol output. Pengembangan kontroler PSU telah menjadi masalah desain perangkat keras dan masalah pemrograman. Manajemen daya digital memungkinkan vendor untuk berkomunikasi dengan seluruh sistem dengan efisiensi yang lebih besar dan memelihara log. Dan meskipun teknologi digital ini sebagian besar digunakan di server, mereka mulai mempengaruhi pengembangan PC desktop.
Sulit untuk merekonsiliasi seluruh cerita ini dengan pendapat Jobs bahwa Holt harus dikenal lebih luas, atau bahwa "Roda tidak sering dipuji karena hal ini dalam buku-buku sejarah, tetapi seharusnya begitu." Bahkan pengembang terbaik BP tidak menjadi terkenal di luar komunitas kecil. Pada 2009, editor Desain Elektronik mengundang Boscher ke
Engineering Hall of Fame mereka . Robert Mammano menerima
Lifetime Achievement Award pada 2005 dari editor Power Electronics Technology. Rudy Severns menerima
penghargaan serupa lainnya pada tahun 2008 untuk inovasi UPS. Tetapi tidak ada tokoh-tokoh ini di bidang merancang PSU bahkan tercatat di Wikipedia.
Sering diulang-ulang pandangan Lowongan Holt tidak adil tidak memperhatikan, telah menyebabkan fakta bahwa karya Holt dijelaskan dalam puluhan artikel populer dan buku-buku tentang Apple, dari " kutu buku Dendam " Paul Kiotti yang muncul di California pada tahun 1982 majalah untuk biografi Jobs, yang terlaris Isaacson menulis pada tahun 2011. Jadi sangat ironis bahwa meskipun karyanya tentang Apple II sama sekali tidak revolusioner, Rod Holt mungkin adalah pengembang BP paling terkenal sepanjang masa.