Há meio século, transistores aprimorados e reguladores de comutação revolucionaram o design de fontes de alimentação de computadores. A Apple, por exemplo, ganhou vantagens - embora não tenha sido ela quem lançou essa revolução, apesar das declarações de Steve Jobs.
Sem a Intel no interior: o raio X mostra os componentes de uma fonte de alimentação comutada usada no microcomputador Apple II original, lançado em 1977As fontes de alimentação do computador não recebem a devida atenção.
Como entusiasta da tecnologia, você provavelmente sabe qual microprocessador seu computador possui e quanta memória física possui, mas há uma chance de você não saber nada sobre sua fonte de alimentação. Não se coíbe - até os fabricantes estão desenvolvendo PSUs por último.
É uma pena, pois foi necessário muito esforço para criar uma fonte de alimentação para computadores pessoais, e isso foi uma melhoria séria em comparação com os circuitos que alimentavam outros produtos eletrônicos de consumo até o final da década de 1970. Esse avanço foi possível graças aos enormes saltos na tecnologia de semicondutores realizados há meio século, em particular, melhorias na comutação de reguladores de tensão e inovações em circuitos integrados. Mas, ao mesmo tempo, essa revolução passou a atenção do público e é ainda desconhecida para muitas pessoas familiarizadas com a história dos microcomputadores.
No mundo da BP, houve alguns campeões de destaque, incluindo uma personalidade cuja menção pode surpreendê-lo:
Steve Jobs . De acordo com seu biógrafo autorizado,
Walter Isaacson , Jobs levou o PSU do
Apple II, um computador pessoal avançado
, e seu desenvolvedor, Rod Holt, muito a sério. Jobs, de acordo com Isaacson, afirmou o seguinte:
Em vez do PSU linear usual, Holt criou um que era usado em osciloscópios. Ele ligou e desligou a energia não 60 vezes por segundo, mas milhares de vezes; isso lhe permitiu economizar energia por períodos muito mais curtos, como resultado da qual ele emitiu muito menos calor. "Esse impulso PSU foi tão revolucionário quanto o conselho lógico da Apple II", disse Jobs mais tarde. - O tipo nem sempre é elogiado por isso nos livros de história, mas deveria ter sido. Hoje, todos os computadores usam no-breaks e todos são copiados do circuito de Rod Holt. ”
Essa afirmação séria me pareceu não muito confiável e conduzi minha investigação. Descobri que, embora os no-breaks fossem revolucionários, essa revolução ocorreu no final da década de 1960 e meados da década de 1970, quando os no-breaks substituíram as fontes de alimentação lineares simples, mas ineficientes. O Apple II, que apareceu em 1977, recebeu os benefícios dessa revolução, mas não a causou.
A correção da versão dos eventos de Jobs não é um pouco do campo da engenharia. Hoje, os no-breaks são a base de tudo; usamos diariamente para carregar nossos smartphones, tablets, laptops, câmeras e até alguns carros. Eles alimentam o relógio, o rádio, os amplificadores de áudio doméstico e outros pequenos eletrodomésticos. Os engenheiros que provocaram essa revolução merecem reconhecimento. Enfim, esta é uma história muito interessante.
Um PSU em computadores de mesa, como o Apple II, converte a corrente da linha CA em corrente contínua e produz uma tensão muito estável para alimentar o sistema. A BP pode ser projetada de várias maneiras diferentes, mas na maioria das vezes existem circuitos lineares e de impulso.
Com todas as verrugas
No passado, pequenos dispositivos eletrônicos usavam geralmente transformadores BP volumosos, apelidados de "verrugas na parede". No início do século XXI, as melhorias tecnológicas tornaram possível iniciar a aplicação prática de fontes de alimentação compactas de baixa potência para alimentar pequenos dispositivos. Com a queda no custo dos adaptadores de comutação CA / CC, eles rapidamente substituíram as PSUs volumosas na maioria dos dispositivos domésticos.
A Apple transformou o carregador em um dispositivo engenhoso, introduziu um carregamento elegante para o iPod em 2001, dentro do qual havia um
conversor flyback compacto controlado por circuitos integrados (à esquerda na foto). Logo o carregamento USB se generalizou, e o carregador ultracompacto na forma de um cubo de uma polegada da Apple, que apareceu em 2008, tornou-se um ícone cult (à direita).
Atualmente, os carregadores de alto nível mais modernos desse tipo usam semicondutores à base de nitreto de gálio que podem alternar mais rapidamente que os transistores de silício e, portanto, são mais eficientes. Desenvolvendo tecnologias em uma direção diferente, hoje os fabricantes oferecem carregamento por USB a um preço inferior a um dólar, embora, ao mesmo tempo, economizem em qualidade de energia e sistemas de segurança.
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Uma PSU linear típica usa um transformador volumoso para converter uma tomada CA de alta tensão em uma CA de baixa tensão, que é então convertida em uma CC de baixa tensão usando diodos, geralmente quatro conectados a um circuito de
ponte de diodos clássico. Capacitores eletrolíticos grandes são usados para suavizar a tensão de saída da ponte de diodos. As fontes de alimentação do computador usam um circuito chamado estabilizador linear, que reduz a tensão CC ao nível desejado e a mantém nesse nível, mesmo com as mudanças na carga.
PSUs lineares são triviais em design e criação. Eles usam componentes semicondutores de baixa tensão baratos. No entanto, eles têm dois grandes desvantagens. Uma é a necessidade de usar capacitores grandes e transformadores volumosos, que não podem ser amontoados em algo tão pequeno, leve e conveniente quanto os carregadores que todos usamos para nossos smartphones e tablets. Outro - um circuito estabilizador linear baseado em transistores, transforma a tensão CC excessiva - tudo acima do nível exigido - em calor indevido. Portanto, essas PSUs geralmente perdem mais da metade da energia consumida. E eles geralmente precisam de grandes radiadores ou ventiladores de metal para se livrar desse calor.
O no-break opera com um princípio diferente: a entrada da linha AV se transforma em um CC de alta tensão, que liga e desliga dezenas de milhares de vezes por segundo. As altas frequências permitem o uso de transformadores e capacitores muito menores e mais leves. Um circuito especial controla com precisão a comutação para controlar a tensão de saída. Como essas PSUs não precisam de estabilizadores lineares, elas perdem muito pouca energia: geralmente sua eficiência chega a 80-90% e, como resultado, são muito menos aquecidas.
No entanto, os no-breaks são geralmente muito mais complexos que os lineares e mais difíceis de projetar. Além disso, eles apresentam mais requisitos para componentes e precisam de transistores de alta tensão que possam ser ativados e desativados com alta frequência.
Devo mencionar que alguns computadores usavam PSUs que não eram lineares nem pulsadas. Uma técnica grosseira, porém eficaz, era alimentar o motor a partir de uma tomada e usá-lo para acionar um gerador que produzisse a tensão necessária.
Os geradores de motores são usados há várias décadas, pelo menos desde o advento das máquinas IBM com cartões perfurados na década de 1930 e até a década de 1970, alimentando, entre outras coisas, os
supercomputadores Cray .
Outra opção, popular entre os anos 1950 e 1980, usava transformadores
ferrorressonantes - um
tipo especial de transformador que produz uma tensão de saída constante. Também na década de 1950, um
indutor de saturação , um indutor controlado, foi usado para controlar a tensão dos computadores de tubo. Em algumas PSUs modernas de PC, ele reapareceu sob o nome de "
amplificador magnético ", fornecendo regulamentação adicional. Mas, no final, todas essas abordagens antigas deram lugar aos no-breaks.
Os princípios subjacentes ao no-break são conhecidos pelos engenheiros elétricos desde a década de 1930, mas essa tecnologia raramente foi usada na era dos tubos eletrônicos. Naquela época, algumas PSUs usavam lâmpadas especiais de mercúrio,
tiratrons e podem ser consideradas estabilizadores de pulso primitivos de baixa frequência. Entre eles está o
REC-30 , que alimentou o teletipo na década de 1940, bem como a unidade de fonte de alimentação para o
computador IBM 704 de 1954. Mas com o advento dos transistores de potência na década de 1950, os no-breaks começaram a melhorar rapidamente.
A Pioneer Magnetics começou a produzir UPSs em 1958. A
General Electric lançou o projeto inicial de UPS de transistor em 1959.
Na década de 1960, a NASA e a indústria aeroespacial tornaram-se a principal força motriz no desenvolvimento de no-breaks, uma vez que, para as necessidades aeroespaciais, as vantagens do tamanho pequeno e da alta eficiência prevaleciam sobre o alto custo. Por exemplo, em 1962, o satélite
Telstar (o primeiro satélite a começar a transmitir televisão) e o foguete Minitman usavam no-breaks. Os anos se passaram, os preços caíram e os no-breaks começaram a ser incorporados aos equipamentos de consumo. Por exemplo, em 1966, a Tektronix usava no-breaks em um osciloscópio portátil, o que lhe permitia trabalhar tanto a partir de uma tomada quanto de baterias.
A tendência se acelerou quando os fabricantes começaram a vender no-breaks para outras empresas. Em 1967, a
RO Associates lançou o primeiro no-break de 20 KHz, que chamou de primeiro no-break comercialmente bem-sucedido.
Indústria de memória eletrônica Nippon Co. iniciou o desenvolvimento de UPS padronizados no Japão em 1970. Em 1972, a maioria dos fabricantes de UPS estava vendendo ou se preparando para seu lançamento.
Nessa época, a indústria de computadores começou a usar no-breaks. Os primeiros exemplos incluem o microcomputador PDP-11/20 da Digital Equipment em 1969 e o microcomputador 2100A da Hewlett-Packard em 1971. Uma publicação de 1971 afirmou que entre as empresas que usam UPSs, todos os principais players do mercado foram observados: IBM, Honeywell, Univac, DEC, Burroughs e RCA. Em 1974, a lista de microcomputadores que usavam no-breaks incluía Nova 2/4 da Data General, 960B da Texas Instruments e sistemas da Interdata. Em 1975, os no-breaks eram usados em um terminal HP2640A, semelhante ao Selectric Composer da IBM, e em um laptop IBM 5100. Em 1976, a Data General usava no-breaks em metade de seus sistemas e a HP em pequenos sistemas como o 9825A Desktop Computer e o 9815A Calculator. Os no-breaks começaram a aparecer em dispositivos domésticos, por exemplo, em algumas TVs coloridas em 1973.
Os no-breaks eram frequentemente cobertos em periódicos eletrônicos daquela época, tanto na forma de publicidade quanto em artigos. Em 1964, o
Electronic Design recomendou o uso de um no-break devido à sua maior eficiência. Na capa de outubro de 1971, a revista Electronics World exibia um no-break de 500 W e o título do artigo dizia: "Fonte de alimentação com estabilizador de pulso". A Computer Design, em 1972, descreveu em detalhes os no-breaks e sua captura gradual do mercado de computadores, embora ele também tenha mencionado o ceticismo de algumas empresas. Na capa do Electronic Design, em 1976, estava escrito "A comutação tornou-se mais fácil" e o novo circuito integrado do no-break foi descrito. A revista Electronics tem um longo artigo sobre esse assunto; A Powertec tinha materiais promocionais de duas páginas sobre os benefícios de um no-break com o slogan "O grande interruptor é para comutadores" [grandes mudanças para os comutadores]; A Byte anunciou o lançamento do UPS para microcomputadores pela Boschert.
Robert Boshert, que largou o emprego e começou a coletar fontes de alimentação em sua cozinha em 1970, foi um dos principais desenvolvedores dessa tecnologia. Ele se concentrou em simplificar os circuitos para tornar as PSUs de pulso competitivas em preço com as lineares e, em 1974, ele já havia produzido PSUs de baixo custo para impressoras em quantidades industriais e, em 1976, também lançou no-breaks de 80 W de baixo custo. K 1977 Boschert Inc. cresceu para uma empresa de 650 pessoas. Ela fabricou a fonte de alimentação para satélites e o caça Grumman F-14 e, posteriormente, fontes de alimentação para computadores da HP e da Sun.
O advento dos transistores de alta frequência e alta tensão, de baixo custo, no final dos anos 1960 e início dos anos 1970, por empresas como a Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) e Motorola, ajudaram a trazer o no-break para o mainstream. Frequências de chaveamento mais altas aumentaram a eficiência, uma vez que o calor nesses transistores foi dissipado principalmente no momento da alternância entre estados, e quanto mais rápido o dispositivo pudesse fazer essa transição, menos energia gasta.
As frequências do transistor naquele momento aumentavam aos trancos e barrancos. A tecnologia do transistor estava se desenvolvendo tão rápido que os editores da Electronics World em 1971 poderiam afirmar que a fonte de alimentação de 500 W na capa da revista não poderia ter sido produzida apenas 18 meses antes.
Outra inovação notável ocorreu em 1976, quando Robert Mammano, co-fundador da Silicon General Semiconductors, lançou o primeiro circuito integrado da UPS desenvolvido para o teletipo eletrônico. Seu controlador
SG1524 simplificou drasticamente o desenvolvimento de
PSUs e reduziu seu custo, o que causou um aumento nas vendas.
Em 1974, mais ou menos alguns anos, ficou claro para todas as pessoas, pelo menos aproximadamente compreendendo o estado da indústria eletrônica, que havia uma verdadeira revolução nos projetos da BP.
Líderes e seguidores: Steve Jobs demonstra o computador pessoal Apple II em 1981. Introduzido pela primeira vez em 1977, o Apple II se beneficiou da mudança industrial de PSUs lineares volumosas para pequenas e eficientes de pulso. Mas o Apple II não iniciou essa transição, como Jobs afirmou mais tarde.O computador pessoal Apple II foi lançado em 1977. Um de seus recursos era um no-
break compacto sem ventilador, que fornecia 38 watts de potência e tensão de 5, 12, -5 e -12 V. Ele usou um circuito Holt simples, um no-break com a topologia de um conversor offline flyback. Jobs disse que hoje todo computador copia o circuito revolucionário de Holt. Mas esse circuito foi revolucionário em 1977? E todo fabricante de computadores o copiou?
Não e não. Conversores flyback semelhantes na época já eram vendidos pela Boschert e outras empresas. Holt recebeu patentes por alguns dos recursos de seu BP, mas eles não foram amplamente utilizados. E a criação de um circuito de controle de componentes discretos, como aconteceu com o Apple II, acabou sendo um beco sem saída tecnológico. O futuro do no-break pertencia a circuitos integrados especializados.
Se havia um microcomputador que teve um impacto de longo prazo no design das PSUs, foi o IBM Personal Computer, lançado em 1981. Naquela época, apenas quatro anos após o lançamento do Apple II, a tecnologia da PSU havia mudado drasticamente. E, embora esses dois PCs usassem um no-break com a topologia de um conversor offline flyback e várias saídas, isso era tudo o que era comum entre eles. Os circuitos de potência, controle, feedback e estabilização eram diferentes. E, embora o PSU do PC IBM usasse um controlador de circuito integrado, ele tinha quase o dobro de componentes que o PSU Apple II. Componentes adicionais forneceram estabilização adicional da tensão de saída e o sinal "qualidade da energia" quando todas as quatro voltagens estavam corretas.
Em 1984, a IBM lançou uma versão significativamente atualizada do PC, chamada IBM Personal Computer AT. Seu PSU usou muitos esquemas novos, abandonando completamente a topologia de flyback. Ele rapidamente se tornou o padrão de fato e permaneceu assim até 1995, quando a Intel introduziu o fator de forma ATX, que, como outras coisas que determinaram o ATX PSU, permanece o padrão até hoje.
Mas, apesar do advento do padrão ATX, os sistemas de energia dos computadores se tornaram mais complicados em 1995, quando o Pentium Pro apareceu - um microprocessador que exigia menos tensão e altas correntes do que o ATX PSU poderia fornecer diretamente. Para esta fonte de alimentação, a Intel introduziu um módulo de regulação de tensão (VRM) - um conversor DC-DC pulsado instalado ao lado do processador. Ele reduziu 5 V da fonte de alimentação para 3 V usados pelo processador. As placas gráficas de muitos computadores também possuem VRM, que alimenta os chips gráficos de alta velocidade instalados neles.
Hoje, um processador rápido VRM pode exigir até 130 watts - muito mais do que a potência de meio watt usada pelo processador Apple II 6502. Um processador moderno sozinho pode usar três vezes mais energia que um computador Apple II inteiro.
O aumento do consumo de energia dos computadores causou preocupações ambientais, resultando em iniciativas e leis que exigem fontes de energia mais eficientes. Nos Estados Unidos, os certificados governamentais Energy Star e Industrial 80 Plus exigem que os fabricantes emitam fontes de energia mais ecológicas. Eles conseguem fazer isso usando várias tecnologias: consumo de energia em espera mais eficiente, circuitos de partida mais eficientes, circuitos ressonantes que reduzem as perdas de energia nos transistores de pulso, circuitos de braçadeira ativos que substituem os diodos de pulso por transistores mais eficientes. Melhorias na tecnologia de transistores de potência MOSFET e retificadores de silício de alta tensão nos últimos dez anos também serviram para aumentar a eficiência.
A tecnologia UPS continua a evoluir de outras maneiras. Hoje, em vez de circuitos analógicos, muitos fornecedores usam chips digitais e algoritmos de software que controlam a saída. O desenvolvimento do controlador PSU tornou-se uma questão de design de hardware e um problema de programação. O gerenciamento digital de energia permite que os fornecedores se comuniquem com o restante do sistema com maior eficiência e mantenham registros. E embora essas tecnologias digitais sejam usadas principalmente em servidores, elas estão começando a influenciar o desenvolvimento de PCs desktop.
É difícil conciliar toda essa história com a opinião de Jobs de que Holt deveria ser conhecido mais amplamente ou de que "Roda não é frequentemente elogiado por isso nos livros de história, mas deveria ter sido". Mesmo os melhores desenvolvedores da BP não se tornam famosos fora da pequena comunidade. Em 2009, os editores de Design Eletrônico convidaram Boscher para o
Hall da Fama da Engenharia . Robert Mammano recebeu o
Lifetime Achievement Award em 2005 dos editores da Power Electronics Technology. Rudy Severns recebeu
outro prêmio em 2008 pela inovação da UPS. Mas nenhuma dessas luminárias no campo da criação de uma fonte de alimentação foi notada na Wikipedia.
, , , Apple, "
" , California 1982, , , 2011. , , Apple II , , , .