Voyager 2 – Sursă imagine NASA
29 octombrie 2020, după șapte luni de liniște, datorită unei modernizări majore a antenei radio cu lățimea de 70 de metri situată în Camberra, NASA a trimis un set de comenzi navei spațiale Voyager 2, veche de 43 de ani, care a parcurs miliarde de mile față de pământ de la lansarea sa în 1977. Voyager 2 a confirmat că a primit comunicarea și a executat comenzile fără nicio problemă. Desigur, interesant − dar ce semnifică acest lucru pentru inginerii din domeniul aplicațiilor de putere?
Deși este adesea considerat un element minor, dar necesar, de către proiectanții de sistem, în realitate sursa de alimentare este probabil una dintre cele mai importante părți ale echipamentelor lor. De la tuburile tiratron, utilizate în redresorul de putere de tip REC-30 pentru a furniza energie electrică de înaltă tensiune către mașinile de scris teletype în 1930 [1], până la cei mai noi semiconductori de bandă largă, fără curiozitatea și pasiunea de care dau dovadă proiectanții din domeniul aplicațiilor de putere, nu ar fi fost posibile multe lucruri. Voyager 2 este un bun exemplu în acest sens, dar cine își amintește ce s-a întâmplat la sfârșitul anilor șaptezeci și începutul anilor optzeci în industria energetică și modul în care inginerii de putere au schimbat fața industriei noastre?
Înapoi în timp pe câmpul de luptă!
Lansat pe 20 august 1977, Voyager 2 a fost alimentat de un generator termoelectric radioizotop (RTG − Radioisotope Thermoelectric Generator), care transformă căldura generată prin descompunerea unui material radioactiv în electricitate. Tensiunea generată este reglată și distribuită către cele 14 echipamente științifice și către placa de control principală. Sistemul general de alimentare a fost conceput pentru a utiliza un RTG și, în ciuda faptului că schema electronică a fost păstrată secretă, s-a menționat despre o nouă tehnologie, numită „sursa de tensiune în comutație”!
Cunoscute din 1930, principiile sursei de alimentare în comutație au fost explorate zeci de ani de proiectanții de surse de putere din industria aerospațială, unde NASA a fost forța conducătoare în cercetare și dezvoltare. Având în vedere costul enorm al unei lansări, precum și durata de viață a sondelor spațiale și a sateliților, proiectanții surselor de alimentare spațiale au căutat mereu metode de a reduce greutatea, de a crește randamentul energetic și de a reduce gabaritul. În anii șaizeci, NASA folosise deja sisteme de alimentare în comutație într-un număr de sateliți, de exemplu, Telstar, în 1962.
Figura 1 – Surse de alimentare liniare Power One seria „H”
În paralel cu cercetările secrete efectuate de organizațiile aerospațiale și militare pentru a miniaturiza sistemele de putere, proiectanții de surse de alimentare din industria civilă au luat în considerare, de asemenea, soluții alternative la vechea arhitectură convențională, grea și voluminoasă, de transformare, redresare și stabilizare liniară. Întrebarea cine a lansat prima sursă de alimentare în comutație la nivel comercial nu și-a găsit, încă, răspunsul, dar putem menționa RO Associates, care în 1967 a introdus o soluție de putere de 20 KHz, urmată de un val de produse precum 1970 NEMIC Japonia, 1973 CP 500W.
Pentru principalii proiectanți de surse de putere, era evident că tehnologia surselor în comutație reprezintă viitorul. În acel moment, sursele de alimentare liniare erau referința, iar „comutația” era considerată o tehnologie suspicioasă, unii chiar preziceau că aplicația finală ar putea suferi daune majore datorită câmpului de interferență generat de comutație.
Ar trebui să ne amintim că, în anii șaptezeci, sursele de alimentare liniare erau baza și, în ciuda faptului că Lambda a introdus o linie de surse de alimentare liniare „standardizate”, lansarea seriei „H” a lui Power-One este considerată de mulți, drept prima soluție de alimentare „gata de utilizat”, mai întâi în SUA și apoi în Europa. Plecând de la conceptul unei plăci de aluminiu pliate utilizate drept carcasă și disipator de putere, cu adevărat genial pentru acele timpuri, Power-One a lansat un număr uimitor de variante, oferind proiectanților de sisteme o sursă de alimentare gata pentru a fi utilizată (Figura 1).
Figura 2 – ELCO/COSEL Seria „G” liniară 1975 (sus) și seria „H” în comutație 1977 (jos)
În același timp, în Japonia − cu foarte puține informații care soseau de acolo − producătorii de surse de putere au lansat nu numai o gamă completă de surse de alimentare liniare, ci doar la câțiva ani după aceea, o gamă de soluții de putere în comutație. Un exemplu este compania ELCO/COSEL, care a lansat seria liniară „G” în 1975, urmată în 1977 de o gamă completă de surse în comutație, seria „H” (Figura 2)! În realitate, Japonia era cu adevărat înaintea trendului. Un alt exemplu fiind SONY, care în 1960, pe vremea când industria televizoarelor folosea tuburi electronice, au fost primii care au folosit tranzistoare în televizoarele lor și au fost probabil primii care au integrat o sursă de putere în comutație în echipamentele TV la începutul anilor șaptezeci.
Ar trebui să ne amintim, de asemenea, că la sfârșitul anilor șaptezeci și începutul anilor optzeci, marea majoritate a companiilor care dezvoltau echipamente electronice aveau propriile departamente de proiectare a surselor de putere, dedicate pentru propriile lor aplicații. Nu este surprinzător faptul că pentru mulți proiectanți de surse, lansarea seriei Power-One ‘H’ a fost percepută ca o amenințare. Mulți producători de echipamente au adoptat surse de alimentare standardizate, reorientând cercetarea și dezvoltarea departamentului electronic către tehnologia iminentă de surse în comutație, pentru a se menține în fața concurenților lor.
Cu pasiune, talent și curiozitate!
Anii șaptezeci erau plini de ingineri talentați care cercetau soluții de îmbunătățire a surselor de putere în comutație și ar fi nevoie de un articol dedicat pentru ai numi pe fiecare. Dintre toți, pentru mine este important să menționez doi „guru ai soluțiilor de alimentare”, Robert J. Boschert (Boschert Associates) și Frederick Rod Holt (Apple), ambii lucrând în același timp la soluții de alimentare mai eficiente. În ambele cazuri, la fel ca în industria aerospațială, au urmărit să facă sursele de putere mai mici, mai ușoare și mai eficiente.
Potrivit legendei, în 1970, Robert Boschert a început să dezvolte – chiar la el în bucătărie – o sursă de alimentare mai eficientă din punct de vedere al costurilor, mai competitivă și mai ușoară, drept o alternativă la modelul cu transformator voluminos și regulator liniar. El s-a concentrat pe dezvoltarea unei surse de putere în comutație pentru imprimantele cu roți și benzi pe care a produs-o pe scară largă în 1974. În 1976 a lansat una dintre primele surse de putere în comutație „gata de utilizat” și a solicitat brevetele 4.037.271 și 4.061.931 pentru a-și proteja drepturile intelectuale de autor (Figura 3). Cele două brevete au fost acordate în mai puțin de un an de zile. Apoi a urmat succesul comercial al sursei OL25, care a beneficiat și de o expunere mare în mass-media, de exemplu, „Convertoare cu izolație galvanică (flyback): soluție cu semiconductoare pentru surse de alimentare în comutație economice” publicat la 21 decembrie 1978 în revista “Electronics”. În 1977, Boschert Inc. avea peste 600 de angajați și a fost certificată să proiecteze soluții de alimentare în comutație pentru aeronave spațiale și militare.
Figura 3 – Boschert Associates brevetează regulatoarele în comutație 4.037.271 și 4.061.931
În același timp, Steve Jobs, cunoscut pentru curiozitatea față de noile tehnologii, a considerat că tehnologia surselor în comutație este de interes, dar din cauza lipsei de timp, Apple I a lansat în aprilie 1976 o sursă de alimentare convențională liniară. Lucrând la Apple II, Rob Holt a proiectat o sursă de alimentare în comutație cu izolație galvanică de 38W cu ieșiri multiple (Figura 4) pentru care depus un brevet în februarie 1978, fiindu-i acordat în decembrie (4.130.862). Apple II a fost un succes, iar odată cu creșterea nivelului de bucăți produse, Apple a externalizat fabricarea sursei de alimentare către ASTEC, începând lunga istorie a surselor de alimentare OEM pentru computere.
Poate anecdotică, dar ilustrând totuși peisajul competitiv din industria de putere, care a suferit o serie de dispute privind drepturile de autor, în biografia lui Steve Jobs scrisă de către Steve Isaacson, Jobs a spus: „În loc de o sursă de alimentare convențională, Holt a construit una precum cele utilizate în osciloscoape. A pornit și oprit alimentarea electrică nu de șaizeci de ori pe secundă, ci de mii de ori; acest lucru i-a permis să stocheze puterea pentru mult mai puțin timp și, astfel, să emită mai puțină căldură. Această sursă de alimentare în comutație a fost la fel de revoluționară precum placa de bază de la Apple II”. Jobs a adăugat mai târziu:“Rod nu a avut parte de foarte multă apreciere pentru acest lucru în cărțile de istorie, dar ar trebui. Fiecare computer folosește acum surse de alimentare în comutație și toți se folosesc de proiectul lui Rod Holt.”
Totuși, cu toate beneficiile uriașe oferite de această tehnologie, implementarea și adoptarea ei pe piață a fost relativ lentă, iar analiștii de piață au estimat că doar 8% din sursele de alimentare fabricate în 1978 se bazau pe topologia în comutație.
Faceți Teletype-ul meu mai mic, mai ușor și mai rapid!
În introducere am menționat redresorul de putere cu tuburi tiratron, tipul REC-30, care alimenta o mașină de scris Teletype din 1930 [1]. Puțini știu că, în acele timpuri, teletype-urile erau mașini de telecomunicații de ultimă generație și cu mult înainte de introducerea 1, 2, 3, 4 și 5G, acestea erau sisteme de comunicație care îi motivau pe proiectanții surselor de putere să inventeze și să inoveze.
Pe lângă topologii, o evoluție majoră în industria surselor de putere în comutație a avut loc în 1976, când Robert Mammano, co-fondatorul Silicon General Semiconductors a introdus primul circuit integrat (IC) de control, dedicat pentru sursele de putere în comutație. Lansarea circuitului SG1524 a fost un pas uriaș înainte pentru comunitatea surselor de alimentare, acesta fiind introdus – ca primă aplicație – în noua generație de mașini Teletype, care deveneau „mai mici, mai ușoare și mai rapide”.
Figura 4 – Sursa de putere în comutație de 38W de pe Apple II cu izolare galvanică (flyback) și ieșiri multiple proiectată de Rob Holt
Dezvoltat inițial pentru a rezolva o problemă de fabricație a mașinilor Teletype, introducerea SG1524 a însemnat punctul de plecare al surselor de putere în comutație moderne, deschizând calea către invenții și inovații de care beneficiem cu toții astăzi.
Cursa pentru sursele în comutație este deschisă!
Odată cu dezvoltarea computerului personal și a echipamentelor IT, necesitatea randamentului ridicat și o greutate redusă a crescut presiunea pe proiectanții de surse putere pentru a îmbunătăți în continuare performanța. Lansarea computerului personal IBM 5150 a marcat momentul apariției surselor de alimentare dedicate, folosind cipul NE5560 și, ulterior, SG3524. Unice pentru industria PC-urilor, sursele de putere în comutație sunt specifice unei plăci de bază și nu sunt „soluții de pe raft” pentru utilizarea în aplicații obișnuite.
Din punct de vedere industrial, este imposibil să denumim toate produsele și inovațiile, dar din moment ce am menționat seria Power-One „H”, este potrivit să menționăm numele unui tânăr inginer (Steve Goldman) care s-a alăturat echipei Power-One la începutul anilor optzeci pentru a proiecta noua generație de surse de putere în comutație, seria MAP.
Industria de calcul și nu numai, s-a îndreptat către arhitecturi cu surse de putere în comutație și, deși au trecut destui ani, înainte ca această tehnologie să domine asupra soluției liniare bine structurate, s-au înființat, în toată lumea, o serie de convenții de electronică de putere, care au dus la dezvoltarea de forumuri pentru inginerii electroniști unde au putut să învețe și să partajeze cunoștințe despre noile tehnologii.
1980 – moment de înaltă importanță în industria de putere!
La sfârșitul anilor șaptezeci și începutul anilor optzeci, industria surselor de putere a permis crearea multor locuri de întâlnire pentru specialiștii din domeniu. În ciuda existenței conferinței de specialitate IEEE Power Electronics Specialist Conference (PESC), creată în 1970, proiectanții de surse de putere și liderii din industrie au creat un alt tip de forum pentru a-și împărtăși cunoștințele tehnologice, ideile noi și cele mai bune practici – POWERCON, care a avut loc în în perioada 20-22 martie 1975 la Beverly Hills, California. A urmat, apoi, în 1978, o conferință axată în principal pe telecomunicații, numită INTELEC. Din păcate, după nouă ani, POWERCON și-a oprit activitatea în 1984, părăsind comunitatea electroniștilor de surse de putere.
În vremurile în care bunicul internetului, ARPANET tocmai adoptase protocolul TCP/IP (Ianuarie 1983), inginerii electroniști erau încă la kilometri distanță de chat-uri și bloguri, dar necesitatea „unui loc comun” de cooperare mai strânsă în industria surselor de putere devenea evidentă. În 1983 a fost fondată China Power Supply Society (CPSS)[2], iar în 1985 a fost constituită Power Sources Manufacturers Association (PSMA)[3]. Ambele organizații doreau să împărtășească cunoștințe și să faciliteze comunicarea în cadrul comunităților implicate în soluții de alimentare, iar 35 de ani mai târziu, acestea susțin în continuare inginerii proiectanți de surse de putere.
În același timp cu formarea PSMA, un grup de opt ingineri pasionați, Bill Hazen (Prime Computer), Don Drinkwater (DEC), Phil Hower (Unitrode), Jonathan Wood (Data General), Marty Schlecht (MIT), Jack Wright (GE), Trey Burns (Data General) și John Kassakian (MIT) au avut ideea de a crea o conferință în domeniul surselor de alimentare, care să cuprindă cercetarea, electronica aplicată și să servească pentru a conecta inginerii electroniști într-o comunitate mai largă, inclusiv industria, toate acestea prin intermediul unei expoziții. Urma să se numească APEC (Applied Power Electronics Conference and Exposition)[4], iar prima ediție a avut loc în perioada 28 aprilie – 1 mai 1986 la New Orleans.
Și povestea continuă ..
Industria surselor de alimentare a trecut prin multe perioade de evoluție, ruptură și revoluție. Dacă introducerea tranzistorului bipolar a fost, fără îndoială, „prima” revoluție tehnologică, nu există nicio îndoială că migrarea de la conversia liniară a curentului electric la tehnologia surselor de putere în comutație a fost a doua și începutul unei lungi căi evolutive.
La 43 de ani de la lansare, Voyager 2 a parcurs 14 miliarde de mile în spațiul îndepărtat, iar sursele de alimentare, pe care pionierii din acest domeniu le-au proiectat la începutul anilor șaptezeci, încă își fac treaba. Acest lucru ne entuziasmează și ne obligă să mulțumim tuturor proiectanților geniali, care au contribuit la trecerea de la tehnologia liniară la tehnologia în comutație.
Autor: Patrick Le Fèvre, Director Marketing & Communication
Powerbox – A Cosel Group Company| www.prbx.com
Bibliografie:
[1] Teletype Model 19 Thyratron Power Supply – https://youtu.be/WX74GoHuwHk
[2] China Power Supply Society (CPSS) – http://www.cpss.org.cn/en/
[3] Power Sources Manufacturers Association was incorporated (PSMA) – https://www.psma.com/
[4] Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) – https://apec-conf.org/