Vor einem halben Jahrhundert revolutionierten bessere Transistoren und Schaltregler das Design von Computer-Netzteilen

Intel Not Inside: Röntgenaufnahmen enthüllen die Bestandteile eines Schaltnetzteils, das im ursprünglichen Mikrocomputer Apple II aus dem Jahr 1977 verwendet wurde.

Computer-Netzteilebekomme nicht viel Respekt.

Als Technikbegeisterter wissen Sie wahrscheinlich, welcher Mikroprozessor in Ihrem Computer steckt und wie viel physischer Speicher er hat, aber die Chancen stehen gut, dass Sie nichts über die Stromversorgung wissen. Machen Sie sich keine Sorgen – selbst für Hersteller ist die Entwicklung des Netzteils eine nachträgliche Überlegung.

Das ist eine Schande, denn die Herstellung der Netzteile für Personalcomputer erforderte erhebliche Anstrengungen. Sie stellen eine enorme Verbesserung gegenüber den Schaltkreisen dar, die bis etwa in die späten 1970er-Jahre andere Arten von Unterhaltungselektronik mit Strom versorgten. Dieser Durchbruch war das Ergebnis großer Fortschritte in der Halbleitertechnologie vor einem halben Jahrhundert, insbesondere Verbesserungen bei Schalttransistoren und Innovationen bei ICs. Und doch handelt es sich um eine Revolution, die von der breiten Öffentlichkeit und selbst von vielen Menschen, die mit der Geschichte der Mikrocomputer vertraut sind, völlig unerkannt bleibt.

Allerdings gibt es bei der Stromversorgung auch einige leidenschaftliche Verfechter, darunter einer, der Sie vielleicht überraschen wird: Steve Jobs. Laut seinem autorisierten Biographen Walter Isaacson hatte Jobs starke Gefühle gegenüber der Stromversorgung des bahnbrechenden Personalcomputers Apple II und seines Designers Rod Holt. Die von Isaacson berichtete Behauptung von Jobs lautet wie folgt:

Die Behauptung von Jobs ist schwerwiegend und hat mir nicht gefallen, also habe ich einige Nachforschungen angestellt. Ich entdeckte, dass Schaltnetzteile zwar revolutionär waren, die Revolution jedoch zwischen Ende der 1960er und Mitte der 1970er Jahre stattfand, als Schaltnetzteile die einfachen, aber ineffizienten linearen Netzteile ablösten. Der 1977 eingeführte Apple II profitierte von dieser Revolution, löste sie jedoch nicht aus.

Diese Korrektur von Jobs' Version der Ereignisse ist weit mehr als nur eine kleine technische Kleinigkeit. Schaltnetzteile sind heute ein allgegenwärtiges Standbein, mit dem wir täglich unsere Smartphones, Tablets, Laptops, Kameras und sogar einige unserer Autos aufladen. Sie versorgen Uhren, Radios, Heim-Audioverstärker und andere Kleingeräte mit Strom. Die Ingenieure, die diese Revolution tatsächlich angezettelt haben, verdienen Anerkennung. Und es ist auch eine ziemlich gute Geschichte.

Die Stromversorgung In einem Desktop-Computer wie dem Apple II wandelt er Wechselstrom in Gleichstrom um und sorgt so für hochstabile Spannungen zur Stromversorgung des Systems. Netzteile können auf unterschiedliche Weise aufgebaut werden, am häufigsten sind jedoch lineare und schaltende Bauformen.

Ein typisches lineares Netzteil verwendet einen sperrigen Transformator, um den relativ hohen Wechselstrom von den Stromleitungen in Niederspannungs-Wechselstrom umzuwandeln, der dann mithilfe von Dioden, von denen normalerweise vier in der klassischen Brückenkonfiguration verdrahtet sind, in Niederspannungs-Gleichstrom umgewandelt wird. Zur Glättung des Ausgangs der Diodenbrücke werden große Elektrolytkondensatoren verwendet. Computer-Netzteile verwenden einen Schaltkreis namens Linearregler, der die Gleichspannung auf den gewünschten Wert reduziert und diesen auch bei schwankender Last konstant hält

Lineare Netzteile sind nahezu trivial zu entwerfen und zu bauen. Und sie verwenden kostengünstige Niederspannungshalbleiter. Aber sie haben zwei große Nachteile. Einer davon sind die großen Kondensatoren und der schwere Transformator, die man braucht, die man nie in etwas so Kleines, Leichtes und Praktisches wie die Ladegeräte packen könnte, die wir heute alle mit unseren Smartphones und Tablets verwenden. Der andere ist der Linearregler, eine Transistorschaltung, die die überschüssige Gleichspannung – alles über der vorgesehenen Ausgangsspannung – in Abwärme umwandelt. Daher verschwenden solche Netzteile typischerweise mehr als die Hälfte des Stroms, den sie verbrauchen. Und sie benötigen oft große Kühlkörper oder Lüfter aus Metall, um die gesamte Wärme abzuleiten.

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In der Vergangenheit wurden für kleine elektronische Geräte typischerweise sperrige Wandtransformatoren verwendet, die abfällig als „Wandwarzen“ bezeichnet wurden. Um die Wende des 21. Jahrhunderts machten technologische Verbesserungen kompakte Schaltnetzteile mit geringem Stromverbrauch für kleine Geräte praktisch. Als die Preise für Wechselstrom-/Gleichstromadapter sanken, ersetzten sie bei den meisten Haushaltsgeräten schnell die sperrigen Wandtransformatoren.

Apple machte das Ladegerät zu einem hochentwickelten Objekt und stellte 2001 ein elegantes iPod-Ladegerät mit einem kompakten IC-gesteuerten Flyback-Netzteil im Inneren vor [links]. USB-Ladegeräte wurden bald allgegenwärtig, wobei das ultrakompakte Zollwürfel-Ladegerät von Apple (eingeführt im Jahr 2008) zu einer Ikone wurde [rechts].

Der neueste Trend bei High-End-Ladegeräten dieser Art ist die Verwendung von Galliumnitrid (GaN)-Halbleitern, die schneller schalten können als Siliziumtransistoren und somit effizienter sind. Um die Technologie in die andere Richtung zu treiben, werden die günstigsten USB-Ladegeräte mittlerweile für weniger als einen Dollar verkauft, allerdings auf Kosten einer schlechten Stromqualität und fehlender Sicherheitsfunktionen. —KS

Ein Schaltnetzteil funktioniert nach einem anderen Prinzip: In einem typischen Schaltnetzteil wird der Wechselstromeingang in Hochspannungs-Gleichstrom umgewandelt, der zehntausende Male pro Sekunde ein- und ausgeschaltet wird. Die verwendeten hohen Frequenzen ermöglichen den Einsatz wesentlich kleinerer und leichterer Transformatoren und kleinerer Kondensatoren. Eine spezielle Schaltung steuert das Umschalten präzise, ​​um die Ausgangsspannung zu steuern. Da sie keine linearen Regler benötigen, verschwenden solche Netzteile wenig Energie: Sie haben typischerweise einen Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent und geben daher viel weniger Wärme ab.

Ein Schaltnetzteil ist jedoch wesentlich komplexer als ein lineares Netzteil und daher schwieriger zu konzipieren. Darüber hinaus stellt es deutlich höhere Anforderungen an die Komponenten und erfordert Hochspannungs-Leistungstransistoren, die effizient und mit hoher Geschwindigkeit ein- und ausschalten können.

Als Randbemerkung sollte ich erwähnen, dass einige Computer Netzteile verwendet haben, die weder linear noch schaltend sind. Eine einfache, aber effektive Technik bestand darin, einen Motor ohne Netzstrom zu betreiben und diesen Motor zum Antrieb eines Generators zu verwenden, der die gewünschte Ausgangsspannung erzeugt. Motor-Generator-Einheiten wurden jahrzehntelang verwendet, zumindest schon bei den Lochkartenmaschinen von IBM in den 1930er-Jahren und bis in die 1970er-Jahre hinein beispielsweise bei den Cray-Supercomputern.

Eine weitere Option, die in den 1950er bis 1980er Jahren beliebt war, war die Verwendung von Ferroresonanztransformatoren, einem speziellen Transformatortyp, der eine konstante Ausgangsspannung liefert. Außerdem wurde der Sättigungsreaktor, ein steuerbarer Induktor, in den 1950er Jahren zur Regelung der Stromversorgung von Vakuumröhrencomputern verwendet. Er tauchte [PDF] als „mag amp“ in einigen modernen PC-Netzteilen wieder auf und sorgte für zusätzliche Regulierung. Aber am Ende wichen diese seltsamen Ansätze weitgehend der Umstellung der Stromversorgung.

Die Prinzipien dahinter Schaltnetzteile sind Elektroingenieuren seit den 1930er Jahren bekannt, doch im Zeitalter der Vakuumröhren fand diese Technik nur begrenzte Anwendung. In einigen Stromversorgungen der damaligen Zeit wurden spezielle quecksilberhaltige Röhren namens Thyratrons verwendet, die als primitive Niederfrequenz-Schaltregler angesehen werden konnten. Beispiele hierfür sind das REC-30 Teletype-Netzteil aus den 1940er Jahren und das Netzteil, das im IBM 704-Computer aus dem Jahr 1954 verwendet wurde. Mit der Einführung von Leistungstransistoren in den 1950er Jahren verbesserten sich die Schaltnetzteile jedoch rasch. Pioneer Magnetics begann 1958 mit dem Bau von Schaltnetzteilen. Und General Electric veröffentlichte 1959 einen frühen Entwurf für ein Transistor-Schaltnetzteil.

In den 1960er Jahren waren die NASA und die Luft- und Raumfahrtindustrie die Hauptantriebskräfte für die Entwicklung von Schaltnetzteilen, da bei Luft- und Raumfahrtanwendungen die Vorteile einer geringen Größe und eines hohen Wirkungsgrads die hohen Kosten übertrafen. Beispielsweise verwendeten 1962 sowohl der Telstar-Satellit (der erste Satellit, der Fernsehbilder übertrug) als auch die Minuteman-Rakete Schaltnetzteile. Im Laufe des Jahrzehnts sanken die Kosten und die Lieferung von Ersatzmaterialien wurde in Produkte umgewandelt, die an die Öffentlichkeit verkauft wurden. Im Jahr 1966 verwendete Tektronix beispielsweise ein Schaltnetzteil in einem tragbaren Oszilloskop, das den Betrieb mit Netzstrom oder Batterien ermöglichte.

Dieser Trend beschleunigte sich, als Netzteilhersteller begannen, Schalteinheiten an andere Unternehmen zu verkaufen. Im Jahr 1967 stellte RO Associates das erste 20-Kilohertz-Schaltnetzteilprodukt vor und behauptete, es sei das erste kommerziell erfolgreiche Beispiel eines Schaltnetzteils. Nippon Electronic Memory Industry Co. begann 1970 in Japan mit der Entwicklung standardisierter Schaltnetzteile. 1972 verkauften die meisten Netzteilhersteller Schaltnetzteile oder waren kurz davor, diese anzubieten.

Ungefähr zu dieser Zeit begann die Computerindustrie mit der Verwendung von Schaltnetzteilen. Zu den ersten Beispielen zählen der Minicomputer PDP-11/20 von Digital Equipment aus dem Jahr 1969 und der Minicomputer 2100A von Hewlett-Packard aus dem Jahr 1971. In einer Branchenpublikation aus dem Jahr 1971 heißt es, dass Unternehmen, die Schaltregler verwenden, „wie ein ‚Who is Who‘ der Computerindustrie gelesen werden: IBM, Honeywell, Univac.“ , DEC, Burroughs und RCA, um nur einige zu nennen.“ Zu den Minicomputern mit Schaltnetzteilen gehörten 1974 der Nova 2/4 von Data General, der 960B von Texas Instruments und Systeme von Interdata. 1975 wurden Schaltnetzteile im Anzeigeterminal HP2640A, im schreibmaschinenähnlichen Selectric Composer von IBM und im tragbaren Computer IBM 5100 verwendet. Bis 1976 verwendete Data General in der Hälfte seiner Systeme Schaltnetzteile, und HP nutzte sie für kleinere Systeme wie den 9825A-Desktop-Computer und den 9815A-Rechner. Auch in Privathaushalten tauchten Schaltnetzteile auf, die 1973 einige Farbfernseher mit Strom versorgten.

Schaltnetzteile wurden in Elektronikzeitschriften dieser Zeit häufig vorgestellt, sowohl in Anzeigen als auch in Artikeln. Bereits 1964 empfahl Electronic Design Schaltnetzteile für eine bessere Effizienz. Auf der Titelseite von Electronics World vom Oktober 1971 waren ein 500-Watt-Schaltnetzteil und ein Artikel mit dem Titel „The Switching Regulator Power Supply“ zu sehen. Computer Design diskutierte 1972 ausführlich Schaltnetzteile und die zunehmende Verbreitung solcher Netzteile in Computern, erwähnte jedoch, dass einige Unternehmen immer noch skeptisch seien. Im Jahr 1976 verkündete Electronic Design auf dem Cover: „Plötzlich ist es einfacher zu schalten“ und beschrieb die neuen Schaltnetzteil-Controller-ICs. Electronics veröffentlichte einen langen Artikel zu diesem Thema; Powertec schaltete zweiseitige Anzeigen zu den Vorteilen seiner Schaltnetzteile mit dem Slogan „Der große Schalter sind Schalter“. und Byte kündigte Schaltnetzteile für Mikrocomputer einer Firma namens Boschert an.

Robert Boschert, der 1970 seinen Job kündigte und begann, Netzteile auf seinem Küchentisch zu bauen, war ein maßgeblicher Entwickler dieser Technologie. Er konzentrierte sich darauf, diese Designs zu vereinfachen, um sie hinsichtlich der Kosten mit linearen Netzteilen konkurrenzfähig zu machen, und produzierte 1974 in großen Mengen ein kostengünstiges Netzteil für Drucker, dem 1976 ein kostengünstiges 80-W-Schaltnetzteil folgte. Bis 1977 war Boschert Inc. zu einem Unternehmen mit 650 Mitarbeitern angewachsen. Das Unternehmen stellte Netzteile für Satelliten und das Kampfflugzeug Grumman F-14 her und produzierte später Computer-Netzteile für Unternehmen wie HP und Sun.

Die Einführung kostengünstiger Hochspannungs-Hochgeschwindigkeitstransistoren in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren durch Unternehmen wie Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) und Motorola trug zum Vorstoß bei Stromversorgungen in den Mainstream verlagern. Schnellere Transistorschaltgeschwindigkeiten steigern die Effizienz, da in einem solchen Transistor Wärme hauptsächlich beim Umschalten zwischen Ein- und Ausschaltzustand abgeführt wird. Je schneller das Gerät diesen Übergang vollziehen könnte, desto weniger Energie würde es verschwenden.

Die Transistorgeschwindigkeiten stiegen damals sprunghaft an. Tatsächlich entwickelte sich die Transistortechnologie so schnell, dass die Herausgeber von Electronics World 1971 behaupteten, dass das auf dem Cover abgebildete 500-W-Netzteil mit den noch 18 Monate zuvor verfügbaren Transistoren nicht hätte gebaut werden können.

Ein weiterer bemerkenswerter Fortschritt kam 1976, als Robert Mammano, Mitbegründer von Silicon General Semiconductors, den ersten IC zur Steuerung eines Schaltnetzteils vorstellte, das für ein elektronisches Fernschreibgerät entwickelt wurde. Sein Controller-IC SG1524 vereinfachte das Design dieser Verbrauchsmaterialien drastisch und senkte die Kosten, was zu einem Umsatzanstieg führte.

Im Jahr 1974, mehr oder weniger ein oder zwei Jahre später, war jedem, der auch nur ein wenig über Kenntnisse in der Elektronikindustrie verfügte, klar, dass eine echte Revolution in der Stromversorgungskonstruktion im Gange war.

Vorreiter und Anhänger: Steve Jobs präsentiert 1981 einen Apple II-Personalcomputer. Der 1977 erstmals vorgestellte Apple II profitierte von der branchenweiten Umstellung von sperrigen linearen Netzteilen hin zu kleinen, effizienten Schaltdesigns. Aber der Apple II hat diesen Übergang nicht eingeleitet, wie Jobs später behauptete.Foto: Ted Thai/The LIFE Picture Collection/Getty Images

Der Personalcomputer Apple II wurde 1977 eingeführt. Eines seiner Merkmale war ein kompaktes, lüfterloses Schaltnetzteil [PDF], das 38 W Leistung bei 5, 12, –5 und –12 Volt lieferte. Es nutzte Holts einfaches Design, eine Art Schaltnetzteil, das als Offline-Sperrwandler-Topologie bekannt ist. Jobs behauptete, dass mittlerweile jeder Computer Holts revolutionäres Design kopiert. Aber war dieses Design im Jahr 1977 wirklich revolutionär? Und wurde es von jedem anderen Computerhersteller kopiert?

Nein, und nein. Ähnliche Offline-Sperrwandler wurden damals von Boschert und anderen Unternehmen verkauft. Holt erhielt ein Patent für einige spezifische Merkmale seines Angebots, doch diese Merkmale wurden nie weit verbreitet. Und der Aufbau der Steuerschaltung aus diskreten Komponenten, wie es beim Apple II der Fall war, erwies sich als technologische Sackgasse. Die Zukunft der Schaltnetzteile gehörte speziellen Controller-ICs.

Wenn es einen Mikrocomputer gibt, der die Entwicklung von Stromversorgungen nachhaltig beeinflusst hat, dann war es der 1981 auf den Markt gebrachte IBM Personal Computer. Zu diesem Zeitpunkt, nur vier Jahre nach dem Apple II, hatte sich die Stromversorgungstechnologie stark verändert. Während diese beiden frühen Personalcomputer Offline-Flyback-Netzteile mit mehreren Ausgängen verwendeten, war das auch schon alles, was sie gemeinsam hatten. Ihre Antriebs-, Steuer-, Rückkopplungs- und Regelkreise waren alle unterschiedlich. Obwohl das IBM PC-Netzteil einen IC-Controller verwendete, enthielt es etwa doppelt so viele Komponenten wie das Apple II-Netzteil. Diese zusätzlichen Komponenten sorgten für eine zusätzliche Regelung der Ausgänge und ein „Power Good“-Signal, wenn alle vier Spannungen korrekt waren.

Im Jahr 1984 veröffentlichte IBM eine deutlich verbesserte Version seines Personal Computers, den IBM Personal Computer AT. Seine Stromversorgung nutzte eine Vielzahl neuer Schaltungsdesigns und verzichtete vollständig auf die frühere Flyback-Topologie. Es entwickelte sich schnell zum De-facto-Standard und blieb es bis 1995, als Intel die ATX-Formfaktorspezifikation einführte, die unter anderem das bis heute standardmäßige ATX-Netzteil definierte.

Trotz der Einführung des ATX-Standards wurden Computer-Stromversorgungssysteme 1995 mit der Einführung des Pentium Pro komplizierter, eines Mikroprozessors, der eine niedrigere Spannung bei höherem Strom benötigte, als ein ATX-Netzteil direkt liefern konnte. Um diese Energie bereitzustellen, hat Intel das Spannungsreglermodul (VRM) eingeführt – einen DC-zu-DC-Schaltregler, der neben dem Prozessor installiert ist. Dadurch wurden die 5 V von der Stromversorgung auf die vom Prozessor verwendeten 3 V reduziert. Die in vielen Computern enthaltenen Grafikkarten enthalten auch VRMs, um die darin enthaltenen Hochleistungs-Grafikchips mit Strom zu versorgen.

Ein schneller Prozessor benötigt heutzutage möglicherweise bis zu 130 W von einem VRM – weit mehr als die bloße Leistung von einem halben Watt, die der 6502-Prozessor des Apple II verbraucht. Tatsächlich kann ein moderner Prozessorchip allein mehr als das Dreifache der Energie verbrauchen, die der gesamte Apple II-Computer verbraucht.

Der steigende Stromverbrauch von Computern gibt Anlass zu Umweltbedenken und führt zu Initiativen und Vorschriften, um die Stromversorgung effizienter zu gestalten. In den Vereinigten Staaten drängten der Energy Star der Regierung und die branchenweiten 80 Plus-Zertifizierungen die Hersteller dazu, mehr „umweltfreundliche“ Netzteile zu produzieren. Dies ist ihnen mithilfe verschiedener Techniken gelungen: effizientere Standby-Stromversorgung, effizientere Startschaltkreise, Resonanzkreise, die Leistungsverluste in den Schalttransistoren reduzieren, und „Active-Clamp“-Schaltkreise, die Schaltdioden durch effizientere Transistorschaltkreise ersetzen . Verbesserungen in der Leistungs-MOSFET-Transistor- und Hochspannungs-Siliziumgleichrichtertechnologie im letzten Jahrzehnt haben auch zu Effizienzverbesserungen geführt.

Auch sonst schreitet die Technologie der Schaltnetzteile weiter voran. Anstelle analoger Schaltkreise verwenden viele Netzteile heutzutage digitale Chips und Softwarealgorithmen zur Steuerung ihrer Ausgänge. Der Entwurf eines Stromversorgungs-Controllers ist mittlerweile sowohl eine Frage der Programmierung als auch des Hardware-Designs. Durch die digitale Energieverwaltung können Netzteile mit dem Rest des Systems kommunizieren, um die Effizienz und Protokollierung zu steigern. Während diese digitalen Technologien derzeit weitgehend Servern vorbehalten sind, beginnen sie, das Design von Desktop-Computern zu beeinflussen.

Es ist schwer zu rechtfertigen diese Geschichte mit der Behauptung von Jobs, dass Holt bekannter sein sollte oder dass „Rod dafür in den Geschichtsbüchern nicht viel Anerkennung findet, aber er sollte es tun.“ Selbst die allerbesten Netzteil-Designer werden außerhalb einer kleinen Community nicht bekannt. Im Jahr 2009 hießen die Herausgeber von Electronic Design Boschert in ihrer Engineering Hall of Fame willkommen. Robert Mammano erhielt 2005 von den Herausgebern von Power Electronics Technology eine Auszeichnung für sein Lebenswerk. Rudy Severns erhielt 2008 eine weitere Auszeichnung für sein Lebenswerk für seine Innovationen bei Schaltnetzteilen. Aber keine dieser Leuchten im Netzteildesign ist überhaupt Wikipedia-berühmt.

Jobs‘ immer wiederkehrende Behauptung, Holt sei übersehen worden, führte dazu, dass Holts Arbeit in Dutzenden populärer Artikel und Bücher über Apple beschrieben wurde, von Paul Ciottis „Revenge of the Nerds“, das 1982 im California Magazine erschien, bis hin zu Isaacsons Bestseller-Biografie von Jobs im Jahr 2011. Obwohl seine Arbeit am Apple II keineswegs revolutionär war, ist Rod Holt ironischerweise wahrscheinlich der berühmteste Netzteildesigner aller Zeiten geworden.

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom August 2019 mit dem Titel „The Quiet Remaking of Computer Power Supplies?“