Áttekintés a kapcsoló tápegységek és töltők fejlődéséről
Az eredetit Ken Shirriff, egy ismert hardver szakember készítette
A legtöbb felhasználó nem nagyon figyel a számítógép teljesítményére. Szinte mindenki tudja, hogy milyen processzort használ a számítógépe, és mennyi memória van behelyezve, de nagy valószínűséggel nem tudnak mit mondani a tápegységről. Ez nem meglepő: a számítógépes rendszerek gyártói is csak végül a tápegység moduljára gondolnak.
Ez nagyon sajnálatos, mert nagy erőfeszítéseket tettek megfelelő tápegységek létrehozására, amelyek manapság a számítógépes rendszerekben is megfigyelhetők. Jelentősen jobbak, mint a fogyasztói elektronikát az 1970-es évek végéig tápláló áramkörök. Ezt az áttörést a félvezető-technológia mintegy fél évszázaddal ezelőtti jelentős fejlődése tette lehetővé. Érdekes módon ez a forradalom gyakorlatilag ismeretlen a nagyközönség számára.
Talán meglepődik, de az egyik legfényesebb ilyen típusú forradalmár Steve Jobs volt. Életrajzírója, Walter Isaacson szerint Jobsnak rendkívül komoly követelményei voltak a Rod Holt által létrehozott Apple II számítógép tápellátására. Isaacson írja:
"A hagyományos lineáris teljesítmény helyett Holt olyan tápegységet hozott létre, amelyet oszcilloszkópokban használnak. A lüktetések benne nem másodpercenként hatvanszorosak, hanem több tízezerszer. Ily módon az energiát sokkal kevesebb ideig kell tárolni, és a felszabaduló hő nagyon kis mennyiségben van. "Ez a kapcsoló tápegység ugyanolyan forradalmi volt, mint az Apple II kártya" - mondta később Jobs. "Az impulzus blokk létrehozásához Rod nem került be a történelem tankönyvekbe, de muszáj volt. Minden számítógép ma Rod Holt által tervezett kapcsoló tápegységet használ.
De az Apple alapítójának verziója alapvetően téves. Ez a hatalmi forradalom az 1960-as évek vége és az 1970-es évek közepe között zajlott le, amikor a tápegységek kapcsolása nagyon egyszerű, de nem hatékony lineáris áramköröket váltott fel. Az 1977-ben bemutatott Apple II profitált ebből a forradalomból, de egyáltalán nem váltotta ki.
A múlt események Jobs által adott változatának javítása korántsem apróság. Manapság a kapcsoló tápegységeket mindenhol használják - segítségével segítségükkel feltölthetjük okostelefonjainkat, tabletekben és laptopokban dolgoznak, néhány elektromos autót töltenek, a szakemberek, akik ezt a forradalmat végrehajtották, valóban tiszteletet érdemelnek. Ez egy nagyon érdekes történet.
Az asztali számítógép tápegysége, beleértve az Apple II-t is, átalakítja a váltóáramú hálózati feszültséget egyenárammá, stabil tápellátást biztosítva a teljes számítógépes rendszer számára. A tápegységek sokféle sémával rendelkeznek, de a legnépszerűbbek a lineáris és a kapcsolási megoldások.
A tipikus lineáris tápegységnek hatalmas transzformátora van az elektromos érintkezők viszonylag magas feszültségének csökkentésére, amelyet aztán a klasszikus hídáramkörben található négy dióda segítségével kisfeszültségű egyenárammá alakítanak. Ezután nagy elektrolit kondenzátorokat használnak a diódahíd hullámzásának simítására. Az ilyen típusú számítógépes tápegységek lineáris feszültségstabilizátort is használnak, amely stabilizálja a kimeneti feszültséget ugyanazon a szinten és fenntartja ezt a szintet, amikor a bemenő váltakozó feszültség növekszik, amikor a terhelés növekszik stb.
A lineáris tápegységek abszurd módon egyszerűek és könnyen előállíthatók, nagyon olcsó elektronikai alkatrészeket használva. De két komoly hátrányuk van.
Az első a nagy kondenzátorok, valamint a nehéz és nagy transzformátor, amelyek egyáltalán nem helyezhetők el olyan kicsi, könnyű és kényelmes dologban, mint egy modern laptop vagy tablet.
A harmadik hátránya a lineáris feszültségstabilizátor, amely az állítható küszöbérték felett mindent hővé alakít. Ezek a tápegységek általában a felhasznált energia több mint felét szabadítják fel hővé. Hatalmas fém radiátorokra és ventilátorokra van szükség a hő eloszlásához.
A XXI. Elején a műszaki eredmények már lehetővé teszik a kis elektronikai eszközök kompakt kapcsolóegységeinek létrehozását. És miután az AC/DC konverterek ára csökken, gyorsan kicserélik a nagy és nehézkes transzformátorokat a háztartási készülékekben.
Az Apple csúcskategóriás eszközzé változtatta az áramellátást, és 2001-ben bemutatta a karcsú iPod-töltőt beépített kompakt IC-vezérlővel (a képen balra). Az USB-töltők hamarosan mindenütt elérhetővé válnak, és a 2008-ban bevezetett nagyon kompakt iPhone-töltő világszerte az egyik legnépszerűbbé válik (jobbra).
A töltők legújabb trendje a gallium-nitrid (GaN) félvezető eszközök, amelyek sokkal gyorsabban kapcsolnak, mint a szilícium tranzisztorok, és lényegesen hatékonyabbak. A technológia fejlődésével az árak erősen csökkentek, és ma a legolcsóbb USB-töltők körülbelül egy dollárért kelnek el, bár a kimeneti áram rossz minősége és bizonyos védelem hiánya miatt.
A kapcsoló tápegységek teljesen más elven működnek. Bennük a hálózat váltakozó feszültségét egy diódahíd segítségével korrigálják, és nagyfeszültségű kondenzátorral szűrik. Az így kapott magas egyenfeszültséget gyakran több száz kilohertz frekvenciájú váltakozó áramú nagyfrekvenciás feszültséggé alakítják. A nagyfrekvenciás feszültséget egy impulzus transzformátor primer tekercsére vezetik, majd ezt követően már leeresztve a szekunder tekercsből veszik, kiegyenesítik és stabilizálják. A magas frekvenciák lehetővé teszik nagyon kicsi és könnyű transzformátorok és kondenzátorok használatát. Ezek a tápegységek nem használnak lineáris stabilizátorokat, és nagyon kevés energiát veszítenek. Hatásfokuk általában 80-90%, emiatt túl kevés hő szabadul fel.
De a kapcsolási teljesítmény sokkal összetettebb, mint a lineáris, és bonyolultabb a kialakítása. Ezenkívül az alkatrészekkel szemben támasztott követelmények sokkal magasabbak, és olyan tranzisztorokat kell használni, amelyek gyorsan és hatékonyan be- és kikapcsolhatók.