1980 – una data importante nel settore energetico!

Il 29 ottobre 2020, dopo sette mesi di silenzio a causa di un importante aggiornamento dell’antenna radio, larga 70 metri, situata a Camberra, la NASA ha inviato una serie di comandi alla navicella spaziale, Voyager 2 che ha viaggiato per miliardi di miglia dalla Terra dal suo lancio nel 1977. Voyager 2 ha riconosciuto di aver ricevuto la chiamata ed eseguito i comandi senza alcun problema. Interessante di sicuro,ma qual è il significato di questo per gli ingegneri del power ?

Sebbene spesso considerato come l’ultimo ingranaggio della ruota dai progettisti di sistemi, in verità l’alimentatore è probabilmente una delle parti più importanti delle loro apparecchiature. Dai tubi di thyratron utilizzati nel raddrizzatore di potenza REC-30 per fornire alimentazione ad alta tensione alle telescriventi nel 1930, fino agli ultimi semiconduttori Wide Band Gap, senza la loro curiosità e passione, i progettisti di potenza non avrebbero fatto molte cose possibili. Voyager 2 ne è un buon esempio, ma chi ricorda cosa è successo tra la fine degli anni Settanta e l’inizio degli anni Ottanta nel settore energetico e come i principali ingegneri di potenza hanno cambiato il volto del nostro settore?

 

Indietro nel tempo sul campo di battaglia!

Lanciato il 20 agosto 1977, Voyager 2 era alimentato da un generatore termoelettrico radioisotopico (RTG) che trasforma il calore dal decadimento di un materiale radioattivo in elettricità. La tensione generata è regolata e distribuita alle 14 apparecchiature scientifiche e alla scheda di controllo principale. Il sistema energetico complessivo è stato progettato per ospitare l’RTG e, nonostante lo schema sia tenuto segreto, è stata menzionata una nuovissima tecnologia chiamata ” switching “!

Generic illustration – Voyager 2 – Image source NASA

 

Noti dal 1930, i principi dell’alimentazione switching sono stati esplorati dai progettisti power per decenni con l’industria aerospaziale NASA come forza trainante nella ricerca e sviluppo. Considerando il costo astronomico di un lancio, e anche la durata delle sonde spaziali e dei satelliti, i progettisti di energia spaziale hanno cercato un peso inferiore, una maggiore efficienza energetica e compattezza. Negli anni sessanta la NASA aveva già utilizzato sistemi di commutazione in un certo numero di satelliti, ad esempio Telstar nel 1962.

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Parallelamente alla ricerca segreta condotta da organizzazioni aerospaziali e militari per miniaturizzare i sistemi di alimentazione incorporati, i progettisti del power nell’industria civile hanno anche considerato soluzioni alternative alla vecchia, pesante e ingombrante architettura convenzionale di trasformatore, raddrizzatore e regolazione lineare. Chi ha lanciato il primo alimentatore switching commerciale è in discussione, ma possiamo citare RO Associates che nel 1967 ha introdotto una soluzione di alimentazione 20Khz, seguita da un’ondata di prodotti come 1970 NEMIC Japan, 1973 HP 500W.

Per i principali progettisti di potenza era ovvio che cambiare tecnologia di potenza era il futuro. Ma a quel tempo gli alimentatori lineari erano il riferimento e la “commutazione” era considerata una tecnologia sospetta e alcuni prevedevano che il campo di interferenza generato dalla commutazione potesse causare gravi danni all’applicazione finale.

Dobbiamo ricordare che negli anni ’70 gli alimentatori lineari erano la norma e, nonostante Lambda abbia introdotto una linea di alimentatori lineari “standardizzati”, il lancio della serie “H” di Power-One è considerato da molti come la prima soluzione di alimentazione ‘off the shelf’, prima negli Stati Uniti e poi in Europa. Basato su un concetto di livello geniale di una piastra di alluminio piegata utilizzata come custodia e dissipatore di potenza, Power-One ha lanciato un numero sorprendente di varianti che offrono ai progettisti di sistemi un alimentatore pronto all’uso (Figura 01).

 

Figura 01 – Power One Linear power supplies “H” series 

 

Contemporaneamente in Giappone – con pochissime informazioni provenienti da quel paese – i produttori di alimentatori non solo hanno lanciato una gamma completa di alimentatori lineari, ma solo pochi anni dopo, una gamma di soluzioni di alimentazione di commutazione. Un esempio è la società ELCO/COSEL, che ha lanciato la serie lineare “G” nel 1975, seguita nel 1977 da una gamma completa di alimentatori di commutazione, la serie “H” (Figura 02)! In realtà, il Giappone era davvero in anticipo. Un altro esempio è la SONY che nel 1960, all’epoca in cui l’industria televisiva utilizzava tubi elettronici (valvole), furono i primi ad utilizzare transistor nei loro televisori e furono probabilmente i primi ad implementare un alimentatore di commutazione nelle apparecchiature TV nei primi anni settanta.

 

Figura 02 -ELCO/COSEL 1975 Linear “G” series (Top) and 1977 Switching “H” series (Bottom)

 

Dovremmo anche ricordare che alla fine degli anni ’70 e all’inizio degli anni ottanta, la stragrande maggioranza delle aziende che sviluppavano apparecchiature elettroniche aveva i propri reparti di alimentazione interni che progettavano soluzioni di alimentazione dedicate per le loro applicazioni. Non sorprende che per molti power designer internamente il lancio della serie Power-One ‘H’ sia stato percepito come una minaccia. Molti produttori di apparecchiature hanno adottato alimentatori standardizzati “pronti all’uso”, riorientando la ricerca e lo sviluppo del reparto energetico interno verso l’emergente tecnologia di alimentazione di commutazione al fine di stare al passo con i loro concorrenti.

 

Con passione, talento e curiosità!

Gli anni Settanta erano pieni di ingegneri di talento che ricercavano soluzioni avanzate di potenza e ci sarebbe richiesto un articolo dedicato per nominarle tutte. Tra tutti, per me è interessante citare due ‘guru del power, Robert J. Boschert (Boschert Associates) e Frederick Rod Holt (Apple), entrambi al lavoro contemporaneamente su soluzioni di alimentazione più efficienti. In entrambi i casi, come nel settore aerospaziale, miravano a rendere gli alimentatori più piccoli, leggeri ed efficienti.

Secondo la leggenda, nel 1970, Robert Boschert iniziò a sviluppare un alimentatore più economico, competitivo e leggero in alternativa al trasformatore ingombrante e al modello lineare. Si concentrò sullo sviluppo di un alimentatore switching per stampanti che produsse in volume nel 1974. Nel 1976 ha lanciato uno dei primi alimentatori switching “off the shelf” e ha chiesto brevetti 4.037.271 e 4.061.931 per proteggere i suoi IPR (figura 03). I due brevetti sono stati concessi in meno di un anno, seguiti dal successo commerciale dello switching OL25 che ha ricevuto una copertura di alto profilo sulla stampa e sui media, ad esempio “Convertitori Flyback: soluzione allo stato solido per alimentatori switching a basso costo” pubblicato il 21 dicembre 1978 su Electronics. Robert Boschert è stato anche un pioniere nella vendita di licenze dei suoi DPI e nel 1977 Boschert Inc.

 

 

Figura 03 – Boschert Associates switching regulators patents 4,037,271 and 4,061,931

 

Allo stesso tempo Steve Jobs, noto per la sua curiosità per le nuove tecnologie, considerava di interesse cambiare la tecnologia di alimentazione, ma a causa della mancanza di tempo, l’Apple I che lanciò nell’aprile 1976 presentava un alimentatore lineare convenzionale. Non importa, lavorando sull’Apple II Rob Holt progettò un alimentatore switching flyback off-line multi-uscita da 38W (Figura 04) per il quale fece un brevetto nel febbraio 1978 e lo ottenne a dicembre (4.130.862). Apple II è stato un successo e con l’aumento dei livelli di volume, Apple ha esternalizzato la produzione dell’alimentatore ad ASTEC, iniziando la lunga storia degli alimentatori OEM per computer.

 

Figura 04 – Apple II 38W multi-output off-line flyback switching power supply designed by Rob Holt

 

Forse aneddotico ma comunque illustrando il panorama competitivo all’interno dell’industria elettrica che ha sofferto una serie di controversie sui diritti di proprietà intellettuale, nella biografia di Steve Jobs di Walter Isaacson è scritto che Jobs ha detto: “Invece di un alimentatore lineare convenzionale, Holt ne ha costruito uno come quelli usati negli oscilloscopi. Ha acceso e spento l’alimentazione non sessanta volte al secondo, ma migliaia di volte; questo gli permise di immagazzinare la potenza con molto meno tempo, e quindi avere meno calore. Quell’alimentatore switching era rivoluzionario come lo era la scheda logica Apple II. Jobs in seguito ha aggiunto: “Rod non ottiene molto credito per questo nei libri di storia, ma dovrebbe. Ogni computer ora utilizza alimentatori di commutazione e tutti utilizzano il design di Rod Holt.

Di sicuro, come uomo di marketing Steve Jobs vorrebbe che APPLE godesse del riconoscimento dell’implementazione di alimentatori switching nei PC, anche se molti altri, ad esempio IBM e HP, hanno seguito lo stesso percorso allo stesso tempo, tutti mirando a prestazioni più elevate e costi ridotti.

Tuttavia, nonostante gli enormi vantaggi di tale tecnologia, la sua attuazione e adozione sul mercato è stata relativamente lenta e gli analisti di mercato hanno stimato che solo l’8% degli alimentatori prodotti nel 1978 si basava sul passaggio alla nuova tecnologia.

 

Rendi la mia telescrivente Teletype più piccola, leggera e veloce!

Nell’introduzione ho menzionato il raddrizzatore di potenza thyratron tipo REC-30 che alimenta una telescrivente Teletype del 1930. Pochi sanno che, a quei tempi, i Teletype erano macchine di telecomunicazione all’avanguardia e molto prima dell’introduzione di 1, 2, 3, 4 e 5G, un sistema di comunicazione che motivava i power designer a inventare e innovare.

Oltre alle topologie, una delle principali evoluzioni nel settore dell’alimentazione switching si è verificata nel 1976 quando Robert Mammano, cofondatore di Silicon General Semiconductors , ha introdotto il primo IC di controllo dedicato alla commutazione dell’alimentazione. Il lancio dell’SG1524 è stato un importante passo avanti all’interno della comunità degli alimentatori e la sua prima applicazione è stata una nuova generazione di macchine Teletype commercializzate come “più piccole, leggere e veloci”.

Originariamente sviluppato per risolvere un problema di produzione di Teletype, l’introduzione dell’SG1524 è diventata il calcio d’inizio dei moderni alimentatori switching, aprendo la strada a invenzioni e innovazioni di cui tutti beneficiamo oggi.

 

La corsa per cambiare potenza è aperta!

Con lo sviluppo del personal computer e delle apparecchiature IT, la domanda di alta efficienza e peso ridotto ha aumentato la domanda di progettisti di potenza per migliorare ulteriormente le prestazioni. Nonostante la percezione di Steve Jobs, i leader di computer come IBM avevano reparti di alimentazione impressionanti e il lancio del Personal Computer IBM 5150 ha stabilito il tempo per la progettazione di un alimentatore dedicato utilizzando il NE5560 e successivamente il chip SG3524. Unici per l’industria dei PC, gli alimentatori switching sono specifici di una scheda madre e non sono come tali “standard” per l’uso comune per le diverse applicazioni, anche se l’effetto palla di neve sui produttori ha contribuito a stimolare lo sviluppo dei propri prodotti, lanciando gamme complete di prodotti commerciali.

Sul lato industriale è impossibile nominare tutti i prodotti e le innovazioni, ma poiché abbiamo menzionato la serie Power-One ‘H’, è giusto menzionare un giovane ingegnere che è entrato a far parte di Power-One nei primi anni Ottanta di nome Steve Goldman che ha guidato il team che ha progettato la nuova generazione di alimentatori di commutazione, la serie MAP. MAP sta per il nome di Power-One’s Chief Engineer/Designer a quel tempo, Michael Archer (Michael Archer Product).

Contemporaneamente le industrie informatiche e industriali si sono spostate verso la nuova tecnologia e sebbene ci siano voluti anni prima che la nuova tecnologia prevalesse sulla soluzione lineare, una serie di convenzioni sull’elettronica di potenza sono iniziate in tutto il mondo, fornendo un forum per gli ingegneri del power per imparare e condividere conoscenze sulle nuove tecnologie.

 

1980, il punto cardine dell’industria energetica!

Alla fine degli anni ’70 e all’inizio degli anni ’80 l’industria dell’energia ha gettato le basi di dove siamo oggi. Nonostante la IEEE Power Electronics Specialist Conference (PESC) a partire dal 1970, i power designer ed i leader del settore hanno considerato un diverso tipo di forum per condividere conoscenze tecnologiche, nuove idee. POWERCON ebbe luogo a Beverly Hills, California, dal 20 al 22 marzo 1975, seguita nel 1978 da una conferenza incentrata principalmente sulle telecomunicazioni chiamata INTELEC. Sfortunatamente, dopo nove anni POWERCON cessò nel 1984 lasciando la comunità del power orfana.

Ai tempi in cui il nonno di Internet, ARPANET aveva appena adottato il protocollo TCP/IP (gennaio 1983), gli ingegneri erano ancora lontani chilometri dalle chat e dai blog, e con la crescente domanda di una cooperazione più stretta all’interno dell’industria alimentare la necessità di un “unico posto da condividere” divenne evidente. Nel 1983 è stata fondata la China Power Supply Society (CPSS), e nel 1985 è stata incorporata la Power Sources Manufacturers Association (PSMA). Entrambe le organizzazioni miravano a condividere le conoscenze e a facilitare la comunicazione all’interno delle rispettive comunità power, e 35 anni dopo entrambe stanno ancora supportando gli ingegneri del power.

Nello stesso periodo in cui fu formata la PSMA, un gruppo di otto ingegneri appassionati, Bill Hazen (Prime Computer); Don Drinkwater (DEC) ; Phil Hower (Unitrode) ; Jonathan Wood (Data General) ; Marty Schlecht (MIT); Jack Wright (GE) ; Trey Burns (Data General) e John Kassakian (MIT) ebbero l’idea di creare una conferenza del power che abbracciava la ricerca, l’elettronica applicata e serviva a collegare gli ingegneri elettronici a una comunità più ampia. Doveva chiamarsi Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), e la prima edizione ebbe luogo dal 28 aprile al 1 maggio nel1986 a New Orleans.

 

E la storia continua…

L’industria dell’elettronica di potenza ha attraversato molti periodi di evoluzione, disgregazione e rivoluzione. Se l’introduzione del Transistor è stata senza dubbio la “prima” rivoluzione tecnologica, non c’è dubbio che la migrazione dalla conversione lineare di potenza alla tecnologia switching è stata la seconda, e l’inizio di un lungo percorso evolutivo.

43 anni dopo il lancio, Voyager 2 ha percorso 14 miliardi di miglia nello spazio profondo e gli alimentatori progettati dai pionieri nei primi anni Settanta stanno ancora facendo il loro lavoro. Questo è ciò che ci entusiasma tutti per quello che facciamo nel settore energetico e grazie a tutti i geniali power designer che non sono stato in grado di nominare in questo articolo che hanno contribuito a rendere possibile il passaggio dalla tecnologia lineare a quella di switching.

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