Obwohl Systementwickler die Stromversorgung oft als letztes Rädchen im Getriebe betrachten, ist sie tatsächlich wahrscheinlich einer der wichtigsten Bestandteile ihrer Ausrüstung. Von den Thyratronröhren des REC-30-Gleichrichters zur Hochspannungsversorgung von Fernschreibern im Jahr 1930 [1] bis hin zu den neuesten Breitband-Halbleitern – ohne ihre Neugier und Leidenschaft wäre vieles nicht möglich gewesen. Voyager 2 ist ein gutes Beispiel dafür, aber wer erinnert sich noch an die Entwicklungen im Energiesektor Ende der 1970er und Anfang der 1980er Jahre und daran, wie führende Energieingenieure die Branche revolutionierten?

Rückkehr zum Schlachtfeld:
Voyager 2 startete am 20. August 1977 und wurde von einem Radioisotopen-Thermoelektrischen Generator (RTG) angetrieben, der die Zerfallswärme eines radioaktiven Materials in Elektrizität umwandelt. Die erzeugte Spannung wird geregelt und an die 14 wissenschaftlichen Instrumente sowie das Hauptbedienfeld verteilt. Das gesamte Stromversorgungssystem war auf den RTG ausgelegt, und obwohl das genaue Konzept geheim gehalten wurde, wurde eine völlig neue Technologie namens „Schaltnetzteil“ erwähnt.
Die Prinzipien von Schaltnetzteilen sind seit 1930 bekannt und werden von Energieexperten seit Jahrzehnten erforscht, wobei die Luft- und Raumfahrtindustrie und insbesondere die NASA die Forschung und Entwicklung vorantreiben. Angesichts der astronomischen Kosten eines Starts sowie der Lebensdauer von Raumsonden und Satelliten strebten die Energieexperten im Weltraum nach geringerem Gewicht, höherer Energieeffizienz und kompakterer Bauweise. In den 1960er Jahren setzte die NASA bereits Schaltnetzteile in mehreren Satelliten ein, beispielsweise in Telstar (1962).
Parallel zu den geheimen Forschungen von Luft- und Raumfahrtorganisationen sowie Militärorganisationen zur Miniaturisierung integrierter Stromversorgungssysteme suchten auch Entwickler in der zivilen Industrie nach Alternativen zur alten, schweren und sperrigen konventionellen Architektur aus Transformator, Gleichrichter und Linearregler. Wer das erste kommerzielle Schaltnetzteil auf den Markt brachte, ist umstritten. RO Associates präsentierte 1967 eine 20-kHz-Lösung, gefolgt von einer Reihe weiterer Produkte, beispielsweise NEMIC Japan (1970) und HP 500W (1973).
Für führende Entwickler war klar, dass die Schaltnetzteiltechnologie die Zukunft war. Damals galten jedoch Linearnetzteile als Standard, und Schaltnetzteile wurden als fragwürdige Technologie betrachtet. Manche befürchteten, dass die durch das Schalten erzeugten Störfelder die Endanwendung erheblich beschädigen könnten.
Es ist wichtig zu bedenken, dass Linearnetzteile in den 1970er Jahren die Norm waren. Obwohl Lambda eine Reihe standardisierter linearer Netzteile einführte, gilt die Markteinführung der „H“-Serie von Power-One vielen als die erste wirklich standardisierte Netzteillösung – zunächst in den USA und später in Europa. Basierend auf dem genialen Konzept einer gefalteten Aluminiumplatte, die gleichzeitig als Gehäuse und Kühlkörper dient, brachte Power-One eine erstaunliche Anzahl an Varianten auf den Markt und bot Systementwicklern damit ein sofort einsatzbereites Netzteil (Abbildung 1).
Zeitgleich brachten Netzteilhersteller in Japan – obwohl nur wenige Informationen aus diesem Land verfügbar sind – nicht nur eine vollständige Palette linearer Netzteile, sondern einige Jahre später auch eine Reihe von Schaltnetzteilen auf den Markt. Ein Beispiel hierfür ist ELCO/COSEL, die 1975 die lineare „G“-Serie und 1977 die komplette Schaltnetzteil-Serie „H“ (Abbildung 2) einführten. Japan war seiner Zeit weit voraus. Ein weiteres Beispiel ist Sony. Bereits 1960, als die Fernsehbranche noch mit Elektronenröhren arbeitete, setzte Sony als erstes Unternehmen Transistoren in seinen Fernsehgeräten ein und implementierte Anfang der 1970er-Jahre vermutlich als erstes Unternehmen ein Schaltnetzteil in Fernsehgeräten. Man
sollte auch bedenken, dass Ende der 1970er- und Anfang der 1980er-Jahre die meisten Unternehmen, die elektronische Geräte entwickelten, über eigene Abteilungen für Stromversorgung verfügten, die anwendungsspezifische Stromversorgungslösungen entwickelten. Kein Wunder also, dass viele interne Netzteilentwickler die Einführung der „H“-Serie von Power-One als Bedrohung wahrnahmen. Viele Gerätehersteller setzten auf standardisierte Netzteile und verlagerten die Forschung und Entwicklung ihrer internen Stromversorgungsabteilungen auf die neue Schaltnetzteiltechnologie, um sich einen Wettbewerbsvorteil zu verschaffen.

Leidenschaft, Talent und Neugierde – unzählige
talentierte Ingenieure forschten an verbesserten Schaltnetzteilen. Sie alle aufzuzählen, würde einen ganzen Artikel erfordern. Besonders interessant finde ich zwei Pioniere der Stromversorgung: Robert J. Boschert (Boschert Associates) und Frederick Rod Holt (Apple), die parallel an effizienteren Lösungen arbeiteten. Wie in der Luft- und Raumfahrtindustrie verfolgten auch sie das Ziel, Netzteile kleiner, leichter und effizienter zu machen.
Der Legende nach begann Robert Boschert 1970 mit der Entwicklung eines kostengünstigeren, wettbewerbsfähigeren und leichteren Netzteils als Alternative zum sperrigen Transformator mit linearer Regelung. Er konzentrierte sich auf die Entwicklung eines Schaltnetzteils für Drehmaschinen und Farbbanddrucker, das er ab 1974 in Serie produzierte. 1976 brachte er eines der ersten „Standard“-Schaltnetzteile auf den Markt und meldete die Patente 4.037.271 und 4.061.931 zum Schutz seines geistigen Eigentums an (Abbildung 3). Beide Patente wurden innerhalb eines Jahres erteilt, gefolgt vom kommerziellen Erfolg des OL25-Schalters, der umfangreiche Presse- und Medienberichterstattung erhielt, beispielsweise durch den Artikel „Flyback converters: solid-state solution to low-cost switching power supplies“, der am 21. Dezember 1978 in der Fachzeitschrift Electronics erschien. Robert Boschert leistete Pionierarbeit bei der Lizenzierung seines geistigen Eigentums, und 1977 beschäftigte Boschert Inc. über 600 Mitarbeiter und war für die Entwicklung von Schaltnetzteilen für Raumfahrzeuge und militärische Anwendungen zertifiziert.
Gleichzeitig fand Steve Jobs, bekannt für seine Neugierde auf neue Technologien, die Schaltnetzteiltechnologie interessant. Aufgrund von Zeitmangel verwendete der im April 1976 erschienene Apple I jedoch ein herkömmliches lineares Netzteil. Während der Entwicklung des Apple II entwarf Rob Holt ein 38-Watt-Offline-Flyback-Schaltnetzteil (Abbildung 4), für das er im Februar 1978 ein Patent anmeldete, das ihm im Dezember erteilt wurde (4.130.862). Der Apple II war ein Erfolg, und mit steigender Produktionsmenge lagerte Apple die Fertigung des Netzteils an ASTEC aus. Dies markierte den Beginn der langen Geschichte von OEM-Netzteilen für Computer.
Auch wenn es sich um eine Anekdote handelt, verdeutlicht sie doch die Wettbewerbslandschaft der Netzteilindustrie, die von zahlreichen Streitigkeiten um geistige Eigentumsrechte geprägt war. In Walter Isaacsons Biografie über Steve Jobs wird dieser mit den Worten zitiert: „Anstelle eines herkömmlichen linearen Netzteils baute Holt eines, ähnlich denen, die in Oszilloskopen verwendet werden.
Es schaltete den Strom nicht sechzig Mal pro Sekunde ein und aus, sondern Tausende Male. Dadurch konnte es die Energie viel kürzer speichern und somit weniger Wärme abgeben. Dieses Schaltnetzteil war genauso revolutionär wie die Hauptplatine des Apple II.“ Jobs fügte später hinzu: „Rod wird dafür in den Geschichtsbüchern kaum gewürdigt, aber das sollte er. Heute verwenden alle Computer Schaltnetzteile, und sie alle basieren auf Rod Holts Design.“
Als versierter Marketingexperte hätte Steve Jobs zweifellos gewollt, dass Apple die Einführung von Schaltnetzteilen in PCs für sich beansprucht, obwohl viele andere Unternehmen wie IBM und HP zeitgleich denselben Weg beschritten, alle mit dem Ziel höherer Leistung und niedrigerer Kosten.
Trotz der enormen Vorteile dieser Technologie verlief ihre Implementierung und Markteinführung jedoch relativ langsam. Marktanalysten schätzen, dass 1978 nur 8 % der hergestellten Netzteile auf der Schaltnetzteil-Topologie basierten.

Mein Fernschreiber kleiner, leichter und schneller machen.
In der Einleitung erwähnte ich den Thyratron-Gleichrichter REC-30, der einen Fernschreiber von Teletype aus dem Jahr 1930 mit Strom versorgte [1]. Nur wenige wissen, dass Fernschreiber damals hochmoderne Telekommunikationsgeräte waren, lange vor der Einführung von 1G, 2G, 3G, 4G und 5G – einem Kommunikationssystem, das die Entwickler von Stromversorgungen zu Erfindungen und Innovationen anregte.
Neben den Topologien gab es 1976 eine bedeutende Entwicklung im Bereich der Schaltnetzteile, als Robert Mammano, Mitbegründer von Silicon General Semiconductors, den ersten Steuer-IC speziell für Schaltnetzteile vorstellte. Die Veröffentlichung des SG1524 markierte einen bedeutenden Fortschritt für die Stromversorgungsbranche, und seine erste Anwendung war eine neue Generation von Fernschreibern, die als „kleiner, leichter und schneller“ vermarktet wurden.
Ursprünglich zur Lösung eines Problems in der Fernschreiberherstellung entwickelt, wurde die Einführung des SG1524 zum Startschuss für moderne Schaltnetzteile und ebnete den Weg für Erfindungen und Innovationen, von denen wir alle heute profitieren.

Der Wettlauf um Schaltnetzteile hat begonnen.
Mit der Entwicklung von PCs und Computerhardware stieg der Druck auf Netzteilentwickler, die Leistung durch hohe Effizienz und geringes Gewicht weiter zu verbessern. Entgegen Steve Jobs' Ansicht verfügten Branchenführer wie IBM über beeindruckende Netzteilabteilungen. Die Markteinführung des IBM 5150 setzte den Maßstab für die Entwicklung dedizierter Netzteile mit dem NE5560-Chip und später dem SG3524. Schaltnetzteile sind in der PC-Branche einzigartig, da sie fest mit einem Motherboard verbunden sind und nicht ohne Weiteres als Standardlösungen für gängige Anwendungen verfügbar sind. Der Schneeballeffekt unter Auftragsfertigern trug jedoch dazu bei, die Entwicklung eigener Produkte voranzutreiben und komplette Produktlinien für den kommerziellen Markt einzuführen.
Im Industriesektor ist es unmöglich, alle Produkte und Innovationen aufzuzählen. Da wir jedoch die „H“-Serie von Power-One erwähnt haben, sei hier ein junger Ingenieur namens Steve Goldman genannt, der Anfang der 1980er-Jahre zu Power-One kam. Er leitete das Team, das die nächste Generation von Schaltnetzteilen, die MAP-Serie, entwickelte. Interessanterweise ist MAP nach Michael Archer benannt, dem damaligen Chefingenieur und -entwickler von Power-One (Michael Archer Product).
Gleichzeitig vollzog sich im Computer- und Industriesektor ein Wandel hin zu Schaltnetzteilen. Obwohl es Jahre dauerte, bis diese Technologie die etablierte lineare Lösung ablöste, entstanden weltweit Konferenzen für Leistungselektronik, die Ingenieuren ein Forum boten, um sich über neue Technologien zu informieren und ihr Wissen auszutauschen.

1980 – der Wendepunkt für die Energiewirtschaft.
Ende der 1970er und Anfang der 1980er Jahre legte die Energiewirtschaft den Grundstein für ihre heutige Bedeutung. Obwohl die IEEE Power Electronics Specialist Conference (PESC) bereits 1970 ins Leben gerufen wurde, suchten Energieplaner und Branchenführer nach einem anderen Forum für den Austausch von Fachwissen, neuen Ideen und Best Practices. Die POWERCON fand vom 20. bis 22. März 1975 in Beverly Hills, Kalifornien, statt. 1978 folgte die INTELEC, eine Konferenz mit Schwerpunkt Telekommunikation. Leider wurde die POWERCON nach neun Jahren, 1984, eingestellt, wodurch die Energiewirtschaft ohne zentrales Forum dastand.
Als ARPANET, der Vorläufer des Internets, gerade das TCP/IP-Protokoll eingeführt hatte (Januar 1983), waren Energieingenieure noch weit von Chats und Blogs entfernt. Angesichts des wachsenden Bedarfs an engerer Zusammenarbeit innerhalb der Energiewirtschaft wurde die Notwendigkeit einer zentralen Anlaufstelle immer deutlicher. Die China Power Supply Society (CPSS) wurde 1983 gegründet [2], die Power Sources Manufacturers Association (PSMA) 1985 [3]. Beide Organisationen hatten sich zum Ziel gesetzt, Wissen auszutauschen und die Kommunikation innerhalb ihrer jeweiligen Energiewirtschaftsgemeinschaften zu fördern. Auch 35 Jahre später unterstützen beide weiterhin Energieingenieure.
Zeitgleich mit der Gründung der PSMA entwickelte eine Gruppe von acht engagierten Ingenieuren – Bill Hazen (Prime Computer), Don Drinkwater (DEC), Phil Hower (Unitrode), Jonathan Wood (Data General), Marty Schlecht (MIT), Jack Wright (GE), Trey Burns (Data General) und John Kassakian (MIT) – die Idee, eine Konferenz für Leistungselektronik zu veranstalten. Diese sollte Forschung und angewandte Elektronik umfassen, Elektronikingenieure mit der Industrie vernetzen und eine Ausstellung beinhalten. Die Konferenz erhielt den Namen Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) [4] und fand vom 28. April bis 1. Mai 1986 in New Orleans statt.

Und die Geschichte geht weiter…
Die Leistungselektronikbranche hat viele Phasen der Evolution, des Umbruchs und der Revolution durchlaufen. Wenn die Einführung des Bipolartransistors wohl die „erste“ technologische Revolution war, so war der Übergang von der linearen Leistungswandlung zur Schaltnetzteiltechnik zweifellos die zweite und der Beginn einer langen Entwicklungsreise.
43 Jahre nach ihrem Start hat Voyager 2 14 Milliarden Meilen im Weltraum zurückgelegt, und die Netzteile, die Pioniere Anfang der 1970er-Jahre entwickelten, verrichten noch immer ihren Dienst. Genau das begeistert uns alle für unsere Arbeit in der Leistungselektronikbranche, und wir müssen all den genialen Entwicklern von Leistungselektronik danken, die ich in diesem Artikel nicht namentlich erwähnen konnte und die den Übergang von der linearen zur Schaltnetzteiltechnik ermöglicht haben.

Autor: Patrick Le Fevre, PRBX