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Il 29 ottobre 2020, dopo sette mesi di silenzio dovuti a un importante aggiornamento dell'antenna radio di 70 metri di diametro a Canberra, la NASA ha inviato una serie di comandi alla sonda Voyager 2, vecchia di 43 anni, che ha percorso miliardi di chilometri dalla Terra dal suo lancio nel 1977. Voyager 2 ha confermato la ricezione del comando e lo ha eseguito senza problemi. Interessante, certo, ma cosa significa questo per gli ingegneri energetici?
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Il 29 ottobre 2020, dopo sette mesi di silenzio dovuti a un importante aggiornamento dell'antenna radio di 70 metri di diametro a Canberra, la NASA ha inviato una serie di comandi alla sonda Voyager 2, vecchia di 43 anni, che ha percorso miliardi di chilometri dalla Terra dal suo lancio nel 1977. Voyager 2 ha confermato la ricezione del comando e lo ha eseguito senza problemi. Interessante, certo, ma cosa significa questo per gli ingegneri elettrici?
Sebbene i progettisti di sistemi lo considerino spesso l'ultimo ingranaggio della macchina, l'alimentazione elettrica è in realtà probabilmente una delle parti più importanti delle loro apparecchiature. Dai tubi a tiratrone utilizzati nel raddrizzatore di potenza tipo REC-30 per fornire energia ad alta tensione alle telescriventi nel 1930 [1], fino ai più recenti semiconduttori a banda larga, senza la loro curiosità e passione, molte cose non sarebbero state possibili. Voyager 2 ne è un buon esempio, ma chi ricorda cosa accadde tra la fine degli anni Settanta e l'inizio degli anni Ottanta nel settore energetico e come i principali ingegneri del settore cambiarono il volto della nostra industria?
Ritorno sul campo di battaglia:
lanciata il 20 agosto 1977, la Voyager 2 era alimentata da un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG), che converte il calore derivante dal decadimento di un materiale radioattivo in elettricità. La tensione generata viene regolata e distribuita ai 14 strumenti scientifici e al pannello di controllo principale. L'intero sistema di alimentazione è stato progettato per ospitare l'RTG e, sebbene il progetto sia stato tenuto segreto, è stata menzionata una tecnologia completamente nuova chiamata "alimentatore a commutazione".
Noti fin dal 1930, i principi degli alimentatori a commutazione sono stati studiati dai progettisti di sistemi di alimentazione per decenni, con l'industria aerospaziale, e in particolare la NASA, a guidare la ricerca e lo sviluppo. Considerando il costo astronomico di un lancio, nonché la durata di vita delle sonde spaziali e dei satelliti, i progettisti di sistemi di alimentazione spaziale cercavano un peso inferiore, una maggiore efficienza energetica e dimensioni compatte. Negli anni '60, la NASA aveva già utilizzato sistemi di alimentazione a commutazione in diversi satelliti, come ad esempio Telstar nel 1962.
Parallelamente alla ricerca segreta condotta da organizzazioni aerospaziali e militari per miniaturizzare i sistemi di alimentazione integrati, anche i progettisti di sistemi di alimentazione nell'industria civile stavano valutando alternative alla vecchia, pesante e ingombrante architettura convenzionale composta da trasformatore, raddrizzatore e regolatore lineare. Chi abbia lanciato il primo alimentatore a commutazione commerciale è oggetto di dibattito, ma possiamo citare RO Associates, che introdusse una soluzione di alimentazione a 20 kHz nel 1967, seguita da una serie di prodotti, come ad esempio NEMIC Japan nel 1970 e l'HP 500W nel 1973.
Per i principali progettisti di sistemi di alimentazione, era chiaro che la tecnologia a commutazione rappresentava il futuro. Tuttavia, all'epoca, gli alimentatori lineari erano lo standard e la commutazione era considerata una tecnologia discutibile. Alcuni prevedevano che il campo di interferenza generato dalla commutazione potesse causare danni significativi all'applicazione finale.
È importante ricordare che gli alimentatori lineari erano la norma negli anni '70. Sebbene Lambda avesse introdotto una linea di alimentatori lineari "standardizzati", il lancio della serie "H" di Power-One è considerato da molti la prima vera soluzione di alimentazione "standard", prima negli Stati Uniti e poi in Europa. Basandosi sull'ingegnoso concetto di una piastra di alluminio piegata utilizzata sia come involucro che come dissipatore di calore, Power-One ha rilasciato un numero sorprendente di varianti, offrendo ai progettisti di sistemi un alimentatore pronto all'uso (Figura 1).
Contemporaneamente, in Giappone – di cui si hanno pochissime informazioni – i produttori di alimentatori non solo hanno lanciato una gamma completa di alimentatori lineari, ma anche, pochi anni dopo, una gamma di soluzioni di alimentazione switching. Un esempio è ELCO/COSEL, che ha lanciato la serie lineare "G" nel 1975, seguita nel 1977 da una gamma completa di alimentatori switching, la serie "H" (Figura 2). Il Giappone era davvero in anticipo sui tempi. Un altro esempio è Sony, che nel 1960, quando l'industria televisiva utilizzava ancora le valvole termoioniche, fu la prima a impiegare i transistor nei suoi televisori e probabilmente la prima a implementare un alimentatore switching nelle apparecchiature televisive all'inizio degli anni '70.
Vale anche la pena ricordare che tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni '80, la stragrande maggioranza delle aziende che sviluppavano apparecchiature elettroniche aveva reparti interni dedicati all'alimentazione, che progettavano soluzioni specifiche per le loro applicazioni. Non c'è da stupirsi che per molti progettisti di alimentatori interni, il lancio della serie "H" di Power-One sia stato percepito come una minaccia. Molti produttori di apparecchiature adottarono alimentatori standardizzati e riorientarono la ricerca e sviluppo dei loro reparti interni verso la nuova tecnologia di alimentazione switching, al fine di superare la concorrenza.
Con passione, talento e curiosità,
gli anni '70 pullulavano di ingegneri di talento impegnati nella ricerca di soluzioni di alimentazione switching più efficienti, e ci vorrebbe un intero articolo per nominarli tutti. Tra questi, trovo particolarmente interessante citare due "guru dell'alimentazione", Robert J. Boschert (Boschert Associates) e Frederick Rod Holt (Apple), che lavoravano simultaneamente su soluzioni di alimentazione più efficienti. In entrambi i casi, come nell'industria aerospaziale, il loro obiettivo era quello di realizzare alimentatori più piccoli, leggeri ed efficienti.
La leggenda narra che nel 1970 Robert Boschert iniziò a sviluppare un alimentatore più economico, competitivo e leggero, in alternativa al voluminoso modello con trasformatore e regolatore lineare. Si concentrò sullo sviluppo di un alimentatore switching per torni e stampanti a nastro, che produsse in serie nel 1974. Nel 1976, lanciò uno dei primi alimentatori switching "standard" e richiese i brevetti 4.037.271 e 4.061.931 per proteggere la sua proprietà intellettuale (Figura 03). Entrambi i brevetti furono concessi in meno di un anno, seguiti dal successo commerciale dell'interruttore OL25, che ricevette un'ampia copertura mediatica, ad esempio, "Flyback converters: solid-state solution to low-cost switching power supplies", pubblicato il 21 dicembre 1978 su Electronics. Robert Boschert fu anche un pioniere nella concessione in licenza della sua proprietà intellettuale e, entro il 1977, la Boschert Inc. contava oltre 600 dipendenti ed era certificata per la progettazione di soluzioni di alimentazione a commutazione per applicazioni spaziali e militari.
Allo stesso tempo, Steve Jobs, noto per la sua curiosità verso le nuove tecnologie, trovò interessante la tecnologia degli alimentatori a commutazione, ma a causa di vincoli di tempo, l'Apple I, rilasciato nell'aprile del 1976, utilizzava un alimentatore lineare convenzionale. Tuttavia, mentre lavorava all'Apple II, Rob Holt progettò un alimentatore a commutazione flyback off-line da 38 W (Figura 4), per il quale richiese un brevetto nel febbraio del 1978 e lo ottenne nel dicembre dello stesso anno (4.130.862). L'Apple II fu un successo e, con l'aumento dei volumi di produzione, Apple esternalizzò la produzione dell'alimentatore ad ASTEC, dando inizio alla lunga storia degli alimentatori OEM per computer.
Può sembrare un aneddoto, ma illustra comunque il panorama competitivo all'interno del settore degli alimentatori, che fu teatro di una serie di controversie sui diritti di proprietà intellettuale. Nella biografia di Steve Jobs scritta da Walter Isaacson, Jobs afferma: "Invece di un alimentatore lineare convenzionale, Holt ne costruì uno simile a quelli usati negli oscilloscopi.
Non accendeva e spegneva l'alimentazione sessanta volte al secondo, ma migliaia di volte; questo gli permetteva di immagazzinare energia per un tempo molto più breve e, quindi, di generare meno calore. Quell'alimentatore switching fu rivoluzionario quanto la scheda logica dell'Apple II". Jobs aggiunse in seguito: "A Rod non viene dato molto credito nei libri di storia, ma dovrebbe. Ora tutti i computer usano alimentatori switching e tutti copiano il progetto di Rod Holt".
Indubbiamente, da abile stratega di marketing qual era, Steve Jobs avrebbe voluto che Apple si prendesse il merito dell'introduzione degli alimentatori switching nei PC, sebbene molte altre aziende, come IBM e HP, avessero seguito la stessa strada contemporaneamente, tutte con l'obiettivo di ottenere prestazioni superiori e costi inferiori.
Tuttavia, nonostante gli enormi vantaggi di questa tecnologia, la sua implementazione e adozione sul mercato sono state relativamente lente, e gli analisti di mercato hanno stimato che solo l'8% degli alimentatori prodotti nel 1978 fosse basato sulla topologia switching.
Rendere la mia telescrivente più piccola, leggera e veloce.
Nell'introduzione, ho menzionato il raddrizzatore di potenza a tiratrone REC-30 che alimentava una telescrivente Teletype del 1930 [1]. Pochi sanno che, a quel tempo, le telescriventi erano macchine di telecomunicazione all'avanguardia, molto prima dell'introduzione di 1G, 2G, 3G, 4G e 5G, un sistema di comunicazione che ha spinto i progettisti di alimentatori a inventare e innovare.
Oltre alle topologie, un importante sviluppo nel settore degli alimentatori switching si è verificato nel 1976 quando Robert Mammano, co-fondatore di Silicon General Semiconductors, ha introdotto il primo circuito integrato di controllo dedicato agli alimentatori switching. Il rilascio dell'SG1524 ha segnato un significativo passo avanti nella comunità degli alimentatori e la sua prima applicazione è stata una nuova generazione di telescriventi commercializzate come "più piccole, leggere e veloci".
Originariamente sviluppato per risolvere un problema nella produzione di telescriventi, l'introduzione dell'SG1524 ha rappresentato il punto di partenza per i moderni alimentatori switching, aprendo la strada a invenzioni e innovazioni di cui tutti beneficiamo oggi.
La corsa agli alimentatori switching è iniziata.
Con lo sviluppo del personal computer e delle apparecchiature informatiche, la richiesta di alta efficienza e peso ridotto ha aumentato la pressione sui progettisti di alimentatori per migliorare ulteriormente le prestazioni. Contrariamente a quanto pensava Steve Jobs, i leader del settore informatico come IBM possedevano reparti di alimentazione di tutto rispetto, e il lancio del personal computer IBM 5150 ha dettato il ritmo per la progettazione di un alimentatore dedicato con il chip NE5560 e, successivamente, con l'SG3524. Unici nel settore dei PC, gli alimentatori switching sono specifici per una determinata scheda madre e non sono facilmente reperibili come opzioni "standard" per le applicazioni comuni, sebbene l'effetto domino tra i produttori a contratto abbia contribuito a guidare lo sviluppo dei propri prodotti, lanciando linee di prodotti commerciali complete.
Nel settore industriale, è impossibile elencare tutti i prodotti e le innovazioni, ma dato che abbiamo menzionato la serie "H" di Power-One, vale la pena citare un giovane ingegnere che si unì a Power-One all'inizio degli anni '80, di nome Steve Goldman. Fu lui a guidare il team che progettò la successiva generazione di alimentatori switching, la serie MAP. È interessante notare che MAP prende il nome da Michael Archer, ingegnere capo e progettista di Power-One all'epoca (Michael Archer Product).
Contemporaneamente, i settori informatico e industriale si stavano orientando verso architetture di alimentazione a commutazione e, sebbene ci siano voluti anni prima che questa tecnologia soppiantasse la consolidata soluzione lineare, una serie di convegni sull'elettronica di potenza ebbe inizio in tutto il mondo, fornendo un forum in cui gli ingegneri del settore potevano apprendere e condividere conoscenze sulle nuove tecnologie.
Il 1980, il punto di svolta per l'industria energetica.
Tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni '80, l'industria energetica gettò le basi per ciò che è oggi. Sebbene la IEEE Power Electronics Specialist Conference (PESC) fosse nata nel 1970, i progettisti e i leader del settore energetico consideravano la necessità di un forum diverso per la condivisione di conoscenze tecnologiche, nuove idee e migliori pratiche. POWERCON si tenne a Beverly Hills, in California, dal 20 al 22 marzo 1975, e nel 1978 fu seguita da una conferenza incentrata principalmente sulle telecomunicazioni, chiamata INTELEC. Sfortunatamente, dopo nove anni, POWERCON cessò di esistere nel 1984, lasciando la comunità energetica senza un forum centrale.
Quando ARPANET, il precursore di Internet, aveva appena adottato il protocollo TCP/IP (gennaio 1983), gli ingegneri del settore energetico erano ancora ben lontani dalle chat e dai blog, e con la crescente richiesta di una maggiore cooperazione all'interno dell'industria energetica, la necessità di un "punto di riferimento unico" divenne evidente. La China Power Supply Society (CPSS) è stata fondata nel 1983 [2] e la Power Sources Manufacturers Association (PSMA) è stata istituita nel 1985 [3]. Entrambe le organizzazioni miravano a condividere conoscenze e facilitare la comunicazione all'interno delle rispettive comunità del settore energetico e, 35 anni dopo, entrambe continuano a supportare gli ingegneri del settore.
Contemporaneamente alla formazione della 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) – concepì l'idea di creare una conferenza sull'elettronica di potenza che includesse ricerca, elettronica applicata e mettesse in contatto gli ingegneri elettronici con una comunità più ampia che comprendesse l'industria, oltre a una mostra. Sarebbe stata chiamata Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) [4], e la prima edizione si è svolta dal 28 aprile al 1° maggio 1986 a New Orleans.
E la storia continua...
L'industria dell'elettronica di potenza ha attraversato molti periodi di evoluzione, trasformazione e rivoluzione. Se l'introduzione del transistor a giunzione bipolare è stata probabilmente la "prima" rivoluzione tecnologica, non c'è dubbio che il passaggio dalla conversione di potenza lineare alla tecnologia switching sia stata la seconda, e l'inizio di un lungo percorso evolutivo.
A 43 anni dal suo lancio, Voyager 2 ha percorso 14 miliardi di miglia nello spazio profondo, e gli alimentatori progettati dai pionieri all'inizio degli anni '70 sono ancora in funzione. Questo è ciò che ci appassiona così tanto del nostro lavoro nel settore dell'elettronica di potenza, e dobbiamo ringraziare tutti i geniali progettisti di alimentatori che non ho potuto nominare in questo articolo, i quali hanno contribuito a rendere possibile la transizione dalla tecnologia lineare a quella switching.
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