Stromversorgungen – wie weit sind wir gekommen?
Ich habe kürzlich mit einem Kunden zu Mittag gegessen, mit dem wir seit Ende der 1990er Jahre zusammenarbeiten. Wir haben in dieser Zeit viele Veränderungen erlebt und als der Hauptgang kam, begannen wir darüber zu sprechen, wie sich die Stromversorgungstechnologie im Laufe der Jahre weiterentwickelt hat. Am deutlichsten machte sich dies in den Bereichen Effizienz und Leistungsdichte bemerkbar.
Das erste Gerät, das er mit XP Power entworfen hat, war ein 3 x 5 Zoll großes 40-W-Netzteil. Das galt damals vielleicht als revolutionär, aber wenn man bedenkt, dass sein neuestes Produkt ein 350-W-Gerät im gleichen Raumraum nutzte, wird deutlich, wie weit wir gekommen sind.
Technologischer Fortschritt?
Ich habe im Anschluss an unser Arbeitsessen ein wenig darüber recherchiert, und soweit ich das beurteilen kann, wurden die allerersten Schaltnetzteile 1958 von IBM entwickelt. Sie basierten auf der Vakuumröhrentechnologie. Etwa zur gleichen Zeit wurden von der General Motors Corporation mehrere Patente für eine ‘Transistorschwingung’ angemeldet.
Mit diesem Zustrom an technologischem Fortschritt konnten Designer plötzlich aus mehreren Komponenten und mehreren Herstellern auswählen, was ihnen eine beispiellose Anzahl von Optionen und möglicherweise bahnbrechenden Designs eröffnete.
Der Schwerpunkt dieser intensiven Entwicklungsphase lag auf dem traditionellen Linearregler – die klügsten Köpfe versuchten herauszufinden, wie sie die veraltete Transformator- und Widerstandsmethode zur Änderung der Eingangsspannung durch ein effizienteres Design ersetzen könnten.
Die Idee, auf die sie kamen, nutzte einen Transistor, um die Eingangsspannung auf einen durchschnittlichen Wert zu zerhacken, der unter dem ursprünglichen Eingang liegt (wir haben hier auf der Website eine fantastische Sammlung technischer Artikel, wenn Sie eine detailliertere Beschreibung des SMPS-Betriebs wünschen).
Aufgrund der höheren Effizienz und des geringeren Bedarfs an magnetischen Materialien war die neue Technologie kleiner, leichter und erzeugte weniger Wärme.
Wie bei modernen Erfindungen mit diesen Eigenschaften war diese Lösung aus den 1950er-Jahren für Unternehmen in einer Reihe von Branchen äußerst attraktiv – von der Elektronik über die Luft- und Raumfahrt und die Kommunikation bis hin zur Computertechnik gab es eine Flut von Erstanwendern, die alle darum kämpften, diese neue Stromversorgungstechnologie optimal zu nutzen.
Berechnung der Leistung
Im Laufe der nächsten Jahre entstand eine Flut von Patenten und Designs – viele davon nutzen wir noch heute. 1972 verwendete Hewlett Packard in seinem ersten Taschenrechner ein Schaltnetzteil. 1976 wurde das erste Patent angemeldet, das den Begriff „Switch Mode Power Supply“ (SMPS) verwendete.
Der Rechner von HP war eigentlich ein Computer – wenn auch in einem etwas anderen Format, als wir ihn heute kennen. Damals wog das ursprüngliche Design über 40 Pfund. Um sowohl Platz als auch Gewicht zu sparen, wurde bei der Konstruktion das SMPS verwendet. Dies markiert den ersten Schritt hin zu den ultraschlanken und unglaublich leichten Computern, Laptops und Tablets, die wir heute verwenden.
In ähnlicher Weise begannen auch Luft- und Raumfahrthersteller, die darüber nachdachten, wie sie Gewicht und Platz einsparen könnten, nach kundenspezifischen Schaltnetzteilen zu suchen, um wesentlich effizientere Designs zu entwickeln.
Abkühlung in den 70ern und 80ern?
Die 1970er Jahre waren ein arbeitsreiches Jahrzehnt, nachdem der erste Durchbruch erzielt worden war und die Innovation in einem sehr respektablen Tempo voranschritt. Mehrere Unternehmen in Großbritannien, den USA und Japan begannen mit der Vermarktung von Standard-Stromversorgungsprodukten.
Bis heute gibt es rund ein Dutzend Unternehmen, die von sich behaupten, die ersten gewesen zu sein, die ein Schaltnetzteil erfolgreich entwickelt und vermarktet haben – da wollen wir nicht weitermachen!
Die damaligen Elektronikzeitschriften enthielten Artikel und Anzeigen für SMPS. Der Marktführer war damals Boschert Inc., ein amerikanisches Unternehmen, das in Kalifornien gegründet wurde. Es ersetzte lineare Druckernetzteile durch Schaltnetzteile.
Dieses Unternehmen wuchs auf über 1000 Mitarbeiter und verfügt über eine umfangreiche Produktpalette an Netzteilen mit offenem Rahmen, Gehäuse und modularen Netzteilen. Es wurde schließlich Mitte der 80er Jahre von Computer Products Inc. übernommen.
Apple Computers führte in den 1970er Jahren erstmals ein Schaltnetzteil in den Apple II-Computer ein. Diese kleine, hocheffiziente Technologie ermöglichte es Apple, einen kleineren, leichteren Computer ohne Lüfter zu bauen.
Diese Art der Konvektionskühlung war zu dieser Zeit einzigartig. Die Technologie hatte ein Eigenleben entwickelt und wurde in Dutzenden von Verbraucheranwendungen eingesetzt. Auch die PC-Netzteile von IBM haben auf den Schaltmodus umgestellt, allerdings mit Kühlventilatoren, die denen ähneln, die sie heute in Netzteilen im ATX-Stil verwenden.
Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre waren wir verblüfft, als die branchenüblichen 3 x 5-Zoll-Netzteile mit einem Eingang mit automatischer Bereichswahl auf den Markt kamen, der erkannte, ob er an 120 VAC oder 230 VAC angeschlossen war, und sich entsprechend anpasste. Diese Produkte hatten Leistungen von 25 – 40 W oder 1,66 bis 2,66 W/In2
EU-Umstrukturierung
Als immer mehr Unternehmen in den Markt eintraten, erschienen einige lose Industriestandards rund um gängige Größen wie 3×5 Zoll. Die Leistungsdichten begannen sich zu verbessern, da Fortschritte bei Magnetik, Schalttransistoren und Controller-ICs voranschritten. Diese Änderungen führten zu höheren Wirkungsgraden und machten bessere Leistungsdichten möglich.
