Proč nám telefony nepropálí kapsu (a vůbec se do ní vejdou)

Ve své biografii Steve Jobs vzpomínal, že veřejnost a odborníci nedostatečně oceňují jeden jeho příspěvek k vývoji počítačové techniky: „Spínaný přívod byl u Applu II stejně revoluční jako logická obvodová deska.“ prohlásil známý podnikatel.

Ano, „trafo” – počítače Apple II bylo podle Jobse revoluční. Proč si to myslel a má pravdu?

Je to kvůli Teslovi

Na začátek se vraťme hluboko do historie, až do 19. století. Když na jeho konci vyhrál „válku proudů“, někdy trochu zjednodušeně hodnocenou jako spor mezi Teslou a Edisonem, přesvědčivě proud střídavý. Dokázal při tehdejším stavu techniky totiž přenášet na větší vzdálenosti s výrazně menšími ztrátami. Celá řada elektrických přístrojů, ovšem funguje na proud stejnosměrný. Všechna zařízení, včetně prvních radiopřijímačů, tak musela být vybavena napájecím zdrojem, který převádí střídavý proud ze sítě na proud stejnosměrný.

Takový zdroj lze postavit různě, existují ale dva základní typy: lineární a spínané zdroje.
Lineární zdroje jsou v podstatě stejně staré jako masově rozšířená elektrotechnika. Jde v podstatě o velmi jednoduchá zařízení sestávající z transformátoru a usměrňovače proudu. Aby zdroj nedodával příliš vysoké napětí, nadbytečně převedený proud se mění na teplo. Zatímco transformace a usměrnění proudu probíhají velmi účinně, při stabilizaci watty doslova létají komínem v podobě odpadního tepla.

Dobová reklama na Apple II (kredit Apple)
Dobová reklama na Apple II (kredit Apple)

Lineární zdroj je tedy jednoduchý, ale nehospodárný – ztráty se pohybují mezi 30 a 60 procenty podle typu a využití. Na druhou stranu je výstup z takového zdroje velmi přesný a stabilní. Používají používají se tak stále například u zařízení pro přehrávání zvuku.

Spínané zdroje jsou z technického hlediska podstatně složitější. Obsahují zpětnovazební prvek. Zařízení pozná, že už „naměnilo“ proudu dost (na výstupu je tedy dostatečné napětí) a přestane na chvíli pracovat. „Vypnutý“ spínaný zdroj neodebírá žádnou elektřinu, a tedy šetří.

Čistě teoreticky by tedy takové zařízení mohlo pracovat zcela bez ztrát, ve skutečnosti už dnes účinnost často přesahuje 95 procent. U levných zařízení to může být podstatně méně, jak lze často zjistit jednoduše dotykem.

V dnešních technologiích je celý proces velmi rychlý, může docházet až k milionu sepnutí za vteřinu. Pracuje se tak s poměrně malými „porcemi“ energie, a tak všechny použité díly mohou být menší, lehčí a mají menší tepelné ztráty než robustnější díly lineárních zdrojů, které jsou v nepřetržité zátěži.

Chytřejší spínané zdroje si ovšem na rozdíl od jejich lineárních předchůdců na koleně nevyrobíte. Jejich konstrukce je výrazně složitější, především musíte mít k dispozici náležité konstrukční díly, tranzistory. Ty ale dnes patří ke standardním součástkám, takže výroba spínaných zdrojů je i přes vyšší náklady levnější než u lineárních zdrojů, a to především díky úsporám na materiálu.

Apple nebyl první

Spínané zdroje jsou tedy skutečně klíčovou technologií, která pomáhá dělat dnešní elektroniku tak malou a efektivní. Ale Jobs své zásluhy v tomto smyslu poněkud přeceňuje.

Spínané zdroje potřebují polovodiče. První použitelný tranzistor byl zkonstruován v roce 1947, spínané zdroje se v omezené míře používaly již od 50. let. Spínaný zdroj obsahoval i v roce 1958 uvedený sálový elektronkový počítač IBM 704, vůbec první počítač, který se vyráběl ve větší sérii.

NASA je použila například na satelitu Telstar, vypuštěném v roce 1962. Výhody lepších výkonů – vyšší účinnosti a nižší hmotnosti – v tomto odvětví převážily nad tehdy ještě stále vysokou cenou těchto zdrojů. Jak se ovšem výkony tranzistorů zvyšovaly rychlostí a jejich cena klesala, technologie úspěšně sestoupila na Zemi. Zhruba od konce 60. let přecházejí na spínané výrobci velkých počítačů: IBM, Honeywell, Hewlett-Packard, Texas Instruments.

Apple II
Počítač Apple II (volné dílo)

Ano, v osobních počítačích se spínané zdroje objevily v 70. letech, včetně Applu II, zdomácněly v nich ale až díky prvnímu „pécéčku“, počítači IBM PC/AT (AT znamenalo „advanced technology“) z roku 1984. Právě tento počítač nastavil standardy, které se v IT světě v mnoha ohledech dodnes dodržují – včetně napájení. Apple II v sobě nesl na svou dobu skutečně zajímavý zdroj. Jeho autor Rod Holt si některá řešení nechal patentovat, patenty se ovšem nedočkaly většího rozšíření a dnes zůstávají prakticky nevyužity.

Samozřejmě ne bezvýhradně, pokrok se přece jen nezastavil a spínané zdroje se vyvíjejí dál. Zatím spíše ty dražší používají místo křemíku nitrid galia (GaN), materiál, který pomohl rozjet vlnu LED osvětlení. Díky němu by tranzistory mohly dál snižovat ztráty ve spínaných zdrojích a jejich účinnost posunout snad až na 99 procent.

Sama přeměna elektřiny se navíc digitalizuje. Jinak řečeno, samotné zdroje mohou být programovatelné. Ve svém počítači nic takového zatím nenajdete, ale firmy jako Google a Facebook podobné systémy pro své servery používají. Je nejspíš jen otázkou času, kdy „sestoupí“ i do osobní elektroniky.

Související články

Vložit komentář...