Fuentes de Alimentación

1980 - Un punto de inflexión en la industria de potencia

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El 29 de octubre de 2020, después de siete meses de silencio debido a una importante actualización de la antena de radio de 70 metros de ancho situada en Camberra, la NASA envió un conjunto de comandos a la nave espacial Voyager 2, de 43 años de antigüedad, que ha viajado miles de millones de kilómetros desde la Tierra desde su lanzamiento en 1977. La Voyager 2 reconoció haber recibido la llamada y ejecutó los comandos sin ningún problema. Interesante, sin duda, pero ¿qué importancia tiene esto para los ingenieros de potencia?

Aunque los diseñadores de sistemas suelen considerarlo el último engranaje de la rueda, en realidad la fuente de alimentación es probablemente una de las partes más importantes de sus equipos. Desde los tubos de tiratrón utilizados en el rectificador de potencia tipo REC-30 para suministrar potencia de alta tensión a las tele impresoras de teletipo en 1930 [1], hasta los últimos semiconductores de banda ancha, sin su curiosidad y pasión, los diseñadores de potencia no habrían hecho posible muchas cosas. El Voyager 2 es un buen ejemplo de ello, pero ¿quién se acuerda de lo que ocurrió a finales de los años setenta y principios de los ochenta en el sector de la potencia y de cómo los principales ingenieros de potencia cambiaron la cara de nuestra industria?

Regreso al campo de batalla
Lanzada el 20 de agosto de 1977, la Voyager 2 fue alimentada por un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) que convierte el calor de la desintegración de un material radiactivo en electricidad. El voltaje generado se regula y distribuye a los 14 equipos científicos y al tablero de control principal. El sistema de alimentación general se ha diseñado para acomodar el RTG y, a pesar de que el esquema se mantuvo en secreto, se mencionó una tecnología completamente nueva llamada "fuente de alimentación conmutada".
Conocidos desde 1930, los principios de las fuentes de alimentación conmutadas han sido explorados por los diseñadores de potencia durante décadas, siendo la industria aeroespacial, con la NASA, el motor de la investigación y el desarrollo. Teniendo en cuenta el coste astronómico de un lanzamiento, y también la vida útil de las sondas y satélites espaciales, los diseñadores de potencia espacial buscaban un menor peso, una mayor eficiencia energética y un tamaño compacto. En los años sesenta, la NASA ya había utilizado sistemas de alimentación conmutada en varios satélites, como el Telstar en 1962.
Paralelamente a la investigación secreta llevada a cabo por organizaciones aeroespaciales y militares para miniaturizar los sistemas de alimentación integrados, los diseñadores de potencia de la industria civil también consideraron soluciones alternativas a la vieja, pesada y voluminosa arquitectura convencional de transformador, rectificador y regulación lineal. Quién lanzó la primera fuente de alimentación conmutada comercial es objeto de debate, pero podemos mencionar a RO Associates, que en 1967 introdujo una solución de alimentación de 20Khz, seguida de una oleada de productos, por ejemplo, NEMIC Japón en 1970, HP 500W en 1973.
Para los principales diseñadores de potencia era obvio que la tecnología de alimentación conmutada era el futuro. Pero en aquella época las fuentes de alimentación lineales eran la referencia y la "conmutación" se consideraba una tecnología sospechosa y algunos predecían que el campo de interferencias generado por la conmutación podría causar daños importantes en la aplicación final.
Debemos recordar que en los años setenta las fuentes de alimentación lineales eran la norma, y a pesar de que Lambda introdujo una línea de fuentes de alimentación lineales "estandarizadas", el lanzamiento de la serie "H" de Power-One es considerado por muchos como la primera solución de alimentación "estándar", primero en EE.UU. y luego en Europa. Basada en un concepto genial de una placa de aluminio plegada utilizada como carcasa y disipador de potencia, Power-One lanzó un número asombroso de variantes que ofrecían a los diseñadores de sistemas una fuente de alimentación lista para usar (Figura 01).
Simultáneamente, en Japón -con muy poca información procedente de ese país-, los fabricantes de fuentes de alimentación no sólo lanzaron una gama completa de fuentes de alimentación lineales, sino también, pocos años después, una gama de soluciones de alimentación conmutada. Un ejemplo es la empresa ELCO/COSEL, que lanzó la serie lineal "G" en 1975, seguida en 1977 por una gama completa de fuentes de alimentación conmutadas, la serie "H" (Figura 02). La verdad es que Japón se adelantó a los acontecimientos. Otro ejemplo es el de SONY, que en 1960, en la época en que la industria de la televisión utilizaba tubos electrónicos (válvulas), fue la primera en utilizar transistores en sus televisores y probablemente fue la primera en implementar una fuente de alimentación conmutada en los equipos de televisión a principios de los años setenta.
También hay que recordar que a finales de los años setenta y principios de los ochenta, la gran mayoría de las empresas que desarrollaban equipos electrónicos tenían sus propios departamentos de potencia internos que diseñaban soluciones de alimentación específicas para sus aplicaciones. No es de extrañar que para muchos diseñadores de potencia internos el lanzamiento de la serie "H" de Power-One se percibiera como una amenaza. Muchos fabricantes de equipos adoptaron fuentes de alimentación estandarizadas y reorientaron el I+D de sus departamentos internos de alimentación hacia la nueva tecnología de alimentación conmutada, con el fin de adelantarse a sus competidores.

Con pasión, talento y curiosidad.
La década de los setenta estuvo repleta de ingenieros con talento que investigaban soluciones de potencia conmutada mejoradas, y sería necesario un artículo dedicado a nombrarlos a todos. Entre todos ellos, para mí es interesante mencionar a dos "gurús de la potencia", Robert J. Boschert (Boschert Associates) y Frederick Rod Holt (Apple), que trabajaban al mismo tiempo en soluciones de potencia más eficientes. En ambos casos, al igual que en la industria aeroespacial, pretendían que las fuentes de alimentación fueran más pequeñas, ligeras y eficientes.
Según cuenta la leyenda en su cocina, en 1970, Robert Boschert empezó a desarrollar una fuente de alimentación más asequible, competitiva y ligera como alternativa al voluminoso modelo de transformador y regulación lineal. Se centró en el desarrollo de una fuente de alimentación conmutada para impresoras de torno y cintas que produjo en cantidad en 1974. En 1976 lanzó una de las primeras fuentes de alimentación conmutadas "estándar" y solicitó las patentes 4.037.271 y 4.061.931 para proteger su DPI (Figura 03). Las dos patentes se concedieron en menos de un año, seguidas del éxito comercial del conmutador OL25, que recibió una gran cobertura en la prensa y los medios de comunicación, por ejemplo, "Flyback converters: solid-state solution to low-cost switching power supplies", publicado el 21 de diciembre de 1978 en Electronics. Robert Boschert también fue pionero en la venta de licencias de sus DPI y en 1977 Boschert Inc. tenía más de 600 empleados y estaba certificada para diseñar soluciones de alimentación conmutada para aviones espaciales y militares.
Al mismo tiempo, Steve Jobs, conocido por su curiosidad por las nuevas tecnologías, consideró interesante la tecnología de alimentación conmutada, pero por falta de tiempo el Apple I lanzado en abril de 1976 contaba con una fuente de alimentación lineal convencional. No obstante, trabajando en el Apple II, Rob Holt diseñó una fuente de alimentación conmutada flyback off-line de 38 W (Figura 04) para la que solicitó una patente en febrero de 1978 y la obtuvo en diciembre (4.130.862). El Apple II fue un éxito y, al aumentar el volumen, Apple subcontrató la fabricación de la fuente de alimentación a ASTEC, iniciando la larga historia de las fuentes de alimentación OEM para ordenadores.
Tal vez sea anecdótico, pero no por ello deja de ilustrar el panorama competitivo dentro de la industria de la potencia, que sufrió una serie de disputas por los derechos de propiedad intelectual, en la biografía de Steve Jobs de Walter Isaacson se dice que Jobs dijo: "En lugar de una fuente de alimentación lineal convencional, Holt construyó una como las utilizadas en los osciloscopios.
No encendía y apagaba la potencia sesenta veces por segundo, sino miles de veces; esto le permitía almacenar la potencia durante mucho menos tiempo y, por tanto, desprender menos calor. Esa fuente de alimentación conmutada fue tan revolucionaria como lo fue la placa lógica del Apple II". Jobs añadió después: "Rod no recibe mucho crédito por esto en los libros de historia, pero debería. Ahora todos los ordenadores utilizan fuentes de alimentación conmutadas, y todas ellas copian el diseño de Rod Holt".
Sin duda, como buen comercializador, Steve Jobs querría que APPLE disfrutara del galardón de haber implementado las fuentes de alimentación conmutadas en los PC, aunque muchos otros, por ejemplo IBM y HP, siguieron el mismo camino al mismo tiempo, todos con el objetivo de obtener un mayor rendimiento y reducir los costes.
Sin embargo, a pesar de las enormes ventajas de esta tecnología, su implantación y adopción en el mercado ha sido relativamente lenta y los analistas del mercado han estimado que sólo el 8% de las fuentes de alimentación fabricadas en 1978 se basaban en la topología de conmutación.

Hacer mi teletipo más pequeño, más ligero y más rápido
En la introducción mencioné el rectificador de potencia de tiratrón tipo REC-30 que alimentaba un teleimpresor Teletype de 1930 [1]. Pocos saben que, en aquella época, los teletipos eran máquinas de telecomunicación de última generación y mucho antes de la introducción del 1, 2, 3, 4 y 5G, un sistema de comunicación que motivó a los diseñadores de potencia a inventar e innovar.
Además de las topologías, una evolución importante en el sector de las fuentes de alimentación conmutadas se produjo en 1976, cuando Robert Mammano, cofundador de Silicon General Semiconductors, presentó el primer CI de control dedicado a las fuentes de alimentación conmutadas. El lanzamiento del SG1524 supuso un gran paso adelante dentro de la comunidad de fuentes de alimentación, y su primera aplicación fue una nueva generación de máquinas de teletipo comercializadas como "más pequeñas, más ligeras y más rápidas".
Desarrollado originalmente para resolver un problema de fabricación de teletipos, la introducción del SG1524 se convirtió en el pistoletazo de salida de las fuentes de alimentación conmutadas modernas, abriendo el camino a inventos e innovaciones de los que todos nos beneficiamos hoy en día.

La carrera por la potencia de conmutación está abierta
Con el desarrollo del ordenador personal y de los equipos informáticos, la demanda de alta eficiencia y bajo peso aumentó la exigencia a los diseñadores de fuentes de alimentación de mejorar aún más el rendimiento. A pesar de la percepción de Steve Jobs, los líderes de la informática, como IBM, contaban con impresionantes departamentos de potencia y el lanzamiento del ordenador personal IBM 5150 marcó el ritmo del diseño de una fuente de alimentación específica con el chip NE5560 y, posteriormente, con el SG3524. Únicas en la industria del PC, las fuentes de alimentación conmutadas son específicas para una placa base y no están como tales "de stock" para el uso de aplicaciones comunes, aunque el efecto de bola de nieve en los fabricantes contratados contribuyó a impulsar el desarrollo de sus propios productos, lanzando gamas completas de productos comerciales.
En el ámbito industrial es imposible nombrar todos los productos e innovaciones, pero ya que hemos mencionado la serie "H" de Power-One, es oportuno mencionar a un joven ingeniero que se incorporó a Power-One a principios de los ochenta llamado Steve Goldman, que dirigió el equipo que diseñó la nueva generación de fuentes de alimentación conmutadas, la serie MAP. Anecdóticamente, MAP es el nombre del ingeniero/diseñador jefe de Power-One en aquella época, Michael Archer ( Michael Archer Product).
Simultáneamente, los sectores informático e industrial se orientaron hacia las arquitecturas de alimentación conmutada y, aunque pasaron años antes de que esa tecnología se impusiera a la solución lineal bien establecida, se iniciaron una serie de convenciones sobre electrónica de potencia en todo el mundo, proporcionando un foro para que los ingenieros de potencia aprendieran y compartieran conocimientos sobre las nuevas tecnologías.

1980, el punto de inflexión de la industria energética
A finales de los años setenta y principios de los ochenta, la industria de la potencia forjó los cimientos de lo que es hoy. A pesar de que la Conferencia de Especialistas en Electrónica de Potencia del IEEE (PESC) comenzó en 1970, los diseñadores de potencia y los líderes de la industria consideraron un tipo diferente de foro para compartir conocimientos tecnológicos, nuevas ideas y mejores prácticas. POWERCON tuvo lugar en Beverly Hills, California, del 20 al 22 de marzo de 1975, y en 1978 le siguió una conferencia centrada principalmente en las telecomunicaciones llamada INTELEC. Desgraciadamente, tras nueve años, POWERCON cesó en 1984 dejando huérfana a la comunidad de potencia.
En la época en la que el abuelo de Internet, ARPANET, acababa de adoptar el protocolo TCP/IP (enero de 1983), los ingenieros energéticos aún estaban muy lejos de chatear y escribir en blogs, y con la creciente demanda de una cooperación más estrecha dentro de la industria energética se hizo evidente la necesidad de un "lugar único para compartir". En 1983 se fundó la China Power Supply Society (CPSS) [2], y en 1985 se constituyó la Power Sources Manufacturers Association (PSMA) [3]. Ambas organizaciones tenían como objetivo compartir conocimientos y facilitar la comunicación dentro de sus respectivas comunidades energéticas, y 35 años después ambas siguen apoyando a los ingenieros de potencia.
Al mismo tiempo que se formó la PSMA, un grupo de ocho ingenieros apasionados, Bill Hazen (Prime Computer) ; Don Drinkwater (DEC) ; Phil Hower (Unitrode) ; Jonathan Wood (Data General) ; Marty Schlecht (MIT) ; Jack Wright (GE) ; Trey Burns (Data General) y John Kassakian (MIT) tuvieron la idea de crear una conferencia sobre potencia que abarcara la investigación, la electrónica aplicada y que sirviera para conectar a los ingenieros electrónicos con una comunidad más amplia que incluyera a la industria y la realización de una exposición. Se llamaría Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) [4], y la primera edición tuvo lugar del 28 de abril al 1 de mayo de 1986 en Nueva Orleans.

Y la historia continúa...
La industria de la electrónica de potencia ha pasado por muchos periodos de evolución, disrupción y revolución. Si la introducción del transistor de unión bipolar fue posiblemente la "primera" revolución tecnológica, no cabe duda de que la migración de la conversión lineal de potencia a la tecnología de conmutación fue la segunda, y el comienzo de un largo camino evolutivo.
43 años después de su lanzamiento, la Voyager 2 ha viajado 14.000 millones de millas en el espacio profundo y las fuentes de alimentación que los pioneros diseñaron a principios de los setenta siguen haciendo su trabajo. Esto es lo que hace que todos nosotros nos entusiasmemos con lo que hacemos en la industria de la potencia y hay que dar las gracias a todos los genios diseñadores de potencia que no he podido nombrar en este artículo y que han contribuido a hacer posible la transición de la tecnología lineal a la de conmutación.

Autor: Patrick Le Fevre, PRBX

 

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