Zlepšovák, který umetl cestu k dnešním mobilům. Bez něj bychom byli soumaři

Čínský výrobce Redmi ukázal novou verzi telefonu Note 12 Discovery Edition s baterií s kapacitou 4100 mAh. Tento akumulátor dokáže nabíječka naplnit „z nuly na sto“ za necelých pět minut. Výrobce uvádí maximální nabíjecí výkon 300 wattů, na ukázce nabíjení dosáhne „jen“ těsně nad 290 W.

Než jsme se k takovým výkonům dostali, nějakou dobu to ovšem trvalo. My starší si dobře pamatujeme, že první mobilní telefony rozhodně během pěti minut nabité nebyly. Jak to, že se situace tak změnila? Co vlastně našim telefonům – a také počítačům – dodává „šťávu“ a jak?

První zastávku věnujeme jednomu z nejslavnějších počítačů historie: stroji Apple II. Nejznámější z jeho duchovních otců, Steve Jobs, byl až do své smrti tak trochu nespokojený s tím, že se na jednu důležitou drobnost v jeho návrhu zapomíná: na zdroj energie. „Spínaný zdroj byl u Applu II stejně revoluční jako logická obvodová deska,“ prohlásil o něm zpětně.

Není to tak úplně pravda. V jednom důležitém ohledu se však Jobs nemýlil, v důrazu na součást počítače, která je pro mnohé uživatele asi tak stejně zajímavá jako šňůra k zásuvce.

Bez nenápadné, zhruba půl století staré technologické revoluce by dnešní výpočetní technika nebyla tak lehká a vždy po ruce. Právě díky ní se nám nabíječky na telefony vejdou do kapsy a zdroje notebooků nebývají o moc větší než pouzdro na brýle. Jobs si ovšem realitu téhle technologické přeměny upravil k obrazu svému. A nepřekvapí, že zveličil i svou roli v ní.

Jobs uměl prodávat příběhy a i tento má své jasné kvality: je jasný, přehledný a má zajímavé hrdiny. Začíná v roce 1976, kdy ve spolupráci dvou Stevů, Wozniaka a Jobse, vznikal tak trochu na koleně počítač Apple II. Jobs se rozhodl, že se stroj, který firmě později získal renomé až luxusního výrobce, musí obejít bez větráku. Nebyl pro to žádný technický důvod – podle Jobse však větráky prostě ruší.

Na doporučení známých se Jobs obrátil na Roda Holta, vynikajícího odborníka na danou problematiku. Tenhle přesvědčený kalifornský marxista, vždy s cigaretou u rtů, (téměř) každý rok s jinou manželkou, a tedy poměrně velkou spotřebou peněz, měl Jobsovi při prvním setkání říct: „Varuju tě, jsem drahý.“

Holt vybavil Apple II tím nejlepším, co bylo v danou chvíli k dispozici. Místo tradičního lineárního zdroje napětí do počítače zabudoval právě zdroj spínaný. Jobs k roli této inovace pro svého životopisce Waltera Isaacsona doslova řekl: „Rod je v naší historii neprávem opomíjen. Dnes má každý počítač spínaný zdroj elektřiny postavený na Rodově návrhu.“

To už ovšem pravda není. Apple II v sobě nesl na svou dobu skutečně zajímavý zdroj a autor uspěl s některými jeho rysy i u amerického patentového úřadu. Jeho patenty se ovšem nedočkaly většího rozšíření a dnes zůstávají prakticky nevyužity. Naše počítače tak nemají „Rodův spínaný zdroj“, mají jen „pouhý“ spínaný zdroj.

Napájecí zdroj počítače je zařízení s jediným účelem: převádí střídavé napětí ze sítě na stejnosměrné o takové velikosti, jakou k provozu potřebuje elektronika v zařízení. 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. Na konci 19. století vyhrál „válku proudů“ velmi přesvědčivě proud střídavý, který bylo při tehdejším stavu techniky možno přenášet na větší vzdálenosti s menšími ztrátami. Celá řada elektrických přístrojů, včetně například prvních radiopřijímačů, ale funguje na napětí stejnosměrné. Přeměna jednoho typu na druhý tak byla od začátku nezbytností – a lineární zdroje tuto úlohu dlouhá desetiletí vzorně a spolehlivě plnily.

Jde v podstatě o velmi jednoduchá zařízení sestávající z transformátoru a usměrňovače napětí. Technologie se během desetiletí zlepšovala, jedna velká slabina však zůstala, a to v posledním kroku. Aby zdroj nedodával příliš vysoké napětí, mění se nadbytečně převedený proud na teplo. Zatímco transformace a usměrnění proudu probíhají velmi účinně, při stabilizaci watty doslova létají komínem v podobě odpadního tepla.

Systém je tedy jednoduchý, ale nehospodárný – ztráty se pohybují mezi 30 a 60 procenty podle typu zařízení a jeho konkrétního využití. Na druhou stranu je výstup z takového zdroje velmi stabilní. Protože v něm nedochází k přepínání, nevytváří tzv. vysokofrekvenční rušení. Proto se lineární zdroje dodnes používají u zvukových přehrávačů, tedy alespoň těch nejkvalitnějších.

Spínané zdroje, o kterých se začalo vážně mluvit ve 30. letech 20. století, jsou z technického hlediska podstatně složitější. Nebudeme zabíhat do podrobností a spokojíme se s informací, že to důležité a přelomové u nich je, že mají něco jako zpětnou vazbu, která vstupnímu regulačnímu prvku poskytuje pravidelnou informaci o tom, jak moc energie připojené zařízení zrovna potřebuje.

Zařízení pozná, že je na výstupu dostatečné napětí – a v tu chvíli si samo dá pokyn, aby přestalo pracovat. Klíčové je, že při „vypnutí“ spínaný zdroj neodebírá žádnou elektřinu – je pro ni prostě „zavřený“ a neodebírá (téměř) žádnou energii.

„Tím, že se zdroj de facto vypíná, když není zapotřebí, je dána jeho vysoká efektivita,“ říká Vladimír Janíček z Fakulty elektrotechnické ČVUT. Ryze teoreticky by tedy takové zařízení mohlo pracovat zcela bez ztrát, což v praxi samozřejmě nejde. Ovšem skutečnost není o tolik horší. Obecně se účinnost pohybuje nad 85 procenty a stále se zvyšuje.

„Zapnutí“ a „vypnutí“ probíhá rychle, v dnešních technologiích se může přiblížit až milionu sepnutí za sekundu. 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.

Pravda, spínané zdroje jsou konstrukčně složitější a musíte mít k dispozici náležité konstrukční díly, tedy 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.

První komerčně úspěšný tranzistor byl zkonstruován v roce 1947, a protože právě tento objev, který svým tvůrcům přispěl k Nobelově ceně za fyziku v roce 1956, umožnil rozvoj spínaných zdrojů, je jasné, že historie tohoto typu napájení není o mnoho starší.

Teoreticky byly tyto zdroje známé od 30. let a v počítačích se používaly nejméně od sklonku 50. let, byť zpočátku jen sporadicky. Například v roce 1958 využil spínaný zdroj i sálový elektronkový počítač IBM 704, vůbec první počítač, který se vyráběl ve větší sérii.

V následujícím desetiletí hvězda spínaných zdrojů začala stoupat díky leteckému a kosmickému průmyslu. NASA je použila například na satelitu Telstar vypuštěném v roce 1962. Vyšší účinnosti a nižší hmotnosti převážily nad tehdy ještě stále vysokou cenou těchto zdrojů.

Jak se ovšem výkony tranzistorů zvyšovaly rychlostí Moorova zákona a jejich cena klesala, technologie úspěšně sestoupila na Zemi. Od konce 60. let na spínané zdroje přecházely velké společnosti: IBM, Honeywell, Hewlett-Packard, Texas Instruments. V druhé polovině 70. let se začali přidávat i výrobci televizorů. (Hezký přehled historie, včetně role Applu, má na svém blogu exprogramátor Googlu Ken Shirriff.)

V 60. i 70. letech ještě Moorův zákon platil zcela beze zbytku. Výkony tranzistorů, tedy klíčových součástek spínaných zdrojů, rostly ďábelskou rychlostí. Dnes sice většina z nás má pocit, že nestíhá sledovat technický vývoj, před půlstoletím ale uháněla elektronika vpřed ještě divočejším tempem.

První polovina 70. let byla doba zralá pro „zdrojovou revoluci“ – a revolucionáře. Nejčastěji ovšem nebývá zmiňován Ron Holt, autor zdroje pro Apple, ale jiní, v první řadě Robert Boschert, inženýr a povahou tak trochu dobrodruh. Když dostal do péče své děti, odešel ze zaměstnání, stal se konzultantem a návrhářem pro výrobce elektroniky a specializoval se například na návrhy na automatizaci výrobních linek.

Jeho velký průlom přišel v roce 1970, kdy se zúčastnil soutěže o nový napájecí zdroj pro tiskárnu. V té době používaný lineární vážil zhruba devět kilogramů a výrobce chtěl hmotnost výrazně snížit. Boschert předvedl spínaný zdroj, který byl zhruba pětkrát lehčí než původní, ale konzervativnímu zadavateli se novinka zdála drahá. Boschert tedy navrhl lehký lineární zdroj, pak si ale uvědomil, že na ten by musel použít velmi kvalitní díly, takže by byl nakonec dražší než odmítnutý zdroj spínaný.

Od té doby měl zcela jasno v tom, které technologii patří budoucnost. A rozhodl se ji i sám vyrábět. Pár let strávil přesvědčováním zákazníků, pak se jeho spínaný zdroj pro tiskárny o výkonu 80 wattů dostal v roce 1974 do výroby a pak už šlo všechno ráz na ráz. Firma Boschert Inc. se během krátké doby rozrostla z jednotek zaměstnanců zhruba na 650.

Společnost začala dodávat nejen zdroje pro spotřební elektroniku, ale získala i lukrativní zakázky na zdroje pro stíhací letouny F-14 nebo satelity. Boschertovy příjmy rostly tak rychle, že to překvapilo i jeho banku. Jednou ho kontaktovala s otázkou, proč si na účet za uplynulý měsíc uložil tolik peněz jako za celý předchozí rok.

Podle Boscherta však o úspěchu jeho společnosti nerozhodly pouze technické otázky: „Úspěch byl z menší poloviny dán technologií a z větší poloviny tím, že mě zajímali lidé, to, jak sestavit tým. Bavilo mě dávat dohromady lidi, kteří dokážou úžasné věci,“ řekl před lety časopisu Electronic Design.

V osobních počítačích se spínané zdroje sice objevily také už v 70. letech, a jedním z nich je i zmiňovaný Apple II, zdomácněly v nich však 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.

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 má v mnoha ohledech lepší vlastnosti pro tyto účely než běžný křemík.

„GaN teď hýbe světem,“ říká Vladimír Janíček z FEL. „Před lety se spekulovalo, že další revoluci přinese grafen, ale ukázalo, že je v praxi nepoužitelný – zato GaN je prakticky ve všech ohledech lepší než křemík, a umožňuje tak posunout výkony elektroniky ještě výrazně nahoru,“ vysvětluje.

Díky materiálu mohou zařízení, třeba právě spínané zdroje, pracovat s vyššími frekvencemi a většími proudy. GaN také dobře snáší výrazně vyšší teploty než křemík, takže konstruktéři nemusí tolik řešit chlazení.

„V případě aplikací je rozdíl markantní – originální čtvrtkilový zdroj u notebooku lze dnes nahradit malou GaN nabíječkou s rozměry v řádu několika centimetrů,“ říká Vladimír Janíček. Právě díky novému materiálu je pak podle něj možné prakticky vyrábět nabíječky, které nabíjejí telefony výkony v řádech stovek wattů.

Aby je bylo možné využít, musejí výrobci použít i další možné „triky“: „Dnešní nabíječky jsou prakticky všechny do určité míry „inteligentní“ a komunikují s připojeným zařízením a „dohodnou“ se s ním, jak je jej optimálně a rychle možno nabíjet: jaké proudy a napětí zvládne,“ vysvětluje Vladimír Janíček.

Zvýšilo se i pracovní napětí (místo původních 5 V se používá třeba až 20 V). Díky tomu je možno dodávat vyšší výkony. Rychle nabíjitelné baterie v mobilních telefonech ve skutečnosti tvoří vlastně několik malých paralelních článků, které je možné nabíjet současně – a to také celý proces zrychlí. A výsledek je ten, že na vybitý mobil už brzy nebude možné se vymlouvat…