De uitvinding van de verwerkings-/schakelkracht die een modern computergestuurd elektrisch voertuig bestuurt

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Replica van de eerste transistor. Publiek domein.

De weg naar solid-state elektrische voertuigen – deel één

De eerste stap is het vertellen van de verplichte grap over computergestuurde auto's. Hoe start u een vastgelopen elektrisch voertuig (EV) opnieuw op met behulp van Microsoft-software? Je sluit en opent natuurlijk de ramen!

Maar deze grap maakt een punt. De EV-computer (die in het geval van Tesla het hele voertuig bestuurt), de centrale verwerkingseenheid (CPU) en de bijbehorende software/firmware die de solid-state apparaten van een EV vertelt hoe ze moeten werken, moeten ervoor zorgen dat de EV feilloos blijft werken. De computer kan simpelweg niet vastlopen bij 60 mijl per uur! Om te helpen uitleggen hoe dit werkt, is dit een discussie in meerdere segmenten van de ‘solid state’-apparaten, inclusief de centrale controlerende CPU(s) en de ondersteunende firmware (instructies ingebed in de CPU) en Software (in de computer geschreven instructies die indien gewenst kunnen worden gewijzigd) die een EV mogelijk maken.

Al deze centrale controle is noodzakelijk en werkt via opdrachten en feedback van alle andere solid-state apparaten om de operationele functies van een EV uit te voeren. Een paar essentiële handelingen zijn a) het accupakket tevreden houden, b) starten, sturen en stoppen, en c) het bedienen van de lichten, ruitenwissers, richtingaanwijzers, claxon, enz. U krijgt de oefening. Dan zijn er nog de secundaire functies die niet essentieel zijn voor de levensveiligheid: elektrische ramen, deursloten, klimaatregeling en displays die de voertuigstatus, navigatie, entertainment, enzovoort weergeven. (Opmerking: beeldschermen hebben een eigen processor om de afbeeldingen op het scherm te plaatsen.)

Het is goed om tijdens deze discussie in gedachten te houden dat wanneer de heer Musk ontwerpen maakt, hij altijd probeert gebruik te maken van het ‘eerste principes denken’. Het ontwerp van Tesla gaat terug naar de basis, vanaf nul. Hij negeert “dit is de manier waarop we het altijd hebben gedaan” om nieuwe ideeën te vormen en duidelijke ontwerp-/configuratiebeslissingen te nemen.

Bedenk ook dat het eerste principe-denken uiterst oneerlijk is tegenover bestaande autofabrikanten, omdat ze niet onmiddellijk over dat eerste principe-denken beschikken. Deze fabrikanten investeren enorm in bestaande gereedschappen en ontwerpen. Ze moeten het benodigde nieuwe computerpersoneel opbouwen, nieuwe leveranciers oprichten, en het ergste van alles is dat ze in de tussentijd auto's met interne verbrandingsmotoren (ICE) moeten blijven bouwen. Dit lijkt allemaal zo oneerlijk en vormt een nog grotere uitdaging voor het managementteam van een voertuigbedrijf dat niet over de nieuwe “solid state” EV-evaluatievaardigheden beschikt die nodig zijn om het beste pad naar de EV-toekomst voor hun bedrijf uit te stippelen.

Er moest veel gebeuren om de huidige lichting elektrische voertuigen mogelijk te maken. Batterijen moesten veel verder evolueren dan de al lang bestaande lood- en zuurbatterijen die zijn gebruikt om auto's op fossiele brandstoffen te starten sinds de uitvinding van de elektrische starter, naar de op lithium gebaseerde serie batterijen die de laptop praktisch maakten, maar zelfs een stap verder gingen. hen. Solid-state schakelaars (relais) moesten worden geperfectioneerd om het hoge vermogen van de nieuwe lithium-ionbatterijen te regelen.

“De Regency TR-1, die de NPN-transistors van Texas Instruments gebruikte, was ‘s werelds eerste commercieel geproduceerde transistorradio.” Afbeelding met dank aan Cmgle (CC BY-SA 3.0 licentie).

Solid State — Discrete transistors — 101

Voordat de term ‘solid state’ werd bedacht, werden deze schakelaars transistors genoemd, uitgevonden in 1947 door Bell Labs in Murray Hill, New Jersey. Een bipolaire junctie-transistor (BJT) kwam in 1950 op de markt. In 1955 kwamen er een heleboel zaktransistorradio's op de markt (merk op dat $ 49.95 toen gelijk staat aan $ 350.00 vandaag). Het lage stroomvereiste van deze kleine driepotige discrete transistors maakte het gebruik van serie AA-batterijen voor stroom mogelijk. Tot dan toe zorgden rode, gloeiende glazen vacuümbuizen voor de schakeling van radio's en vroege primitieve computers.

Een kort woordje over logisch schakelen in de wereld van de Booleaanse algebra: het werd voor het eerst ontwikkeld in 1874 en is een van de eerste ontwikkelingen door de mens die hebben geleid tot de creatie van de EV. Boolean heeft betrekking op twee toestanden, waar en onwaar, genoteerd als 1 en 0. In de jaren dertig werd ontdekt dat Booleaanse algebra kon worden toegepast op schakelcircuits. Dit groeide uit tot twee soorten transistors. De eerste transistorschakeling gebruikt de 'en'-poort - zoals in 'dit' en hierdoor kan de elektriciteit blijven stromen. De tweede is een ‘of’-poort – zoals in ‘dit’ or hierdoor kan de elektriciteit stromen. Er is ook een ‘niet’-poort die we hier zullen negeren. Tot op de dag van vandaag gebruiken alle computers en besturingsapparatuur deze regels, maar op meer geavanceerde en snellere manieren.

Vroege solid-state computers (begin jaren vijftig) gebruikten deze kleine driepotige ‘discrete’ transistors om de functies uit te voeren. Ze namen nog steeds ruimte in beslag, maar lang niet zoveel als de vacuümbuizen die een hele kamer nodig hadden. Vacuümbuizen creëerden veel warmte, dus er was ook veel airconditioning nodig. IBM kondigde in 1950 zijn eerste discrete transistorcomputer aan.

De eerste transistors gebruikten germanium als schakelmedium. Bell Labs ontdekte bij toeval dat siliciumdioxide beter werkte. Er werd ook geleerd hoe je materialen in lagen kon aanbrengen om betere transistors met een hogere spanning te maken. Vervolgens kwam MOS, en in 1959 werden MOFSET-transistoren ontwikkeld. MOS-transistors ontwikkelden zich in de jaren zeventig tot de eerste homecomputers.

Hoewel ze goed waren voor het verwerken van 1-en en 0-en, konden de vroege transistors slechts schakelen tot ongeveer 22 volt DC. Je kunt een gloeilamp van 110 V niet aan- en uitzetten met een transistor. Je moest een mechanisch schakelrelais gebruiken met een lage transistorspanning van 22 VDC om de magnetische spoel te bedienen en de relaiscontacten om de 110 VAC te geleiden om de lamp te laten ontsteken.

De hogere hitte en spanning die een MOFSET-transistor aankon, begonnen de voedingsindustrie binnen te dringen. Dit brengt ons bij de jaren zeventig. Er is in de daaropvolgende jaren een hele alfabetsoep van transistors ontwikkeld. Ze werden sneller, goedkoper, betrouwbaarder en konden hogere spanningen aan. Maar het komt nog steeds niet in de buurt van wat er nodig is om een hoogspanningsaccu met een hoge stroomsterkte op een variabele manier aan en uit te zetten om een elektromotor zoals een EV te besturen.

De volgende stap die nodig was voor een EV waren kleinere apparaten waarbij duizenden transistors nodig zouden zijn voor de 1- en 0-logica. Er zou een geïntegreerd circuit nodig zijn dat honderden, duizenden en meer transistors in geïntegreerde circuits zou kunnen ‘integreren’. Maar dat is het verhaal voor deel twee: technologische vooruitgang is nodig op weg naar het bouwen van bruikbare elektrische voertuigen.

Waardeer je de originaliteit van CleanTechnica? Overweeg om een CleanTechnica-lid, ondersteuner, technicus of ambassadeur - of een beschermheer op Patreon.