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PC Netzteile - Energieversorgung im Überblick

In diesem Bericht unserer "Hilfe/Guide" Sektion, möchten wir ihnen ein klein wenig "know how" in Sachen Computer Netzteile vermitteln. Zurückzuführen ist dieser Bericht auf einen Vergleichstest verschiedener Netzteile, die wir anhand ihrer Technik und Ausstattung verglichen haben. Doch was bedeutet es genau, wenn wir von einem "80 Plus Netzteil" sprechen und was ist mit "Bronze-" und "Goldzertifizierung" gemeint? Diese und weitere Fragen versuchen wir im folgenden Bericht zu beantworten.

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Grundlagen - Strom, Spannung und Definition

Energie

Beginnen wir ein wenig nach Adam und Eva und setzten uns erst einmal mit dem Begriff "Strom" auseinander. Strom (korrekt eigentlich elektrische Energie) ist in erster Linie eine Energieform, die sich besonders einfach in andere Energieformen umwandeln lässt und nebenbei äußerst gut geeignet ist, um über weite Distanzen transportiert zu werden. Ein einfacher Blick aus dem Fenster genügt, um sich von dieser These zu überzeugen - Strommasten.

Ein Computer Netzteil, das streng genommen nichts Weiteres ist, als ein Schaltnetzteil, dient als dazu diese übertragene Energie, die in unsere Wohnungen geliefert wird, umzuwandeln und so die geforderte Energie dem Rechner zur Verfügung zu stellen. Daraufhin kann der Computer seine Arbeit verrichten und erzeugt dabei Wärme, die von Lüftern oder Radiatoren abgeleitet werden muss. Hier also erneut ein Energiewandel von Wärme in kinetische Energie.

Elektrische Energie unterliegt der physikalischen Trennung zwischen Spannung (U) und Stromstärke (A). Um es salopp auszudrücken, kann man als Metapher einen Fluss benutzen. Spannung gibt demnach die Geschwindigkeit an, mit der das Wasser fließt - die Stromstärke verdeutlicht die Menge an Wasser, die der Fluss führt. Durch das Produkt beider Einheiten erhält man die elektrische Leistung (P) mit der Einheit Watt, in Bezug auf Zeit. Sprich, wie sehr die Wasserräder im Fluss angetrieben wurden.

Das Umwandeln, wie oben angesprochen bezieht sich auf die Art der Spannungen. Im Haushalt und allgemein in unserem Stromnetz, wird eine Wechselspannung bevorzugt. Die Komponenten eines Computers benötigen aber Gleichspannungen mit verschiedenen Werten. Um wieder unser Beispiel zu benutzen, würde bei Wechselspannung das Wasser abwechselnd den Fluss auf und ab fließen und bei der Gleichspannung seine bevorzugte Flussrichtung beibehalten. Wie die Umwandlung von statten geht, klärt der Punkt "Aufbau und Funktion eines Netzteils".

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Leistung - Watt und VA

Netzteil Bild

Wenn man von Leistung und elektrischer Energie spricht, kann es schnell passieren, dass man den Faden verliert. Das Thema ist weitaus komplexer als es zu sein scheint. Deswegen schneiden wir kurz die Formen der Leistung an, die mit Strom assoziiert werden.

1.) Die Nennleistung: Unter der Nennleistung versteht man die Leistung, -angegeben durch den Hersteller des elektrischen Verbrauchers- die das Produkt zu 100% in der Lage ist zu erbringen, und sie zeitlich unbegrenzt halten kann, ohne das Schäden oder Leistungseinbrüche dem Gerät widerfahren. Ein Spielraum ist theoretisch gegeben, wobei man auch nicht sicher sein kann, in wie weit die Angabe der Realität entsprechen. Kurz um: Reine Orientierungshilfe. Angaben erfolgen in Watt.

2.) Die Wirkleistung: Die Wirkleistung ist die erbrachte Leistung eines elektrischen Verbrauchers, die aufgenommen wird, um die Arbeit zu verrichten. Heißt in Bezug auf Netzteile, das hier sowohl der Wirkungsgrad und die Güte des Netzteils einzuberechnen ist. Diese Art der Leistung macht sich an ihren Geldbeutel in Form von Stromkosten bemerkbar. Auch hier wir die Endung Watt benutzt.

3.) Die Blindleistung: Wie der Name so schön sagt, ist die Blindleistung "blind", und macht sich eigentlich durch rein Garnichts bemerkbar. Weder durch Nutzbarkeit, noch durch Stromkosten. Dennoch spielt sie eine wichtige Rolle für die Stromversorgung, oder konkreter, den Netzbetreiber. Da wir Wechselstromnetze besitzen pendelt auch hier eine gewisse Menge an Strom zum Erzeuger zurück. Dieser muss daraufhin versuchen den Blindleistungsanteil zu kompensieren. Außerdem spielt es eine Rolle für die verlegte Kabeldicke, schließlich muss die rückläufige Energie zulasten von diesen mitgetragen werden (Wärme - Kompensierung durch Durchschnittsvergrößerung). Große Energieverbraucher wie Industrien zahlen auch deswegen ihre Blindleistung mit barer Münze. Für private Haushalte gilt dies nicht, ist aber in versteckter Form im Strompreis enthalten. Angegeben ist sie in VA (Volt- Ampere).

4.) Die Scheinleistung: Die Scheinleistung ist die Summe aus Wirk- und Blindleistung. Sehr kurz gesagt, ist das Ergebnis die Stromleistung, das ein Starkstromkabel zu unserem Haus aushalten muss. Denn wie bereits gesagt, muss sie beide Leistungen aufnehmen können.

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Arten der Netzteile

Netzteil Bild

Mit dem Begriff Schaltnetzteile ist es leider nicht getan. Denn wie überall gibt es auch bei den Energielieferanten eines PCs etliche, unterschiedliche Formen. Unser Artikel wird sich nur mit der näheren Betrachtung eines ATX- Netzteils auseinandersetzen. Trotzdem wollen wir die anderen Formen nicht ausklammern:

Wenn sie nun einwenden, dass es doch wesentlich mehr Formfaktoren gibt, wie z.B., Micro- ATX, ITX, DTX, etc., geben wir ihnen natürlich Recht. Allerdings ändert sich damit nicht die technische Eigenschaft des Netzteils, gewisse Spannungen und Ströme zu erzeugen. Bei diesen Netzteilen werden nur das Layout, die Größe und die allgemeine Leistung an die jeweiligen Systemen angepasst. Bei Mini- ITX kommt deswegen häufig ein Stabnetzteil vor, das aber die gleichen Steckverbindungen und Spannungen, wie ein ATX 2.2 Netzteil besitzt.

Netzteil Bild

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Aufbau und Funktion eines Netzteils

Verfolgen wir nun ein Elektron auf seinen Weg durch das Netzteil und sehen uns die einzelnen Stufen genauer an. Aus dem Hausnetzt gelangen wir durch eine Steckdose in den Kaltgerätestecker. Hier befindet sich Phase, Schutzleiter und Neutralleiter. Die Phase überträgt die elektrische Energie, wobei ihr als Gegenspieler der Neutralleiter dient. Der Schutzleiter ist zwar nicht überall zwingen erforderlich, doch bei Schutzklasse I ist die "Erdung" Pflicht, um Sicherheit zu gewährleisten.

Spannungen im Netzteil

Die Aufgabe des modernen Netzteils besteht darin, eine Wechselspannung von 230 Volt in Gleichspannungen umzuwandeln, die da wären:

So sind in einem Netzteil zwei eigenständige "Kreisläufe" integriert. Ein Kreislauf für die Stromversorgung im Betrieb, ein anderer, für den Stand- By. Wie sie in der Liste sehen, sind die Spannungen +3,3 Volt und +5 Volt unmittelbar voneinander abhängig. Auf den Netzteilen wird ihre Gesamtleistung und Stromstärke oft mit "Combined Power" angegeben. Je nach verwendeter Technik, entsteht die Grundlegende Spannung +5 Volt und +12 Volt aus dem gleichen Transformator. Mit der neuerdings verwendeten, aber High-End Netzteilen vorbehaltener DC/DC Technik, werden die +5 Volt und +3,3 Volt aus der +12 Volt Schiene erzeugt, was ein stabileres und noch effizienteres Power- Layout ermöglicht. Dies liegt auch daran, da die +12 Volt Spannung immer wichtiger für potente Hardware wird und nach wie vor die Hauptschlagader des Computers ist.

Netzteil Bild

Und wofür braucht der Rechner nun die verschiedenen Spannungen? Die Antwort ist leider eher unbefriedigend. Fast überall:

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Der Werdegang zum Energieversorger

Reisen wir aber nun weiter. Wir haben erklärt, was erzeugt werden muss, und was damit gespeist wird. Sehen wir uns nun den Werdegang an.

1.) Vom Kaltgerätestecker durchwandern wir die erste Haltestelle. Mit Hilfe von X- und Y-Dioden, sowie Drosselspulen mit Kondensatoren, wird die eingehende Spannung geglättet und entstört.

2.) Nun geschieht das Wunder der Gleichrichtung. Brückengleichrichter oder mehrere Dioden wandeln nun zum ersten mal Wechselspannung in Gleichspannung um. Doch da die Komponenten eben die Leistung nicht- linear aufnehmen, kommt es dazu, dass Spannung und Strom nicht mehr übereinstimmen. Man spricht von der Phasenverschiebung. Die Angaben des cos(phi) könnten ihnen bekannt vorkommen. Ab 75 Watt muss diese Verschiebung kompensiert werden und außerdem spielt diese eine große Rolle in der erzeugten Blindleistung. 1,00 vermittelt damit die perfekte Übereinstimmung oder simpler, keine Phasenverschiebung, 0,00 die hundertprozentige Dissonanz. Ab hier greift deswegen die PFC: Power Faktor Correction.

Je nach Art der Leistungsfaktorkorrektur (aktiv oder passiv), wird die Blindleistung kompensiert. Passiv ist um einiges billiger in der Herstellung, aber nicht ansatzweise so effektiv, wie die active PFC.

3.) Nach Schritt 2. passieren wir einen Leistungstransistor und weitere Glättungskondensatoren und werden nun zum eigentlichen Herzstück weitergeleitet. Dem Transformator. Eigentlich handelt es sich um zwei benachbarte Spulen, die mit einer Rechteckspannung ihren Dienst verrichten. Erneut kommt es zur Gleichrichtung der Spannung, worauf wir uns im Endeffekt wieder bei Schritt 1. befinden. Siebung, Filterung durch Kondensatoren und Entstörung.

4.) Nun kommt es nur noch auf die Schaltung an, in welcher Volt- Schiene wir uns jetzt befinden. Der Weg zu unserer Komponente steht nun aber nichts mehr im Wege. Es sind alle benötigten - +3,3V, +5V, +12V, -12V - Gleichspannungen entstanden.

Wir erklären es nun nochmals abstrakter. Bitte nicht zu ernst nehmen.

Stellen sie sich vor, ein Netzteil wäre eine Fischfabrik. Der Fisch kommt, wird gesäubert und überprüft und wird vorselektiert weitergereicht(1). Danach hackt ein Koch immer nur die leckeren Teile des Fisches ab und wirft die schlechte Hälfte weg. Weil der Koch aber ein ganz energischer Kerl ist, muss ein Gehilfe dabeistehen und ihm immer schön die Fische und sein Brett zurecht rücken und aufpassen wohin er seine schlechte Hälften wirft. "Er korrigiert quasi seine Leistung (2,3)". Dann läuft alles wie in einem riesigen Konzern ab. Die Hälften werden einzelnen Abteilungen zugeschickt, die daraus ihre Spezialitäten herstellen. Die 12 Flossenfilets, 5 Vlachse, 3,3 Fischstäbchen und so weiter. Nur zum Schluss muss nochmals die Qualität überprüft und festgestellt werden, dass auch alle Filets gleich groß und lecker sind(4). Vorne Fische rein - Hinten alles der Norm entsprechend raus.

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80 Plus - Die Zertifizierungen

80 Plus Logo

Dieses Logo werden sie bestimmt schon einmal gesehen haben. Mit der amerikanischen Initiative 80 Plus, stellte man 2004 ein Konzept zur Förderung effizienter Netzteile vor. Nach Abschluss bestimmender und regelnder Testverfahren wurde 2005 das erste Netzteil mit offizieller Zertifizierung vorgestellt. Allerdings weitete man die Zertifizierungen aus, die mit Bronze, Silber, Gold und Platinum bezeichnet wurden. Es gelten folgende Richtlinien.

Wirkungsgrad bei 20% Auslastung 50% Auslastung 100% Auslastung PFC
80 Plus 80% 80% 80% 0,90
80 Plus Bronze 82% 85% 82% 0,92
80 Plus Silver 85% 88% 85% 0,94
80 Plus Gold 87% 90% 87% 0,95
80 Plus Platinum 90% 94% 91% 0,95

Der Sprung von einem konventionellen, billigen Netzteil mit niedrigen Wirkungsgrad auf ein 80 Plus zertifiziertem Netzteil, bedeutet oft eine sehr hohe Stromeinsparung. Unser Test von mehreren Netzteilen bestätigt diese These. Durch die strengen Richtlinien, auch in Bezug auf die erzeugte Blindleistung, wird dem Anwender nicht nur ein Netzteil mit Effizienz, sondern auch hoher Verlässlichkeit, Qualität und Stabilität der Spannungen versichert.

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