PC-Netzteil

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
PC-Netzteil
PC-Netzteil für 1HE-Gehäuse mit 40-mm-Lüfter, elektrisch ATX-kompatibel und auch in Mini-ITX-Gehäusen zu finden

Ein PC-Netzteil, auch Computernetzteil dient zur Stromversorgung in Mikrocomputern. Der Netz-Wechselstrom wird darin in die im Computer benötigten niedrigeren Gleichspannungen transformiert, gleichgerichtet, gesiebt und geregelt. Es ist als Schaltnetzteil ausgeführt. Beim PC ist es im Gehäuse des Computers eingebaut; Laptops und einige Miniatur-PCs haben externe Netzteile mit ähnlichen Eigenschaften. Einbaunetzteile enthalten auch Lüfter, die neben der Eigenkühlung ganz oder teilweise der Kühlung der im Computergehäuse eingebauten Komponenten dienen.[1]

Eigenschaften[Bearbeiten]

Die Restwelligkeitsmessung erfolgt mit ausgesuchten Komponenten

Zu den grundlegenden Eigenschaften eines PC-Netzteils gehören die Nennleistung und die maximale Belastbarkeit der zu den einzelnen Verbrauchern im Computer führenden Spannungsschienen mit unterschiedlichen Gleichstromspannungen. Als Qualitätsmerkmale gelten ein niedriger Geräuschpegel, ein hoher Wirkungsgrad, eine ausfall- und schwankungsfreie Stromversorgung auch bei asymmetrischen Lasten auf den verschiedenen Spannungsausgängen. Zu Zusatzausstattungen gehören etwa das Nachlaufen des Lüfters nach Abschaltung zur Abführung der Restwärme, abnehmbare Kabel, temperaturgeregelte Lüfter oder ein bestimmtes Design.

Die Spannungsstabilität ist von den Bauteilqualitäten abhängig und soll sich angeblich nur über aufwendige Labortests ermitteln lassen, deren Ergebnisse gelegentlich in Fachzeitschriften publiziert werden und die Charge des getesteten Exemplares betreffen.[1] Ein Prüfaufbau ist definiert, indem parallel zur Last je ein Kondensator mit 1 µF und 0,1 µF geschaltet werden und an dieser Stelle mit dem Oszilloskop gemessen werden (bei SFX-Netzteilen mit 10 µF und 0,1 µF und spezifizierten Bauteilen.[2]). Das Oszilloskop wird auf AC-Messung eingestellt, bei der die Gleichspannung entkoppelt wird.[3][4]

Funktionen wie Kurzschlussschutz, ein gewisser Überspannungs- (OVP) oder Überlastungsschutz (OCP) und ab 75 W Leistungsaufnahme mindestens eine passive Leistungsfaktorkorrektur (englisch passive PFC) sind Vorschrift und sollten selbstverständlich sein, werden dennoch als besondere Ausstattung beworben. Grauimporte können hiervon abweichen, da diese Standards nicht weltweit durchsetzbar sind.

Nennleistung[Bearbeiten]

Die Nennleistung eines Netzteils bezeichnet die von den Herstellern garantierte maximale Leistungsabgabe des Netzteils. Dieser Wert liegt bei gängigen Modellen zwischen 300 und 1000 W, umfasst jedoch 120 W bis 2000 W.[5] Die Nennleistung steht in keinem Zusammenhang mit der aufgenommenen Leistung des Rechners. Die tatsächliche, zeitlich variable, Leistungsaufnahme eines Computers aus dem Stromnetz – der Stromverbrauch – hängt somit zum größten Teil von der Systemauslastung des Computers sowie vom Wirkungsgrad des Netzteils ab.

Neben der Gesamt-Nennleistung wird in den technischen Daten die Belastbarkeit der einzelnen Spannungsschienen in dem Netzteil angegeben. Hierbei liegt der Wert für 3,3 und 5 V unabhängig von der Gesamtleistung bei etwa 100 W, der Rest verteilt sich auf die 12-V-Schiene(n). Bei hochwertigen Netzteilen wird als Nennleistung des Gesamtnetzteils nur eine aufgerundete 12-V-Leistung angegeben; bei besonders einfachen Modellen wird dagegen zum Teil die Summe aller Einzelleistungen gerundet.

Die für ein Rechnersystem benötigte Nennleistung ist von den eingesetzten Komponenten wie Hauptplatine, Computerprozessor (CPU), Grafikprozessor (GPU) und Festplatten abhängig. Eine empfohlene Nennleistung ist aus dem Handbuch der Hauptplatine sowie den Datenblättern der Komponenten in ihren Summen ersichtlich. Zu knapp dimensionierte Netzteile können Leistungsspitzen nicht hinreichend ausgleichen, was zu schwer eingrenzbaren Stabilitätsproblemen führen kann.

Funktion[Bearbeiten]

Blick ins PC-Netzteil
PC-Netzteil ohne Netzfilter und ohne PFC
Teilbestückte Leiterplatte eines ATX-Netzteils zeigt die Position optionaler Bauteile
PC-Netzteil mit vier (drei weiteren) Optokopplern statt Übertrager

PC-Netzteile sind Schaltnetzteile auf Basis des Eintaktflusswandlers oder des Gegentaktflusswandlers in Parallelspeisung mit Current-Doubler.[6] Sie regeln die 5-V-Ausgangsspannung. Diese muss sehr stabil sein, um die Funktion des PCs zu erhalten. Die 12 V laufen über denselben Transformator mit, daher schwanken die 12 V Nennspannung im definierten Lastverhältnis der Ausgänge 5 V und 12 V innerhalb der Spezifikationen. Die 12 V werden für Laufwerksmotoren verwendet, bei denen stets die Drehzahl geregelt wird, und zur Speisung von Abwärtswandlern auf Mainboards und Grafikkarten. Da diese Wandler Ausgangsspannungen unter 2,5 V erzeugen und von der jeweiligen CPU bzw. GPU abhängig eingestellt werden, können sie nicht im Netzteil untergebracht werden. Eine feinere Regelung der 12 V ist daher nicht notwendig. Die nach den sekundären Gleichrichtern geschalteten Speicherdrosseln für 5 V und 12 V sind über einen gemeinsamen Ringkern gewickelt. Übertrager und sekundäre Gleichrichter verwenden die Mittelpunktschaltung für die positiven Ausgangsspannungen.[6] Klemmschaltungen sind die Ausnahme in PC-Netzteilen. Um Ausgänge ohne spezifizierte Mindestlast innerhalb der Spannungsspezifikationen zu halten wird mit Lastwiderständen gearbeitet; bei höherwertigen Netzteilen mit spannungsabhängigen Lasten wie dem „TL431“.[7]

Die 3,3 V wurden anfänglich über einen Abwärtswandler aus den 5 V generiert. Zwischenzeitlich besitzt der Übertrager Wicklungen oder Abgriffe für die 3,3 V. Bei der verbreitetsten Methode werden die Ausgänge des Hauptübertragers für die 5 V über ein oder zwei Ringkernspulen auf den Gleichrichter für die 3,3 V geschaltet und diese Ausgangsspannung wird durch Phasenverschub erzeugt. Bei vielen Netzteilen sind gemeinsame Angaben über Gesamtausgangsleistung der 3,3 V und 5 V spezifiziert.[6] Da bei niedrigen Spannungen und höheren Strömen ein erheblicher Spannungsabfall an den Leitungswiderständen von Kabeln und Steckkontakten auftritt, werden die 3,3 V am mainboardseitigen Stecker abgetastet und auf den Regler zurückgeführt (+3,3-V-Rückmeldung). In der Praxis werden die 3,3 V mit zwei Leitungen im selben Schuh des ATX-Steckers gespeist und zurückgemessen. Verlängerungen und Adapter zwischen Netzteil und Board können sich unter hoher Last störend auswirken, da der verlängerte Kabelabschnitt nicht Teil dieses Regelkreises ist. Im Massensegment dominieren die pin- und funktionsgleichen universellen Schaltspannungsregler „IR3M02“, „TL494CN“ und „KB7500B“, die ursprünglich nicht für PC-Netzteile entwickelt wurden. Sie sind im Sekundären Schaltkreis untergebracht, damit sie die Ausgangsspannung zum Regeln messen können. Ihre Ansteuerung der Schalttransistoren bedarf ebenfalls einer galvanischen Trennung.[6] Diese erfolgt über weitere Optokoppler oder einem Signalübertrager (einem kleineren Transformator).[6] Da dieser Signalübertrager Wicklungen mit Zwischenabgriff hat, ist dies in vielen Schaltungen die Grundlage, um Eintaktflusswandler und Gegentaktflusswandler anzusteuern und komplementäre Impulse des Gegentaktflusswandlers zu übertragen zu können. Zu Zeiten des XT-PCs hatte deren Netzteil einen kleinen konventionellen Transformator eingebaut. Dieser entsprach etwa einem Ladegerät für Mobiltelefone. Mit diesem wurde der Regler versorgt. Später wurde daraus ein Sperrwandler-basiertes Schaltnetzteil. Bis heute kommen die meisten PC-Netzteile nicht ohne einen Optokoppler aus, da dieser zurückmeldet, wann am Ausgang genügend Spannung anliegt. Das im ATX-Standard definierte Standby ist nichts anders als diese Hilfsspannung auf 5 V geregelt über auf spezielle Schaltkreise der Hauptplatine zu führen. Damit bleibt der PC ständig am Strom und lässt sich wie ein Fernsehgerät über die Fernbedienung einschalten. Wird nun die Schaltung um den Regler des Hauptnetzteils versorgt oder ein fingiertes Fehlersignal auf den Fehlereingängen des Reglers abgeschaltet, schaltet der PC ein.

Netzteile für Spieler-PCs mit einer Ausgangsleistung über 600 W haben weitere separate 12-V-Netzteile für die Grafikprozessoren und Laufwerke im selben Gehäuse eingebaut. In neueren ATX12V-Standards sind Änderungen diese Art schon ab 400 W zu finden. Dies beginnt mit einer parallel geschalteten zweiten Gleichrichter-Doppeldiode, einer modifizierten Hauptübertrager mit einer zweiten Wicklung für die 12 V und stärkeren Schalttransistoren. Technisch sind sie wie Siamesische Zwillinge verschaltet, um die Bauteilkosten zu begrenzen sowie bei identischen Kabelquerschnitten Kurzschlussfestigkeit zu gewähren. Netzteile mit zwei Hauptübertragern sind ebenfalls hergestellt worden. Die verschiedenen Ausgänge für 12 V sind mit 12V1, 12V2, 12V3, 12V4, definiert nach EPS-Spezifikation gekennzeichnet.[8] Im oberen Leistungssegment gibt es Netzteile mit einer einzigen 12-V-Schiene, die bei manchen Modellen über 100 A liefern kann. Das ermöglicht bei gleicher Leistung eine höhere Flexibilität, da beim Anschließen der Komponenten nicht auf die richtige Lastverteilung zwischen den einzelnen 12-V-Schienen geachtet werden muss. Dieses Feature wird als single 12 V power rail beworben.[9][10] Die 3,3 V und 5 V werden über separate Abwärtswandler aus den 12 V erzeugt und regeln diese unabhängig.

Für Miniaturbauweisen von Design-, Tisch-, Auto- und Industrie-PCs sind zudem – wie bei Laptops – externe Netzteile in Mode gekommen. Auf diese Weise können die Sicherheitsverordnungen für den weltweiten Export einfacher an den Zielmarkt angepasst werden, indem jeweils ein passendes Netzteil geliefert wird. Da dieses nur eine Spannung aufweist, müssen die anderen Spannungen im Computer erzeugt werden. Diese liefern nicht für jeden Computer ausreichend Strom. 2005 wurde die direkte Anbringung der Wandler in und am Stecker der Hauptplatine patentiert.[11] Die meisten dieser Wandler sind nicht für schwankende Eingangsspannungen wie das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges ausgelegt.

Das PG-Signal (Power Good) wird über ein Zeitglied an einem Komparator auf die 5 V geschaltet. Sobald es 5 V führt, ist sichergestellt, dass das Netzteil nach dem Einschalten seine Ausgangsspannungen aufgebaut hat. Für das Mainboard bedeutet dies, dass es den Betrieb starten kann. Dazu wird das interne Reset-Signal, welches nicht direkt auf den Reset-Taster (Power On Reset, POR) geführt ist, nicht mehr bedient. Dieser Teil wird vom Taktgenerator verarbeitet.

5 V SB (Standby) sind je nach ATX-Standard-Version bei ausgeschaltetem PC verfügbare 100 mA, 1 A oder 2 A bei 5 V (manche ATX-Netzteile liefern abweichend der Spezifikation 4 A[12] und 6 A[13]). Damit werden verschiedene Einschaltlogiken in Bereitschaft gehalten (einige sind je Hauptplatine optional):

  • Die Schaltung um den Power-Taster des PCs
  • Die Netzwerkkarte, sofern diese das Einschalten über das Netzwerk (WOL) unterstützt
  • Ein Ereignis (Powerevent) auf dem PCI-Bus (ab PCI Version 2.2)
  • Je nach Konfiguration werden Tastatur, Maus sowie der Tastaturcontroller über 5 V oder 5 V SB versorgt zum Einschalten per Tastendruck.
  • Dedizierte USB-Anschlüsse zum Einschalten z. B. über USB-Tastatur
  • Der Pin 9 (= Ring-Detect-Signal) der seriellen Schnittstelle für Wake On Modem

Das Power-On-Signal (bei AT nicht vorhanden) führt 5 V SB über einen Pullup-Widerstand. Wird die Leitung nach Masse (0 V) bzw. das PC-Gehäuse geschaltet, wird das Netzteil aktiviert. Die aktuelle virtuelle Schalterstellung Ein/Aus des PC wird vom Mainboard gespeichert.

ATX-Steckverbinder gibt es in den zwei Varianten ATX-20 und ATX-24. In den gemeinsamen 20 Pins sind sie identisch belegt. Die neueren vier Pins führen 3,3 V, 5 V, 12 V und 0 V (Schwarz) und sind auf dem Mainboard stets unter den spannungsgleichen Anschlüssen durchverbunden. Die Vorteile der zusätzlichen Pins sind die damit verbundenen geringeren Übergangswiderstände zum Mainboard, sowie die Kontaktsicherheit durch Redundanz der 12 V.

Standby[Bearbeiten]

Mit Einführung des ATX-Standards wurde die im Netzteil erzeugte Hilfsspannung zur Versorgung des auf der Sekundärseite angebrachten Spannungsreglers angezapft und der Hauptplatine in geregelten 5 V zugeführt. PCs lassen sich seitdem auf Ereignisse einschalten und der Schalter des PC ist ein Taster auf der Niederspannungsseite geworden.

Am USB angeschlossene batteriebetriebene Geräte, die über +5V SB mit Strom versorgt werden, können bei ausgeschaltetem PC geladen werden, sofern es das Gerät unterstützt. Hierzu zählen Mobiltelefone, deren Ladegeräte den USB-Stecker benutzen. Nicht jeder USB-Anschluss am PC ist auf die +5V SB verbunden. Dies ist von der Hauptplatine abhängig.

AC-Eingang eines PC-Netzteils

PFC[Bearbeiten]

In der EU verkaufte elektrische Verbraucher mit einer Nennleistung über 75 W – also auch sämtliche PC-Netzteile – müssen über einen Leistungsfaktorkorrekturfilter (englisch Power Factor Compensation, daher PFC abgekürzt) verfügen. Von diesen gibt es zwei Bauformen: Die passive Version ist vergleichsweise billig, schwer und nur begrenzt wirksam. Die zweite, teurere Lösung ist ein aktiver Filter, der zudem eine bessere Wirkung aufweist. Die 80-PLUS-Zertifizierung schreibt einen Leistungsfaktor über 0,9 vor, der mit einer passiven PFC nur schwer erreichbar ist, sodass de facto sämtliche 80-PLUS-Netzteile einen aktiven Filter besitzen. In der Praxis bewegen sich aktive PFCs zwischen 0,95 und 1.[1][6] Eingangsspannungsanpassung, Einschaltstrombegrenzung und Leistungsfaktorkorrektur sind in einigen Konstruktionen sehr eng verbunden und werden von aufeinander ausgelegten Bauteilen miterfüllt.

Eingangsspannungsumschaltung[Bearbeiten]

Sofern das vorgesehen ist, lassen sich PC-Netzteile an Stromnetzen mit unterschiedlicher Spannung betreiben. Die Umschaltung kann manuell oder automatisch erfolgen. Netzteile mit Spannungsumschalter 115/230 V sind auf eine mittlere Eingangsspannung von 160 V optimiert und erreichen dabei ihren höchsten Wirkungsgrad. Sie besitzen zwei in Serie geschaltete Kondensatoren mit 200 V und mindestens 220 µF (bei 250 bis 300 W Nennleistung). Um die Spannung gleichmäßig auf die Kondensatoren zu verteilen, sind Varistoren (spannungsabhängige Widerstände) parallel zum jeweiligen Kondensator geschaltet. Der Spannungsumschalter brückt in der Stellung 115 V eine Phase der Netzspannung zwischen die beiden Kondensatoren. Auf diese Weise wird aus dem Brückengleichrichter ein Zweiwegegleichrichter. Hierdurch entsteht der klassische Spannungsverdoppler in Delon-Brückenschaltung. Bei manueller Umschaltung, die meist über einen nur mit einem Werkzeug zu betätigenden Schalter erfolgt, besteht bei falscher Einstellung die Gefahr einer sofortigen Zerstörung des Netzteils.[6]

Einige Netzteile weisen eine automatische Anpassung auf, die den Betrieb zwischen 100 V (teilweise ab 80 V) und 240 V Netzspannung erlauben. Diese Netzteile erreichen dies mit einem überdimensioniertem primärseitigen 450-V-Kondensator. Die Spezifikationen der Passiv-PFC sind damit weitgehend erfüllt. Sie werden ggf. über eine am Gleichrichter in Reihe geschaltete Induktivität gewährleistet. Diese verschiebt den einsetzenden Stromfluss, wenn die Netzspannung die Ladespannung des Kondensators übersteigt. Diese bei der Passiv-PFC eingesetzten Drossel verursacht im Betrieb an einer unterbrechungsfreie Stromversorgung, die keine Sinusspannung ausgeben zu ungewollten Induktionsspannungen, die zu Zerstörung führen können. Leider kommen teilweise 400-V-Kondesatoren zum Einsatz. Diese können eine Fehlerquelle darstellen, da bereits bei 230 V die Spitzenspannung zuzüglich Netzspannungstoleranz, Störspannungen wie Rippel und Nullpunktsverschiebungen im praktischen Betrieb vorübergehend über 400 V liegt.

Die leeren eingangsseitigen Siebkondensatoren in PC- und Schaltnetzteilen verursachen hohe Einschaltströme, welche die Schaltkontakte vom mechanischen Schaltern stark beanspruchen und flinke Sicherungen auslösen können. Im Eingang sind in Serie geschaltet eine Schmelzsicherung, überwiegend träge, und zur Begrenzung des Einschaltstromes ein NTC (Heißleiter).[6]

Einfache Aktiv-PFCs schalten über Halbleiter gesteuert von Zeitgliedern den Gleichrichter auf die Kondensatoren. Andere Aktiv-PFCs bestehen aus einem eingangsseitigen Schaltspannungsregler, der Eingangsspannungsanpassung, Einschaltstrombegrenzung und Leistungsfaktorkorrektur übernimmt.

Sicherheit[Bearbeiten]

Lötseite einer Netzteil-Leiterplatte mit eingehaltenen Sicherheitsabständen. Ausgefräst, um die Kriechstromfestigkeit bei Unterschreitung für den industriellen Einsatz von 8 mm zu gewährleisten.
Überlastete Elkos im PC-Netzteil
Explodierter Kondensator im PC-Netzteil
Lüfter-Entkoppler im PC-Netzteil
(Vom Hersteller in Serie verbaut)

PC-Netzteile sind versiegelt. Sie unterliegen verschieden Normen, wie dem CE-Zeichen und der damit verbundenen DIN-VDE-Normen Teil 8 enthaltenen EN 60950, der europäischen Version der IEC 950, und der EN 55022, in der Geräteklasse der Anwendung des PCs als Heim- oder Industriegerät, wobei der Bürobereich Überschneidungen bietet und zulässt. Das Netzteil liefert Ausgangsströme über 8 A und bedarf daher des Betriebes in einem geeigneten (PC-)Gehäuse, das abschmelzende Kabel nicht zum Brandherd werden lässt. Mit dem ATX-Standard sind sämtliche Teile, die Netzspannung führen, wieder im Netzteil untergebracht. Dies war selbst beim IBM XT der Fall, dessen Schalter im Netzteil durch eine Aussparung im PC-Gehäuse bedienbar war. AT-Netzteile hatten einen in den PC herausgeführten Netzschalter, dessen Stecker oder Lötösen teilweise unzureichend isoliert sowie die in der KFZ-Technik verwendeten 6,3er-Kabelschuhe, die oft schlecht gegen Herausziehen gesichert waren. Häufig war der damit vorgeschriebene Schutzleiter an einer tragenden Schraube und nicht dediziert montiert. Hat das Netzteil eine Kaltgerätedose (Netzspannungsausgang) nach IEC 60320 C13, so werden beide Leiter durch den Hauptschalter (4-polig) getrennt, sonst genügt ein einfacher Schalter (2-polig).

Es befanden sich Netzteile auf dem Markt, deren Leiterplatten die Mindestabstände zwischen Primär- und Sekundärstromkreis unterschritten. Außerdem waren Netzteile am Markt, die einen ungeerdeten gemeinsamen Kühlkörper für Bauteile des primären und sekundären Schaltkreis hatten. Zudem ist zu beachten, dass Netzteile bei erkannter Fehlfunktion abschalten und die primären Elkos noch bis 60 Minuten nach Trennung von Netz gefährliche Spannung führen können, sofern die parallelgeschalteten Entladewiderstände funktionieren, sonst länger. Gefälschte, ungeeignete und unterdimensionierte Elkos können platzen und deren Alufolien und -bechergehäuse spannungsführende Teile auf die Sekundärseite lebensgefährlich verbinden und Kurzschlüsse verursachen. Die Elkos sind daher an benachbarte Bauteile angeklebt, um ihre Bestandteile zurückzuhalten.

Wirkungsgrad[Bearbeiten]

Ein wichtiges Merkmal eines PC-Netzteils ist sein Wirkungsgrad, der von der technischen Qualität der Konstruktion und der elektrischen Belastung abhängt. Allgemein gilt ein Wert von 80 % als untere Grenze für ein Netzteil mit „gutem“ Wirkungsgrad. Ursächlich hierfür ist vermutlich die 80-PLUS-Kampagne, für die ein Mittelwert von Bedeutung ist, der an den Leistungspunkten bei 20 %, 50 % und 100 % Last gemessen wird. Die besten Netzteile erreichen einen Wirkungsgrad von rund 88 % bei 20 % Last und Volllast, sowie über 90 % Wirkungsgrad bei 50 % Last. In unteren Preisklassen sind noch Modelle mit einem Wirkungsgrad von weniger als 50 % erhältlich. Wie die Wirkungsgrade für andere Lastwerte aussehen, lässt sich aus dem angegebenen Wirkungsgrad nicht ersehen, es wird jedoch allgemein davon ausgegangen, dass es hierbei nur kleine Abweichungen gibt; einzelne Netzteil-Tests bestätigen dies. Bei einer Belastung von unter 20 % sinkt der Wirkungsgrad stark ab.[14][15][1]

Letzteres führt zu Problemen, da sich der Netzteilmarkt immer mehr von der sonstigen Entwicklung im PC-Markt abgekoppelt hat. Netzteile, die über eine „80-PLUS“-Kennzeichnung verfügen, sind erst ab einer Nennleistung von 300 bis 350 Watt im Einzelhandel zu bekommen; Modelle mit bis zu 90 % Wirkungsgrad oft erst ab 500 Watt. Technisch wäre anderes möglich. So ist beispielsweise bei Dell ein 235-Watt-Modell im Angebot, das an den Prüfpositionen 20 %, 50 % und 100 % im Mittel einen Wirkungsgrad von knapp über 90 % erzielt.[16]

Im Gegensatz dazu hat ein moderner PC ohne dedizierte Grafikkarte, wie oft im Office-Bereich eingesetzt, im Leerlauf meist nur eine Leistungsaufnahme von 40 bis 50 Watt, die unter Last selten über 100 Watt steigt.[17] Hierfür wären also Netzteile mit einer Nennleistung von maximal 200 bis 250 Watt sinnvoll, um die 20-%-Last nicht zu unterschreiten. Eine Leistungsaufnahme von 350 Watt wird hingegen normalerweise erst bei der Verwendung von Hochleistungsgrafikprozessoren (insbesondere sogenannter Dual-GPU-Karten wie Nvidia GeForce GTX295 oder ATI Radeon HD 4870 X2) überschritten.[18] Bei noch umfangreicheren Konfigurationen ist eine Leistungsaufnahme von mehr als 1000 Watt möglich.[19]

Eine Optimierung des Wirkungsgrades hängt von den verwendeten Siebkondensatoren ab. Je schneller sie altern, desto häufiger muss vermeidbar geschaltet werden, was einen Verlust mit sich bringt. Wesentliche Einsparungen an Energie brächte der Einsatz von Synchrongleichrichtern auf der Sekundärseite mit sich.[20][21][6] Auf Dioden fallen je nach Technologie und Halbleitermaterial 0,7 bis 0,3 V ab, während Transistoren auf weit unter 0,2 V möglich sind, was sich auf die Ausgänge der 3,3 V und 5 V besonders (mit bis zu 10 W Einsparung je nach Anwendung) auswirkt, die nicht mehr über den Kühlkörper abgegeben werden müssen.[6] Die Erhöhung des Schaltfrequenzbereiches verkleinert und optimiert die Übertrager und verteuert zudem die Schalttransistoren. Ein weiterer Verlust kann bauartbedingt in der PFC auftreten.

Lebensdauer[Bearbeiten]

Geöffneter 80-mm-Lüfter mit Gleitlager

Gut ausgelegte und mit hochwertigen Bauteilen gefertigte Netzteile können zehn Jahre gut überdauern, wenn sie in sauberen und kühlen Räumen betrieben werden. Falsch dimensionierte können nach etwa ein bis drei Jahren ausfallen.

Die Schmiermittel in den Lagern der Lüfter unterliegen einem starken Alterungsprozess, nicht zuletzt durch die Aufnahme von Abrieb. Lüfter sind je nach Größe, Drehzahl und Umgebungstemperatur ab 50.000 Stunden MTTF spezifiziert, was einem Dauerbetrieb von 5,7 Jahren entspricht. Kugellager können eine längere Lebensdauer aufweisen, während bei Gleitlagern das Schmiermittel ausgetauscht werden kann. Die Lüftermotoren sind bürstenlos.

Elektrolytkondensatoren[22][23] trocknen auf Dauer aus. Unter ihren spezifizierten Grenzbedingungen wie höherfrequenter Rippel- und Mischstrom und hohen Temperaturen (85 oder 120 °C je nach Elektrolyt) wird deren Lebensdauer zwischen 1000 und 6000 Stunden angegeben, womit in dieser Betriebsart nach sechs Wochen die Lebensdauer erreicht wäre. Je weiter von der Extrembelastung Abstand gehalten wird, vervielfacht sich die tatsächliche Lebensdauer bis zur annähernden Lagerlebensdauer.

Des Weiteren können Wärmeleitpasten verharzen oder aushärten, die die Gleichrichter und Schalttransistoren auf die Kühlkörper thermisch koppeln. Kabelisolierungen und Steckverbindungen folgen in rund 15 bis 30 Jahren nach Herstellung.[1]

Stecksysteme[Bearbeiten]

Seit 2006 werden bei einigen Netzteilen Stecksysteme für die internen Anschlüsse angeboten – „Kabelmanagement“ genannt – und sind als US-Patent 7133293 B2 eingetragen.[24] Dabei sitzen an der Innenseite des Netzteils mehrere Buchsenleisten.[1] Die Kabel zu Grafikkarten und Laufwerken sind daran steckbar, seltener der Stecker zur Versorgung der Hauptplatine, der immer benötigt wird und dessen Kabel direkt aus dem Netzteil herausgeführt werden. Diese Systeme führen einerseits zu einer größeren Flexibilität, da nicht benötigte Kabel entfernt werden können und nicht den Kühlluftstrom behindern können oder Kabel in unterschiedlichen Längen angeboten werden können. Allerdings führen diese Steckverbindungen durch den Übergangswiderstand am Steckverbinder zu einer leicht verschlechterten Effizienz und die höhere Wahrscheinlichkeit an Wackelkontakten kann zu Ausfällen führen.

Passiv gekühlte Netzteile[Bearbeiten]

Als „passiv gekühlt“ wird ein Netzteil bezeichnet, das über keinen Lüfter zur Wärmeabfuhr verfügt, hierfür über relativ große Rippenkühler verfügt. Selten wird ein Peltier-Element eingesetzt, das die Abfuhr größerer Wärmemengen erlaubt, aber wegen des sehr schlechten Wirkungsgrads den Stromverbrauch erhöht und selbst Wärme produziert, die das Innere des PC-Gehäuses weiter aufheizt und anderweitig abgeführt werden muss. Passiv gekühlte Netzteile sind selbst geräuschlos, die gegebenenfalls erforderlichen Gehäuse- und CPU-Lüfter oder Wasserkühlungen nicht.

Eine Abwandlung sind semi-passive Netzteile, die über einen Lüfter verfügen, der nur bei Bedarf eingeschaltet wird. Dies ist bei einigen Netzteilen der Fall, die einerseits einen hohen Wirkungsgrad (~ 90 %) besitzen, wodurch weniger Abwärme produziert wird, und andererseits einen hohen Leistungsbereich abdecken, der zusätzliche Kühlung erfordern kann.

Redundante Netzteile[Bearbeiten]

Leiterplatte eines redundanten Netzteil-Moduls
Redundantes PC-Netzteil für ein 19"-Gehäuse
Redundantes PC-Netzteil mit separaten Eingängen

Redundante Netzteile werden bei Servern und wichtigen Computern eingesetzt, um die Ausfallsicherheit zu erhöhen. Dabei sind zwei oder drei Netzteileinschübe in einem gemeinsamen Netzteilkäfig montiert. Die Einschübe können je nach Ausführung eine gemeinsame oder getrennte Netzzuleitungen über den Einbaurahmen haben. Dies kann eine Schwachstelle sein, da die Elektronik des Einbaukäfigs nur einmal vorhanden ist. Besser sind Geräte mit einer passiven Backplane, bei denen jeder Einschub einen eigenen Netzanschluss aufweist. Bei getrennten Eingängen für die Netzspannung können verschiedene Sicherungen und wahlweise unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) geschaltet werden. Falls einer der Netzteileinschübe ausfällt, läuft der Server ohne Unterbrechung weiter. Bei getrennten Eingängen läuft der Server weiter, wenn die USV durch einen Defekt ausfällt, wenn nur ein Eingang durch die USV geschleift ist und der andere Einschub noch mit Spannung versorgt wird. Erst ein Doppelfehler führt zum Ausfall. 2002 wurden kompakte, redundante Netzteile, die den Abmessungen standardisierter PC-Netzteile entsprechen, patentiert. Dennoch benötigt das Gehäuse einen vergrößerten Ausschnitt und andere Positionen der Schrauben.[25]

Formate[Bearbeiten]

Die Formate beschreiben mechanische und elektrische Eigenschaften, um das jeweilige Netzteil für möglichst viele entsprechende Computer passend zu machen.[1]

Die Spezifikationen umfassen:

  • Außenabmessungen
  • Befestigungsmöglichkeiten wie Positionen der Schrauben
  • Luftstrom zur Kühlung des gesamten Computers
  • Steckerabmessungen
  • Steckerbelegungen
  • Mindestanzahl von Steckern
  • Kabellängen
  • Ausgangsspannungen
  • Strom je Ausgangsspannung
  • Wirkungsgrade

Nahezu sämtliche IBM-PC-kompatible Computer werden heute nach dem ATX-Format oder einem damit verwandten Format mit dem gleichen Anschlussstecker versorgt (SFX, TFX). Bis etwa Mitte der 1990er Jahre war das AT-Format üblich. Daneben gab es das kurzlebige BTX-Format in der Ära des Intel Pentium 4.

Maße und Befestigungsmöglichkeiten sind in den Gehäusenormen festgelegt, die jedoch nur die Breite und Höhe, nicht jedoch die Tiefe definieren. So kann die Verwendung eines leistungsfähigen Netzteils zu einem Platzproblem führen, das speziell bei kleinen Gehäusen thermische Probleme nach sich zieht. Die zur Montage standardisierter Netzteile geschnittenen Gewinde sind für 6-32er Schrauben und entsprechen dem Unified Thread Standard.

Es gibt Hersteller von PC-Komplettsystemen und Servern, die von den Standards der Steckerbelegung abweichen. Aus Kostengründen finden jedoch dieselben Steckerserien Verwendung. Dies ist bei genauer Betrachtung der Kabelfarben und Reihenfolge bereits offensichtlich.

AT-Netzteil

AT-Format[Bearbeiten]

AT-Netzteilstecker
Farbe Pin Signal
orange P8.1 Power Good
rot P8.2 +5 V
gelb P8.3 +12 V
blau P8.4 −12 V
schwarz P8.5 Masse
schwarz P8.6 Masse
schwarz P9.1 Masse
schwarz P9.2 Masse
weiß P9.3 −5 V
rot P9.4 +5 V
rot P9.5 +5 V
rot P9.6 +5 V
Anschlussleiste AT-Hauptplatine
Molex-8981-Steckverbinder
Farbe Pin Signal
gelb 1 +12 V
schwarz 2 Masse
schwarz 3 Masse
rot 4 +5 V

Die AT-Netzteile (Advanced Technology) basieren auf einer von IBM im Jahr 1984 eingeführten Spezifikation.[1] Sie unterscheiden sich von heutigen Netzteilen insbesondere dadurch, dass sie einen herausgeführten Schalter besitzen. Diese Schalter befanden sich ursprünglich direkt im Netzteilgehäuse und waren auf der Rückseite oder durch eine Gehäuseaussparung seitlich erreichbar. Später wurden sie mittels einer Netzleitungsverlängerung in der Front des PC-Gehäuses untergebracht, wobei es keinen übergreifenden Standard für die Art, die mechanische Bauform und die Montage des verwendeten Schalters gibt.

Sie schalten das Netzteil und damit den PC auf der Netzspannungsseite physikalisch aus. Es gibt also keine Standby-Modi.

Ferner ist der Stromanschluss für ein AT-Mainboard mit zwei mechanisch identischen, jedoch unterschiedlich belegten Steckern ausgeführt. Im Normalfall werden sie nebeneinander gesteckt, mit den schwarz markierten Adern zueinander. Die beiden Steckerhälften waren nicht mechanisch kodiert und konnten daher vertauscht aufgesteckt werden, was zu einem Kurzschluss und überwiegend Schäden an der Hauptplatine führt.

Molex-Steckverbinder 8981 für (ältere) Laufwerke

An Steckverbindungen bieten diese Netzteile:

  • zweiteiliger Stecker (2 × 6) zur Stromversorgung der Hauptplatine (±12 V, ±5 V und GND)[1]
  • 4-Pin-Molex, Produktreihe 8981, oder Tyco Electronics AMP 61314-1[3] für interne Peripherie wie Festplatten u. Ä., 5 und 12 V, mit Kabeln der Stärke 18-AWG. Verwendet von IBM in Computern seit 1981.[1]
  • 4-Pin-BERG- oder AMP-171822-4[3]-Stecker für Floppy-Disk-Stromversorgung (5 und 12 V) mit Kabeln der Stärke 20-AWG

ATX-Format[Bearbeiten]

24-Pin-Hauptstrom-, 8-Pin-CPU- und 4-Pin-CPU-Stecker, netzteilseitig
24-Pin-Hauptstrom-, 8-Pin-CPU- und 4-Pin-CPU-Anschlüsse auf dem Mainboard

ATX steht für Advanced Technology Extended. Bei ihrer Einführung 1995 verfügten diese PC-Netzteile über folgende Steckverbinder:

Weiterer 4-poliger Stromanschluss 8981 nach AsusTek (US-Patent 6827589 B2)[26]
  • Molex, Produktreihe 5566: 20 Pin (Steckerbelegung) zur Stromversorgung der Hauptplatine, der die beiden 6-poligen Stromversorungsstecker der AT-Hauptplatine ablöste

Übernommen wurden:

  • Molex, Produktreihe 8981: 4 Pin (für interne Peripherie), den AsusTek patentiert ab 2002 auf Hauptplatinen einsetzte.[26]
  • Der 4-polige BERG-Stecker für die Stromversorgung von Floppy-Disk-Laufwerken

Geändert übernommen wurde:

  • optional der 6-polige AUX-Stecker, der aus der Serie der AT-Hauptplatinen-Anschlüsse war[1]

Außerdem in neueren Ausführungen:

  • Molex, Produktreihe 5566: 24 Pin statt 20 Pin (Steckerbelegung) zur Stromversorgung der Hauptplatine (Molex 39-01-2240 24-Pin[27])
  • Molex, Produktreihe 5557
    • 4 Pin Hauptplatine (ATX12V bzw. „Intel-P4-fähig“)
    • 8 Pin Hauptplatine, Molex 39-01-2080[27] (EPS12V-Standard, statt des 4-Pin-Steckers, Intel-Multicoreprozessoren nach Core 2, i7 etc.)[1]
    • 6- oder 8-Pin-PCI-E (Anzahl variiert, meist für leistungsstarke PCI-E-Steckkarten wie Grafikkarten)
  • Molex: 15-polige Stecker der Produktreihe 67926 mit Schneid-Klemm-Kontakten bzw. Produktreihe 67582 mit Crimpkontakten für S-ATA-Stromanschlüsse für S-ATA-Geräte
  • optionaler Tachosignalstecker zum Anschluss auf der Hauptplatine zum Auslesen der Netzteillüfter-Drehzahl. Hier ist nur das Tachosignal auf den Pin 3 angeschlossen. Der Lüfter wird vom Netzteil selbst gespeist. Daher sind die Pins 1 und 2 nicht belegt.

In neueren Ausführungen fiel weg:

  • der 6-polige AUX-Stecker
  • die Leitung für -5 V im 20- bzw. 24-poligen Hauptplatinen-Anschluss

Intel hat im ATX-Standard die Stecker nach Hersteller spezifiziert und räumt dabei die Verwendung kompatibler Steckertypen ein. Es sind längst andere Hersteller am Markt vertreten. Ihnen sind kleine Modifikationen zu verdanken, die Stecker flexibler einsetzbar machen.

Die übliche Bauform eines PC-Netzteils ist ein quaderförmiges Blechgehäuse, abmessungsgleich mit dem AT-Netzteil, jedoch um 180° gedreht, da die liegende Leiterplatte im Luftstrom lag. Das Netzteil hat eine Kaltgeräte-Buchse nach IEC 60320 C14 für die Netzspannung, optional einen Netzschalter (dann in seltenen Fällen – vom AT übernommen – eine mitgeschaltete Kaltgeräte-Buchse nach IEC 60320 C13 für die Stromversorgung des Monitors) sowie einen oder mehreren Lüftern. Ab spätestens 16 A Eingangsstrom, was bei 1472 W Ausgang und 115 V Eingang bei 80 % Wirkungsgrad auftritt, werden IEC-60320 C19/C20 eingesetzt. Die Lüfter dienen nicht nur der Kühlung des Netzteils selbst, sondern der Kühlung des Rechners insgesamt, indem der Luftstrom aus dem Rechnergehäuse durch das Netzteil nach außen gefördert wird. Computer- und Netzteilgehäuse haben diverse Schlitze und Öffnungen durch die der Luftstrom gelangt.

Bei leistungsstarken Computern reicht die Kühlwirkung des Netzteillüfters allein meist nicht mehr aus und muss durch andere Maßnahmen, beispielsweise zusätzliche Gehäuselüfter, ergänzt werden.

Das Netzteil wird am Ausschnitt der Rechnergehäuse-Rückwand mit vier Schrauben befestigt. Es existieren Sonderbauformen, z. B. wassergekühlte Umbauten. Diese sind nicht im ATX-Standard definiert, tangieren diesen nur selten. Bei Wasserkühlung an Netzteilen (oder über Netzteilen im Falle eines undichten Systems) ist auf die elektrische Sicherheit zu achten. Die Sicherheitsvorschriften sind so ausgelegt, dass konstruktionsseitig Maßnahmen ergriffen sein müssen, die im Fehlerfall eine Gefährdung ausschließen.

Anschlüsse eines ATX-2-Netzteils
3: SATA-Stromanschluss mit 3,3 V und gecrimpten Kabeln
SATA-Stromanschluss ohne 3,3 V mit Schneidklemmen

PC-Netzteile müssen mindestens folgende Ausgangsspannungen zur Verfügung stellen: +12 V, +5 V, +3,3 V, −12 V, +5 V SB (Standby-Spannung), wobei nach ATX 2.0 bis 2.2 mindestens zwei +12-V-Schienen vorhanden sein müssen (diese Anforderung wurde mit ATX 2.3 wieder fallengelassen). Der Nutzen mehrerer 12-V-Leitungen ist umstritten, da diese ursprünglich dafür vorgesehen waren, eine stabile Stromversorgung bei zunehmender Last zu gewährleisten. Eine 12-V-Leitung darf laut ATX-Spezifikation (bis Version 2.2) nicht mehr als 20 Ampere haben, bevor eine zusätzliche Leitung notwendig wird. Es hat sich gezeigt, dass die Netzteilhersteller keine Probleme haben, ihre Netzteile so zu entwickeln, dass sie eine höhere Leistung weit über 20 Ampere hinaus leisten können. Bei Verlängerungs-, Y- und Adapterkabeln kann die Kurzschlussfestigkeit beeinträchtigt sein.

Die Spannungen werden u. A. für Folgendes gebraucht:

  • +12 V: CPU, Grafikkarte, Laufwerke
  • +5 V: CPU, Grafikkarte, Laufwerke, externe Anschlüsse (z. B. USB)
  • +3,3 V: traditionell für den Arbeitsspeicher und für einige der Hauptplatinen-Teile, bei älteren Hauptplatinen für die CPU
  • −5 V, −12 V: werden nicht in allen Systemen gebraucht, z. B. Soundkarten, serielle Schnittstellen. Die −5-V-Leitung ist in den neuen ATX-Standards nicht mehr zwingend vorgeschrieben und daher nicht mehr bei jedem Netzteil vorhanden.
  • +5 V SB: ausschließlich für Standbymodus
Mechanische Spezifikation zum Einbau ins PC-Gehäuse (AT/ATX-Format)
Tiefe Breite Höhe
ATX / BTX 140 150 84
ATX large 160 150 84
ATX – EPS 230 150 84
CFX 96 101,6+48,4 86
SFX 125 100 63,5
TFX 175 85 65,2
LFX 210 62 72

Die Tiefe ist bezüglich ATX und EPS ein Richtwert. Leistungsfähige Netzteile erreichen über 19 cm Einbautiefe. Für den Einbau in kleine Gehäuse sind die Maße wichtig.

ATX-20-Pin-Hauptplatinenanschluss
mit 4-Pin-Erweiterung
ATX-Netzteilstecker
Farbe Signal Pin Pin1 Signal Farbe
+3,3 V 1 13 (11) +3,3 V + Rückmeldung2
+3,3 V 2 14 (12) −12 V
Masse 3 15 (13) Masse
+5 V 4 16 (14) Power On
Masse 5 17 (15) Masse
+5 V 6 18 (16) Masse
Masse 7 19 (17) Masse
Power Good 8 20 (18) −5 V3
+5-V-Standby 9 21 (19) +5 V
+12 V 10 22 (20) +5 V
+12 V 11 23 +5 V
+3,3 V 12 24 Masse
1 In Klammern die Anschlusszählung für den 20-Pin-Stecker
2 Dieser Pin ist meist mit zwei Leitungen belegt: Eine führt 3,3 V,
   die zweite, oft dünnere und gelegentlich in anderer Farbe, dient
   als Messleitung zur besseren Spannungsregulierung („Sense“)
3 Ist 2005 weggefallen, seitdem unbelegt
Spannungstoleranzen bei ATX-Netzteilen

Es sollten alle Verbraucher (Festplatten, Mainboard, Optische Laufwerke, …) beim Messen angeschlossen sein.

Spannungstoleranzen bei ATX-Netzteilen
Farbe Signal Toleranz ± Min. Max.
Masse
+3,3 V 5 % +3,14 V +3,47 V
−12,0 V 10 % −10,80 V −13,20 V
+5,0 V 5 % +4,75 V +5,25 V
−5,0 V 10 % −4,50 V −5,50 V
+5,0 V 5 % +4,75 V +5,25 V
+12,0 V 5 % +11,40 V +12,60 V
Power On

Auf der Rückseite von ATX-Netzteilen befindet sich meistens ein Netzschalter, der die Stromversorgung des Netzteils komplett ausschaltet. Der normale ATX-Schalter am Gehäuse ist nicht mit dem Netzteil verbunden, sondern mit der Hauptplatine. Die Wirkung ist, dass der Rechner nicht komplett vom Netz getrennt ist, sondern dass auch bei „ausgeschaltetem“ Rechner Strom verbraucht wird (meist unter 5 W, falls externe USB-Geräte versorgt werden, entsprechend mehr) über eine „Standby“-Schaltung des Netzteiles, und dass der Rechner befähigt wird, über den Einschalttaster (regulärer Start), über eine Tastatur („wake on key“), durch ein PCI- oder PCIe-Gerät, über ein Modem oder Netzwerk „aufgeweckt“ zu werden („Wake On Modem“, „Wake On LAN“). Bei vielen Firmware/BIOS-Ausführungen gibt es die Möglichkeit, den Rechner nach einen Zeitplan von der Systemzeit aufzuwecken. Es ist möglich, durch viele andere Ereignisse den Rechner aufzuwecken, wenn dies durch die Firmware unterstützt wird (z. B. durch coreboot). Die Hauptplatine legt dazu das „Signal Speisung ein“ (Pin 16 bei ATX-24, Pin 14 bei ATX-20) des Netzteilsteckers auf Masse, daraufhin geht das Netzteil in den normalen Betriebsmodus. Diese Betriebsmodi können im BIOS des Computers konfiguriert werden. Sie funktionieren nur mit angeschlossener Stromversorgung und einem vorhanden „Standby“-Betrieb des Netzteiles. Standby-Schaltungen stehen aufgrund ihres kontinuierlichen Stromverbrauches in der Kritik. Es bestehen Sicherheitsrisiken, wenn ferngesteuert aufweckbare Rechner nicht gesichert sind, wenn sie also beispielsweise mit einer Firewall ausgestattet sind, die in der Startphase attackierbar ist, oder nach dem Einschalten für einen unüberwachten Betrieb ausgelegt sein sollte. Deshalb lassen sich diese Funktionen bei vielen Hauptplatinen ausschalten.

400-W-Netzteil mit 80-PLUS-Silber-Zertifizierung, zwei 12-V-Schienen und Aktiv-PFC

BTX-Format[Bearbeiten]

Der thermisch sehr anspruchsvolle Prozessor Pentium 4 erforderte ein besonderes Luftströmungsregime im Gehäuseinneren, um ausreichend gekühlt zu werden. Zu diesem Zweck wurde das aufwändige Format BTX (für Balanced Technology Extended) entwickelt, das unter anderem verschiedene Innentüren enthält, die während des Betriebs geschlossen bleiben müssen, damit die Kühlluft dorthin strömt, wo sie benötigt wird.

Das Netzteil unterscheidet sich gegenüber ATX hauptsächlich in einer wesentlich höheren Leistung als bei ATX üblich und einem zusätzlichen 4-poligen 12-V-Stecker, der eine störungsfreie Übertragung der hohen Ströme der 12-V-Schaltkreise gewährleisten soll. Dieser 12-V-Stecker wurde als ATX12V auch ins ATX-Format übernommen – dadurch sind moderne ATX-Netzteile mit den BTX-Netzteilen elektrisch und mechanisch vollkommen identisch und untereinander austauschbar. Ein beliebiges ATX12V-Netzteil kann in ein BTX-Gehäuse einbaut werden und Hauptplatinen mit BTX-Standard samt der Peripherie betreiben.

Da die Nachfolger des Pentium 4 weniger elektrische Energie verwenden und die neueren Prozessoren somit wesentlich weniger Abwärme entwickeln, konnte wieder zum einfacheren und kostengünstigeren ATX-Format zurückgekehrt werden, und BTX hat sich somit am Markt nicht durchsetzen können.

CFX-Format[Bearbeiten]

Dieses für kleinere Gehäuse entwickelte Format ist als Erweiterung des BTX-Formats zu sehen. Im unteren Bereich ist dieses Netzteil nur 101,6 mm breit und verbreitert sich nach 46 mm auf 150 mm. Die Höhe beträgt insgesamt 86 mm und die Tiefe 96 mm.

EPS-Format[Bearbeiten]

Schiene Farbe
12V1 Gelb (schwarz)
12V2 Gelb
12V3 Gelb (blau)
12V4 Gelb (grün)

Als Erweiterung zum ATX-Format gibt es das EPS-Format (Entry Level Power Supply) für noch stärkere Netzteile für Workstations und Server. Hier kommen Einbautiefen von 140, 180 und 230 mm vor. Elektrisch sind vier 12-V-Schienen spezifiziert, die je 20 Ampere liefern. Die 12V4-Schiene ist mit bis zu 22 Ampere ab 750 W Netzteilgesamtausgangsleistung bemessen. Bei EPS sind Überspannungsschutzschaltungen definiert. Der vierpolige Floppy-Anschluss ist auf Kabel nach 22-AWG geändert.[27]

SFX-Format[Bearbeiten]

SFX-Netzteil

Um noch kleinere Computer herstellen zu können, gibt es das SFX-Format. Dieses wurde durch Intel im Dezember 1997 vorgestellt. Die Verbindung zur Hauptplatine stellt der gleiche 20- bzw. 24-polige Stecker wie beim ATX- oder microATX-Formfaktor her. Die Ausgangsleistungen beginnen mit 160 W unterhalb denen eines ATX-Netzteils. Die Abmessungen sind (B × H × T) 100 × 63,3 × 125 mm, wobei die Tiefe nicht fest vorgeschrieben ist. Hier sind 40-, 60- und 80-mm-Lüfter zu finden, die teils auch außerhalb des Gehäuses montiert sind.[2]

TFX-Format[Bearbeiten]

Für flache Gehäuse (SFF = Small Form Factor) – überwiegend bei Desktops zu finden – wurde noch der TFX-Standard (Thin Format Factor) im Jahre 2002 von Intel entwickelt. Anschlüsse entsprechen dem Standard des ATX-Netzteils. Die Abmessungen sind (B × H × T) 85 × 65,2 × 175 mm; die Gesamthöhe mit Lüftergitter beträgt 70 mm. Abweichend von der Spezifikation gibt es Netzteile, bei denen der Lüfter außen montiert ist.[3]

LFX-Format[Bearbeiten]

Das LFX-Format (Low Profile Form Factor) wurde im Jahre 2004 von Intel entwickelt. Dieses Format verwendet den ebenfalls den 24-poligen ATX-Hauptplatinenanschluss. Dieses Netzteil ist nur 62 mm breit und 72 mm hoch, dafür 210 mm tief.

Nicht standardisierte und proprietäre Formate[Bearbeiten]

Neben standardisierten Formaten existieren Netzteile, deren Gehäuseabmessungen und -eigenschaften von den gängigen Standards abweichen. Proprietäre Netzteilformate können beispielsweise durch ein spezielles Gehäusekühlkonzept bedingt sein.

Andere Verwendung[Bearbeiten]

Prinzipiell ist es möglich, PC-Netzteile zur Versorgung anderer Schaltungen einzusetzen, sofern die Spezifikationen von Schaltung und Netzteil harmonieren und ein entsprechender Einbau gemäß der Sicherheitsrichtlinien erfolgt. Nicht definiert ist die Versorgung ungefilterter hochfrequenter Lasten. Mit dem Betrieb außerhalb von geeigneten Umgehäusen ist die Richtlinie 2006/95/EG (Niederspannungsrichtlinie) bereits verletzt. Hersteller sichern sich mit Klauseln in den Garantie-, Sicherheitshinweisen und -bedingungen mit Formulierungen wie: „Nur zur vorgesehenen Verwendung“ ab.

Umbauten für andere Verwendung[Bearbeiten]

Da PC-Netzteile Massenware sind, sind die Entwicklungskosten wegen der hohen Stückzahlen je Einzelgerät gering und viele Hersteller aus mehreren Ländern Asiens stehen im regen Wettbewerb am Markt und kämpfen im Preis-Leistungs-Verhältnis um den Kunden. Des Preises wegen bietet es sich an, diese Netzteile für andere Zwecke einsetzbar zu machen. Durch den Umbau gehen möglicherweise die Kurzschlussfestigkeit und Eigenschaften gemäß den Herstellerspezifikationen verloren. Zudem geht die Produkthaftung auf den Bastler über und der Gewährleistungsanspruch geht verloren. Er muss sich über die Funktion und Auswirkungen im Klaren sein, da dies die Sicherheit des Gerätes betrifft. Unsachgemäße Umbauten können Kurzschluss, Brand (auch der Gebäude), elektrischer Schlag und Zerstörung angeschlossener Schaltungen und Geräte zur Folge haben. Die mit über 400 V geladenen primären Siebkondensatoren behalten diese Ladung nach dem Trennen vom Stromnetz.[6]

Grundlagen[Bearbeiten]

Die einfachsten Umbauten[28] bestehen in einer Mindestlast wie einer Leuchtdiode (LED) über Vorwiderstand oder einem Lastwiderstand, welche die Hauptplatine des Computers ersetzen. Zusätzliche Elektrolytkondensatoren am Ausgang können erforderlich werden, da diese Kondensatoren auf einer angeschlossenen Hauptplatine ebenfalls vorhanden wären. Sie verringern die notwendige Mindestlast, da sie Impulsstrom aus dem Transformator auffangen und dadurch das Ansteigen der Ausgangsspannung verringern. Dadurch kommt es nicht zur Überspannungserkennung und Notabschaltung.

ATX-Netzteile erfordern die Beschaltung der grünen Leitung „Power-On“, um das Netzteil zu aktivieren. Ein Schalter oder Zeitglied kann erforderlich sein, da der Regler vom Standby-Schaltkreis abhängig sein kann. Mit unvollständig geladenen primären Siebkondensatoren kann der Regler fälschlich einen Kurzschluss erkennen, da die Ausgangsspannung nicht rechtzeitig aufgebaut werden kann, da die Kurzschlusserkennung überwiegend auf Zeit funktioniert. Der Kurzschluss wird erkannt, wenn die Ausgangsspannung nicht in der definierten Zeit aufgebaut worden ist.

Andere Ausgangsspannungen[Bearbeiten]

Der Hauptübertrager ist in einem bestimmten Verhältnis an Windungszahlen fest konfiguriert und mit Kunstharz versiegelt. Seine Isolationsfestigkeit von 5000 Volt wird in Stückprüfung sichergestellt. Ein Eingriff ist daher in den wenigsten Fällen zielführend und kann unter Umständen lebensgefährlich sein.

Die sekundären Elektrolyt-Siebkondensatoren sowie die Blockkondensatoren am Regler sind auf gängige Maximalspannungen wie 4; 6,3; 10; 16 und 25 V ausgelegt. Elkos für 25 V werden nach den Gleichrichtern leerlaufender Spannungsausgänge eingesetzt wie z. B. -12 V oder Standy-By. Sie müssen sowohl die jeweilige Ausgangsspannung als auch impulsförmige Rippelspannung aushalten. Die 12 V zu 13,8 V zu modifizieren liegt daher im Rahmen der Grenzwerte der vorhandenen Bauteile. Geringfügige Änderungen haben entsprechend geringere Abweichungen des jeweiligen Wirkungsgrades zur Folge. Wird die Ausgangsspannung nicht mehr oder nur verändert auf den einstellbaren Spannungsregler geführt, kann die Ausgangsspannung 12 V auf bis zu 26 V steigen. Der Ausgang für die 5 V erreicht bis zu 9 V. Diese jedoch bei niedrigeren Ausgangsströmen und massiver Verletzungen der Spezifikationen der Kondensatoren.

Spannungsteiler zur Beschaltung des Schaltspannungsreglers und der damit verbundenen Einstellung und Regelung der Ausgangsspannung

Da bei Umbauten überwiegend höhere Ausgangsspannungen gefragt sind, bestehen in den publizierten Umbauten mehrere Ansätze:

  • Den Abgriff der Regelung von den 5 V auf die 12 V zu legen und anzupassen um letztere zu stabilisieren und sie in diesem Zug bei Bedarf zu modifizieren.
  • Die Auftrennung der 5 V zur Rückspeisung des Reglers. Dafür werden die 12 V mit definiertem Spannungsabfall (über Spannungsteiler oder Dioden) auf den ursprünglichen 5-V-Ausgang zur Rückspeisung des Reglers geführt. Die verbleibenden 7 V werden hier bei Bedarf modifiziert.
  • Ein weiterer Weg ist die Erhöhung der 5 V, was zur Folge hat, dass die 12 V unter Berücksichtigung der Gleichrichter prozentual erhöht werden, jedoch nach wie vor nicht geregelt sind. In diesem Fall werden die 5 V belastet, um das abfallende Schwanken der 12 V zu verringern.
Spannungssummierschaltung zur Beschaltung des Schaltspannungsreglers

Modifikation der Vergleichsspannung[Bearbeiten]

Eine schöne und verlustarme Lösung ist aufwändiger, da sie bei verschiedenen Netzteilen stets neu entwickelt und auf die jeweilige Schaltung angepasst werden muss. PC-Netzteile haben auf der Sekundärseite einen programmierbaren universellen Schaltspannungsregler. Die Programmierung erfolgt durch die Anpassung eines Spannungsteilers, der die gewünschte Ausgangsspannung auf die interne Referenzspannungsquelle des Reglers einstellt. Der Regler vergleicht den Abgriff des Spannungsteiler wiederum mit seiner internen Referenzspannung und steuert die Ausgangsspannung auf dieser Grundlage. Hierbei können auch andere Ausgänge wie die 12 V auf den Regler über einen modifizierten Spannungsteiler geführt werden. Dadurch werden die 12 V stabil und anderen Spannungen (3,3 V und 5 V) variieren im Lastverhältnis. Der Umbau erfordert eine teilweise Rückentwicklung der Schaltung, um ein definiertes Ergebnis zu erhalten. Ein Beispiel ist, von welcher Spannung der Regler selbst versorgt wird, um dessen Funktion zu erhalten.[29][30]

Offsetspannung im Ausgang[Bearbeiten]

Eine schnelle Möglichkeit besteht darin, die 5 V hinter den Siebkondensatoren aufzutrennen und die 12 V über eine leistungsstarke Zenerdiode oder adäquaten Serienschaltung aus Dioden (oder einem Spannungsteiler aus Lastwiderständen mit hohem Verlust) die verbleibenden 7 V (oder dem gewünschten Unterschied) abfallen zu lassen und diese 5 V auf den ursprünglichen Eingang des Reglers zu führen.[31][32] Hierbei sind die 5 V im Leerlauf.

Kaltgerätestecker, Netzspannungs-Aus- (IEC 60320 C13) und -Eingang (IEC 60320 C14).
Bei ATX ist der Ausgang nur in Ausnahmen vorhanden und auf Dauerstrom oder über ein Relais geschaltet

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Computernetzteile – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Commons: Geöffnete Computernetzteile – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c d e f g h i j k l Gabriel Torres: Everything You Need to Know-about Power Supplies, hardwaresecrets.com vom 29. Mai 2008
  2. a b intel (formfactors.org): SFX12V Power Supply Design Guide, Version 2.3 (PDF; 366 kB) vom April 2003
  3. a b c d intel (formfactors.org): TFX12V (Thin Form Factor with 12-Volt Connector) Power Supply Design Guide Version 2.1 (PDF; 421 kB) vom Juli 2005
  4. Gabriel Torres: Why 99 % of Power Supply Reviews Are Wrong, hardwaresecrets.com vom 29. Mai 2008
  5. Nathan Kirsch: Sneak Peak - Ultra Products 2000W ATX Power Supply vom 3. Januar 2007
  6. a b c d e f g h i j k Gabriel Torres: Anatomy of Switching Power Supplies, hardwaresecrets.com vom 26. Oktober 2006
  7. http://www.ti.com/product/lm431
  8. Innanansicht eines 1475W Netzteils
  9. http://www.coolermaster.com/product.php?product_id=6744
  10. Datenblatt Silent Pro Hybrid 1300W, abgerufen am 12. Oktober 2013
  11. US-Patent 7539023: Monolithic plug-in power supply (PDF; 733 kB), eingetragen 15. Dezember 2005, veröffentlicht 26. Mai 2009
  12. Daten: Thermaltake Mod. Toughpower XT Gold 1475W
  13. Daten: Silverstone Mod. SST-ST1500
  14. Daniel Schuhmann: Benchmarks ATX12V 2.0 Efficiency Under Load 20% and 100% auf tomshardware.com vom 28. Februar 2005
  15. Igor Wallossek: Netzteilpraxis: Wie viel Netzteil braucht der Mensch wirklich? Und vor allem: welches? auf tom's Hardware vom 10. März 2011
  16. 80 PLUS Certified Power Supplies and Manufacturers von 10. Oktober 2013, abgerufen am 13. Oktober 2013
  17. siehe c’t 07/09, S. 151, „Prüfstand | x86-CPUs“
  18. http://www.computerbase.de/artikel/hardware/grafikkarten/2009/test_ati_radeon_hd_4770/22/#abschnitt_leistungsaufnahme (Anmerkung: der Prozessor im Test ist so stark übertaktet, dass seine Stromaufnahme im Leerlauf jeden zu diesem Zeitpunkt kaufbaren Prozessor deutlich übersteigt.)
  19. legitreviews.com: "Intel recommends a kilowatt or better PSU for a system with 4 GB of memory, two GPUs, and two CPUs. If you want to run four GPUs and 8GB of memory, they recommend a PSU rated for over 1400 W!"
  20. OklahomaWolf: Reviews – X-650 650W, vom 11. Oktober 2009, abgerufen am 12. Oktober 2013
  21. Gabriel Torres: ST60F PS Power Supply Review, vom 21. März 2013, abgefuren am 12. Oktober 2013
  22. Gabi Schlag und Dörte Wustrack: Reparieren statt Wegwerfen – Gegen den geplanten Produkttod in SWR2 „Wissen“ vom 16. Dezember 2013
  23. Achim Sawall: GEPLANTE OBSOLESZENZ – Umweltbundesamt sucht nach Sollbruchstellen in Elektronik in Golem.de online vom 19. August 2013
  24. US-Patent 7133293: Personal computer power supply installed within a case of a personal computer, eingetragen 8. September 2004, veröffentlicht 7. November 2006
  25. US-Patent 6700778 B1 (=CN2572462Y): Fault-Tolerant Power Supply Module for Personal Computer Processor (Redundante Netzteilemodule), eingereicht am 28. Sept. 2002, eingetragen am 7. Apr. 2003, veröffentlicht am 2. März 2004.
  26. a b US-Patent 6827589 B2: Motherboard with a 4-pin ATX power male connector (Hauptplatine mit einem 4-poligen ATX Stromanschluss), eingetragen am 14. März 2002, veröffentlicht am 7. Dezember 2004
  27. a b c EPS12V Power Supply Design Guide - A Server System Infrastructure (SSI) Specification for Entry Chassis Power Supplies (PDF; 412 kB) Version 2.91
  28. Mario Kleinboelting: Umbau eines PC Netzteils als 12V Gleichspannungsnetzteil abgerufen am 28. Oktober 2012
  29. lutzedd61: Erforschung und Praxis an geregelten Schaltnetzteilen zum Zweck der Sondernutzung abgerufen am 28. Oktober 2012
  30. Sprut: PC-Netzteil als 12V-Schaltnetzteil abgerufen am 28. Oktober 2012
  31. DL7IAB: ATX-Netzteil 14V 16A aus Computerschrott abgerufen am 28. Oktober 2012
  32. DF5VB: Umgebautes PC-Netzteil im Shack des Funkamateurs abgerufen am 28. Oktober 2012