Gastkommentar: Quo vadis, Energie?

Wo geht eigentlich die ganze Energie hin und wieviel Leistung verschwindet in den Bauteilen eines Computers? Warum ist es so schwierig, mehr Leistung aus einem Akku zu holen oder den Wirkungsgrad von Netzteilen zu erhöhen?

Das sind nur einige der Fragestellungen, denen Gastkommentator Carsten, Stammlesern eventuell auch schon als Milchmädchen bekannt, seine Aufmerksamkeit widmet. In diesem ersten Teil zeigt er erstmal Grundvoraussetzungen auf, die für das Verständnis wichtig sind und gibt den Halbwissenden damit eine gute Hilfestellung, mal ein wenig tiefer in die elektrotechnischen Wirklichkeiten einzusteigen.

Mich hat sein Artikel zumindest sehr neugierig gemacht, denn in den Bereichen Energieeffizienz und Wirkungsgrad scheint tatsächlich noch einiges Verbessserungspotential zu stecken.

Quo vadis, Energie?

Der Chipwettstreit ist im Netbooksegment in vollem Gange und nicht-Atom-Produkte scheinen so langsam Marktpräsenz zu erlangen. Deswegen werde ich heute mal getreu dem Motto “abwarten und Tee trinken” nicht über einen speziellen Chip berichten, sondern versuchen, aufzudröseln, wo eigentlich die Energie verbraten wird, die wir teuer bezahlen, um unsere Akkus voll zu pumpen. Es wird etwas physikalisch, sogar relativistisch, ich will aber versuchen, die Sachverhalte klar verständlich zu halten. Um einige Grundbegriffe der Elektrotechnik werde ich wohl leider auch nicht herum kommen…

Eins kurz vorweg: das erste Gebot der Lehre vom Strom, das Ohmsche Gesetz

U=R*I , Spannung ist gleich Strom mal Widerstand. (ohne Ohm kein Strom )

Oder, für Leistung gilt:

P=U*I , Leistung ist gleich Strom mal Spannung

Anders, U/R für I eingesetzt: P=U²/R
noch mal anders, I*R für U eingesetzt: P=I²*R

(an dieser Stelle riskiere ich mal, das Interesse einiger Leser zu verlieren… bis demnächst, ihr Formelallergiker )

Diese Formeln nehme ich nur vorweg, um zu zeigen, dass bei der Leistung immer der Widerstand eine Rolle spielt. Er steht mehr oder weniger direkt für die Wärmeverluste eines Systems. Ihr braucht sie euch nicht zu merken, Elektrizität ist halt keine Hexerei und man kann mit einfachen Formeln oft mehr sagen als mit seitenlangen Umschreibungen.

So getz ma Butter bei die Fische, wie fang ich an? Erstmal den Stecker in die Dose und die Kiste hochgefahren. Während des Bootens tickert der Leistungsmesser wild hin und her, Display an, Display aus, voller Takt, halber Takt, Lüfter etc. unser Netzteil macht die ganze Maloche. Vielleicht lädt es noch parallel den Akku wieder auf, weil er ein bißchen abgenuckelt war, die Ladegeschwindigkeit hängt natürlich vom Ladestrom ab. Von der Steckdose aus hat unser Strom ein erkleckliches Stück Weg zurückgelegt, im (Schalt-)Netzteil geht’s als 230V-50 Hz- Welle rein, die sogenannte Primärspannung und kommt als Gleichstrom auf der -richtig, Sekundärseite- wieder raus (z.B. 14,4 VDC). Die Spannungen und Leistungen stehen auf der Rückseite des Netzteils.

Im Netzteil wird die Wechselspannung in Elkos (Elektrolytkondensatoren) gepuffert, von Transistoren zerhackt, runterkonvertiert, etc. Es sind halt einige Bauteile im Spiel, und da fällt auch schon zum ersten mal das böse Wort “Wirkungsgrad”. Wenn aus dem Netzteil dieselbe elektrische Energie raus käme wie rein geht, hätten wir einen Wirkungsgrad von 1 oder anders gesagt: 100%. Und das ist: schlicht und ergreifend unmöglich. So ein Elko zum Beispiel hat, weil er eine mit Flüssigkeit getränkte Rolle aus metallischer und isolierender Folie ist, einen Längswiderstand im Bereich einiger Milliohm. Hinzu kommen noch parasitäre Feldverluste, die bei jedem nichtidealen Kondensator mehr oder weniger stark ausgeprägt sind. Dasselbe gilt auch für die in jedem Netzteil vorhandenen Spulen, die obendrein noch ein dem Strom entgegenwirkendes Magnetfeld erzeugen und deshalb auch Magnetisierungs- (Hysterese-) Verluste zu verbuchen haben. Es ist halt ein ständiges auf- und entladen im Gange.

Des Weiteren haben wir noch rein Ohmsche Widerstände, die zum Beispiel dazu dienen, unsere Transistoren auf den richtigen Ruhestrom zu bringen, Gegenkopplung zu erzeugen, sprich für einen stabilen Arbeitsbereich zu sorgen. Sie wandeln einfach nur elektrische Energie in Wärme um. Wenn sie wärmer werden, erhöht sich ihr Widerstand. Somit kann es sein, dass Spannungen nachgeregelt, sprich erhöht werden müssen um die Sekundärspannung zu erhalten. Die Verluste steigen.

weiter zu den nächsten Bauteilen und der ersten Milchmädchenrechnung

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