Gastkommentar: Quo vadis, Energie?

Da sieht man schon, dass die Wahl des richtigen Temperaturbereichs eines Bauteils eine wichtige Rolle spielt: wählt man die Höchsttemperatur zu knapp steigen die Verluste überproportional, es droht sogar ein Bauteildefekt nach mehr oder weniger langer Betriebsdauer (sofort bis einige Jahrzehnte). Bestes Beispiel hierfür sind die Mainboards für den guten alten AMD Athlon 1100. Seine Leistungsspitzen haben einige Spannungsreglerelkos auf Mainboards das Leben gekostet. Sie wurden innerhalb einiger Jahre regelrecht weggekocht. Kann ganz schön stinken, wenn die Dinger hoch gehen. Deswegen findet man heute auf Mainboards für CPUs der >100 Watt-Klasse häufig Elkos mit Metallgehäuse, bessere Kühlung, höhere Formstabilität. Das Problem: der Preis. Logisch, dass man für ein Teil dass 105 °C verkraftet, mehr verlangen kann, als für eins das nur 85°C aushält. Von den eventuellen Größenunterschieden möchte ich gar nicht erst anfangen.

Elkos, Spulen und Ohmsche Widerstände sind sogenannte Passive Bauelemente, sprich (Wechsel-) Strom der rein fließt, wird nur frequenzabhängig durchgelassen, gedämpft, oder wenn man einen Schwingkreis gebaut hat, ergibt sich eine mehr oder weniger schmalbandige Resonanzstelle im Frequenzspektrum, sowas kann man als passiven Antennenverstärker verwenden.

Ein Sonderling ist die Diode, zwar passiv, aber ein Halbleiterbauelement, bestehend aus einem einzelnen p-n-Übergang. Sie sperrt die positive Halbwelle und lässt die negative durch. Oder umgekehrt. Je nach Einbaurichtung. Die so genannte Diodenkennlinie sieht für den Durchlassbereich (in diesem Beispiel der rechten Hälfte des Koordinatensystems) der eines Ohmschen Widerstandes recht ähnlich , im Sperrbereich (linke Hälfte des Koordinatensystems) kommt es zu Sperrstromverlusten, da ein p-n-Übergang nicht ganz „dicht“ ist. Die Diode erwärmt sich natürlich auch, elektrische wird in Wärmeenergie umgewandelt und steht somit nicht mehr zum Rechnen zur Verfügung…

Zum Verstärken und Zerhacken, Schalten und Walten brauchen wir dann noch Transistoren, üblicherweise MOSFETs, da sie teilweise je nach Bauform einige hundert Watt an Leistung vertragen können und billig herzustellen sind. Sie bestehen Gate, Source, und Drain, wobei das Gate einen um ca. 0,6 V nach oben verschobenen Arbeitspunkt benötigt, um die Gatekapazität vorzuspannen. Das gilt, um das schon einmal vorweg zu nehmen, auch für die Transistoren in CPUs, auch sie bestehen aus MOSFETs, dementsprechend sind Betriebsspannungen von 0,8 Volt knapp überm Rauschen angesiedelt und somit derzeit das absolute Minimum um “0“ und “1“ zu unterscheiden.

Zurück ins Netzteil, und Zeit für die Erste Milchmädchenrechnung, juhuu! Angenommen, der Strom läuft im Netzteil durch 10 Bauteile, und jedes besitzt einen Wirkungsgrad von 99%, was realistisch bis optimistisch ist, resultiert das in einem Gesamtwirkungsgrad von 0,99 hoch 10, also Summasummarum 90,4%. Wofür Zinseszinsrechnug doch gut sein kann… mehr Bauteile im Weg reduzieren also den Wirkungsgrad, ein „cleaner“ Aufbau sollte deshalb beim Netzteilentwurf im Hinterkopf behalten werden.

Wer sich ein wenig mit PC-Netzteilen beschäftigt hat wird jetzt sagen: 90 Prozent Wirkungsgrad? Ist aber ein bißchen hoch gegriffen… ist es wohl auch, das Problem bei einem PC ist, dass er eine stark schwankende Leistungsaufnahme hat, sagen wir mal zwischen 10 und 50 Watt. Würde er immer exakt 50 Watt verbrauchen, könnte man vielleicht sogar einen Wirkungsgrad von 90 % erlangen, allerdings würde unser Schaltnetzteil quasi zum Fachidioten werden, so dass, wenn man doch mal 10 Watt bräuchte, der Wirkungsgrad massiv schlechter wäre als bei einem breitbandigerem Netzteil. Das ganze ist eine ingenieurstechnische Gratwanderung, ein mehr oder weniger fauler Kompromiß. Beim Netbook ist das Problem etwas entschärft, weil ein Hersteller ein zum Gerät passendes Netzeil entwerfen könnte, wird er aber sowieso nicht tun, er kramt eins ausm Regal, das passt schon. Ein paar Prozent Wirkungsgrad zu verschenken spielt bei den paar Watt, die son Ding verbraucht ja eh keine Rolle… außer man rechnets auf einige Millionen Geräte hoch… dann sind die verschenkten Verluste im Megawattbereich weltweit.

Aber die Kosten spielen nun mal immer eine Rolle, wähle ich weniger hochwertige Bauteile werden die auch mehr Verluste erzeugen, sich stärker erwärmen, was wiederum den Widerstand erhöht und den Wirkungsgrad weiter verschlechtert, Kühlkörper kosten Platz und Geld, blablabla… was sind ein paar Megawattstunden Atmosphärenheizung ,wenn man mit Chinanetzteilen fürn paar Cent Millionen sparen kann… schaut sie euch an, eure Netzteile! Geht’s kaputt, darf man erstmal n zwanni abdrücken, die Herstellungskosten sind vielleicht 1-2 Euro.

So, genug im Netzteil rumgehangen, Strom fließt mit Lichtgeschwindigkeit, an der Luft mit 300.000.000 km/sec, in Kupfer mit 200.000.000 km/sec, wir versuchen zu folgen. Nehmen wir unsere 14,4 V von oben, damit laden wir unseren Akku, okay, aber USB hat 5 Volt, PCIe 3,3V , DDR2- Speicher 2,5 V und unser Prozessor läuft mit 0,8-1,4 Volt. Laßt euch noch ein wenig auf die Folter spannen, Teil 1 unserer Reise durch den Computer auf der Spur des Stroms ist hiermit zu Ende, beim nächsten Mal geht es einmal quer über die Platine.

so long
Euer Milchmädchen.

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