Gastkommentar: Quo vadis, Energie / Teil 2

Stöbern zwischen den Chips

Der Sportkommentator Marcel Reif hat einmal auf die Frage nach der grössten Problematik seiner Aufgabe sinngemäß geäussert, daß, “wenn man ein Fussballspiel für 3 Millionen Zuschauer kommentiert,  man dem Anspruch der 1,5 Millionen selbsternannten Bundestrainer ebenso gerecht werden muss, wie dem eines Laien”.

Sehr ähnlich geht es unserem Gastkommentator “Milchmädchen  Carsten“, der sich daran gemacht hat, uns allgemein verständlich den Weg der Atome durch den Computer zu erläutern.

Wer also nach seinen letzten Ausführungen zu Wirkungsgraden von Netzteilen und Bauteilen noch nicht das Interesse verloren hat, weil es ihm/ihr zu technisch oder nicht technisch genug war, sollte sich auch diesen zweiten Teil nicht entgehen lassen, in welchem er uns nun ins Innere des Rechners entführt.

Ich für meinen Teil habe jedenfalls mal wieder etwas dazu gelernt und das ist ja an einem arbeitsfreien Tag auch nicht das Schlechteste.

Quo vadis, Energie? – zweiter Teil: Stöbern zwischen den Chips

Hallo zusammen, weiter geht’s mit unserer Exkursion über die Leiterbahnen, der Verlustleistung auf der Spur. Ich möchte mich an dieser Stelle noch für Euer positives Feedback auf meinen letzten Beitrag bedanken, wenn bei nur einem Leser etwas hängen geblieben ist, reicht mir das um weiter zu machen. Da mir bewusst ist, dass Gespräche über Elektronik nich grade der Partyrenner sind, werde ich versuchen, das ganze nicht zu theoretisch abzuhandeln. Deswegen bitte ich die Experten unter Euch um Verständnis, wenn ich einige Sachverhalte eher grob umreiße. Die gute Nachricht vorweg: es wird diesmal keine Milchmädchenrechnung geben! Was zum Mitreden beim nächsten Stammtisch der anonymen Ökos (ob -nomen oder -logen, ist egal, das ganze Thema hat nun mal wirtschaftliche und ökologische Aspekte) ist auch dabei. Wer mehr über die Bedeutung von Milchmädchenrechnungen in der Wissenschaft erfahren will , dem lege ich diesen Text ans Herz: http://de.wikipedia.org/wiki/Fermi-Problem.

Nachdem wir uns letzte Woche im Netzteil mit den Standardbauteilen der Elektronik befaßt, und ihr Verhalten unter nichtidealen Bedingungen untersucht haben, gehen wir nun zwangsläufig einen Schritt weiter, denn ein Computer ist halt in seinem elektrischen Verhalten nur mit einigen zusätzlichen Gedanken erfassbar. Während ein Netzteil “irgendwie” aus 50 Hz-Wechselstrom (AC) Gleichstrom (DC) erzeugt, ist ein Rechner ein Verbraucher mit sehr hohen Arbeitsfrequenzen, und unterliegt somit einigen besonderen Gesetzen der Hochfrequenztechnik.

Es geht heute um Plattformdesign, deswegen hier schon mal eine Übersicht dessen , was man so unter einer „Plattform“ versteht:

CPU, Northbridge, Southbridge, und das ganze Gebamsel

Gehen wir jedoch erstmal kurz hinter unseren Akku, hier sitzen die ersten Spannungswandler: aus der Akkuspannung müssen ja die Betriebsspannungen der einzelnen Bauteile gewonnen werden, also werden munter einige Spannungsregler auf der Platine verteilt, die aus zum Beispiel 14,4 Volt 5 Volt für den USB-Port zaubern. Wie im Netzteil geht so was auch nicht verlustfrei, wieder entscheiden die Bauteilqualität und die Leistungsbandbreite, die zur Verfügung stehen muß, über den Wirkungsgrad der Spannungswandler. Extremes Beispiel ist die 5 V-Schiene eines PC-Netzteils, die durchaus mal 25- 30 Ampere bereitstellt, wenn ein sparsamer Rechner dran hängt, aber vielleicht nur 5 Ampere liefern muß… deswegen: Augen auf beim Netzteilkauf.

Ein anderes Extrembeispiel: die Spannungsregler für den Prozessor müssen (nicht bei Atom-Netbooks) heftige Anforderungen erfüllen: bei einem 100 Watt-Prozessor müssen die Dinger einen Stromanstieg von 100 Ampere pro Mikrosekunde (der Fachmann spricht hier von der slew rate) gewährleisten können. Sonst gibt’s kein Intel-Zertifikat.Wie bei Italienischen Nobelflitzern gilt: Beschleunigung kostet. Da werden Transistoren ohne Rücksicht auf Verluste aufgerissen, Elkos durchgepumpt und Leiterbahnen erhitzt, damit die Kiste nicht abschmiert. Im Netbook geht’s etwas humaner zu, 2 Watt Leistung lassen selbst billigste Komponenten im wahrsten Sinne des Wortes kalt.

Was ebenfalls Leistung zieht, sind viele Schnittstellen, auch im Stand-by. Größenordnung: ca. ein viertel Watt pro Port.So fragt der Rechner z.B. zyklisch jeden USB-Port: “Hängt was dran?” “Nein!” “Hängt jetzt was dran?” “Himmelherrgott, NEIN!” “Hängt jetzt was dran?” “Verdammtnochmal jetzt platzt mir aber… oh, ein Wechseldatenträger. Melde gehorsamst: Wechseldatenträger erkannt… oh, er ist wieder weg.” “Hängt was dran?” “AAAAAARRRGH!” Moderne Rechner verfügen glücklicherweise über reichlich Power-Management-Funktionen, um unbenutzte Komponenten abzuschalten, aber es geht ja immer weiter, und der bessere ist der Feind des Guten….

So, jetzt ist aber Schluß mir der verdammten Gleichspannung, sonst sind hier gleich nicht nur meine Füße eingeschlafen, los geht’s mit der Hochfrequenztechnik! Dazu möchte (muß?) ich an dieser Stelle einige Vorüberlegungen treffen.

Ein Schaltungselement, das ich persönlich für das wichtigste und häufigste in der Elektrotechnik überhaupt halte, ist der sogenannte R-C-Tiefpaß: wie der Name schon sagt, lässt er niedrige Frequenzen passieren und dämpft hohe.

In der Abbildung sieht man einen Kondensator C, der über einen Widerstand R mit einem (Wechsel)strom geladen wird, hinter dem Kondensator hängt eine Last, die das Lade- und Entladeverhalten des Kondensators “erlebt”, sprich die Ausgangsspannung Ua. Da ein Kondensator nun mal eine Kapazität darstellt, konnen wir ihn uns erstmal wie einen Akku vorstellen: der Vorwiderstand sorgt für den Strom, je größer der Strom, desto schneller erreicht der Kondensator seine maximale Kapazität, die durch die Ladespannung limitiert ist. Immer schön den Akku im Hinterkopf behalten! Ist der Akku leer, macht der Puter nix, die Spannung ist zu niedrig. Ist der Akku voll, kann er den Rechner für eine bestimmte Zeit mit Strom versorgen.

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