PC-Netzteile: Deshalb sind Ripple & Spannung wichtig

Was hat es mit den Begriffen Restwelligkeit (auf Englisch unter Ripple bekannt), Stützzeit (Hold-up-Time), Leistungskorrekturfaktor (PFC), Spannungsregulation, Kondensatoren und Co. auf sich? Inwieweit spielen diese in puncto Qualität eines Netzteils eine Rolle? Wir dröseln auf, ohne Sie (hoffentlich) im technischen Wirrwarr zu verlieren. Im Zweifel können Sie mit den sortierten Wertebalken in den Vergleichstest mit den Anmerkungen einschätzen, welche Netzteile in welcher Kategorie im Vergleich besser abschneiden.

Netzteile: Kondensatoren

Kondensatoren speichern nicht nur die Energie in einem elektrischen Feld, sondern puffern Unregelmäßigkeiten ab, sodass eine konstante Spannung garantiert ist. Wichtig wird diese Eigenschaft bei der Gleichrichtung von Wechselspannung zu Gleichspannung, da hier eine Mischspannung entsteht. Der verbleibende Wechselspannungsanteil wird dann als Restwelligkeit bezeichnet. Wichtige Kenngrößen für Elektrolytkondensatoren (kurz: Elkos) sind neben der elektrischen Kapazität in Farad (F) die Arbeitsspannung und die Temperatureinstufung.

Quelle: Eric Schrader, 2011 Die bunte Welt der Kondensatoren: Links oben sind zwei Aluminium-Elkos, unten links sind Keramikkondensatoren und oben rechts zwei Schiebekondensatoren abgebildet.

Die Umgebungstemperatur beeinflusst die Lebensdauer eines Netzteils, da die Flüssigkeit in den Elektrolytkondensatoren mit der Zeit verdunstet und chemische Prozesse bei einer Temperaturerhöhung um zehn Grad schon doppelt bis dreimal so schnell ablaufen können. Deswegen gibt es bei Kondensatoren eine gekennzeichnete Temperatureinstufung. 105-°C-Kondensatoren haben eine deutlich längere Lebenserwartung bei 60 °C Umgebungstemperatur als etwa 85 °C eingestufte Exemplare. Die Hersteller von Spannungswandlern schwören zudem auf Kondensatoren aus japanischer Produktion, da während der Kondensatorenpest (2002-2007) hauptsächlich taiwanesische Produkte massenhaft den Dienst verweigerten und kaputtgingen. Heutzutage haben sich die Qualitätsstufen der beiden Herstellerländer nahezu angeglichen, ein Extra-Aufpreis für gesondert japanische Kondensatoren lohnt sich daher nüchtern betrachtet kaum, viel eher ist es das positivere Image, das man in so einem Fall bezahlt. Zu den grob gesetzten Güteklassen/Qualitätsstufen gelten:

• Güteklasse 1: Japanische Kondensatoren mit 105 °C, z. B. von Rubycon, Chemi-Con oder Nichicon
• Güteklasse 2: Taiwanesische Kondensatoren mit 105 °C, z. B. von Taicon, Teapo, Samxon
• Güteklasse 3: Taiwanesische Kondensatoren mit 105 °C, z. B. von Jamicon oder Capxon
• Güteklasse 4: Chinesische Kondensatoren mit 85/105 °C

Ein weiteres Merkmal für hochwertige Baugruppen ist die zugestandene Garantiezeit der Hersteller: Je länger diese ausfällt, desto eher sind auch bessere Komponenten verbaut worden. Neben den größeren Primärkondensatoren, die häufig einzeln oder im Doppelpack verbaut werden, gibt es deutlich kleinere und mehr Sekundärkondensatoren.

Quelle: PCGH Neben den größeren Primärkondensatoren (Kapazität bestimmt direkt die Stützzeit mit) gibt es auch viele kleinere Sekundärkondensatoren (die unter anderem bei der Restwelligkeit wichtig werden).

Netzteile: Restwelligkeit

Computer nutzen keinen Wechselstrom, der aus der Steckdose kommt, sondern Gleichstrom. Um diesen zu erzeugen, muss der Netzstrom gleichgerichtet werden. Der Strom aus der Steckdose wechselt seine Polung (Richtung) in regelmäßiger Wiederholung - der Spannungsverlauf entspricht dabei einer Sinuskurve. Beim Stromwandeln bleibt dabei ein Rest an Wechselstrom im Gleichstrom über, der als Restwelligkeit oder kurz Ripple bezeichnet wird. Diese Spannung kann, sofern zu viel von ihr vorliegt, Komponenten schneller über Jahre altern lassen. Deswegen werden vor allem viele Kondensatoren eingebaut (abgesehen von den größeren Primärkondensatoren), die die Restwelligkeit "abflachen". Man kann sich die Arbeit der Kondensatoren in etwa wie eine Buckelpiste vorstellen, die durch eine Planierraupe geebnet wird. Ohne solche Maßnahmen würde sich die Temperatur erhöhen und chemische Reaktionen würden viel schneller nach der RGT-Regel ablaufen. Bei zu hoher Restwelligkeit leidet nicht nur das Netzteil, sondern auch die angeschlossene Hardware. Das Resultat: Der Teileverschleiß fällt deutlich höher aus.

Quelle: PCGH Beispiel der Restwelligkeit der 12-Volt-Schiene vom Asus ROG Thor 2 bei 10 ms/Div mit 4× Chroma-63303A-Modulen, jeweils 219 Watt pro Load an ATX/SATA/Molex, EPS, PCI-E 1-2, PCI-E 3-4. Die dunkleren/äußeren Flächen innerhalb der Sinuskurven zeigen die nicht wünschenswerten Ausreißer, je weniger, umso besser.

Die Restwelligkeit kann nicht sinnvoll im Gerät genutzt werden und ist deshalb verschwendete Energie, es gilt also alleine wegen steigender Wirkungsgrade, den Ripple möglichst gering zu halten. Der Wert der Restwelligkeit ist einer von mehreren Indikatoren für die Belastung der Komponenten, und je niedriger der Wert, umso gleichmäßiger und besser. Bei der 12-Volt-Schiene muss der Wert beispielsweise zertifiziert unter 120 mV liegen. In den meisten Fällen liegt dieser Wert aber deutlich tiefer im 50- bis 20-mV-Bereich.

Beispiele der Restwelligkeit auf der 12-Volt-Leitung im Vergleich Quelle: PCGH Zu sehen ist hier die gemessene Restwelligkeit (in Millivolt, 12-Volt-Leitung) der im Vergleichstest gemessenen Netzteile von 500 bis 650 Watt. Je niedriger, umso besser. Quelle: PCGH Zu sehen ist hier die gemessene Restwelligkeit der im Vergleichstest gemessenen 850-Watt-Netzteile. Das Corsair RM850 2021 leistet vorbildliche Arbeit.

Netzteile: Spannungsstabilität

Um die Güte der Spannungsstabilität und Regulation bestimmen zu können, wird einerseits der Abfall der Spannung über den gesamten Lastverlauf gemessen und andererseits die Spannungsabweichung von der Idealspannung untersucht. Je kleiner die Werte für diese beiden Kenngrößen sind, umso besser. Die 12-Volt-Leitung, als Versorgungskanal für Grafikkarte und CPU, ist im Vergleich zu den anderen als weitaus bedeutsamer einzuordnen. Je besser/stabiler die 12-Volt-Spannungsregulation, umso eher lässt sich über kleinere Ungenauigkeiten bei 3,3- und 5-Volt-Verbindungen hinwegsehen - folglich bewerten wir Abweichung und Abfall der Spannung gewichtet. Crossload-Szenarien, bei denen die verschiedenen Spannungsleitungen stark ungleich belastet werden (also etwa enorme Last auf 3,3- und 5-Volt-Leitung, dafür aber keine auf der 12-Volt-Lane), stellen das Netzteil noch einmal deutlich härter auf die Probe.

Beispiele der Spannungsregulation Quelle: PCGH Spannungsabweichung von der Idealspannung der im Vergleichstest gemessenen 650- bis 750-Watt-Netzteile. Je geringer die Abweichung, umso besser. Quelle: PCGH Spannungsabweichung von der Idealspannung der im Vergleichstest gemessenen 850-Watt-Netzteile. Je geringer die Abweichung, umso besser.

Netzteile: Leistungskorrekturfaktor (PFC)

Heutzutage ziehen viele Geräte ihren Strom impulsartig aus den Netzen, wodurch die verbaute Technik viele Schwingungen erzeugt, die eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom im Stromnetz verursacht. Dieses Ungleichgewicht hat Auswirkungen auf andere Elektronik im Netz, verbraucht unnötig Energie und kann zu Instabilitäten führen. Der Leistungsfaktor beschreibt dieses Ungleichgewicht und wie effizient ein System eingesetzte Energie verwenden kann. Sind die Phasen zueinander verschoben, wird mehr Strom aus dem Netz gezogen, als eigentlich nötig ist. Systeme mit einem höheren Leistungsfaktor können so durch eine effizientere Nutzung der Energie mehr Arbeit verrichten.

Seit 2001 schreibt eine EU-Norm vor, dass alle Verbraucher ab 75 Watt einen Leistungsfaktor vorweisen, der Oberschwingungen minimiert und eine effizientere Verwendung der Energie ermöglicht. Und hier kommt der Leistungskorrekturfaktor - oder Power Factor Correction - ins Spiel, da dieser eine Einhaltung der EU-Norm ermöglicht. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Grenzwerte einzuhalten: die passive oder die aktive Oberschwingungsfilterung. Bis 200 Watt wird in der Regel auf die passive Variante mit Drosseln hoher Induktivität zurückgegriffen. Solche Anwendungen sind zwar kostengünstig, aber auch schwer und erzielen Leistungsfaktorkorrekturwerte von 0,7 bis 0,8. Mit einer aktiven Filterung kann man dagegen bessere Werte von bis zu 0,99 erreichen, diese sind aber aufwendiger in der Produktion und kosten dementsprechend mehr. Aktive PFCs (für den eigenen Rechner) beruhen auf doppelt geregelten Aufwärtswandlern, besser als DC-DC-Wandler bekannt, die durch Aufladung von Kondensatoren Netzschwankungen ausgleichen können, da Verbraucher darüber versorgt werden.

Netzteile: Power-Good-Signal und Hold-up-Time

Das Power-Good-Signal wird von einem Netzteil generiert und ausgegeben, um den angeschlossenen Rechner vor inkorrekten Spannungen zu schützen. Wenn ein Spannungswandler eingeschaltet wird, dann benötigen die Spannungsschienen im Gerät einige Sekundenbruchteile, um auf die Nominalleistung zu kommen. Erst dann kann kontinuierlich eine konstante Spannung garantiert und ausgegeben werden. Dieser Vorgang dauert normalerweise zwischen 100 und 500 ms, in denen das Netzteil dann über das Power-Good-Signal dem Mainboard mitteilt, dass alles einwandfrei funktioniert und der Rechner gestartet werden kann. Würde der PC bereits vor Ausgabe des PG-Signals versuchen, hochzufahren, kann das katastrophale Ergebnisse nach sich ziehen.

Für moderne PC-Komponenten ist es überlebenswichtig, dass nur die entsprechenden Spannungen am Bauelement ankommen, die auch wirklich benötigt werden - nicht vorgesehene Spannungsspitzen können zu Datenverlust oder gar einer dauerhaften Schädigung der Hardware führen. Sobald also stabile Spannungen vom Netzteil erzeugt werden können, erhält das Mainboard über Pin-8 ein 5-Volt-Signal: Power Good. Dieser Mechanismus, der dazu dient, Ihre Hardware zu schützen, wird von billigen Netzteilen oft vorgegaukelt. Statt einer Überwachungsschaltung wird einfach der Pin-8 des ATX-Steckers an die 5-Volt-Schiene gelegt und, sobald diese Leitung genug Spannung hat, wird das gefälschte Signal ausgegeben und der Rechner hochgefahren. Solch ein System hat keine Power-Good-Signal-Funktion und das Mainboard wird versuchen, den Rechner zu starten, bevor sich die Spannungen im Netzteil stabilisiert haben.

Quelle: PCGH Bei der Hold-up-Time werden dem System bei ausfallender Leitung weiterhin wertvolle Millisekunden zugesichert, um bei kleinsten Ausfällen nicht direkt abzuschalten. In den von Intel vorgegebenen ATX-Spezifikationen werden mindestens 16 ms vorgeschrieben. Türkis: 12-Volt-Spannung, Blau: Power-Good-Signal, Gelb: Strom, Lila: Spannung. Bei der Stützzeit (auch Hold-up-Time oder Überbrückungszeit, als Teil des Housekeepings) handelt es sich um die Zeitspanne, in der ein Netzteil noch in der Lage ist, nach einem plötzlichen Ausfall eine konstante Spannung zu halten - also die Hardware noch für Sekundenbruchteile am Leben zu erhalten. In dieser Zeit von vorgesehenen 16/17 ms oder mehr sollen Rechner - vor allem wichtig im Server-Bereich - Instabilitäten bei ruckartigen Stromproblemen verhindern können. Das ist wichtig, um Fluktuationen im Stromnetz abzufangen oder die Umschaltzeit bei unterbrechungsfreien Netzteilen abzufedern.

Das Power-Good-Signal wird erzeugt, wenn das Netzteil eine konstante und korrekte Spannung an das Mainboard liefern kann. Eine Millisekunde vor Unterschreiten der Spannung muss das Power-Good-Signal durch Abschalten signalisieren, dass die Spannungen fehlerhaft sind.Die Hold-up-Time, je länger, desto besser, wird maßgeblich von der Kapazität der Primärkondensatoren bestimmt und gibt einen groben Indikator ab, ob diese auch korrekt dimensionieren und einteilen. Die Größe der Kondensatoren und die Stützzeit hängen direkt miteinander zusammen. Billige Netzteile sparen gerne an teuren Kondensatoren, worunter oft das gesamte Netzteil qualitativ leidet.

Genug Theorie! Jetzt sollten Sie imstande sein, die wichtigsten Punkte innerhalb eines Netzteiltests grundlegend nachzuvollziehen. Im Zweifel lassen Sie die Erklärungspassagen in einem zweiten Tab geöffnet, um das Wissen immer wieder abzurufen.

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4. Seite 4 Kauf-Checkliste: Das sollten Sie vorher durchgehen
5. Seite 5 Technik erklärt: Ripple, Spannung und mehr