Ein PC-Netzteil, auch Computer-Netzteil, ist ein Schaltnetzteil für den Einsatz als Stromversorgung in Mikrocomputern. Die in den meisten Fällen eingebauten Lüfter dienen nicht nur der Eigenkühlung, sondern ganz oder teilweise auch der Kühlung der sonstigen im Computergehäuse eingebauten Komponenten.
Formate
Ein großer Teil IBM-PC kompatibler Computer wird in genormten Gehäusen (siehe Formfaktor (Computertechnik), AT-Format, ATX-Format, BTX-Format) geliefert. Die Leistung dieser Netzteile liegt üblicherweise bei 200 bis 500 Watt, mittlerweile sind auch Netzteile bis 1500 Watt erhältlich.
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 extrem leistungsfähigen Netzteils zu einem Platzproblem führen, das speziell bei kleinen Gehäusen thermische Probleme nach sich zieht.
AT-Format
Die AT-Netzteile (Advanced Technology) unterscheiden sich von heutigen Netzteilen insbesondere dadurch, dass sie einen herausgeführten Schalter besitzen. Diese Schalter wurden in der Front des PC-Gehäuses untergebracht und schalteten das Netzteil und damit den PC physikalisch aus. Es gibt also keine Stand-By-Modi. Ferner ist der Stromanschluss für ein AT-Mainboard historisch bedingt mit zwei mechanisch identischen, aber unterschiedlich belegten Steckern realisiert. Im Normalfall werden sie nebeneinander gesteckt, mit den schwarz markierten Adern zueinander. An Steckverbindungen bieten diese Netzteile nur:
- zweiteiliger Stecker zur Stromversorgung der Hauptplatine (+12V, -12V, +5V, -5V und GND)
- 4-Pin Molex (für interne Peripherie wie Festplatten u.ä.) (5 und 12 Volt)
- 4-Pin Floppy Disk-Stromversorgung (5 und 12 Volt)
ATX-Format
ATX steht für Advanced Technology Extended. Bei ihrer Einführung verfügten diese PC-Netzteile über folgende Steckverbinder:
- 20-Pin (Steckerbelegung) zur Stromversorgung der Hauptplatine
- 4-Pin Molex (für interne Peripherie)
- Floppy Disk-Stromversorgung
Außerdem in neueren Ausführungen
- 24 statt 20-Pin (Steckerbelegung) zur Stromversorgung der Hauptplatine
- 4-Pin Hauptplatine (ATX12V bzw. „Intel P4-fähig“)
- 8-Pin Hauptplatine
- PCI-E
- S-ATA
- optional Tachosignalstecker zum Anschluss auf die Hauptplatine zum Auslesen der Netzteillüfter-Drehzahl
Die übliche Bauform eines PC-Netzteils ist ein quaderförmiges Blechgehäuse mit einer Euro-Kaltgeräte-Buchse für die Netzspannung, optional einem Netzschalter, dann in seltenen Fällen mit einer Euro-Kaltgeräte-Steckerbuchse zur mitgeschalteten Monitor-Stromversorgung, sowie einem oder mehreren Lüftern. Ursprünglich dienten die Lüfter nicht nur der Kühlung des Netzteils selbst, sondern der Kühlung des Rechners insgesamt, indem der oder die Lüfter des Netzteiles Luft nach außen fördern, somit im Rechnergehäuse Luft durch diverse Schlitze und Öffnungen angesaugt wird und am Netzteil das Gehäuse wieder verlässt.
Bei modernen, leistungshungrigen Computern reicht die Kühlwirkung des Netzteillüfters allein meist nicht mehr aus und muss durch andere Maßnahmen, beispielsweise zusätzliche Gehäuselüfter, ergänzt werden.
PC-Netzteile lassen sich häufig an Stromnetzen mit unterschiedlicher Spannung betreiben. Die Umschaltung kann manuell oder automatisch erfolgen. 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. Moderne Netzteile weisen häufig eine automatische Anpassung auf, die den Betrieb zwischen 100 V und 240 V Netzspannung erlauben.
Das Netzteil wird am Ausschnitt der Rechnergehäuse-Rückwand mit vier Schrauben befestigt.
Es existieren auch Sonderbauformen, z. B. wassergekühlte Umbauten.
PC-Netzteile müssen mindestens folgende Ausgangsspannungen zur Verfügung stellen: +12 V, +5 V, +3,3 V, -12 V, +5 Vsb (Standby-Spannung), wobei nach dem neuesten ATX-Standard mindestens zwei +12 V-Schienen vorhanden sein müssen. Der Nutzen mehrerer 12 V-Leitungen ist aber umstritten, da diese ursprünglich dafür vorgesehen waren eine stabile Stromversorgung bei zunehmender Last zu gewährleisten, eine 12 V-Leitung darf laut ATX-Spezifikation nicht mehr als 20 Ampere haben, bevor eine zusätzliche Leitung notwendig wird. Es hat sich aber gezeigt, dass die Netzteilhersteller keine Probleme haben, ihre Netzteile so zu entwickeln, dass sie eine höhere Leistung weit über 20 Ampere hinaus leisten können.
Die Spannungen werden u. A. für folgende 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
-5V, -12 V: werden nicht in allen Systemen gebraucht, z. B. Soundkarten. Die -5V-Leitung ist in den neuen ATX-Standards nicht mehr zwingend vorgeschrieben und d. h. nicht mehr bei jedem Netzteil vorhanden.
+5 VSB: ausschließlich für Standbymodus
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 jedoch nicht mehr 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 minimal Strom verbraucht wird (ca. 5 bis 8 Watt in der Regel) über eine „Standby“-Schaltung des Netzteiles, und dass der Rechner befähigt wird, über den Einschalttaster (regulärer Start), über eine Tastatur ("wake up on key") oder über Modem bzw. Netzwerk „aufgeweckt“ zu werden ("wake up on modem", „wake up on LAN“). Die Hauptplatine legt dazu Pin 16 (auch manchmal PIN 14) (Speisung ein) des Netzteilsteckers auf Masse; daraufhin geht das Netzteil in den normalen Betriebsmodus. Alle diese Betriebsmodi können im BIOS eines modernen Computers konfiguriert werden; sie funktionieren sämtlich jedoch nur mit einer Stromversorgung im „standby“-Betrieb des Netzteiles. Standby-Schaltungen jedoch sind neuerdings in der Kritik der Öffentlichkeit. Rechnerkundige wissen zudem um einige Sicherheitsprobleme „ferngesteuert aufweckbarer“ Rechner. Deshalb lässt sich bei vielen Hauptplatinen auch „wake up on LAN“ ausschalten. Manche Platinen unterstützen auch noch zusätzliche Funktionen im Standby-Modus, wie z. B. das Abspielen von Musik von einem CD-ROM-Laufwerk, was wiederum zum Energiesparen beitragen kann, weil dann der Stromverbrauch nur ca. 10-30 W beträgt, anstatt den ca. 100-200 W, die das System im Normalbetrieb bei geringer Auslastung verbraucht.
Für den Einbau in kleine Gehäuse sind die Maße wichtig.
| Länge | Breite | Höhe | |
|---|---|---|---|
| ATX | 140 | 150 | 84 |
| ATX large | 160 | 150 | 84 |
Zu beachten ist in obiger Tabelle jedoch, dass die Werte für die Länge nur Richtwerte darstellen, deren Einhaltung im ATX-Standard nicht verbindlich vorgeschrieben ist.
BTX-Format
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 wirklich 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 12V-Stecker wurde als ATX12V auch ins ATX-Format übernommen.
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. BTX hat sich somit nicht durchsetzen können.
Besondere Bauformen
Redundante Netzteile
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Redundante Netzteile werden oft in Servern eingesetzt, um die Ausfallsicherheit zu erhöhen. Meist sind zwei oder drei Netzteileinschübe in einem gemeinsamen Netzteilkäfig montiert. Die Einschübe können eine gemeinsame Netzzuleitung 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. Oft wird dann ein Netzteileinschub direkt an der Hausstromversorgung angeschlossen, und die anderen Einschübe über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Falls einer der Netzteileinschübe ausfällt, läuft der Server ohne Unterbrechung weiter. Bei der o. g. Anschlussart läuft der Server auch weiter, wenn die USV durch einen Defekt ausfällt, erst ein Doppelfehler führt zum Ausfall.
Sondernetzteile
Bei den Sondernetzteilen handelt es sich meist um ATX-Netzteile, die durch einen „Umbau“ (Pins von Steckern vertauschen, hinzufügen etc.) für eine Serie von Fertig-PCs (z. B. Dell, Comtech usw.) verbaut werden.
In 19-Zoll-Gehäusen mit weniger als 4 HE Bauhöhe sind normalerweise ebenfalls Sondernetzteile verbaut (geringere Bauhöhe, dafür länger), da diese Gehäuse zu niedrig sind, um dort die Standardbauform unterbringen zu können. Die Anzahl der internen Anschlüsse ist hier oft geringer als üblich, da in niedrigen Gehäusen ("Pizza Boxes") ohnehin nur wenige Laufwerke Platz haben bzw. stromhungrige Grafikkarten nicht adäquat gekühlt werden können.
Eigenschaften
Besondere Eigenschaften sind z. B.:
- Leistungsfaktorkorrektur (engl. power factor correction, PFC) aktiv oder passiv,
- temperaturgeregelte Lüfter,
- Überspannungsschutz (over voltage protection),
- Kurzschlussschutz (short circuit protection),
- Überlastschutz (overload protection),
- ECASO (Nachlaufen des Lüfters),
- Energieeffizienz (80-PLUS-Initiative)
Qualitätsmerkmal von PC-Netzteilen ist neben der Maximalleistung die maximale Belastbarkeit der einzelnen Spannungsschienen, ein niedriger Geräuschpegel und ein guter Wirkungsgrad auch unter wechselnden Lasten, sowie eine ausfallfreie Stromversorgung auch bei asymmetrischen Lasten. Letztere Eigenschaften lassen sich nur über aufwendige Labortests ermitteln, deren Ergebnisse gelegentlich in Fachzeitschriften publiziert werden.
Stecksysteme
Seit ca. 2006 werden bei einigen Netzteilen Stecksysteme für die internen Anschlüsse angeboten. Dabei sitzen an der Innenseite des Netzteils mehrere Buchsenleisten, die Kabel zu den Laufwerken sind daran steckbar. Befürworter heben abgesehen von der größeren Flexibilität hervor, dass dadurch keine überzähligen Kabel den Kühlluftstrom behindern; Skeptiker verweisen darauf, dass durch den Übergangswiderstand am Steckverbinder die Effizienz sinkt und Wackelkontakte zu Fehlfunktionen bzw. sogar zu Hardwareschäden führen können.
Passive Netzteile
Als "passiv" wird ein Netzteil bezeichnet, welches über keinen Lüfter zur Wärmeabfuhr verfügt, sondern hierfür zumeist einen Rippenkühler oder seltener ein Peltier-Element einsetzt. Letzteres erlaubt die Abfuhr größerer Wärmemengen, erhöht aber den Stromverbrauch. Passive Netzteile sind im Gegensatz zu aktiv gekühlten Netzteilen bis auf eventuelle Brummschleifen geräuschlos.
Wirkungsgrad
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 20 %, 50 % und 100 % gemessen wird. Die derzeit besten Netzteile liegen im Bereich von 88 % Wirkungsgrad bei 20 % und 100% Belastung und 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 und einzelne Netzteil-Tests bestätigen dies auch. Bei einer Belastung von unter 20 % sinkt der Wirkungsgrad allerdings stark.
Letzteres führt zu Problemen, da sich der Netzteil-Markt in den letzten Jahren 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 gar 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.[1]
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.[2] 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.[3] Bei entsprechenden Konfigurationen ist dann eine Leistungsaufnahme von mehr als 1000 Watt möglich.[4]
Steckerbelegungen
AT-Format Netzteilstecker
| Farbe | Pin | Signal |
|---|---|---|
| orange | P8.1 | Speisung gut |
| 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 |
24-poliger ATX-Netzteilstecker
Beim 20-poligen Stecker fehlen die letzten 4 Pins (11, 12, 23 und 24). Siehe Link: http://www.bilder-hochladen.net/files/bbhr-9.png
| Farbe | Signal | Pin | Pin | Signal | Farbe |
|---|---|---|---|---|---|
| +3.3 V | 1 | 13 | +3.3 V Rückmeldung | ||
| +3.3 V | 2 | 14 | -12 V | ||
| Masse | 3 | 15 | Masse | ||
| +5 V | 4 | 16 | Speisung ein | ||
| Masse | 5 | 17 | Masse | ||
| +5 V | 6 | 18 | Masse | ||
| Masse | 7 | 19 | Masse | ||
| Speisung gut | 8 | 20 | -5 V | ||
| +5 V Standby | 9 | 21 | +5 V | ||
| +12 V | 10 | 22 | +5 V | ||
| +12 V | 11 | 23 | +5 V | ||
| +3.3 V | 12 | 24 | Masse |
Spannungstoleranzen bei ATX-Netzteilen
Es sollten alle Verbraucher (Festplatte(n), Mainboard, Optische(s) Laufwerk(e),...) beim Messen angeschlossen sein.
| 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 |
Einzelnachweise
- ↑ http://www.80plus.org/manu/psu/psu_reports/RM112%20(Colorado%20235W)-80Plus-Rpt.pdf
- ↑ siehe c't 07/09, S. 151, "Prüfstand | x86-CPUs"
- ↑ 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 derzeit kaufbaren Prozessor deutlich übersteigt)
- ↑ legitreviews.com: "Intel recommends a kilowatt or better PSU for a system with 4GB 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 1400W!"