Computerhardware: Netzteil

Einleitung

Ein Netzteil muss je nach System eine Gesamtleistung von 100 bis 700 Watt bereitstellen. Das ist etwa der Stromverbrauch eines kleinen Heizkörpers!

Das Netzteil erzeugt mehrere Betriebsspannungen:

• 12 V für Motoren und andere leistungshungrige Elektronik
• 5 V für sparsame Komponenten
• 3,3 V für diverse Spannungen auf dem Mainboard
• -12 V für manche ältere Peripherie (z. B. serielle Schnittstelle)
• 5 V SB Ruhezustand

Keine der Spannungen darf mehr als 5% vom Sollwert abweichen, obwohl der Strombedarf des Computers schnell und stark schwankt. Je nachdem welches Programm Sie gerade benutzen und was das Programm gerade tut, ändert sich jede Mikrosekunde der Strombedarf. Um diese Spannungsschwankungen zu dämpfen, sind Netzteil, Hauptplatine und Steckkarten mit vielen Kondensatoren bestückt. Hochwertige Platinen sind (teilweise oder komplett) mit „Solid Caps“, Kondensatoren mit festem Elektrolyt, ausgerüstet. Sie altern unter dieser Belastung deutlich langsamer als normale Kondensatoren. Bei Netzteilen sind dagegen Modelle mit Solid Caps noch selten, da dort viel höhere Spannungen vorhanden sind.

Mehr als 99% dieser Leistung werden von den Komponenten im PC in Wärme verwandelt, der Rest in Schall und Elektrosmog. Prozessor, Grafikkarte, Festplatte und Chipsatz sind die größten Stromverbraucher, auch das Netzteil selbst hat einen beträchtlichen Eigenstrombedarf. Deshalb muss der PC durch Lüfter gekühlt werden.

Das Netzteil liefert fünf Spannungen - warum werden 28 Drähte benutzt, um die Hauptplatine mit Strom zu versorgen? Weil eine Stromstärke von dutzenden Ampere für einen einzelnen Draht zu hoch ist.

Ruhezustand

Wenn Windows den PC beim Herunterfahren ausschaltet oder wenn der Benutzer ein ATX-Netzteil mit dem Soft-Off-Schalter ausschaltet, steht die Hauptplatine immer noch unter einer Spannung von 5 Volt. Sie erkennen das daran, dass die Anzeigen der Tastatur und die LED in der Maus weiter leuchten.

Luft und Lärm

Üblicherweise befindet sich im Netzteil ein Lüfter, manchmal auch zwei. Das Netzteil saugt warme Luft aus dem Inneren des Computers, nutzt diese zur eigenen Kühlung und bläst sie hinten aus dem Computer heraus. Kaufen Sie ein Netzteil mit einem Lüfterdurchmesser von 120 mm! Je größer der Durchmesser des Lüfters, desto langsamer dreht er und desto leiser ist er.

Viele Lüfter sind temperaturgeregelt: Sie drehen langsamer, wenn weniger Wärme entsteht. Bei manchen Lüftern erfolgt die Temperaturanpassung durch Wechsel zwischen Stillstand und voller Drehzahl. Diesen häufig wechselnden Geräuschpegel empfinden manche Menschen als störend. Achten Sie beim Kauf des Computers darauf, ob das Netzteil eine stetige oder eine Intervallregelung hat.

Mittlerweile kann man auch lüfterlose Netzteile kaufen. Ihre Verwendung ist aus zwei Gründen problematisch:

• Ein Netzteillüfter würde nicht nur das Netzteil kühlen, sondern auch die warme Gehäuseluft absaugen. Bei einem lüfterlosen Netzteil bleibt die Abwärme von CPU, Festplatte, Grafikkarte u.a. im Gehäuse gefangen.
• Weil der Lüfter fehlt, wird die Wärme größtenteils über die Oberfläche des Netzteilgehäuses abgestrahlt. Sie bleibt im Inneren des Computers und heizt ihn noch weiter auf.

Deshalb muss zwingend mindestens ein Zusatzlüfter an der PC-Rückseite eingebaut werden. Leiser wird der PC also nicht, vom Risiko mal abgesehen, dass das Netzteil überhitzt und durchbrennt.

Die optimale Leistung

Handelsübliche Netzteile reichen von 300 bis 1000 Watt. Netzteile mit hoher Spitzenleistung sind teuer in der Anschaffung und für einen anderen Lastbereich ausgelegt. Die meisten Netzteile arbeiten zwischen 20 und 80% Last am effizientesten. Wählen Sie deshalb die Leistungsklasse nicht zu hoch, aber natürlich auch nicht zu niedrig. Wenn der Rechner unter absoluter Volllast 80% ausschöpft, dann ist das Netzteil perfekt dimensioniert. Netzteile in Büro- und Heimrechnern sind leider oft generell überdimensioniert, da keine kleinen Modelle unterhalb von 300 Watt verfügbar sind. Greifen sie nur dann zu leistungsstarken Netzteilen, wenn Sie nennenswerte Nachrüstungen planen. Achten Sie auf den Wirkungsgrad: Es gibt Stromfresser mit einem bescheidenen Wirkungsgrad von 50%. Markennetzteile erreichen bis zu 90% und schützen den PC meist besser vor Überspannungen im Stromnetz.

Wenn Sie einen Power-PC mit High-End-Grafikkarte haben, müssen nicht auf einen leisen PC verzichten. Es gibt Wasserkühlungen für den PC. Sie sind allerdings sehr teuer und der Einbau ist kompliziert, denn ein „Rohrbruch“ oder auch nur eine Undichtheit ruiniert die Elektronik.

Wichtig, da oft falsch verstanden: Nur weil ein Netzteil z.B. 1000 Watt liefern kann, tut es das nur, wenn auch 1000 Watt vom Rechner gebraucht werden. Benötigt er aber beispielsweise nur 500, so liefert es auch nicht mehr! Ein 1000W und ein 600W-Netzteil hätten bei gleicher Effizienz in diesem Szenario also gleichen Stromverbrauch. Das 1000W-Modell wäre nur in der Anschaffung bedeutend teurer gewesen. Andererseits kann es bei sehr niedriger Last sein, dass das stärkere Modell stark in der Effizienz abfällt, während das kleinere Modell noch oberhalb von 20% und damit recht sparsam arbeiten kann. Daher: Netzteil richtig dimensionieren!

Bereitschaftsspannung

Früher hatten Computer einen 230 Volt Schalter. Das wurde geändert. Der Einschalter wurde von einem klobigen, anfälligen Starkstromschalter zu einem kleinen Taster, der mit der Hauptplatine verbunden ist. Das Ein- und Ausschalten des Netzteils wird nun von der Hauptplatine gesteuert. Das eröffnet mehrere Möglichkeiten, den PC einzuschalten:

• Drücken der Einschalttaste
• Zeitgesteuert von der Computeruhr
• Über die Tastatur
• durch Bewegen der Maus
• durch Einschaltbefehl über das Netzwerk oder vom Modem

Manche dieser Möglichkeiten müssen mit einem Jumper auf der Hauptplatine oder mit einem Eintrag im BIOS freigeschaltet werden. Auch das Ausschalten ist auf mehrere Arten möglich: Mit Befehl über das Netzwerk, mit der Einschalt-Taste, zeitgesteuert oder per Software. Es ist bequem, dass Windows nach dem Herunterfahren gleich noch den PC ausschaltet. So kann beispielsweise ein Administrator um Mitternacht alle Computer der Firma hochfahren, Updates durchführen und sie wieder herunterfahren, ohne die Mitarbeiter bei der Arbeit zu behindern.

Wie funktioniert das? Das Netzteil erzeugt ständig eine Bereitschaftsspannung von 5 Volt, mit der ein Teil der Hauptplatine und alle die Geräte mit Strom versorgt werden, die einen Einschaltbefehl geben könnten: Tastatur, Maus, Netzwerkkarte und Modem. Sie erkennen das daran, dass die Maus und die Anzeigen der Tastatur leuchten, auch wenn der PC heruntergefahren ist. Bei den USB-Anschlüssen gibt es Unterschiede. Manchmal werden einige der Anschlüsse mit Bereitschaftsspannung versorgt, um den Akku einer drahtlosen Maus aufzuladen oder um ein Handy mit dem Notebook-Akku aufladen zu können.

Für die Energierechnung ist das nicht so toll. Ein scheinbar ausgeschalteter PC braucht weiter Strom, auch die meisten Bildschirme und Drucker und manche Lautsprecher gehen in den Bereitschaftszustand und brauchen weiter Strom, wenn auch wenig. Ein durchschnittliches PC-System kann durchaus auf 20 Euro Energiekosten pro Jahr im „ausgeschalteten“ Zustand kommen. Wenn Sie diese Kosten sparen wollen, sollten Sie sich eine Steckdosenleiste mit Schalter zulegen. Damit können Sie PC, Monitor, Lautsprecher und weitere Geräte mit einem Handgriff vom Stromnetz trennen. Nebenbei schützen Sie Ihre Geräte: Was vom Stromnetz getrennt ist, kann nicht durch Überspannungen zerstört werden.

Es gibt aber Gerätearten, bei denen Sie bei einer Schaltung über eine Steckdosenleiste einige Dinge beachten sollten:

• Ein DSL-Modem oder DSL-Router benötigt einige Minuten für den Aufbau der Verbindung ins Internet (die Synchronisation). Meist dauert es nur ein bis drei Minuten, in ungünstigen Gegenden können es auch 10 Minuten werden. Möglicherweise haben Sie nicht so viel Geduld. Probieren Sie es aus, ob dem DSL-Modem/Router der Strom gekappt werden darf.
• Wenn bei einem Tintendrucker eine längere Druckpause eintritt, bewegt er den Druckkopf in die Parkposition, um die Düsen zu verschließen. Dadurch wird deren Austrocknen verhindert. Schaltet man den Drucker über seinen eigenen Schalter aus, parkt er schnell noch den Kopf. Nimmt man einem Drucker den Strom weg, der gerade eben noch gedruckt hat, kann er die Köpfe nicht parken und die Tinte trocknet schnell ein.
• Selbst wenn nach dem letzten Druckauftrag Zeit vergangen ist: Wenn Sie dem Drucker den Strom wegnehmen, kann er sich nicht merken, wann das letzte Mal die Düsen gereinigt worden sind. Folglich werden nach jedem Einschalten die Düsen gründlich gereinigt. Dafür wird derart viel Tinte verbraucht, dass es meist erheblich billiger ist, den Drucker ständig im Standby-Betrieb zu belassen.

Überspannungsschutz

Das Netzteil kann beträchtliche Schwankungen der Versorgungsspannung verkraften. Länger andauernde Über- oder Unterspannungen von 30 Volt sind für die meisten Netzteile kein Problem. Stromausfälle bis etwa einer Viertelsekunde, wie sie bei Schaltvorgängen vorkommen, werden mit der in Kondensatoren gespeicherten Energie überbrückt. Sogar Überspannungsspitzen von mehreren hundert Volt werden abgefangen, wenn sie nur wenige Millisekunden dauern.

Jedes ordentliche Netzteil hat mehrere Schaltungen, um den Computer vor Überspannungen zu schützen.

• Schutzschaltungen am Eingang
• die Spannungsregelstufen können viele Schwankungen ausgleichen, einige erlauben den Betrieb zwischen 80 und 240 V Eingangsspannung.
• Wenn das nicht reicht, ist eine Thyristorstufe der letzte Schutz. Sobald eine der Spannungen den Toleranzbereich verlässt, werden schlagartig alle Spannungen gleichzeitig kurzgeschlossen. Diese ist bei weitem nicht in jedem Netzteil vorhanden.
• Eine Überspannung wird spätestens erkannt, wenn nach einer gewissen Zeit die geregelte Ausgangsspannung nicht aufbaut konnte.

Dadurch „überlebt“ der PC meistens den Ausfall des Netzteils.

Einen Blitzeinschlag in der Nähe hält allerdings kaum ein Netzteil aus. Ein zusätzlicher Schutz ist sinnvoll. Überspannungsschutzschaltungen gibt es integriert in eine Steckerleiste oder als separaten Zwischenstecker. Die einfachen Ausführungen (etwa 10 €) schützen nur vor Blitzschlägen und sind sinnlos, außer wenn Ihr Haus einzeln steht und über eine Freileitung versorgt wird. Die Ausführungen für 20 bis 40 € schützen zusätzlich vor kleineren Überspannungen, die aufgrund ihrer Häufigkeit gefährlich sind.

Bauformen und Typen

Die meisten Netzteile haben eine Standardgröße von etwa 15 x 15 x 10 cm, auch die Position der vier Befestigungsschrauben ist einheitlich. Einige Hersteller bieten miniaturisierte Gehäuse mit verkleinerten Netzteilen an, für die Ersatz kaum aufzutreiben ist.

Die Anforderungen an Netzteile entwickeln sich weiter. Die aktuelle Bauart heißt ATX, das bedeutet „Advanced Technology eXtended“. Ältere ATX-Netzteile und Hauptplatinen haben einen 20-poligen Steckverbinder, während neuere Netzteile einen 24-poligen Stecker haben. Manche dieser 24-poligen Stecker kann man in zwei Stecker zerlegen: 20-polig und vierpolig, so dass Sie auch die neueste Ausführung eines ATX-Netzteils an eine ältere Hauptplatine anstecken können.

Im Jahr 2004 kamen die Netzteile nach dem neuen BTX-Formfaktor („Balanced Technology eXtended“) auf den Markt. Allerdings hat sich der neue Formfaktor nicht durchgesetzt.

Reparaturen

Sie haben den Verdacht, dass Ihr Netzteil nicht in Ordnung ist? Versuchen Sie nicht, ein defektes Netzteil zu reparieren!

• Es gibt im Netzteil keine Schmelzsicherung, die Sie austauschen könnten. Wenn es eine solche gäbe, wäre sie von außen zugängig.
• Kondensatoren im Netzteil stehen noch mehrere Stunden nach dem Ausschalten unter einer Spannung von mehreren hundert Volt!
• Es besteht das Risiko, dass nach der Reparatur das PC-Gehäuse unter Spannung steht.
• Die Versorgungsspannungen dürfen nur wenige Prozent von den Nennspannungen abweichen, sonst kann die Elektronik durchbrennen. Am Netzteil zu sparen und dabei Hauptplatine, Prozessor, Grafikkarte und Laufwerke zu riskieren, ist nicht sinnvoll.

Für die meisten PCs genügt ein Netzteil mit 400 Watt Leistung, das 40 Euro oder mehr kostet. In einer Fachwerkstatt sollte der Einbau nur selten länger als 20 Minuten dauern.