Kühlkonzepte bei Netzteilen
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soulpain
Grand Admiral Special
In der Leistungselektronik ist die Effizienz ein großes Thema, denn thermische Verluste müssen abgeführt werden, um eine Überhitzung der Elektronik zu vermeiden. Daher lässt man am besten erst keine Abwärme entstehen. In der Praxis ist das natürlich so gut wie nicht umsetzbar, denn durch Schaltverluste, Drahtwiderstände oder veraltete Topologien wird der Kühlaufwand auch in Zukunft entscheidend sein. Zahlreiche und große Bauteile in starken Netzteilen erschweren den Luftstrom. Sowohl passive Kühlkörper als auch die Ventilation durch einen Lüfter sind eine vertraute Methodik, wobei letztere Maßnahme direkt mit einem adäquaten Luftstrom zusammenhängt. Gerade im PC-Bereich spielt die Stromversorgung eine große Rolle. Sie muss nicht nur das System mit der benötigten Menge an Energie versorgen, sondern ist im Falle der ATX-Spezifikation auch Teil des Kühlkonzepts im Gehäuse. In der Entwicklung wird man sich also zwangsweise nicht nur mit der elektronischen, sondern auch mit der physikalischen Anordnung beschäftigen müssen. Daher widmen wir diesem wichtigen Thema nun etwas mehr Aufmerksamkeit, indem wir gängige Kühlkonzepte bei Netzteilen erläutern und anhand einiger Beispiele Messungen aufzeigen.
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In der klassischen Ansicht sitzt das Netzteil links oben und das kopfüber montiert, um Abwärme von CPU und Mainboard aufnehmen zu können. Man muss sich also in jedem Fall nicht nur mit der Eigenkühlung des Gerätes, sondern auch mit der Auswirkung auf die Umgebung auseinander setzen. Im Zuge einiger Modifikationen werden Netzteile mitunter auch unten platziert und so vom eigentlichen Luftstrom im Gehäuse entkoppelt. Wie das Bild des Corsair Obsidian sehr gut zeigt, welches sogar auf eine abgetrennte Kammer setzt. Somit belastet die Abwärme der Leistungsträger nicht mehr das Netzteil, muss aber anderweitig entsorgt werden. Im Falle eines vertikal zur Platine platzierten Lüfters wird so nebenbei auch das Lager geschont, wenn der Aufsatz mit den Lüfterblättern darauf aufliegt und nicht herunterhängt. So oder so kommt es aber immer auf eine effektive Kühlung an. Betrachten wir nun auf den folgenden Seiten einige Konzepte der Netzteilkühlung und überprüfen, wie sich diese auf die Temperaturentwicklung auswirken kann und welchen Einfluss die Effizienz und Leistungsklasse hat.
[break=Horizontales Design]
<center><img src="http://www.planet3dnow.de/photoplog/file.php?n=8437&w=o" border="1" alt="Allgemein"></center>
In der wohl bekanntesten und ältesten Anordnung wird ein kleiner Lüfter mit 80 mm horizontal zur Platine ausgerichtet und zieht die Abwärme aus dem Netzteil. Das anfangs 80 mm gewählt wurden, hängt natürlich in erster Linie mit der Bauhöhe von 86 mm bei ATX-Netzteilen zusammen. Vorne sind in der Regel einige Belüftungslöcher oder wie hier -schlitze angebracht, damit Frischluft in das Netzteil gelangt. Gerade bei überlangen Konstrukten besteht die Hauptaufgabe vor allem darin, die Luft erstmal von hinten nach vorne zu bekommen. Dieses Konzept wurde später durch das Push & Pull-Prinzip erweitert, das genau dieses Problem angeht. Statt der Belüftung durch Öffnung wird vorne ein weiterer 80 mm Rotor platziert, der dem anderen die Abwärme schneller zuführt.
In dem hier gezeigten Bild sehen wir die klassische Variante, bei denen ein Großteil der Wärmeaufnahme nicht der Luft, sondern den Kühlblöcken zukommt. An diesen sind in der Regel die Halbleiter mit Wärmeleitpads und/oder Wärmeleitpaste angebracht. Um eine größere Kühlfläche zu erhalten, spreizen sich einige Kühlrippen beidseitig ab und werden nach oben hin immer breitflächiger. Zusätzlich werden manche perforiert oder erhalten wie hier eine unebene Form. Nach oben hin wird also fast ein geschlossener Raum gebildet, der die Form eines Lufttunnels annimmt. In diesem Tunnel bewegt sich letzten Endes die Luft und muss möglichst Widerstandsfrei abgeführt werden.
In diesem Fall stehen mehrere Komponenten des Primärschaltkreises im Weg, an den Rändern kann sich aber ausreichend Raum bilden. Da der Primärkondensator kaum Verluste führt, spielt es eine untergeordnete Rolle, dass er im Windschatten des Haupttransformators steht. In diesem Fall hat man noch etwas Platz zwischen Lüfter und Komponenten gelassen, um keine Verwirbellungen an den Komponenten zu verursachen, die zu zusätzlichen Störgeräuschen führen.
<center><img src="http://www.planet3dnow.de/photoplog/file.php?n=8436&w=o" border="1" alt="Allgemein"></center>
Die Luft an den äußeren Rändern muss dem erwähnten Tunnel aber erst zugeführt werden. Manche fragen sich, weshalb der Lüfter dann ausgerechnet dem PFC-Abschnitt zugeführt wird, wenn dort am wenigsten Verlustleistung entsteht. Der hier aufgezeigte Sekundärteil heizt sich hingegen schneller auf. Das Problem wäre, dass durch die Enge der vielen Filterstrukturen oder Zusatzmodule und vor allem den Ausgangsleitungen kein ausreichender Luftstrom entstehen könnte. Ergo muss die hier entstandene Wärme vom Kühlkörper, der entsprechend dimensioniert ist, erstmal aufgenommen werden. Diese wird dann im Einwirkungsbereich des Lüfters abgegeben.
<center><img src="http://www.planet3dnow.de/photoplog/file.php?n=5449&w=o" border="1" alt="Allgemein"></center>
Klar ist, je größer die Bereiche und Belüftungslöcher, desto mehr warme Luft passt hindurch. Hier hat man beispielsweise trotz der mittlerweile gängigen Wabenstruktur sehr große, viereckige Löcher am Eingang verwendet. Für das EMV-Verhalten mag dies aber nicht ganz optimal sein, genau wie der außen stehende Lüfter, welcher allerdings vom Gehäuse entkoppelt wurde und noch leiser ist. Aber zurück zur Kühlung. Platziert wurde hier nämlich auch eine Luftleitfolie. Vor allem als Gegenstand der vertikalen Kühlung wurde diese immer wieder kontraproduktiv eingesetzt, weil damit Teile des Lüfter abgedeckt wurden und damit tote Winkel entstanden sind. Hier jedoch kann die Kunststoffhaube teureres Aluminium ersetzen, da die beiden Kühlkörper zur Wärmeaufnahme bereits groß genug dimensioniert wurden. Hier dient die Maßnahme also tatsächlich nur einem geordneten Ablauf des Luftstroms und bildet eine noch tunnelähnlichere Schneise als im vorherigen Beispiel.
Zusammfassend können wir sagen, dass das horizontale Konzept aufgrund der Bauhöhe bei ATX-Netzteilen nicht die gesamte PCB-Fläche abdeckt. Wenn die Struktur einen guten Luftstrom ermöglicht, ist die Kühlung aber sehr effektiv. Das hat man vor allem der unterbrechungsfreien Zirkulation in der zentralen Laufbahn des Lüfters zu verdanken.
Antec hat hierbei eine Lösung gefunden, die das Kühlsystem perfektioniert, indem der direkte Luftstrom der horizontalen Anordnung mit einem großen Lüfter kombiniert wird. Das CP-850 hat dabei den Nachteil, dass das Netzteilgehäuse dadurch größer in der Bauhöhe ist und nur in dafür vorgesehene Antec Gehäuse passt. Zudem gibt es keine Alternative im kleineren Leistungsbereich.
[break=Vertikales Design]
<center><img src="http://www.planet3dnow.de/photoplog/file.php?n=8446&w=o" border="1" alt="Allgemein"></center>
Zu dieser Grafik muss man nicht viele Worte verlieren, um bereits einen Vorteil und einen Nachteil zu erkennen. Wie wir sehen wird der Lüfter vertikal zur Platine positioniert. Durch die größere Fläche kann auch ein größerer Rotor verbaut werden. Grundsätzlich erreicht man so mehr Luftdurchsatz bei geringeren Umdrehungen. Durch das Anbringen im oberen Teil des Gehäuses mit dem Lüfter nach unten wird auch mehr Abluft aus dem PC-Gehäuse entnommen. Denn bei 80 mm ist es unwesentlich, wie man das Netzteil dreht. Es fällt schwieriger, die Verlustleistungen von CPU und Mainboard aufnehmen zu können.
Der Nachteil ist die Biegung, die im Luftstrom besteht. Zunächst trifft die Luft aus dem übrigen Teil des Rechners auf das PCB und wird danach erst über die Entlüftungslöcher, die nun am Ende stehen, abgeführt. Untere Bereiche werden dann schlecht erreicht, wenn die Kühlkonstruktion zu dicht ist und gegen die herannahende Luft abschirmt. Im Gegensatz zu 80 mm ist es hier also elementar, genügend Zwischenräume zu lassen, gleichzeitig die Kühlkörper aber auch nicht zu klein zu dimensionieren.
Wie wir an diesem Beispiel in den Details sehen, gehen vom - für die Leistung von 550 Watt breiten - Kühlblock aus keine Kühlrippen in die breite. Nur nach oben hin modifiziert man die Kühlfläche durch Einfräsungen. Im Gegensatz zu unserem 80 mm Vergleich steht der Primärkondensator physikalisch natürlich immer noch neben einer Komponente, von oben herab gekühlt aber nicht mehr in dessen Windschatten. Das gleiche gilt auch für die anderen Bereiche. So ist die generelle Erreichbarkeit großer Komponenten gegeben, wobei es je nach Stärke schwierig erscheint, Kleinstbauteile auf dem PCB erreichen zu können. Bei den geringen Drehzahlen heutiger Netzteile kommt auch hier viel auf die Platzverhältnisse an. Dicht besetzte PCB sind kühltechnisch schwieriger zu realisieren. Vorhandene Bauteile müssen im Größeren Abstand zueinander positioniert werden, was die PCB-Fläche erhöht.
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Ein Negativbeispiel sehen wir nun, denn von oben herab gekühlt verhindert die dichte Verzahnung der zwei versetzten Reihen an Kühlrippen eine effektive Luftzirkulation. Ausgerechnet im Sekundärteil ist ein größerer Kühlkörper nötig, paradoxerweise führt er dazu, dass keine Erreichbarkeit der Komponenten statt findet und sich das Konstrukt aufheizt. Verstärkt wird dieser Eindruck dadurch, dass die großen Gleichtaktdrosseln rechts das Abtragen der Luft schwieriger machen. Ein generelles Problem, wenn man viele Filterbausteine vor die Entlüftung setzt. Das vorhin gezeigte Netzteil mit 80 mm hat das Problem so gelöst, dass sich ein Großteil der Filterung dort befindet, wo eigentlich bereits der Leistungsfaktor-Vorregler positioniert wird. Dafür ist der Primärkondensator in die Mitte gerückt.
Insgesamt kann man mit vertikal positionierten 120-140 mm Lüftern eine größere Fläche abdecken, muss dabei aber anhand der Kühlkörper auf die Erreichbarkeit kleiner Komponenten achten und darauf, dass die Abluft adäquat nach außen gelangt. Dann wird man auch eine optimale Lautstärke erreichen.
[break=Passives Design]
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Bei diesem Objekt dürfte vor allem das Mesh-Design auffallen. Statt geschlossener Seitenwände existiert eine feine Lochung. Durch die Perforation kann die warme Luft aus allen Öffnungen herausströmen. Weiterhin ist der Deckel tatsächlich Teil der passiven Kühlkonstruktion, wie wir gleich noch näher betrachten werden. Hierbei wurde die Oberfläche leicht bearbeitet. Ganz rechts sehen wir auch einige Status-LED. Sie sollen über die Temperatur und Funktionalität Aufschluss geben. Sie sind aber im Grunde nur eine Förderung des Vertrauens, um dem Benutzer die ausreichende Kühlung zu demonstrieren und ein gewisses Gefühl der Kontrolle zu vermitteln. Prinzipiell sind solche Netzteile natürlich mit OTP (Over Temperature Protection) abgesichert und das restliche PC-Gehäuse sollte natürlich im Falle stärkerer Leistungsträger entsprechend belüftet sein. Wenn das gegeben ist, sollte man keine Berührungsängste mit passiven Netzteilen haben, so viel sei unseren Messungen bereits vorweg gesagt.
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Nach der Öffnung lässt sich neben den massiven Kühlkörpern nicht viel erkennen. Diese sind sogar noch dicker als beim 80 mm Konstrukt, da sie darauf ausgelegt sind, keine Unterstützung zu erhalten. Links sehen wir ein großes Wärmeleitpad, dass die Wärme wie erwähnt zum Kopfstück führt und so aus dem Bereich der Netzteilelektronik heraus. Ggf. kann sie dort dann von einem leisen Gehäuselüfter abgetragen werden. Trotz der Genialität diesen Designs geht man in der Spezifikation nicht höher als 450 Watt, aktiv gekühlt könnte es noch mehr leisten. In höheren Leistungssegmenten wäre die Kühlkonstruktion dann auch kompliziert zu realisieren, denn so würde man auch starke Grafikkarten verwenden und ein funktionierender Luftstrom im Gehäuse ist elementar.
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Aus dieser Perspektive sehen wir sehr gut, wie dick die Kühlkörper eigentlich sind. Längsseitig würden vermutlich zwei aus aktiv gekühlten Modellen hineinpassen. Interessanterweise sehen wir hier wieder eine Art Tunnel, denn die Kühlrippen werden nach oben hin erheblich breiter. Das dürfte aber vor allem daran liegen, dass die Wärme auch nach oben aus dem Gerät gebracht wird und weiter unten nun mal die Komponenten stehen, die sich bei der geringen Bautiefe einen kleinen Raum teilen. Primärseitig ist ein 105°C Kondensator sinnvoll, hier wurden sogar mehrere parallel geschaltet, da für ein großes Modell einfach kein Platz besteht.
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Sekundärseitig kommen wieder die vielen Leitungen und Ausgangsfilter hinzu. In diesem Fall ist das kein Problem, da die Wärme in die obere Richtung und auch seitlich entweichen kann. Vor allem aber werden an den stark belasteten Stellen Feststoffkondensatoren eingesetzt mit Herkunft in Japan. Nur an kleineren Schienen werden nach Teapo Kondensatoren mit klassischen Folien und Elektrolyt eingesetzt.
Im Gesamtüberblick richtet sich die passive Kühlung natürlich an die Silentliebhaber. Bei effizienten Netzteilen moderner Herkunft muss man bei kleineren Rechnern keinen großen Kühlaufwand betreiben, um die aktive Kühlung kompensieren zu müssen. Hochwertige Bauteile und große Aluminium- oder Kupferkühlkörper machen diese Netzteile jedoch sehr teuer und der Absatzmarkt ist relativ überschaubar.
Ein Mittelding wäre die semi-passive Kühlung, wie sie bei NesteQ oder Seasonic eingesetzt wird, aber auch da sorgt die komplexe Steuerung für hohe Preise und die Schaltung muss fehlerfrei funktionieren.
Was ist bei der Komponentenwahl zu berücksichtigen?
Markant dürfte dabei die flammenresistente Epoxidharzplatine sein, die glasfaserverstärkt wurde und mit FR5-Einstufung selbst bei über 140 °C keine Leiterbahnschäden aufweist. FR4 ist bis 140°C spezifiziert, wechselt man mit FR3 von Glasfaser zu Hartpapier ist die maximale Betriebstemperatur bereits auf 90°C beschränkt. Tauscht man bei FR2 dann auch noch das Epoxid- gegen Phenolharz, dürfen 70°C nicht überschritten werden. Hinzu kommen natürlich die Kriechstromfestigkeit als steigender Faktor und die schwerere Bearbeitung bei hohen Stufen. Kein Wunder also, dass das Material damit teuer wird. So ist FR4 bereits 40 % teurer als FR3 und FR5 kostet nochmals die Hälfte mehr als FR4.
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Die Gleichrichterbrücke kann bei 100 °C bis zu 8 A durchlassen, was für alle Netze ausreichend und daher passend dimensioniert ist. Es handelt sich hierbei um ein Modell der GBU-Serie, wie es häufig verwendet wird. Hier wurde die Gleichrichterbrücke an einen der großen Kühlkörper befestigt. Dies verhindert, dass es überhaupt zu derlei hohen Temperaturentwicklungen kommt. Solch eine Maßnahme ist auch sinnvoll, wie das Schaubild zum Temperaturverhalten zeigt. Bei aktiver Kühlung und kleinen Leistungsbereichen könnte man diesen ggf. auch aus Kostengründen einsparen oder verkleinern.
Ob nun ein 85 °C Kondensator oder 105 °C Modell gewählt wird, ist sehr von den anderen Spezifikationen, der Dimensionierung und vor allem der Strombelastung abhängig. Erwärmt sich der Elko durch einen hohen Strom, verdampft das Elektrolyt schnell und der Raum reicht nicht mehr aus. An Ventilationsöffnungen bläht sich der Korpus, da dies die schwächste Stelle ist, an dem sich der Druck entladen kann. Wie gut der Elko abgedichtet ist, entscheidet ebenso über die Qualität. Wie oben erwähnt macht ein 105 °C Fabrikat in der passiven Umgebung Sinn, dabei darf die Temperatur aber nur im Zusammenhang mit der Zeitangabe gebracht werden. Dort geht man oft von mehreren Tausend Stunden bei 105°C aus, die unter realen Temperaturbedingungen natürlich höher sind. Aber selbst nach Ablauf geht das Bauteil nicht zwangsweise kaputt. Viel mehr beschränkt sich die Angabe auf den Verlust von Kapazität, meist auf 20 % festgelegt. Elektrolyt vertrocknet langsam und dabei sinkt seine Leitfähigkeit. Dennoch ist ein Elektrolytkondensator streng genommen kein Verschleißteil, da es immer auf die Anwendung ankommt. Eine Gusseisenpfanne hält schließlich auch ewig, wenn ich sie nicht gerade 1534 °C aussetze und das Material ihren Schmelzpunkt erreicht. Ein schnelles Ende wird man dem Elko nur bereiten können, wenn man ihn falsch gepolt einlötet und sich die Oxydschicht abbaut. Dann wird auch das Elektrolyt verdampfen und zur explosionsartigen Reaktion führen. Temperaturspezifisch sollten die meisten Kondensatoren aus Taiwan oder Japan standhalten können und leben lange genug. Selbst einfachste chinesische Modelle würden unter den richtigen Bedingungen und einer guten Kühlung effektiv arbeiten. Ein tatsächlicher Nutzen kann japanischen Modellen also nur beschränkt zugewiesen werden.
Breite Leiterbahnen und ausreichend ausgelegte Bauteile mit großem Abstand zueinander sind thermisch vorteilhaft, finanziell aber ein Problem, da mehr PCB-Fläche benötigt wird. Mit 16 cm Bautiefe ist das Nightjar 450 Watt bereits großzügig ausgelegt, obwohl es kein Zusatz-PCB für Kabelmanagement beherbergt. Wuchtige Kühlkörper haben zudem eine große Abstrahlfläche, was bei der EMV berücksichtigt werden muss. Daher werden diese oft auf Masse gelegt und an den Halbleitern Isolatoren angebracht.
Active PFC mit dem Effekt eines Aufwärtswandlers ist auch ein wichtiger Faktor. Vor allem im Modus mit kontinuirlichem Stromfluss werden gegenüber Topologien mit passive PFC, aber auch CRM und DCM, hohe Spitzenströme vermieden. Das entlastet das primäre Siebglied, namentlich den Kondensator und dessen Volumen, zusätzlich und kann eine höhere Lebensdauer auch bei schwierigen Temperaturbedingungen bedeuten. Nicht zu vergessen sind aber die Recovery-Verluste der Dioden. Kaum Blindströme durch geringere Phasenverschiebung sind primärseitig ein Indikator für Effizienz. In seiner Gesamtheit spielen für den Wirkungsgrad natürlich noch weitere Faktoren eine Rolle. Der Drain-Source Widerstand und Schaltverluste, breite Leiterbahnen und viele parallel geschaltete Komponenten, Entstörmechanismen als Hindernis und intelligente Topologien mit hoher Betriebsspannung sowie die Wahl der Steuerungs-IC.
Allgemein gilt für viele Komponenten, wenn ich die Temperatur um 10°C erhöhe, verringert sich die Lebensdauer um die Hälfte. Halte ich die Bauteile hingegen 10°C kühler, wird das mit 100 % längerer Lebenszeit belohnt. Im Zweifel limitiert das schwächste Glied im Schaltkreis, wenn es unter Last und Temperatur zusammen bricht. 50 °C unmittelbare Umgebungstemperaturen halten daher nicht allzu viele Netzteile aus. Denn neben Marketing-starken 105°C Kondensatoren wird auch jeder andere Teil gefordert. Nach wenigen Spitzennetzteilen sind daher viele Markennetzteile mit ihrer Leistung auf 40 °C angegeben. Erst ganz einfache Modelle werden mit lediglich 25 °C spezifiziert. Es lohnt sich also durchaus, in die Produktdaten zu sehen. Denn ein 500 Watt Gerät mit dem vollen Leistungsspektrum bis 50 °C hält folgerichtig mehr aus als ein 550 Watt Gerät auf 25 °C spezifiziert.
[break=Lüftersteuerung]
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Es gibt im Grunde genommen zwei Arten von Lüftersteuerungen, die sich allerdings beliebig kombinieren und auslegen lassen. Jede hat unter verschiedenen Aspekten ihre Vor- und Nachteile, daher verwenden viele Hersteller eine Variation aus beiden Möglichkeiten. Hier im Bild sehen wir ein oft verwendetes Schwester-PCB im Sekundärschaltkreis, dass den 2-pin Anschluss samt Regelelektronik enthält. Zeitgleich wurde auch das Sicherungs-IC samt OTP (Over Temperature Protecion) implementiert.
Bei einem lastgeregelten Lüfter orientiert man sich an der ausgegebenen Leistung des Netzteils, um ansteigenden Temperaturen vorzubeugen. Denn je mehr Leistung das Netzteil erbringen muss, desto mehr geht auch in Verluste über. Unabhängig von den Temperaturen dreht der Lüfter wahlweise und in vorgegebenen Stufen auf. D.h. der Lüfter wird bei 50 % Last immer schneller rotieren als bei 20 %, man kann ihn so aber auch gezielter drosseln. Ob sich der Kühlkörper nun von 50 °C auf 70 °C aufheizt, wird hingegen nicht ermittelt und muss sozusagen in der Planung berücksichtigt werden. Leider weiß man im Labor selten, welche Umgebungstemperatur Nutzer A während des Hochsommers im kleinen Midi, noch Nutzer B im Big-Tower während der tiefsten Winterzeit hat. Deren verwendete PC-Komponenten kennt man ebenso nicht, weil man einen Computer einfach in unendlichen Variationen zusammen stellen kann. Mit der Konzeption ist es folglich am einfachsten, ein Netzteil leise zu betreiben, aber schwerer, bei verschiedenen Umgebungsbedingungen auch effektiv zu kühlen. Hohe Temperaturentwicklungen kann man mit entsprechender Kühlkraft aber erst gar nicht auftreten lassen.
Bei einem temperaturgeregelten Lüfter sind oft mehrere Messpunkte an den Kühlkörpern gesetzt und die Sensorik ermittelt die Temperaturen. Die Ergebnisse werden an die Lüftersteuerung (ggf. auch noch an den Sicherungschip mit OTP) weitergeleitet und verarbeitet. Hier ist es irrelevant, ob sich das Netzteil bei 20 % oder 50 % Last befindet. Bei ersterem liegt die Effizienz in der Regel niedriger, aber aufgrund der geringen Leistungsaufnahme gibt es auch weniger Verluste. Bei letzterem ist es umgekehrt. Letzten Endes könnte es in beiden Lastzuständen auf eine ähnliche Temperatur hinauslaufen und die Lüfterdrehzahlen wären dann nahezu identisch. Bei 100 Watt Belastung und 70 % Effizienz würden nämlich ebenso 30 Watt Verluste entstehen, wie bei 250 Watt Belastung und 88 % Wirkungsgrad. Hiermit lassen sich hohe Temperaturen insgesamt effektiv bekämpfen, ihnen vorzubeugen ist aber etwas anderes. Wenn der Lüfter mal voll aufdreht, um den Temperaturanstieg zu kompensieren, ist eine geringe Lautstärke schwer realisierbar.
[break=Messungen]
In Vergleich wollen wir vor allem die ältere Kühlvariante in Form des Silencer 750 Watt mit einem modernen Passivnetzteil, dem SilverStone Nightjar 450 Watt gegenüberstellen. Aber auch das Hiper Type-M mit 630 Watt zeigt auf, was passiert, wenn man eine vertikale Kühlung und relativ hohe Verluste mit einer sperrigen Kühlkonstruktion paart. Betrachten wir nach den theoretischen Überlegungen nun also die Einzelwerte aus einer Perspektive der Praxis.
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Uns stellt sich die Frage, wie hoch der Schalldruck bzw. die subjektive Geräuschentwicklung im Verhältnis zur Temperaturentwicklung steht. Dieses groß dimensionierte und konservativ stark gekühlte Netzteil beginnt bereits mit rund 20 dBA bei geringer Last. Kein Wunder, wenn der 80 mm Lüfter bereits mit 1500 Umdrehungen zu Gange ist. Angesichts dessen, dass 10 % bei 750 Watt bereits ein hoher Wert ist, können sich die Temperaturen knapp über 30 °C sehen lassen. Im Temperaturbereich sind übrigens der kühlste und der wärmste Punkt an den Kühlkörpern dargestellt. Bei 80 % Last sind wir bereits bei 2400 Umdrehungen und 24 dBA und verweilen bei 58 °C. Erst bei 100 %, wo die Effizienz gegenüber 50 % wieder etwas absinkt (87 % - 83,5 %) werden lautstarke 30 dBA bei 3800 Umdrehungen erreicht. Dieser massive Anstieg führt dazu, dass sich in der Grafik etwas ungewöhnliches verzeichnet. Die Temperatur sinkt etwas ab und pendelt sich bei 53°C ein, bei 110 % Last und 34 dBA sogar 52°C. Die Ergebnisse zeigen uns folglich, dass die Kühlungsmechanismen das starke Gerät bändigen können, das ältere Design aber auf Kosten der Lautstärke geht.
Vielleicht erinnert sich noch jemand an das Casecom mit 400 Watt, welches im 300-400 W Roundup für eines der schlechtesten Ergebnisse sorgte, dass es in unseren Testreihen je gab. Auch dieses setzte auf ein 80 mm Konzept und hatte aufgrund des Leistungsbereiches eigentlich weniger abzuführen, als das Silencer. Das Hauptproblem bestand darin, dass den relativ kleinen Komponenten zu viel Leistung abgegriffen wurde und die dünnen Kühlbleche angesichts der niedrigen Effizienz nicht mehr genug Verlustleistung aufnehmen konnten. Es heizte sich von anfangs 30 °C schnell auf über 75 °C auf und steigerte sich mit einem lautem Brummen von 23 auf konstant 30 dBA. Obwohl es auf das selbe Konzept wie das Silencer setzt, zeigt sich also, dass der Kühlung durch die Dimensionierung und den Wirkungsgrad vorzeitig ein Strich durch die Rechnung gemacht wurde.
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Das 630 Watt Netzteil wird vertikal von einem 135mm Lüfter gekühlt. Wie man sieht geht dem Sleeve Bearing Rotor bei hoher Last die Puste aus. Ganz anders sieht es unter geringer Last aus. Bei 10-50 % Last dreht der Lüfter konstant mit 900 rpm und 17 dBA. Die Temperatur steigert sich von 26 auf 43 °C. Trotz des Anstiegs von 900 auf 1300 Umdrehungen bei 20 dBA geht die Temperatur leicht sprunghaft nach oben. Bereits 55 °C bilden bei 80 % Last das obere Limit. Bei maximaler Last sind 27 dBA und 1600 Umdrehungen zu ertragen, es wird also erstmals richtig laut. Kein Wunder, da wir bereits 64 °C erreicht haben und bei Überlast ohne nennenswerten Drehzahlanstieg bei fast 70°C verkehren. Insgesamt ist das Netzteil leiser als das Silencer 750 Watt und wegen des Leistungsbereiches anfangs auch kühler. Später schaukelt sich die Temperatur aber wegen dem schlechten Luftstrom hoch. Hinzu kommt die mäßige Effizienz von bis zu 85 %.
Ein Gegenbeispiel hätten wir noch parat, Das Tagan Superrock 680 Watt erreicht mit knapp 88 % Effizienz nur 3-4 % mehr als das Hiper und ist zudem stärker dimensioniert worden. Obwohl es sich nur bei 17-29 dBA bewegt, liegt die Temperatur zwischen 30 und maximal 45 °C. Ein Beweis dafür, dass man mit breiten Kühlrippen dennoch genügend Zwischenräume lassen kann, damit die Luft zirkuliert und die Resultate unter Last dementsprechend besser ausfallen können.
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Dass passive 450 Watt Gerät ist natürlich nahezu lautlos, deshalb kann man der Temperatur weder die Geräuschentwicklung noch die Umdrehungszahlen gleichsetzen. Interessant zu sehen ist, dass es angesichts des Leistungsbereiches ähnlich hoch startet wie das 750 Watt Fabrikat. Nur muss man bedenken, dass es aktiv gekühlt mehr leisten könnte. Nichts desto trotz sind 32 °C sehr angemessen. Selbst bei 50 % Last liegt das Netzteil noch unter 50 °C, die erst mit 80 % weit überschritten werden. Wie wir feststellen, verzeichnete das Netzteil unter 110 % ähnliche Temperaturen wie das Hiper, obwohl es über keine aktive Ventilation verfügt. Kritisch ist der Bereich auch nicht, da höherwertige Komponenten eingesetzt werden. Bis zu einem gewissen Grad kann ein Lüfter also mithalten, blockt ein Bauteil oder Körper aber den Luftstrom, kann es zu ähnlichen Temperaturen wie hier im Passivnetzteil kommen. Dafür, dass das SilverStone Netzteil in der Spitze nur 1 % effizienter als das Silencer ist, hat es sich ausgezeichnet gehalten. Wie viele sicherlich bemerkt haben, liegen die beiden Kühlkörper auch nicht weit auseinander. In der Regel wird das Netzteil sekundärseitig wesentlich wärmer.
Als kurzes Fazit lässt sich bestätigen, dass unterschiedliche Kühlkonzepte unterschiedliche Wirkungen auf die Lautstärke und Temperatur haben. Vor allem liegt es aber an der Umsetzung, der Widerstandsfähigkeit der verwendeten Bauteile und am Wirkungsgrad im Verhältnis zum Leistungsbereich. Dies zeigen die hier aufgezeigten Beispiele in negativer wie positiver Auswirkung. Entstehen hohe Verluste erst gar nicht, muss man sie nicht abführen. Generell haben es kleinere Netzteile etwas leichter und können bei üppigen Kühlkörpern ohne Lüfter auskommen. Eine hohe Effizienz vorausgesetzt. Bei Passivnetzteilen wird man das Kosten-/Nutzenverhältnis beachten müssen, mit hochwertigen Komponenten und geringen Nebengeräuschen finden aber auch diese ihre Zielgruppe. Man könnte sagen, dass hier für jeden etwas dabei ist.
<a href="http://www.planet3dnow.de/vbulletin/showthread.php?t=373314">-> Kommentare</a>
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In der klassischen Ansicht sitzt das Netzteil links oben und das kopfüber montiert, um Abwärme von CPU und Mainboard aufnehmen zu können. Man muss sich also in jedem Fall nicht nur mit der Eigenkühlung des Gerätes, sondern auch mit der Auswirkung auf die Umgebung auseinander setzen. Im Zuge einiger Modifikationen werden Netzteile mitunter auch unten platziert und so vom eigentlichen Luftstrom im Gehäuse entkoppelt. Wie das Bild des Corsair Obsidian sehr gut zeigt, welches sogar auf eine abgetrennte Kammer setzt. Somit belastet die Abwärme der Leistungsträger nicht mehr das Netzteil, muss aber anderweitig entsorgt werden. Im Falle eines vertikal zur Platine platzierten Lüfters wird so nebenbei auch das Lager geschont, wenn der Aufsatz mit den Lüfterblättern darauf aufliegt und nicht herunterhängt. So oder so kommt es aber immer auf eine effektive Kühlung an. Betrachten wir nun auf den folgenden Seiten einige Konzepte der Netzteilkühlung und überprüfen, wie sich diese auf die Temperaturentwicklung auswirken kann und welchen Einfluss die Effizienz und Leistungsklasse hat.
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<center><img src="http://www.planet3dnow.de/photoplog/file.php?n=8437&w=o" border="1" alt="Allgemein"></center>
In der wohl bekanntesten und ältesten Anordnung wird ein kleiner Lüfter mit 80 mm horizontal zur Platine ausgerichtet und zieht die Abwärme aus dem Netzteil. Das anfangs 80 mm gewählt wurden, hängt natürlich in erster Linie mit der Bauhöhe von 86 mm bei ATX-Netzteilen zusammen. Vorne sind in der Regel einige Belüftungslöcher oder wie hier -schlitze angebracht, damit Frischluft in das Netzteil gelangt. Gerade bei überlangen Konstrukten besteht die Hauptaufgabe vor allem darin, die Luft erstmal von hinten nach vorne zu bekommen. Dieses Konzept wurde später durch das Push & Pull-Prinzip erweitert, das genau dieses Problem angeht. Statt der Belüftung durch Öffnung wird vorne ein weiterer 80 mm Rotor platziert, der dem anderen die Abwärme schneller zuführt.
In dem hier gezeigten Bild sehen wir die klassische Variante, bei denen ein Großteil der Wärmeaufnahme nicht der Luft, sondern den Kühlblöcken zukommt. An diesen sind in der Regel die Halbleiter mit Wärmeleitpads und/oder Wärmeleitpaste angebracht. Um eine größere Kühlfläche zu erhalten, spreizen sich einige Kühlrippen beidseitig ab und werden nach oben hin immer breitflächiger. Zusätzlich werden manche perforiert oder erhalten wie hier eine unebene Form. Nach oben hin wird also fast ein geschlossener Raum gebildet, der die Form eines Lufttunnels annimmt. In diesem Tunnel bewegt sich letzten Endes die Luft und muss möglichst Widerstandsfrei abgeführt werden.
In diesem Fall stehen mehrere Komponenten des Primärschaltkreises im Weg, an den Rändern kann sich aber ausreichend Raum bilden. Da der Primärkondensator kaum Verluste führt, spielt es eine untergeordnete Rolle, dass er im Windschatten des Haupttransformators steht. In diesem Fall hat man noch etwas Platz zwischen Lüfter und Komponenten gelassen, um keine Verwirbellungen an den Komponenten zu verursachen, die zu zusätzlichen Störgeräuschen führen.
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Die Luft an den äußeren Rändern muss dem erwähnten Tunnel aber erst zugeführt werden. Manche fragen sich, weshalb der Lüfter dann ausgerechnet dem PFC-Abschnitt zugeführt wird, wenn dort am wenigsten Verlustleistung entsteht. Der hier aufgezeigte Sekundärteil heizt sich hingegen schneller auf. Das Problem wäre, dass durch die Enge der vielen Filterstrukturen oder Zusatzmodule und vor allem den Ausgangsleitungen kein ausreichender Luftstrom entstehen könnte. Ergo muss die hier entstandene Wärme vom Kühlkörper, der entsprechend dimensioniert ist, erstmal aufgenommen werden. Diese wird dann im Einwirkungsbereich des Lüfters abgegeben.
<center><img src="http://www.planet3dnow.de/photoplog/file.php?n=5449&w=o" border="1" alt="Allgemein"></center>
Klar ist, je größer die Bereiche und Belüftungslöcher, desto mehr warme Luft passt hindurch. Hier hat man beispielsweise trotz der mittlerweile gängigen Wabenstruktur sehr große, viereckige Löcher am Eingang verwendet. Für das EMV-Verhalten mag dies aber nicht ganz optimal sein, genau wie der außen stehende Lüfter, welcher allerdings vom Gehäuse entkoppelt wurde und noch leiser ist. Aber zurück zur Kühlung. Platziert wurde hier nämlich auch eine Luftleitfolie. Vor allem als Gegenstand der vertikalen Kühlung wurde diese immer wieder kontraproduktiv eingesetzt, weil damit Teile des Lüfter abgedeckt wurden und damit tote Winkel entstanden sind. Hier jedoch kann die Kunststoffhaube teureres Aluminium ersetzen, da die beiden Kühlkörper zur Wärmeaufnahme bereits groß genug dimensioniert wurden. Hier dient die Maßnahme also tatsächlich nur einem geordneten Ablauf des Luftstroms und bildet eine noch tunnelähnlichere Schneise als im vorherigen Beispiel.
Zusammfassend können wir sagen, dass das horizontale Konzept aufgrund der Bauhöhe bei ATX-Netzteilen nicht die gesamte PCB-Fläche abdeckt. Wenn die Struktur einen guten Luftstrom ermöglicht, ist die Kühlung aber sehr effektiv. Das hat man vor allem der unterbrechungsfreien Zirkulation in der zentralen Laufbahn des Lüfters zu verdanken.
Antec hat hierbei eine Lösung gefunden, die das Kühlsystem perfektioniert, indem der direkte Luftstrom der horizontalen Anordnung mit einem großen Lüfter kombiniert wird. Das CP-850 hat dabei den Nachteil, dass das Netzteilgehäuse dadurch größer in der Bauhöhe ist und nur in dafür vorgesehene Antec Gehäuse passt. Zudem gibt es keine Alternative im kleineren Leistungsbereich.
[break=Vertikales Design]
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Zu dieser Grafik muss man nicht viele Worte verlieren, um bereits einen Vorteil und einen Nachteil zu erkennen. Wie wir sehen wird der Lüfter vertikal zur Platine positioniert. Durch die größere Fläche kann auch ein größerer Rotor verbaut werden. Grundsätzlich erreicht man so mehr Luftdurchsatz bei geringeren Umdrehungen. Durch das Anbringen im oberen Teil des Gehäuses mit dem Lüfter nach unten wird auch mehr Abluft aus dem PC-Gehäuse entnommen. Denn bei 80 mm ist es unwesentlich, wie man das Netzteil dreht. Es fällt schwieriger, die Verlustleistungen von CPU und Mainboard aufnehmen zu können.
Der Nachteil ist die Biegung, die im Luftstrom besteht. Zunächst trifft die Luft aus dem übrigen Teil des Rechners auf das PCB und wird danach erst über die Entlüftungslöcher, die nun am Ende stehen, abgeführt. Untere Bereiche werden dann schlecht erreicht, wenn die Kühlkonstruktion zu dicht ist und gegen die herannahende Luft abschirmt. Im Gegensatz zu 80 mm ist es hier also elementar, genügend Zwischenräume zu lassen, gleichzeitig die Kühlkörper aber auch nicht zu klein zu dimensionieren.
Wie wir an diesem Beispiel in den Details sehen, gehen vom - für die Leistung von 550 Watt breiten - Kühlblock aus keine Kühlrippen in die breite. Nur nach oben hin modifiziert man die Kühlfläche durch Einfräsungen. Im Gegensatz zu unserem 80 mm Vergleich steht der Primärkondensator physikalisch natürlich immer noch neben einer Komponente, von oben herab gekühlt aber nicht mehr in dessen Windschatten. Das gleiche gilt auch für die anderen Bereiche. So ist die generelle Erreichbarkeit großer Komponenten gegeben, wobei es je nach Stärke schwierig erscheint, Kleinstbauteile auf dem PCB erreichen zu können. Bei den geringen Drehzahlen heutiger Netzteile kommt auch hier viel auf die Platzverhältnisse an. Dicht besetzte PCB sind kühltechnisch schwieriger zu realisieren. Vorhandene Bauteile müssen im Größeren Abstand zueinander positioniert werden, was die PCB-Fläche erhöht.
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Ein Negativbeispiel sehen wir nun, denn von oben herab gekühlt verhindert die dichte Verzahnung der zwei versetzten Reihen an Kühlrippen eine effektive Luftzirkulation. Ausgerechnet im Sekundärteil ist ein größerer Kühlkörper nötig, paradoxerweise führt er dazu, dass keine Erreichbarkeit der Komponenten statt findet und sich das Konstrukt aufheizt. Verstärkt wird dieser Eindruck dadurch, dass die großen Gleichtaktdrosseln rechts das Abtragen der Luft schwieriger machen. Ein generelles Problem, wenn man viele Filterbausteine vor die Entlüftung setzt. Das vorhin gezeigte Netzteil mit 80 mm hat das Problem so gelöst, dass sich ein Großteil der Filterung dort befindet, wo eigentlich bereits der Leistungsfaktor-Vorregler positioniert wird. Dafür ist der Primärkondensator in die Mitte gerückt.
Insgesamt kann man mit vertikal positionierten 120-140 mm Lüftern eine größere Fläche abdecken, muss dabei aber anhand der Kühlkörper auf die Erreichbarkeit kleiner Komponenten achten und darauf, dass die Abluft adäquat nach außen gelangt. Dann wird man auch eine optimale Lautstärke erreichen.
[break=Passives Design]
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Bei diesem Objekt dürfte vor allem das Mesh-Design auffallen. Statt geschlossener Seitenwände existiert eine feine Lochung. Durch die Perforation kann die warme Luft aus allen Öffnungen herausströmen. Weiterhin ist der Deckel tatsächlich Teil der passiven Kühlkonstruktion, wie wir gleich noch näher betrachten werden. Hierbei wurde die Oberfläche leicht bearbeitet. Ganz rechts sehen wir auch einige Status-LED. Sie sollen über die Temperatur und Funktionalität Aufschluss geben. Sie sind aber im Grunde nur eine Förderung des Vertrauens, um dem Benutzer die ausreichende Kühlung zu demonstrieren und ein gewisses Gefühl der Kontrolle zu vermitteln. Prinzipiell sind solche Netzteile natürlich mit OTP (Over Temperature Protection) abgesichert und das restliche PC-Gehäuse sollte natürlich im Falle stärkerer Leistungsträger entsprechend belüftet sein. Wenn das gegeben ist, sollte man keine Berührungsängste mit passiven Netzteilen haben, so viel sei unseren Messungen bereits vorweg gesagt.
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Nach der Öffnung lässt sich neben den massiven Kühlkörpern nicht viel erkennen. Diese sind sogar noch dicker als beim 80 mm Konstrukt, da sie darauf ausgelegt sind, keine Unterstützung zu erhalten. Links sehen wir ein großes Wärmeleitpad, dass die Wärme wie erwähnt zum Kopfstück führt und so aus dem Bereich der Netzteilelektronik heraus. Ggf. kann sie dort dann von einem leisen Gehäuselüfter abgetragen werden. Trotz der Genialität diesen Designs geht man in der Spezifikation nicht höher als 450 Watt, aktiv gekühlt könnte es noch mehr leisten. In höheren Leistungssegmenten wäre die Kühlkonstruktion dann auch kompliziert zu realisieren, denn so würde man auch starke Grafikkarten verwenden und ein funktionierender Luftstrom im Gehäuse ist elementar.
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Aus dieser Perspektive sehen wir sehr gut, wie dick die Kühlkörper eigentlich sind. Längsseitig würden vermutlich zwei aus aktiv gekühlten Modellen hineinpassen. Interessanterweise sehen wir hier wieder eine Art Tunnel, denn die Kühlrippen werden nach oben hin erheblich breiter. Das dürfte aber vor allem daran liegen, dass die Wärme auch nach oben aus dem Gerät gebracht wird und weiter unten nun mal die Komponenten stehen, die sich bei der geringen Bautiefe einen kleinen Raum teilen. Primärseitig ist ein 105°C Kondensator sinnvoll, hier wurden sogar mehrere parallel geschaltet, da für ein großes Modell einfach kein Platz besteht.
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Sekundärseitig kommen wieder die vielen Leitungen und Ausgangsfilter hinzu. In diesem Fall ist das kein Problem, da die Wärme in die obere Richtung und auch seitlich entweichen kann. Vor allem aber werden an den stark belasteten Stellen Feststoffkondensatoren eingesetzt mit Herkunft in Japan. Nur an kleineren Schienen werden nach Teapo Kondensatoren mit klassischen Folien und Elektrolyt eingesetzt.
Im Gesamtüberblick richtet sich die passive Kühlung natürlich an die Silentliebhaber. Bei effizienten Netzteilen moderner Herkunft muss man bei kleineren Rechnern keinen großen Kühlaufwand betreiben, um die aktive Kühlung kompensieren zu müssen. Hochwertige Bauteile und große Aluminium- oder Kupferkühlkörper machen diese Netzteile jedoch sehr teuer und der Absatzmarkt ist relativ überschaubar.
Ein Mittelding wäre die semi-passive Kühlung, wie sie bei NesteQ oder Seasonic eingesetzt wird, aber auch da sorgt die komplexe Steuerung für hohe Preise und die Schaltung muss fehlerfrei funktionieren.
Was ist bei der Komponentenwahl zu berücksichtigen?
Markant dürfte dabei die flammenresistente Epoxidharzplatine sein, die glasfaserverstärkt wurde und mit FR5-Einstufung selbst bei über 140 °C keine Leiterbahnschäden aufweist. FR4 ist bis 140°C spezifiziert, wechselt man mit FR3 von Glasfaser zu Hartpapier ist die maximale Betriebstemperatur bereits auf 90°C beschränkt. Tauscht man bei FR2 dann auch noch das Epoxid- gegen Phenolharz, dürfen 70°C nicht überschritten werden. Hinzu kommen natürlich die Kriechstromfestigkeit als steigender Faktor und die schwerere Bearbeitung bei hohen Stufen. Kein Wunder also, dass das Material damit teuer wird. So ist FR4 bereits 40 % teurer als FR3 und FR5 kostet nochmals die Hälfte mehr als FR4.
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Die Gleichrichterbrücke kann bei 100 °C bis zu 8 A durchlassen, was für alle Netze ausreichend und daher passend dimensioniert ist. Es handelt sich hierbei um ein Modell der GBU-Serie, wie es häufig verwendet wird. Hier wurde die Gleichrichterbrücke an einen der großen Kühlkörper befestigt. Dies verhindert, dass es überhaupt zu derlei hohen Temperaturentwicklungen kommt. Solch eine Maßnahme ist auch sinnvoll, wie das Schaubild zum Temperaturverhalten zeigt. Bei aktiver Kühlung und kleinen Leistungsbereichen könnte man diesen ggf. auch aus Kostengründen einsparen oder verkleinern.
Ob nun ein 85 °C Kondensator oder 105 °C Modell gewählt wird, ist sehr von den anderen Spezifikationen, der Dimensionierung und vor allem der Strombelastung abhängig. Erwärmt sich der Elko durch einen hohen Strom, verdampft das Elektrolyt schnell und der Raum reicht nicht mehr aus. An Ventilationsöffnungen bläht sich der Korpus, da dies die schwächste Stelle ist, an dem sich der Druck entladen kann. Wie gut der Elko abgedichtet ist, entscheidet ebenso über die Qualität. Wie oben erwähnt macht ein 105 °C Fabrikat in der passiven Umgebung Sinn, dabei darf die Temperatur aber nur im Zusammenhang mit der Zeitangabe gebracht werden. Dort geht man oft von mehreren Tausend Stunden bei 105°C aus, die unter realen Temperaturbedingungen natürlich höher sind. Aber selbst nach Ablauf geht das Bauteil nicht zwangsweise kaputt. Viel mehr beschränkt sich die Angabe auf den Verlust von Kapazität, meist auf 20 % festgelegt. Elektrolyt vertrocknet langsam und dabei sinkt seine Leitfähigkeit. Dennoch ist ein Elektrolytkondensator streng genommen kein Verschleißteil, da es immer auf die Anwendung ankommt. Eine Gusseisenpfanne hält schließlich auch ewig, wenn ich sie nicht gerade 1534 °C aussetze und das Material ihren Schmelzpunkt erreicht. Ein schnelles Ende wird man dem Elko nur bereiten können, wenn man ihn falsch gepolt einlötet und sich die Oxydschicht abbaut. Dann wird auch das Elektrolyt verdampfen und zur explosionsartigen Reaktion führen. Temperaturspezifisch sollten die meisten Kondensatoren aus Taiwan oder Japan standhalten können und leben lange genug. Selbst einfachste chinesische Modelle würden unter den richtigen Bedingungen und einer guten Kühlung effektiv arbeiten. Ein tatsächlicher Nutzen kann japanischen Modellen also nur beschränkt zugewiesen werden.
Breite Leiterbahnen und ausreichend ausgelegte Bauteile mit großem Abstand zueinander sind thermisch vorteilhaft, finanziell aber ein Problem, da mehr PCB-Fläche benötigt wird. Mit 16 cm Bautiefe ist das Nightjar 450 Watt bereits großzügig ausgelegt, obwohl es kein Zusatz-PCB für Kabelmanagement beherbergt. Wuchtige Kühlkörper haben zudem eine große Abstrahlfläche, was bei der EMV berücksichtigt werden muss. Daher werden diese oft auf Masse gelegt und an den Halbleitern Isolatoren angebracht.
Active PFC mit dem Effekt eines Aufwärtswandlers ist auch ein wichtiger Faktor. Vor allem im Modus mit kontinuirlichem Stromfluss werden gegenüber Topologien mit passive PFC, aber auch CRM und DCM, hohe Spitzenströme vermieden. Das entlastet das primäre Siebglied, namentlich den Kondensator und dessen Volumen, zusätzlich und kann eine höhere Lebensdauer auch bei schwierigen Temperaturbedingungen bedeuten. Nicht zu vergessen sind aber die Recovery-Verluste der Dioden. Kaum Blindströme durch geringere Phasenverschiebung sind primärseitig ein Indikator für Effizienz. In seiner Gesamtheit spielen für den Wirkungsgrad natürlich noch weitere Faktoren eine Rolle. Der Drain-Source Widerstand und Schaltverluste, breite Leiterbahnen und viele parallel geschaltete Komponenten, Entstörmechanismen als Hindernis und intelligente Topologien mit hoher Betriebsspannung sowie die Wahl der Steuerungs-IC.
Allgemein gilt für viele Komponenten, wenn ich die Temperatur um 10°C erhöhe, verringert sich die Lebensdauer um die Hälfte. Halte ich die Bauteile hingegen 10°C kühler, wird das mit 100 % längerer Lebenszeit belohnt. Im Zweifel limitiert das schwächste Glied im Schaltkreis, wenn es unter Last und Temperatur zusammen bricht. 50 °C unmittelbare Umgebungstemperaturen halten daher nicht allzu viele Netzteile aus. Denn neben Marketing-starken 105°C Kondensatoren wird auch jeder andere Teil gefordert. Nach wenigen Spitzennetzteilen sind daher viele Markennetzteile mit ihrer Leistung auf 40 °C angegeben. Erst ganz einfache Modelle werden mit lediglich 25 °C spezifiziert. Es lohnt sich also durchaus, in die Produktdaten zu sehen. Denn ein 500 Watt Gerät mit dem vollen Leistungsspektrum bis 50 °C hält folgerichtig mehr aus als ein 550 Watt Gerät auf 25 °C spezifiziert.
[break=Lüftersteuerung]
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Es gibt im Grunde genommen zwei Arten von Lüftersteuerungen, die sich allerdings beliebig kombinieren und auslegen lassen. Jede hat unter verschiedenen Aspekten ihre Vor- und Nachteile, daher verwenden viele Hersteller eine Variation aus beiden Möglichkeiten. Hier im Bild sehen wir ein oft verwendetes Schwester-PCB im Sekundärschaltkreis, dass den 2-pin Anschluss samt Regelelektronik enthält. Zeitgleich wurde auch das Sicherungs-IC samt OTP (Over Temperature Protecion) implementiert.
Bei einem lastgeregelten Lüfter orientiert man sich an der ausgegebenen Leistung des Netzteils, um ansteigenden Temperaturen vorzubeugen. Denn je mehr Leistung das Netzteil erbringen muss, desto mehr geht auch in Verluste über. Unabhängig von den Temperaturen dreht der Lüfter wahlweise und in vorgegebenen Stufen auf. D.h. der Lüfter wird bei 50 % Last immer schneller rotieren als bei 20 %, man kann ihn so aber auch gezielter drosseln. Ob sich der Kühlkörper nun von 50 °C auf 70 °C aufheizt, wird hingegen nicht ermittelt und muss sozusagen in der Planung berücksichtigt werden. Leider weiß man im Labor selten, welche Umgebungstemperatur Nutzer A während des Hochsommers im kleinen Midi, noch Nutzer B im Big-Tower während der tiefsten Winterzeit hat. Deren verwendete PC-Komponenten kennt man ebenso nicht, weil man einen Computer einfach in unendlichen Variationen zusammen stellen kann. Mit der Konzeption ist es folglich am einfachsten, ein Netzteil leise zu betreiben, aber schwerer, bei verschiedenen Umgebungsbedingungen auch effektiv zu kühlen. Hohe Temperaturentwicklungen kann man mit entsprechender Kühlkraft aber erst gar nicht auftreten lassen.
Bei einem temperaturgeregelten Lüfter sind oft mehrere Messpunkte an den Kühlkörpern gesetzt und die Sensorik ermittelt die Temperaturen. Die Ergebnisse werden an die Lüftersteuerung (ggf. auch noch an den Sicherungschip mit OTP) weitergeleitet und verarbeitet. Hier ist es irrelevant, ob sich das Netzteil bei 20 % oder 50 % Last befindet. Bei ersterem liegt die Effizienz in der Regel niedriger, aber aufgrund der geringen Leistungsaufnahme gibt es auch weniger Verluste. Bei letzterem ist es umgekehrt. Letzten Endes könnte es in beiden Lastzuständen auf eine ähnliche Temperatur hinauslaufen und die Lüfterdrehzahlen wären dann nahezu identisch. Bei 100 Watt Belastung und 70 % Effizienz würden nämlich ebenso 30 Watt Verluste entstehen, wie bei 250 Watt Belastung und 88 % Wirkungsgrad. Hiermit lassen sich hohe Temperaturen insgesamt effektiv bekämpfen, ihnen vorzubeugen ist aber etwas anderes. Wenn der Lüfter mal voll aufdreht, um den Temperaturanstieg zu kompensieren, ist eine geringe Lautstärke schwer realisierbar.
[break=Messungen]
In Vergleich wollen wir vor allem die ältere Kühlvariante in Form des Silencer 750 Watt mit einem modernen Passivnetzteil, dem SilverStone Nightjar 450 Watt gegenüberstellen. Aber auch das Hiper Type-M mit 630 Watt zeigt auf, was passiert, wenn man eine vertikale Kühlung und relativ hohe Verluste mit einer sperrigen Kühlkonstruktion paart. Betrachten wir nach den theoretischen Überlegungen nun also die Einzelwerte aus einer Perspektive der Praxis.
PC Power & Cooling Silencer 750 Watt
ADDA AD0812UB-A71GL; 80 mm und 0,45 A
Effizienz: 80-87 %
Effizienz: 80-87 %
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Uns stellt sich die Frage, wie hoch der Schalldruck bzw. die subjektive Geräuschentwicklung im Verhältnis zur Temperaturentwicklung steht. Dieses groß dimensionierte und konservativ stark gekühlte Netzteil beginnt bereits mit rund 20 dBA bei geringer Last. Kein Wunder, wenn der 80 mm Lüfter bereits mit 1500 Umdrehungen zu Gange ist. Angesichts dessen, dass 10 % bei 750 Watt bereits ein hoher Wert ist, können sich die Temperaturen knapp über 30 °C sehen lassen. Im Temperaturbereich sind übrigens der kühlste und der wärmste Punkt an den Kühlkörpern dargestellt. Bei 80 % Last sind wir bereits bei 2400 Umdrehungen und 24 dBA und verweilen bei 58 °C. Erst bei 100 %, wo die Effizienz gegenüber 50 % wieder etwas absinkt (87 % - 83,5 %) werden lautstarke 30 dBA bei 3800 Umdrehungen erreicht. Dieser massive Anstieg führt dazu, dass sich in der Grafik etwas ungewöhnliches verzeichnet. Die Temperatur sinkt etwas ab und pendelt sich bei 53°C ein, bei 110 % Last und 34 dBA sogar 52°C. Die Ergebnisse zeigen uns folglich, dass die Kühlungsmechanismen das starke Gerät bändigen können, das ältere Design aber auf Kosten der Lautstärke geht.
Vielleicht erinnert sich noch jemand an das Casecom mit 400 Watt, welches im 300-400 W Roundup für eines der schlechtesten Ergebnisse sorgte, dass es in unseren Testreihen je gab. Auch dieses setzte auf ein 80 mm Konzept und hatte aufgrund des Leistungsbereiches eigentlich weniger abzuführen, als das Silencer. Das Hauptproblem bestand darin, dass den relativ kleinen Komponenten zu viel Leistung abgegriffen wurde und die dünnen Kühlbleche angesichts der niedrigen Effizienz nicht mehr genug Verlustleistung aufnehmen konnten. Es heizte sich von anfangs 30 °C schnell auf über 75 °C auf und steigerte sich mit einem lautem Brummen von 23 auf konstant 30 dBA. Obwohl es auf das selbe Konzept wie das Silencer setzt, zeigt sich also, dass der Kühlung durch die Dimensionierung und den Wirkungsgrad vorzeitig ein Strich durch die Rechnung gemacht wurde.
Hiper Type-M 630 Watt
Yate Loon D14SH-12; 135 mm und 0,7 A
Effizienz: 72-84 %
Effizienz: 72-84 %
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Das 630 Watt Netzteil wird vertikal von einem 135mm Lüfter gekühlt. Wie man sieht geht dem Sleeve Bearing Rotor bei hoher Last die Puste aus. Ganz anders sieht es unter geringer Last aus. Bei 10-50 % Last dreht der Lüfter konstant mit 900 rpm und 17 dBA. Die Temperatur steigert sich von 26 auf 43 °C. Trotz des Anstiegs von 900 auf 1300 Umdrehungen bei 20 dBA geht die Temperatur leicht sprunghaft nach oben. Bereits 55 °C bilden bei 80 % Last das obere Limit. Bei maximaler Last sind 27 dBA und 1600 Umdrehungen zu ertragen, es wird also erstmals richtig laut. Kein Wunder, da wir bereits 64 °C erreicht haben und bei Überlast ohne nennenswerten Drehzahlanstieg bei fast 70°C verkehren. Insgesamt ist das Netzteil leiser als das Silencer 750 Watt und wegen des Leistungsbereiches anfangs auch kühler. Später schaukelt sich die Temperatur aber wegen dem schlechten Luftstrom hoch. Hinzu kommt die mäßige Effizienz von bis zu 85 %.
Ein Gegenbeispiel hätten wir noch parat, Das Tagan Superrock 680 Watt erreicht mit knapp 88 % Effizienz nur 3-4 % mehr als das Hiper und ist zudem stärker dimensioniert worden. Obwohl es sich nur bei 17-29 dBA bewegt, liegt die Temperatur zwischen 30 und maximal 45 °C. Ein Beweis dafür, dass man mit breiten Kühlrippen dennoch genügend Zwischenräume lassen kann, damit die Luft zirkuliert und die Resultate unter Last dementsprechend besser ausfallen können.
SilverStone Nightjar 450 Watt
Passive Kühlung ohne Lüfter
Effizienz: 76-88 %
Effizienz: 76-88 %
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Dass passive 450 Watt Gerät ist natürlich nahezu lautlos, deshalb kann man der Temperatur weder die Geräuschentwicklung noch die Umdrehungszahlen gleichsetzen. Interessant zu sehen ist, dass es angesichts des Leistungsbereiches ähnlich hoch startet wie das 750 Watt Fabrikat. Nur muss man bedenken, dass es aktiv gekühlt mehr leisten könnte. Nichts desto trotz sind 32 °C sehr angemessen. Selbst bei 50 % Last liegt das Netzteil noch unter 50 °C, die erst mit 80 % weit überschritten werden. Wie wir feststellen, verzeichnete das Netzteil unter 110 % ähnliche Temperaturen wie das Hiper, obwohl es über keine aktive Ventilation verfügt. Kritisch ist der Bereich auch nicht, da höherwertige Komponenten eingesetzt werden. Bis zu einem gewissen Grad kann ein Lüfter also mithalten, blockt ein Bauteil oder Körper aber den Luftstrom, kann es zu ähnlichen Temperaturen wie hier im Passivnetzteil kommen. Dafür, dass das SilverStone Netzteil in der Spitze nur 1 % effizienter als das Silencer ist, hat es sich ausgezeichnet gehalten. Wie viele sicherlich bemerkt haben, liegen die beiden Kühlkörper auch nicht weit auseinander. In der Regel wird das Netzteil sekundärseitig wesentlich wärmer.
Als kurzes Fazit lässt sich bestätigen, dass unterschiedliche Kühlkonzepte unterschiedliche Wirkungen auf die Lautstärke und Temperatur haben. Vor allem liegt es aber an der Umsetzung, der Widerstandsfähigkeit der verwendeten Bauteile und am Wirkungsgrad im Verhältnis zum Leistungsbereich. Dies zeigen die hier aufgezeigten Beispiele in negativer wie positiver Auswirkung. Entstehen hohe Verluste erst gar nicht, muss man sie nicht abführen. Generell haben es kleinere Netzteile etwas leichter und können bei üppigen Kühlkörpern ohne Lüfter auskommen. Eine hohe Effizienz vorausgesetzt. Bei Passivnetzteilen wird man das Kosten-/Nutzenverhältnis beachten müssen, mit hochwertigen Komponenten und geringen Nebengeräuschen finden aber auch diese ihre Zielgruppe. Man könnte sagen, dass hier für jeden etwas dabei ist.
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