PC-Netzteil und PC-Akku

Der Netzteil dient zur Spannungsversorgung der EDV-Anlage. Während bei PC-Systemen in Normalgröße der Netzteil im Gehäuse integriert ist, ist er bei Notebooks oft in einem eigenen Gehäuse untergebracht.

Hauptkomponenten eines Netzteils

• Transformator: Der Trafo wandelt die gefilterte Eingangsspannung von 230 V AC (Wechselspannung) in die benötigten niedrigeren Spannungen von 3,3 V, 5 V und 12 V. Oft wird zuerst die 230 V-Eingangswechselspannung auf 350 V DC gleichgerichtet, dann wieder wechselgerichtet (allerdings mit höheren Frequenzen) und von weiteren Trafos auf die niedrigen Spannungen gebracht, die dann wieder gleichgerichtet werden.
• Gleichrichter: Da die elektronischen Komponenten wie CPU, RAM, ROM etc. ausschließlich mit Gleichspannung arbeiten, muss der Netzteil die Wechselspannung in Gleichspannung umwandeln. Damit die eine idealerweise konstante Gleichspannung entsteht, findet man stets auch Glättungskondensatoren (Elektrolytkondensatoren).
• Lüfter: dient der Abfuhr von abgegebener Wärmeenergie
• Kaltgerätestecker: laut Norm IEC 60320 C13; wird für Geräte eingesetzt, die im Betrieb keine nennenswerte Wärme entwickeln; dazu gehören auch PCs.

Inneres eines PC-Netzteils

A Wechselspannungseingang (230 V AC)
B Netzspannungsfilter und Gehäuseerdungsleitung (Grün-Gelb), zur Gehäuseschraube
C Gefilterte Netzspannung
D Sicherung
E NTC – Heißleiter zu Einschaltstrombegrenzung
F Überbrückter Netzfilter
G Gleichrichter
H Anschluss für PFC-Drossel
J Primäre Glättungskondensatoren 2x 200 V
K Kühlkörper für Schalttransistoren
L Haupttransformator
M Optokoppler
N Standby Transformator
O Gebündelte Enden der Sekundärwicklungen – Masse (0 V)
P Kühlkörper für Sekundärgleichrichter
R 5 V-SB Glättungskondensatoren
S 5 V und 12 V Speicherdrossel
T 3.3 V Speicherdrossel
U Glättungskondensatoren für 3.3 V, 5 V, 12 V – jeweils zwei (diese unterliegen der intensivsten Belastung durch Mischstrom)
W Ausgangskabelbaum

Die Leistungsaufnahme der Netzteile ist in Watt angegeben. Typische Werte für Büro-PC-Netzteile liegen im Bereich von 200-350W; PCs speziell für Spieler („Gamer-PCs“) können auch Ausgangsleistungen von über 600 W haben.

Spannungsversorgungsanschlüsse auf dem Motherboard

Netzteilseitige Spannungsversorgungsanschlüsse

Anschlusszoo eines PC-Netzteils (ATX 2)

1 Diskettenlaufwerk,
2 „Molex“ universell (IDE-Festplatten, optische Laufwerke etc.),
3 SATA-Laufwerke,
4 Grafikkarten 8-Pin, auftrennbar für 6-Pin,
5 Grafikkarten 6-Pin,
6 Hauptplatine 8-Pin,
7 Hauptplatine P4-Stecker, kombinierbar zum 8-Pin-Mainboardstecker 12V,
8 ATX2 24-Pin, teilbar 20+4, damit auch für alte 20-pin-Anschlüsse nutzbar

Netzteile müssen folgende Ausgangsspannungen bereitstellen:

• +12 V12 V für CPU, Grafikkarte, Laufwerksmotoren und Lüfter
• +5 V für USB-Anschlüsse, Tastatur/Maus
• +3,3 V für RAM

Ein Netzteil neuer Bauart verfügt stets über einen +5V-Standby-Ausgang, um einige Bauteile des PCs auch im „ausgeschalteten“ Zustand unter Spannung zu halten. Das hat dann den Vorteil, dass der PC auch über die Netzwerkkarte (Wake-On-LAN) oder über einen Tastendruck eingeschaltet werden kann.

In Server-PCs werden üblicherweise redundante Netzteile eingesetzt. Dabei sind zwei oder mehrere Netzteile in einem gemeinsamen Käfig montiert. Fällt ein Netzteil aus, so ist ein weiteres Netzteil verfügbar, welches die Spannungsversorgung des Server-PCs übernimmt.

Bei Notebooks ist in der Spannungsversorgungseinheit immer auch ein Akku enthalten, der eine Netzunabhängigkeit für einige (2 bis 6) Stunden gewährleisten soll. Wie lange ein Akku hält, bevor er wieder aufgeladen werden muss, hängt von den Verbrauchern ab: Chip, Festplatten- und Diskettenlaufwerke haben je nach Bauart höheren oder niedrigeren Verbrauch.

Die „Leistungsfähigkeit“ von Notebook-Akkus wird oft in Wattstunden pro Kilogramm Akkumasse angegeben.

Notebook-Akkus

Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH)

1000Mal nachladbar, haben höhere Energiedichte (75 Wh/kg), entladen sich aber auch stärker als bei den früher verwendeten Nickel-Cadmium-Akkus. Nachteilig macht sich auch hier der Memory-Effekt bemerkbar, der aber wesentlich geringer ist als bei NC-Akkus. Entlädt man diese Akku mehrmals nicht zur Gänze, die Restladung zur zukünftigen Entladungsgrenze; die Kapazität des Akkus kann nicht mehr vollständig genutzt werden.

Lithium-Ionen-Akku

1200 Mal nachladbar, hohe Energiedichte (110 – 130 Wh/kg), kaum Selbstentladung, kein Memory-Effekt.

Der Lithium-Ionen-Akku wurde von John Goodenough (*1922, USA), Stanley Whittingham (*1941, USA/GB) und Akira Yoshino (*1948, Japan) entwickelt, die dafür den 2019 den Nobelpreis für Chemie erhielten.

Die Kathoden (positive Elektroden beim Entladen) bestehen aus einem Stromableiter (meist Aluminiumfolien), auf denen ein Aktivmaterial (etwa Lithium-Cobalt-Oxid, Li-NMC usw.) aufgebracht ist. Auch die Anoden (negative Elektroden beim Entladen) bestehen aus einer Stromableiterfolie (diesmal meist aus Kupfer), als Aktivmaterialien sind Graphit mit eingebettetem Lithium oder Lithium-Titanat-Oxid (LTO, chemisch Li₄Ti₅O₁₂) gebräuchlich. Die konkrete Art des Akkus ergibt sich aus der Kombination der genannten Materialien.

• Lithium ist das Metall mit der geringsten Dichte
• Lithium hat das „negativste“ Normalpotential gegen Wasserstoff
• Hohe Energiedichte (etwa 130 Wh/kg)
• Sehr geringer Memory-Effekt
• Einsatzbereich: Mobiltelefone (etwa Samsung Galaxy-Reihe), Tablets, Digitalkameras, Notebooks; Traktionsbatterie für E-Bikes, Elektro- und Hybridfahrzeuge

Je nach Typ werden für die Herstellung eines Lithium-Akkumulators mit einer Speicherfähigkeit von einer 1 kWh an Energie etwa 80 g bis 130 g chemisch reines Lithium benötigt.

Lithium-Polymer-Akku

Lithium-Polymer-Akkus haben keine anderen chemischen Reaktionen, sondern Verwendung eines festen bis gelartigen Elektrolyten in Form einer Folie. Lithium-Polymer-Akkus werden beispielsweise in iPhones verwendet.

Notebook-Akkus können einen Teil ihrer Leistung vorübergehend oder dauernd einbüßen, zum Beispiel durch tiefe Temperaturen, Alter, Selbstentladung, den Memory-Effekt, Überladen, Tiefentladen oder Umpolen.

Um – auch nach längerem Gebrauch – die optimale Kapazität des Akkus zu erhalten, sollte man ihn fallweise „formieren“, das heißt, ihn kontrolliert entladen (bis das Notebook zum Nachladen auffordert), vollständig aufladen und diesen Vorgang (entladen/aufladen) noch zwei Mal wiederholen; der Memory-Effekt ist damit teilweise wieder behebbar.

Links

• https://de.wikipedia.org/wiki/Nickel-Metallhydrid-Akkumulator
• https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator
• https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Polymer-Akkumulator