Energieverteilung im PC

Im Rahmen der Wiederinbetriebnahme meines Computers (ja, der Container ist endlich angekommen!), überprüfte ich diesen vor dem Einschalten auf lose Stecker und Wasserleckagen. Glücklicherweise war alles in bestem Zustand. Allerdings fiel mir einmal mehr das grosse Durcheinander der Speisungskabel auf. Ich habe mir schon oft Gedanken gemacht, wie man die Situation verbessern könnte. Hier im Blog exklusiv mein Vorschlag.

Die derzeitige Lösung ist gar nicht optimal, unter anderem weil:

  • Dicke, steife Kabelbäume mit teilweise -zig Einzelleitern, sind unhandlich und behindern die Luftzirkulation
  • Sechs verschiedene Steckertypen (MB, CPU, GraKa-8, GraKa-6, Molex, ESATA), alle gross und unhandlich, immer der gerade notwendige Stecker fehlt
  • Zu wenig Leistung pro Kabel, daher z.B. für GraKa zwei Kabel, vier für das Mainboard (jedenfalls bei mir)
  • Pro Netzteilkanal (auch “Stromschiene” genannt) zu wenig Leistung, auch wenn im Total genug Reserven vorhanden wären
  • Die Kopplung mit der Netzerde führt zu Stromschleifen und damit zu Brummen auf den Lautsprechern

…um nur die wichtigesten Gründe genannt zu haben. Was möchten wir denn? Nur noch zwei Steckertypen mit jeweils nur zwei Kontakten (plus und minus). Diese sollten zudem verpolungssicher, gegen Herausrutschen gesichert und standardmässig vom Netzteil zu trennen sein (sog. Kabelmanagement). Der Überstromschutz soll sich eingangsseitig am Gerät befinden, das Netzteil soll nur sich selbst schützen (also eine Absicherung für alle Ausgänge zusammen). Damit entfallen die “leidigen Stromschienen”.

Es soll genau zwei verschiedene Stecker geben: Einen für hohe Leisung (über 20 W) und einen für niedrige Leistung (bis 20 W). Damit gehören Mainboard und GraKa zur ersten Kategorie, Festplatten SSDs, optische Laufwerke (DVD, BD), Lüfter (falls nicht am Mainboard), Pumpen und externe Geräte zur zweiten Kategorie.

Um den notwendigen Kabelquerschnitt klein zu halten, würde ich 42 V für die hohe Leistung und 12 V für die geringe Leistung wählen. Warum 42 V? Es handelt sich hierbei um Kleinspannung, d.h. man kann auf einen Berühungsschutz verzichten, da hiervon keine Gefahr eines elektrischen Schlages ausgeht. Zudem handelt es sich um die geplante Fahrzeugbordspannung, was eine gute Bauteilverfügbarkeit garantiert. Der geneigte Leser weiss wahrscheinlich, weshalb diese neue Fahrzeugbordspannung bis heute nicht eingeführt wurde: Funkenproblematik! Gleichspannung über der natürlichen Lichtbogenspannung in Luft sind sehr schwierig zu unterbrechen. Zwischen Kontakten bilden sich (auch bei relativ geringen zu unterbrechenden Strömen) Lichtbögen, welche die Kontakte innerhalb kürzester Zeit verschleissen lassen oder sogar, im schlimmsten Fall, einen stehenden Lichtbogen führt, welcher auch in der Umgebung erheblichen Schaden (Brand!) ausrichten kann. Dieser Problematik kann man begegnen, indem man entweder keine mechanischen Kontakte mehr einsetzt oder aber immer zwei bis drei Kontakte in Serie betreibt. Dies scheint der Autoindustrie zu teuer gewesen zu sein, deshalb blieb man bei der alten Bordspannung.

Kann das auch ein Problem im PC sein? Es werden schon seit geraumer Zeit keine mechanischen Kontakte mehr eingesetzt, daher bestünde die Problematik bloss beim Ausstecken der Verbindung. Also müssen die Stecker gegen Herausrutschen gesichert sein und dürfen nur intern verwendet werden, wo niemand eine Steckverbindung lösen kann. Und der Vorteil? Dreieinhalb mal höhere Spannung heisst dreieinhalb mal niedrigere Stromstärken (bei gleicher Leistung). Damit kann der Kabelquerschnitt reduziert werden; sogar in noch grösserem Masse als der Stromrückgang, weil dünnere Kabel die Abwärme besser abzugeben vermögen. Ich schlage hochflexible, doppeladrige 2.5 mm2-Kabel mit Silikonisolation vor. Man könnte sogar noch ganz dünne Sense-Leitungen mitführen, um den Spannungsabfall durch entsprechende Regelung der Ausgangsspannung kompensieren zu können, aber das halte ich für übertrieben. Es soll ja auch preiswert bleiben. Silikonisolation und sehr feinadriger Aufbau lassen das Kabel auch bei 2.5 mm2 sehr flexibel bleiben. Auf eine Gewebeummantelung kann verzichtet werden, wenn Zwillingsleitung eingesetzt wird (sogenannt “ungesleeved”). In Kombination mit vergoldeten 4 mm-Kontaktstiften sind problemlos 32 A möglich, also 1344 W Maximalleistung. Egal wie die GraKa-Entwicklung verläuft, das reicht für einige Zeit…! Die Speisung über PCI-X würde ich übrigens deaktivieren. Und der Wirkungsgrad? Tatsächlich wäre ein Abwärtssteller auf 1 V GPU-Spannung (Buck Converter) ineffizient, da der schaltende MOSFET und die Diode sowohl für den Maximalstrom (also aktuell bei 2-GPU-Karten ca. 300 A am Ausgang) als auch für die Maximalspannung (also 42 V am Eingang) optimiert sein müsste. Daher bietet sich eine transformatorische Lösung an.

Für die kleine Leistung würde ich 12 V vorschlagen. Mit Abwärtsstellern lässt sich problemlos jede Spannung erzeugen, ohne dass der Wirkungsgrad allzu sehr in den Keller rutscht (und zudem weniger Bedeutung hat). Hierbei reichen 0.5 mm2-Kabel mit 1 mm-Kontaktstiften. Sowas lässt sich sehr kompakt bauen. Zudem würde es sich empfehlen, diese Spannung auch externen Verbrauchern zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall müsste diese Leitung aber einzeln gegen Überstrom abgesichert werden. Dies liesse sich in der Buchse bewerkstelligen, was die Austauschbarkeit der Netzteilausgängen garantiert.

12V-GND und 42V-GND sind miteinander zu verbinden, doch gegenüber dem Schutzleiter (Erde, Gehäuse) hochohmig zu halten, bspw. 1 kOhm: Dies ist sogenanntes High-Resistance-Grounding, was den Vorteil bietet, bei einem Einzelleiter-zu-Gehäuse-Kurzschluss (Single-Line-to-Earth-Faults) weiter den Betrieb aufrecht erhalten zu können, gleichzeitig aber die Spannung GND-Erde auf maximal 42V begrenzt (Normalfall 0V). Neben der gesteigerten Zuverlässigkeit ergibt sich auch ein erhöhter Störabstand für Audioanwendungen. Für einen Industrie-PC liessen sich problemlos MOX-Überspannungsableiter für komplette Industrietauglichkeit einbauen.

Nun gut, wie steht es aber mit der Sicherheit? Die Ströme sind geringer als heute (auch ohne die Aufteilung auf Kanäle), weshalb davon also keine spezielle Gefahr ausgehen sollte. Die Spannungen sind grundsätzlich auch nicht gefährlich, ausser eben der Lichtbogenproblematik. Sollte nun wirklich ein Kontakt lose sein, könnte der stehende Lichtbogen den ganzen PC abfackeln. Die Chance erachte ich als sehr gering, trotzdem auch hierzu eine Lösung: Lichtbögen emittieren in einem sehr grossen Spektralbereich EM-Strahlung. Insbesondere die UV-Strahlung ist im PC-Gehäuse einmalig (ausser bei Einsatz von FL-Röhren, doch diese werden sowieso von LEDs verdrängt) und lässt sich äusserst einfach erkennen: Ein Photoionisationssensor reagiert sehr selektiv und ausgesprochen sensitiv auf UV-Strahlung, kostet dabei praktisch nichts. Dieser könnte irgendwo im Gehäuse untergebraucht werden, am besten gleich im Netzteil. Durch die Lüftungsschlitze lässt sich sofort jegliche Lichtbogenaktivität feststellen. Ich erinnere mich an einen Laborversuch, bei dem jemand in etwa 20 m Abstand ein Steichholz angezündet hat… Damit wären also auch die Sicherheitsbedenken vom Tisch.

Ich fasse zusammen. Hohe Leisung:

  • 42 V DC, maximal 32 A
  • 2.5mm2-Kabel, hochflexibel, doppeladrig, ungesleeved, feinadrig, Silikonisolation; vergoldete 4 mm-Konstaktstifte
  • Geeignet für Mainboard und Grafikkarten
  • Verbindungen nicht lösbar im Betrieb
  • Speisung über PCI-X für Hochleistungsverbraucher deaktiviert

Und für die nierdige Leistung:

  • 12 V DC, maximal 1.67 A
  • 0.5mm2-Kabel, doppeladrig; vergoldete 1 mm-Konstaktstifte
  • Geeignet für Festplatten, SSDs, optische Laufwerke, Lüfter, Pumpen
  • Verbindungen lösbar im Betrieb; auch externe Anschlüsse

Gäbe es eine Alternative? Ja, aber Ihr möchtet sie nicht hören… Höherfrequente Wechselspannung wäre eigentlich ideal, z.B. zwischen 1 und 5 kHz. Da löschen Lichtbögen, sehr kompakte Trafos könnten direkt betrieben werden. Allerdings würde der PC die ganze Zeit vor sich hin fiepen…

Zur Erholung nach diesem theoretischen Artikel empfehle ich ein etwas anderes Konzert. Oder den schönsten LEO-Thread (ich bin bei der Übersetzung von Gleitschirmfliegen darauf gestossen!).

 

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