Grundlagen GPUs: Leistungsaufnahme, Netzteilkonflikte & andere Mythen

Schalten und Walten - Wir schauen ins Netzteil

Die Netzteilseite hat es vor allem in sich

Nun wären wir also am Netzteil angelangt und wollen uns mit den Problemen beschäftigen, die uns auf der Sekundärseite eines modernen Netzteils erwarten können.Da ich aber keinen Netzteil-, sondern einen Grafikkarten-Artikel schreibe, muss ich natürlich inhaltlich zunächst noch ein wenig vorsortieren.

Mich interessiert deshalb neben dem eigentlichen Arbeitsprinzip lediglich die Sekundärseite und dort insbesondere die Aufgabe und die Bestückung der sogenannten Sekundär-Kondensatoren und die ewige Diskussion über die Gesaltung der Rails. Dafür nutze ich jetzt - mit gewisser Absicht - ein digitales 860-Watt-Netzteil der oberen Mittelklasse (Corsair AX860i) und habe die gemessenen Spannungswerte leicht gerundet, um die Grafiken etwas übersichtlicher zu halten.

Wie wir ja bereits wissen, produzieren die aktuellen Grafikkarten extreme Stromspitzen, die zwar nur sehr kurz sind ("Spikes"), aber trotzdem auch mehrmals in Sekundenbruchteilen aufeinander folgen können. Ich möchten an dieser Stelle auch nochmals darauf hinweisen, dass das Nachfolgende möglichst allgemeinverständlich abgefasst und zudem etwas vereinfacht bzw. abstrahiert wurde.

12 Volt sind nicht gleich 12 Volt

Ein aktuelles ATX-Netzteil beruht auf dem Prinzip eines Schaltnetzteils, was an sich nichts Schlimmes ist, solange man die in den Schaltvorgängen erzeugte Spannung hinterher wieder ausreichend glättet. Wenn man nämlich die im Netzteil bereitgestellte 12-Volt-Leitung einmal mit einem geeigneten Oszillografen betrachtet, dann wird aus der erwartet konstanten Gleichspannung von 12 Volt eine Art alternierendes Spannungsgemisch, dessen Mittelwert natürlich genau im Rahmen der ATX-Spezifikationen liegt. Aber eben nur der Mittelwert!

Betrachten wir jetzt den fast lastlosen Zustand bei einem digitalen Netzteil, das mit einer etwas niedrigeren Schaltfrequenz arbeitet. Die Glättung ist durchaus akzeptabel, auch wenn wir hier bei höher aufgelöster Messung sehen, dass eben keine konstanten 12 Volt zur Verfügung stehen, auch wenn der Mittelwert für die gesamte Millisekunde bei ziemlich genau 12 Volt liegt.

Was aber passiert, wenn jetzt Lastspitzen auf die ohnehin schon "pulsierende" Sekundärseite treffen? Wir sehen in der nachfolgenden Grafik, dass auch in dieser Situation die ATX-Spezifikationen noch eingehalten werden - zumindest solange es um den Mittelwert geht. Betrachten wir die gemessene Millisekunde, dann landen wir im Mittelwert nämlich bei etwa 11,85 Volt.

Die impulsartig aufgeladenen Kondensatoren der Sekundärseite treffen also auf ziemlich wilde Spikes, deren Frequenz fast doppelt so hoch liegen kann wie die Schaltfrequenz des Netzteils. Oft genug kann es deshalb passieren, dass bereits die nächste Stromspitze auf einen Kondesator trifft, bevor dieser überhaupt wieder vollständig aufgeladen werden konnte! Wir erkennen diese unglückliche Aufeinandertreffen an den kurzen Einbrüchen der Spannung bis hinab auf ca. 11,15 Volt.

Was lernen wir daraus?

Erstens: Nicht allein die Kapazität oder der Herstelleraufdruck entscheiden über die optimale Funktionalität der Sekundär-Kondensatoren, sondern vor allem ein sehr gutes Hochfrequenzverhalten (geringe Impedanz bei ca. 100 KHz), eine hohe Geschwindigkeit beim Aufladen und natürlich auch gute Ripple-Werte.

Gerade digitale Netzteile besitzen oft eine langsamere Regelung als analoge Lösungen, so dass dieser Umstand erst recht von Bedeutung sein könnte. Dazu gleich noch mehr.

Zweitens: Als Folge dieser kurzzeitigen Spannungseinbrüche kann es dazu kommen, dass z.B. ein auf dem Mainboard verbauter Chip zur Spannungsüberwachung am entsprechenden Pin das Flag für das PowerGood-Signal auf Low setzt, so dass das Mainboard das Netzteil abschaltet und nicht etwa die im Netzteil verbaute UVP oder OCP/OPP, da die dafür benötigten Auslösewerte ja noch gar nicht erreicht wurden!

Die Supervisor-Chips der Netzteile sind hierfür viel zu träge bzw. man vermeidet schaltungstechnisch ein derartig schnelles Ansprechen. Wir konnten dies durch die Auswertung der Messprotokolle herausfinden, bei denen wir auch das PowerGood-Signal überwacht haben. Bei der von uns gern bemühten Radeon R9 295X2 hat nämlich das mit 1200 Watt ausgewiesene Platimax von Enermax sporadisch versagt (wie später auch das Corsair AX 860i). Der Grund? Das Platimax hat in unserem Fall nicht etwa wegen Überlast der 12-Volt-Leitung abgeschaltet, sondern das Mainboard hat aufgrund kurzzeitiger Spannungseinbrüche das Netzteil abschalten lassen, indem das PowerGood-Signal verloren ging.

Eine Frage der Absicherung: Single- vs. Multi-Rail

Bevor es jetzt wieder das übliche Hauen und Stechen gibt: Bis 40 Ampère auf 12 Volt würden wir ein Single-Rail-Netzteil guten Gewissens tolerieren, was dann auch ein 500-Watt-Netzteil hinaus läuft. Denn einerseits lässt sich das noch flink und relativ schadensfrei absichern und andererseits ist der Anschluss einer leistungsstarken Grafikkarte jederzeit möglich. Wenn man hochrechnet, dass eine R9 290X im Maximum knapp 250 Watt aufnehmen kann, sind wir ja bereits bei über 20 Ampère und für die R9 295X2 bei über 40 Ampère. Da wird es dann schon lustig.

Was passiert, wenn ein Single-Rail-Netzteil kurzgeschlossen wird und die Kabel am SATA-Strang viel zu dünn sind, um die erforderliche Stromstärke für das Ansprechen der Schutzschaltungen durchzulassen, zeigen diese Bilder:

Jetzt allein das Heil in Multi-Rail-Schaltungen zu suchen, wäre sicher auch zu kurz gesprungen, da die momentan üblichen Grenzwerte nicht mit den Anforderungen der aktuellen Grafikkarten übereinstimmen. Wir würden auf 25 Ampère für einen PCI-Express-Anschluss plädieren, da man damit ein Kabel mit zwei 8-Pin-Steckern locker versorgen könnte.

Wer trotzdem mehr benötigt (z.B. für Dinge wie die R9 295X2), der muss eben zwei Rails mit jeweils einem 8-Pin-Stecker verwenden. Ungünstig ist aber, dass viele Supervisor-Chips, die in den Netzteilen die OCP (Überstromschutz) realisieren, nur bis zu 4 Kanäle insgesamt dafür absichern können. Das reicht dann wieder hinten und vorne nicht, wenn man CPU und Mainboard, sowie die ganzen Laufwerksanschlüsse separat absichern möchte.

Genau hier sollten dann ja die digitalen Netzteile greifen, die eine ziemlich flexible Festlegung der OCP pro Ausgang anbieten. Allerdings ist die dafür benötigte Software meist immer noch fehlerbehaftet und unausgereift, um wirklich ein echtes Gefühl von Sicherheit aufkommen zu lassen. Was also sollte man tun?

Regel Nummer Eins: Netzteile nie sinnlos überdimensionieren! Bei der Entscheidung für ein Single-Rail-Netzteil immer die benötigte Gesamtleistung im Auge behalten! Meistens bieten die Hersteller bis zu 20 Prozent Überlast in den Spitzen, was man zwar nicht ausnutzen sollte, aber beim Verlassen auf die Schutzschaltungen nie aus den Augen lassen darf. Bis 500 Watt Nennleistung ist die Single-Rail-Welt außerdem noch völlig in Ordnung.

Regel Nummer Zwei: Multi-Rail-Netzteile vorher auf die Maximalbelastung der Rails UND die eigenen Anforderungen hin kontrollieren! Wenn man z.B. eine R9 295X2 sicher betreiben möchte, dann muss man zwei getrennt überwachte Rails nutzen, was dann aber auch zwei einzelne PCI-Express-Anschlusskabel erfordert. Mit Doppelsteckern kommt man da nicht weiter. Also auf die Kabelbestückung achten!

Regel Nummer Drei: Digitalnetzteile sind sicher eine Bereicherung des Marktes, aber die Regelung ist fast immer langsamer als die der analogen Lösungen. Dann kommt es vor allem auf eine zweckmäßige Kondensator-Bestückung der Sekundärseite an, um auch alle Lastspitzen ausreichend abfedern zu können. Hier sollte man noch die weitere Entwicklung abwarten, denn es sind noch viele ungeklärte Fragen offen und die Softwareproblematik nicht zu vernachlässigen. Ein solides Netzteil ohne zusätzliche Fehlerquellen wird immer sicherer sein.

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31 Kommentare
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    Dein Kommentar
  • Tesetilaro
    vielen vielen Dank, etwas das ich schon lange vermutet hatte, wurde endliche "bewiesen" - es kann durchaus das Mainboard sein, was hier abschaltet.

    Wir sind an dem Punkt angekommen wo klar wird, man kann einfach einen selbstgebauten Rechner nicht nur nach den Komponentenpreise zusammenstellen, sondern sollte sehr genau schaun welche Qualität dahinter steckt.

    Eine Mammutaufgabe für den Nutzer, was für mich persönlich zum Urteil führt:
    1. Netzteil - nur noch aus TH tests - und dort das mit den glattesten Ripple Kurven!
    2. Mainboard - auch hier nur noch gut getestet (im Hinblick auf guten Energiehaushalt)
    3. Graka ausschließlich noch von euren Tests...

    Das ganze dann mit einer passenden CPU (in Sachen Leistung) und einem RAM von der QVL garnieren, mit einem wertigen Gehäuse und ausreichend Belüftung verzieren und fertig ist der gemischte Salat ähm, Rechner *g*
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  • Big-K
    Das war ja mal sehr interessant. Aber für den Endkunden gestaltet es sich schwirig die Kondensator Bestückung vor dem kauf zu klären. Und die Einzelhändler werden da auch wenig weiterhefen können.
    Auch die rippel noise werte der un oder ohmsch belasteten nt werden wenig darüber aussagen wie es sich verhält wenn die graka kurzzeitig hohe Last fordert.
    Von da her bleibt trotz aller Theorie wohl trotzdem nur der Praxistest am besten mit einer oder zwei 295.
    Und gerade der fehlte z.b. gestern beim nt test mal wieder. Gut ich hab keine x2 sondern zwei 290. aber kann ich die gestern getesteten Netzteile verwenden? Was nutzt das ganze Fachwissen und die teure Ausrüstung wenn man sie nicht nutzt.
    Ich will mich nicht beschweren das soll nur konstruktive Kritik sein ;-)

    ps. Das E10 video war nur drin um MICH zu ärgern? *egozentrisch*
    Ne aber würde mich freuen wenn dazu ein test käme sobald freigegeben
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  • Diluvian
    Wow, interessanter Artikel, vielen Dank.
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  • quixx
    Früher war es üblich, bei Stromspitzen keramische Kondensatoren den Elkos beizustellen. Keramische haben eine viel niedrigere ESR. Damit bot man den Spitzen gut Paroli. Ab hundert Megahertz sogar nur 10nF (noch lower). Das ist wohl aus der Mode gekommen.
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  • Michalito
    Hoffe dieser Artikel wird vor allem von den Kollegen der anderen Redaktionen auch gelesen, damit die Wissen wo der Hammer hängt..;-)

    Danke Igor

    P.S. Bin ebenso wie Big K dafür das der Herr Afschar seine NT's mal mit dem Labor mal so richtig auf den Zahn fühlt. Oder scheitert das aufgrund von raümlicher Distanz?
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  • miki4
    Lange nicht einen derart geilen Artikel gelesen. Wahrlich ein Genuss.

    Vielen Dank!
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  • Mahlzeit
    mal rein interessehalber eine frage zu dem wasser in den kondensatoren. unpassiviertes aluminium würde so oder so mit wasser reagieren. deltaE^0 ist mit 0,852 V deutlich positiv soll heißen man hätte innerhalb kürzester zeit Al(OH)3 (sollte eigentlich nach unten gestellt sein steht im artikel aber hochgestellt) und wasserstoff. hab ich auch selbst schon eindrucksvoll beobachten können. amalgamiertes aluminium verabschiedet sich recht zügig. eine schicht Al2O3 bildet sich ja schon bei normaler alu-folie mit dem luftsauerstoff. ich schätze mal was gemeint ist, ist die allmähliche zersetzung der Al2O3 schicht. ich vermute mal durch Cl^-. würde das nur gerne genauer wissen.
    was ich mich irgendwie auch gefragt habe wenn die kondensatoren aufplatzen und dann zufälligerweise ein funke (durch einen kurzschluss z.B.) entsteht, könnte es da zu einer kleinen knallgasexplosion kommen oder ist die menge an wasserstoff die da so entsteht zu gering?
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  • alterSack66
    Ist halt echt schwierig für den Kunden. Da kaufst dir ein 200 Euro Netzteil und dann Satz mit X. Am Mainboard sollte man sowieso nicht so arg sparen find ich.
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  • FormatC
    @Mahzeit:
    Unser wertvolles CMS stellt leider alles hoch, da habe ich keinen Einfluss auf die Formtierung beim Importieren :( Normalerweise gehen die Caps ja an den Sollbruchstellen auf, da ist es nur ein leichtes pffff, beim Platzen jedoch ist die Gasmenge zu klein, um irgendiwe von Belang sein zu können. Es sei denn, es ist der fette Primärcap. Aber da habe ich auch noch nichts von gehört...
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  • FormatC
    Anonymous sagte:
    Früher war es üblich, bei Stromspitzen keramische Kondensatoren den Elkos beizustellen. Keramische haben eine viel niedrigere ESR. Damit bot man den Spitzen gut Paroli. Ab hundert Megahertz sogar nur 10nF (noch lower). Das ist wohl aus der Mode gekommen.


    Deshalb bauen ja ainige wieder parallel Solids ein. Bei 100 KHz reichen ja auch wenige Microfarad
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  • X-Ray
    Ein wirklich wahnsinnig guter Artikel. Allerdings wie die anderen schon bemerkt haben ist das für den Endnutzer sehr schwierig selber herauszufinden. Mein Vorschlag wäre: Wieso baut ihr nicht auch mal PCs verschiedener Leistungsklassen auf die dann von Händlern verkauft werden? So wie eure Kollegen der PCGH. Praktisch eine THDE Edition ;) da könnten dann eure Messergebnisse und eure ganze Erfahrung in ein Produkt einfließen!
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  • FormatC
    Ist in Arbeit. Aber es ist schwer, Händler zu finden, die nicht den eigenen Abverkauf unnützer Teile in den Vordergrund stellen ;)
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  • X-Ray
    Sehr gut:D bei mir steht langsam ein neuer PC an:D aber ich kann noch warten bis eure da sind.
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  • Niclas Kraus
    Wirklich guter Artikel, allerdings wohl nicht nur für mich zu viel Fachchinesisch, auch wenn sicherlich schon viel gekürtzt wurde :)
    Ich würde mich in Zukunft über viele, sehr ausführliche Netzteil-Tests freuen, denn so detailiert und tiefgehend wird selten eine Problematik behandelt. Auch wär eine Version des Artikels für Laien interessant :D
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  • doofeOhren
    Vielen Dank lieber Igor
    für diesen fundierten, fachlich und inhaltlich hervorragend geschriebenen Artikel. Es ist wertfreie und ohne eine "Hersteller Brille" erstellt. Journalistische Arbeit wie sie sein soll. (Wobei da auch mehr der Ingenieur raus kommt)
    Da kann man gerne und guten gewissens als Quelle drauf verweisen.
    Leider ist die Qualität der Fachbeiträge nicht überall gleich hoch, es werde Fotos von Platinen und Elkos gelistet das sich der halb technisch interessierte damit vor seinen Kumpels rühmen kann sich ist der informationswert gegen Null. Egal ob das ist Hardware zeitschriften ist oder in anderen Computerforen. viele haben gefährliches Halbwissen und verbreiten dann in der Beratung ahnungslos er user viele abstruse Meinungen.
    Danke für alles und ich freue mich auf mehr Artikeln in dieser Qualität.
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  • Hellsfoul
    Guter Artikel, sehr informativ!

    Ich frage mich aber, warum man die Lastspitzen nicht gleich auf dem Board der Grafikkarte abfängt. So sollte es doch eigentlich sein?! Warum muss sich dann das Netzteil um die ganzen Lastspitzen kümmern. Ich sehe es eher so, dass die Grafikkartenhersteller wieder mal sparen und damit die Stabilität des Systems aufs Spiel setzen.
    Man kann ja davon ausgehen, dass auch die CPU solche Lastspitzen hat. Wenn ich aber auf mein Mainboard schaue, dann sehe ich da viele Kondensatoren, die das hoffentlich abfangen. Wenn man bedenkt, dass die CPUs nur eine Verlustleistung von meist 100W haben, sind das sogar sehr viele.
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  • Tesetilaro
    das mainboad ist aber auch nen ticken komplexer als so ne graka, was die Stromversorgung angeht,

    es müssen ja neben der CPU noch dutzende andere (potentielle) verbraucher mit gesteuert und versorgt werden,
    erschwerend muß das mit 3,3 und 5 und 12 volt passieren, das sind zum einen die ganzen onboard chips, NB, SB,
    USB-Host, Soundchip, etc. pp, dann bekommen ja die anderen PCIe karten ihren saft von da, neben der graka, dann
    natürlich die peripherie und jeder hat seine lastspitzen und besonderheiten..

    Ich gebe dir Trotzdem recht, was die Hersteller der Graphikkarten da treiben ist, zumindest aus meiner Sicht, eine
    Frechheit und zwar zu lasten der Nutzer, die auch noch immer wieder brav die neusten Karten kaufen :-(
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  • FormatC
    Das größte Problem bei Grafikkarten ist ja der Kühler, der leider wenig Platz für mehr und größere Caps lässt. Wobei die Spikes von Hersteller zu Hersteller durchaus schwanken könne, es gibt auch bessere Beschaltungen, die da schon Abhilfe schaffen. Meist sind das aber dann auch die teureren Karten, so dass der Geiz hier sofort bestraft wird. Der Kunde möchte es ja immer so billig wie möglich
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  • Anonymous
    Wirklich gut, dass dieses Thema in diesem Ausmaß aufgegriffen wird.

    Ich hoffe du fühlst in Zukunft möglichst oft den Platinenlayouts von AMD, Nvidia und deren Boardpartnern auf den Zahn.

    An der Stelle ist es aber verdammt schade, dass du dich nicht mehr den Netzteilen widmen möchtest, wo du doch jetzt Messen kannst, was andere nicht können. Die R9 290X oder R9 295X (je nach Wattklasse) als Standardtestparcour wäre traumhaft, man sieht ja sehr gut, wie schief das gehen kann.

    Bitte mehr von solchen Tests, gerne auch komplexer.
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  • Maxxo
    Ein sehr hilfreicher und informativer Artikel, vielen Dank dafür!
    Aber nun mal eine "blöde Frage": wenn man so ein aufwändiges Equipment braucht um den eigentlichen Verbrauch zu messen, schafft das dann auch mein Stromzähler überhaupt noch oder misst der gemütlich und träge die ganzen Peaks sozusagen als Durchschnittswert?

    Unabhängig davon ob er exakt misst oder nicht (was ich nicht hoffe), könnte man bei euren Tests nicht zusätzlich noch einen Stromzähler dranhängen um wirklich schwarz auf weiß zu sehen wie sich die Effizienz usw. auf den Geldbeutel auswirkt? Z.B. im Durchschnitt oder gerne auch mit einem von euch vorgegebenem Strompreis als Richtwert.
    Das wäre natürlich bei sämtlichen Komponenten eine zusätzliche, nützliche Info, nicht nur bei Netzteilen und Grafikkarten.

    Mir ist natürlich klar, dass mein eigenes System auf jeden Fall einen anderen Verbrauch haben wird als euer Testsystem, aber schon alleine die Vergleichbarkeit innerhalb von THG wäre ausreichend.
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