Grundlagen GPUs: Leistungsaufnahme, Netzteilkonflikte & andere Mythen

Bad caps, good caps? Die Mär vom japanischen Drachen.

Kondensator-Frage

Bewegen wir uns nun nach so vielen Äußerlichkeiten ins Innere und betrachten die Gretchenfrage: Welche Kondesatoren sollten oder dürfen es sein und wo liegen noch viele Missverständnisse und Irrtümer?

...und damit hätten wir die Kurve von der GPU, über das PCB, die Anschlüsse und die Versorgungsleitungen bis hin zu den Kondensatoren nun auch ganz gut hinbekommen.

Zwischenfrage: Was bringen Polymer-Kondensatoren?

In einem eigentlich eher aus einer Laune heraus erfolgten Test zweier einfacherer Netzteile mit und ohne Kabelmanagement, die bis auf die KM-Platine eigentlich ziemlich identisch waren, sowie einer ziemlich fiesen HIS R9 290X IceQ, die so richtig viele Spikes erzeugt (Leistungsaufnahme siehe Grafik auf Seite 3), kamen wir zu einem überraschenden Ergebnis: Ich konnte nämlich feststellen, dass die beim modularen Netzteil zusätzlich verwendeten Polymer-Kondensatoren die Spitzen eingangsseitig durchaus recht ordentlich abfedern konnten, wenn sie denn wirklich sinnvoll platziert sind. Zum einen sind die Solids wesentlich flinker als die Elektrolytkondensatoren und zum anderen kann auch die benötigte Kapazität aufgrund der geringen Zeitdauer der extremsten Spitzen sehr viel niedriger sein, um noch Wirkung zu zeigen.

Dies sollte sich mit Sicherheit auch positiv auf die Haltbarkeit der eigentlichen Sekundärkondensatoren (Bild unten) auswirken, auch wenn es meist nur eine indirekte Folge ist.

Bei vielen Netzteilen nutzt man diese Polymerkondensatoren in erster Linie, um beispielsweise die bei der Trennung von Haupt- und Kabelmanagement-Platine auftretenden Wechselwirkungen zwischen Haupttrafo und senkrecht stehender Platine zu verhindern.

Dieser von uns beobachtete und sehr nützliche Nebeneffekt wird aber in jedem Falle gern mitgenommen, selbst wenn er mit Sicherheit nicht bei jedem Netzteil so angedacht wurde.

Man sieht hier auch ganz gut eine der typischen Mischkalkulationen, wenn es darum geht, die Kosten zu optimieren: Mittelprächtige SamXon auf der Sekundärseite.

Womit auch der Bogen zu dem eigentlichen Elektrolytkondensatoren recht elegant geschlagen wäre, über die immer noch viel zu viel Unklarheit herrscht.

Low ESR, Low Impedance und Ripple

Zunächst machen wir einmal eine Bestandsaufnahme. Also was muss ein guter Sekundärkondesator mindestens können? Er soll sicherstellen, dass das Netzteil kontinuierlich hohe Ströme liefern kann und zudem garantieren, dass Lastschwankungen abgefangen werden können. Soweit, so theoretisch. Doch Elko (Elektrolytkondensator) ist nicht gleich Elko. Und genau an dieser Stelle wird es nämlich interessant, wenn wir über die datenblattbezogene Qualität und die Zweckmäßigkeit der Kondensatorwahl sprechen, die sich nicht zwingend decken müsssen!

Gehen wir jetzt noch einen Schritt weiter und fragen uns, was ein solcher Elko - auch in Hinsicht auf unsere wilden Grafikkarten - nun besonders gut können sollte? Er muss - schon aus Gründen der Haltbarkeit - zunächst erst einmal einen möglichst geringen inneren Verlustwiderstand besitzen (ESR = Equivalent Series Resistance). Deshalb findet man diese sogenannten Low-ESR-Ausführungen auch oft ausgangsseitig in Netzteilen oder auf Mainboards im Bereich der VRM.

Unsere Messungen der Leistungsaufnahme, wo die Intervalle der Lastwechsel sporadisch sogar noch schneller aufeinander folgen als das Schaltnetzteil überhaupt die Kondensatoren wieder aufladen kann, lassen uns hier jedoch etwas ins Grübel kommen. Viele Hersteller wechseln nämlich - mit Sicherheit nicht ohne triftigen Grund - mittlerweile zu ganz speziellen Low-Impedance-Kondensatoren, wo es um geringe Innenwiderstände bei hohen Frequenzen geht, die Standard-Elkos so in Perfektion nicht bieten.

So viel zum Thema Zweckmäßigkeit. Doch dazu später noch etwas mehr.

Wir rechnen ein wenig und wundern uns

Wie wir wissen, fließen durch Kondensatoren keine Gleichströme, sondern sogenannte Rippelströme (engl. ripple current), was am Ende nichts anderes ist als der bereits von uns angesprochene pulsierende Gleichstrom. Nehmen wir nun ein Datenblatt von Teapo und vergleichen, welcher Kondensator der zweckmäßigste sein könnte. Um selbst bei einem ausgesprochen langsamen Schaltnetzteil eine ausreichend geringe Restwelligkeit zu garantieren, reichen bei bei Strömen bis 20A (in Bezug auf die erwähnte R9 290X) locker 3300µF pro Schiene, bei 30A sollten es dann 4700µF sein und alles darüber wird durch Parallelschaltung der Elkos erreicht.

Der mittlerweile gern genommene Teapo SY (Low Impedance) mit 3300µF als 16V-Modell besitzt eine Impedanz von 0,02 Ohm bei 100 KHz. Bei 20 Ampère fallen dann inkusive Selbstentladung ca. 0,25 Volt ab, was einer Welligkeit von etwa 2,1 Prozent entspricht und eine Verlustleistung von rund acht Watt ergibt. Laut Datenblatt sind 2,88 Ampère (rms) bei 5000 Stunden vorgesehen. Das passt also bestens, denn man wird solche Maximalwerte im Leben nicht erreichen.

Ein Nippon Chemi-Con der KY-Serie hat exakt die gleichen Daten, verspricht aber doppelte Haltbarkeit von 10.000 Stunden bei den maximalen Rippelströmen. Das liest sich erst einmal wie ein doppelt so guter Elko, aber da diese Belastung bei guten Modellen noch nicht mal ansatzweise erreicht wird, ist auch die Stundenangabe eher theoretischer Natur - denn vorher geht meist der Lüfter oder etwas anderes kaputt.

Selbst die als Billigheimer und "bad cap" verteufelten CapXon können - wenn man denn bereit ist, für Ausführung und Güteklasse zu bezahlen - durchaus noch gute Ergebnisse erzielen. So besitzt ein CapXon GF (Low Impedance) mit 3300µF als 16V-Modell sogar eine Impedanz von nur 0,018 Ohm bei 100 KHz und schafft sehr ordentliche 3,49 Ampère bei 5.000 Stunden.

Es geht natürlich auch in Richtung Billigst-Schiene. Der Jun Fu WX mit 3300µF 16V schafft zwar immerhin noch 0,022 Ohm, fällt beim Rippelstrom aber auf 2,1 Ampère zurück. Und dann gibt es noch die wirklich schlechten Modelle, über die wir besser gar nichts mehr schreiben.

Seriöse Netzteilfertiger testen die mögliche Haltbarkeit für jedes eingeplante BauelementSeriöse Netzteilfertiger testen die mögliche Haltbarkeit für jedes eingeplante Bauelement

Wo liegen bzw. lagen nun die möglichen Qualitätsprobleme?

Die verwendeten Elektrolyte müssen besonders bei Low-ESR- und Low-Impedance Elkos sehr gut leitfähig sein, damit die Rippelströme keinen Schaden anrichten. Um die Leitfähigkeit zu erhöhen, verwendet man diverse Lösungsmittel und Zusatzstoffe, von denen einer meist Wasser ist. Durch das beigemengte Wasser erhöht sich automatisch die Anzahl freier Ionen, was natürlich zu einer wesentlich besseren Leitfähigkeit des Elektrolyten führt.

Ohne jetzt den armen Leser mit zu viel Chemie langweilen zu wollen: Selbst nur in Spuren verunreinigtes Wasser greift Aluminium an. In einer exothermischen Reaktion korrodiert dann das Aluminium und es entsteht sowohl ein Hydroxid (AL(OH)3) als auch ein Gas, das dann zu einem Druckanstieg im Kondensator-Gehäuse führt.

Im Bild erkennen wir die Beulen im Becher und die Sollbruchstellen in der Kappe, die sich bei zu viel Druck öffnen soll(t)en. Wenn sie es tun, hat man nach einen Zischen eine feine Sauerei auf der Platine, die auch gern zu Kürzschlüssen führt. Oder sie öffnet sich nicht, dann knallt es und die Sauerei ist spritziger.

Die Hersteller sollten die Aggressivität des Wassers gegenüber dem Aluminium mittlerweile eigentlich voll im Griff haben. Allerdings haben vor allem in der Anfangszeit so manches Herstellers Probleme in der Produktion und Technologie dazu geführt, dass nicht wenige Elkos zur tickenden Zeitbombe wurden.

Aus dieser Zeit rühren auch noch viele Vorurteile her, die heutzutage zumindest in großen Teilen so nicht mehr berechtigt sind. Die sogenannte Bad-Caps-Liste ist mittlerweile inhaltlich völlig überholt, da die Fertiger oftmals zwar noch die gleichen Modellreihen produzieren, die Produkte aber nicht mehr die selben sind.

Gleicher Fertiger wie eben - Stresstest einzelner BaugruppenGleicher Fertiger wie eben - Stresstest einzelner Baugruppen

Was sollte man nun kaufen?

Die Frage ist nicht ganz so einfach zu beantworten weil es auf Details ankommt.

Ein zweckmäßig ausgewählter Sekundär-Elko eines taiwanesischen oder chinesischen Herstellers kann - wenn der Netzteilfertiger eine entsprechend hohe Güteklasse verwendet, die auch größere Fertigungstoleranzen ausschließt - durchaus gleichwertig oder sogar besser sein, als ein einfacheres Nippon-Produkt, das zwar schlechtere technische Spezifikationen besitzt, aber im Gegenzug über den Namen des Herstellers punkten soll.

Man erhält also mittlerweile bei fast jedem Hersteller genau das, für das man bereit ist zu zahlen. Nicht mehr, aber fast immer auch nicht weniger. Dies macht die Beurteilung nicht einfacher und einmal mehr sind auch die Netzteiltester gefordert, mit mehr Abstand und Objektivität nicht nur Firmenlabel zu zelibrieren, sondern auch mal einen Blick auf die verbauten Güteklassen zu werfen.

Als Grafikkartentester sagt man dann gern auch schon mal: Nicht meine Baustelle, obwohl man eigentlich die Wechselwirkungen nicht aus den Augen lassen dürfte.

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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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