Computernetzteil

PC-Netzteil für AT-Systeme

Anschlussleiste AT-Hauptplatine

PC-Netzteil für ATX-Systeme

Ein PC-Netzteil, auch Computer-Netzteil, ist ein Schaltnetzteil für den Einsatz als Stromversorgung in Mikrocomputern. Die in den meisten Fällen eingebauten Lüfter dienen nicht nur der Eigenkühlung, sondern ganz oder teilweise auch der Kühlung der sonstigen im Computergehäuse eingebauten Komponenten.

Formate

Ein großer Teil IBM-PC kompatibler Computer wird in genormten Gehäusen (siehe Formfaktor (Computertechnik), AT-Format, ATX-Format, BTX-Format) geliefert. Die Leistung dieser Netzteile liegt üblicherweise bei 200 bis 600 Watt, mittlerweile sind auch Netzteile bis 1500 Watt erhältlich.

Maße und Befestigungsmöglichkeiten sind in den Gehäusenormen festgelegt, die jedoch nur die Breite und Höhe, nicht jedoch die Tiefe definieren. So kann die Verwendung eines extrem leistungsfähigen Netzteils zu einem Platzproblem führen, das speziell bei kleinen Gehäusen thermische Probleme nach sich zieht.

AT-Format

Die AT-Netzteile (Advanced Technology) unterscheiden sich von heutigen Netzteilen insbesondere dadurch, dass sie einen herausgeführten Schalter besitzen. Diese Schalter wurden in der Front des PC-Gehäuses untergebracht und schalteten das Netzteil und damit den PC physikalisch aus. Es gibt also keine Stand-By-Modi. Ferner ist der Stromanschluss für ein AT-Mainboard historisch bedingt mit zwei Steckern realisiert. Diese sind identisch, aber anders belegt. Im Normalfall werden sie nebeneinander gesteckt, mit den schwarz markierten Adern zueinander. An Steckverbindungen bieten diese Netzteile nur:

• zweiteiliger Stecker zur Stromversorgung der Hauptplatine (+12V, -12V, +5V, -5V und GND)
• 4-Pin Molex (für interne Peripherie)
• Floppy Disk-Stromversorgung

ATX-Format

ATX steht für Advanced Technology Extended. Moderne PC-Netzteile verfügen über besondere Steckverbinder:

• 24/20-Pin (Steckerbelegung) zur Stromversorgung der Hauptplatine
• 8-Pin-Hauptplatine
• 4-Pin-Hauptplatine (ATX12V bzw. „Intel P4-fähig“)
• Floppy Disk-Stromversorgung
• PCI-E
• S-ATA
• 4-Pin Molex (für interne Peripherie)
• optional Tachosignalstecker zum Anschluss auf die Hauptplatine zum Auslesen der Netzteillüfter-Drehzahl

Die übliche Bauform eines PC-Netzteils ist ein quaderförmiges Blechgehäuse mit einer Euro-Kaltgeräte-Buchse für die Netzspannung, optional einem Netzschalter, dann in seltenen Fällen mit einer Euro-Kaltgeräte-Steckerbuchse zur mitgeschalteten Monitor-Stromversorgung, sowie einem oder mehreren Lüftern. Ursprünglich dienten die Lüfter nicht nur der Kühlung des Netzteils selbst, sondern der Kühlung des Rechners insgesamt, indem der oder die Lüfter des Netzteiles Luft nach außen fördern, somit im Rechnergehäuse Luft durch diverse Schlitze und Öffnungen angesaugt wird und am Netzteil das Gehäuse wieder verlässt.

Bei modernen, leistungshungrigen Computern reicht die Kühlwirkung des Netzteillüfters allein meist nicht mehr aus und muss durch andere Maßnahmen, beispielsweise zusätzliche Gehäuselüfter, ergänzt werden.

PC-Netzteile lassen sich häufig an Stromnetzen mit unterschiedlicher Spannung betreiben. Die Umschaltung kann manuell oder automatisch erfolgen. Bei manueller Umschaltung, die meist über einen nur mit einem Werkzeug zu betätigenden Schalter erfolgt, besteht bei falscher Einstellung die Gefahr einer sofortigen Zerstörung des Netzteils. Moderne Netzteile weisen häufig eine automatische Anpassung auf, die den Betrieb zwischen 100 V und 240 V Netzspannung erlauben.

Das Netzteil wird am Ausschnitt der Rechnergehäuse-Rückwand mit vier Schrauben befestigt.

Es existieren auch Sonderbauformen, z. B. wassergekühlte Umbauten.

PC-Netzteile müssen mindestens folgende Ausgangsspannungen zur Verfügung stellen: +12 V, +5 V, +3,3 V, -12 V, +5 Vsb (Standby-Spannung), wobei nach dem neuesten ATX-Standard mindestens zwei +12 V-Schienen vorhanden sein müssen. Der Nutzen mehrerer 12 V-Leitungen ist aber umstritten, da diese ursprünglich dafür vorgesehen waren eine stabile Stromversorgung bei zunehmender Last zu gewährleisten, eine 12 V-Leitung darf laut ATX-Spezifikation nicht mehr als 20 Ampere haben, bevor eine zusätzliche Leitung notwendig wird. Es hat sich aber gezeigt, dass die Netzteilhersteller keine Probleme haben, ihre Netzteile so zu entwickeln, dass sie eine höhere Leistung weit über 20 Ampere hinaus leisten können.

Die Spannungen werden u. A. für folgende gebraucht:

+12 V: CPU, Grafikkarte, Laufwerke

+5 V: CPU, Grafikkarte, Laufwerke, externe Anschlüsse (z. B. USB)

+3,3 V: traditionell für den Arbeitsspeicher und für einige der Hauptplatinen-Teile

-5V, -12 V: werden nicht in allen Systemen gebraucht, z. B. Soundkarten. Die -5V-Leitung ist in den neuen ATX-Standards nicht mehr zwingend vorgeschrieben und d. h. nicht mehr bei jedem Netzteil vorhanden.

+5 VSB: ausschließlich für Standbymodus

Auf der Rückseite von ATX-Netzteilen befindet sich meistens ein Netzschalter, der die Stromversorgung des Netzteils komplett ausschaltet. Der normale ATX-Schalter am Gehäuse ist jedoch nicht mehr mit dem Netzteil verbunden, sondern mit der Hauptplatine. Die Wirkung ist, dass der Rechner nicht komplett vom Netz getrennt ist, sondern dass auch bei „ausgeschaltetem“ Rechner minimal Strom verbraucht wird (ca. 5 bis 8 Watt in der Regel) über eine „Standby“-Schaltung des Netzteiles, und dass der Rechner befähigt wird, über den Einschalttaster (regulärer Start), über eine Tastatur ("wake up on key") oder über Modem bzw. Netzwerk „aufgeweckt“ zu werden ("wake up on modem", „wake up on LAN“). Die Hauptplatine legt dazu Pin 16 (auch manchmal PIN 14) (Speisung ein) des Netzteilsteckers auf Masse; daraufhin geht das Netzteil in den normalen Betriebsmodus. Alle diese Betriebsmodi können im BIOS eines modernen Computers konfiguriert werden; sie funktionieren sämtlich jedoch nur mit einer Stromversorgung im „standby“-Betrieb des Netzteiles. Standby-Schaltungen jedoch sind neuerdings in der Kritik der Öffentlichkeit. Rechnerkundige wissen zudem um einige Sicherheitsprobleme „ferngesteuert aufweckbarer“ Rechner. Deshalb lässt sich bei vielen Hauptplatinen auch „wake up on LAN“ ausschalten. Manche Platinen unterstützen auch noch zusätzliche Funktionen im Standby-Modus, wie z. B. das Abspielen von Musik von einem CD-ROM-Laufwerk, was wiederum zum Energiesparen beitragen kann, weil dann der Stromverbrauch nur ca. 10-30 W beträgt, anstatt den ca. 100-200 W, die das System im Normalbetrieb bei geringer Auslastung verbraucht.

Für den Einbau in kleine Gehäuse sind die Maße wichtig.

	Länge	Breite	Höhe
ATX	140	150	84
ATX large	160	150	84

Zu beachten ist in obiger Tabelle jedoch, dass die Werte für die Länge nur Richtwerte darstellen, deren Einhaltung im ATX-Standard nicht verbindlich vorgeschrieben ist.

BTX-Format

Der thermisch sehr anspruchsvolle Prozessor Pentium 4 erforderte ein besonderes Luftströmungsregime im Gehäuseinneren, um ausreichend gekühlt zu werden. Zu diesem Zweck wurde das aufwändige Format BTX (für Balanced Technology Extended) entwickelt, das unter anderem verschiedene Innentüren enthält, die während des Betriebs geschlossen bleiben müssen, damit die Kühlluft wirklich dorthin strömt, wo sie benötigt wird.

Das Netzteil unterscheidet sich gegenüber ATX hauptsächlich in einer wesentlich höheren Leistung als bei ATX üblich und einem zusätzlichen 4-poligen 12 V-Stecker, der eine störungsfreie Übertragung der hohen Ströme der 12 V-Schaltkreise gewährleisten soll. Dieser 12V-Stecker wurde als ATX12V auch ins ATX-Format übernommen.

Da die Nachfolger des Pentium 4 weniger elektrische Energie verwenden und die neueren Prozessoren somit wesentlich weniger Abwärme entwickeln, konnte wieder zum einfacheren und kostengünstigeren ATX-Format zurückgekehrt werden. BTX hat sich somit nicht durchsetzen können.

Besondere Bauformen

Redundante Netzteile

Redundantes PC-Netzteil für ein 19"-Gehäuse

Redundante Netzteile werden oft in Servern eingesetzt, um die Ausfallsicherheit zu erhöhen. Meist sind zwei oder drei Netzteileinschübe in einem gemeinsamen Netzteilkäfig montiert. Die Einschübe können eine gemeinsame Netzzuleitung über den Einbaurahmen haben. Dies kann eine Schwachstelle sein, da die Elektronik des Einbaukäfigs nur einmal vorhanden ist. Besser sind Geräte mit einer passiven Backplane, bei denen jeder Einschub einen eigenen Netzanschluss aufweist. Oft wird dann ein Netzteileinschub direkt an der Hausstromversorgung angeschlossen, und die anderen Einschübe über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Falls einer der Netzteileinschübe ausfällt, läuft der Server ohne Unterbrechung weiter. Bei der o. g. Anschlussart läuft der Server auch weiter, wenn die USV durch einen Defekt ausfällt, erst ein Doppelfehler führt zum Ausfall.

Sondernetzteile

Bei den Sondernetzteilen handelt es sich meist um ATX-Netzteile, die durch einen „Umbau“ (Pins von Steckern vertauschen, hinzufügen etc.) für eine Serie von Fertig-PCs (z. B. Dell, Comtech usw.) verbaut werden.
In 19-Zoll-Gehäusen mit weniger als 4 HE Bauhöhe sind normalerweise ebenfalls Sondernetzteile verbaut (geringere Bauhöhe, dafür länger), da diese Gehäuse zu niedrig sind, um dort die Standardbauform unterbringen zu können. Die Anzahl der internen Anschlüsse ist hier oft geringer als üblich, da in niedrigen Gehäusen ("Pizza Boxes") ohnehin nur wenige Laufwerke Platz haben bzw. stromhungrige Grafikkarten nicht adäquat gekühlt werden können.

Eigenschaften

Besondere Eigenschaften sind z. B.:

• Leistungsfaktorkorrektur (engl. power factor correction, PFC) aktiv oder passiv,
• temperaturgeregelte Lüfter,
• Überspannungsschutz (over voltage protection),
• Kurzschlussschutz (short circuit protection),
• Überlastschutz (overload protection)
• ECASO (Nachlaufen des Lüfters)
• Energieeffizienz (80+-Initiative)

Qualitätsmerkmal von PC-Netzteilen ist neben der Maximalleistung die maximale Belastbarkeit der einzelnen Spannungsschienen, ein niedriger Geräuschpegel und ein guter Wirkungsgrad auch unter wechselnden Lasten, sowie eine ausfallfreie Stromversorgung auch bei asymmetrischen Lasten. Letztere Eigenschaften lassen sich nur über aufwendige Labortests ermitteln, deren Ergebnisse gelegentlich in Fachzeitschriften publiziert werden.

Stecksysteme

Seit ca. 2006 werden bei einigen Netzteilen Stecksysteme für die internen Anschlüsse angeboten. Dabei sitzen an der Innenseite des Netzteils mehrere Buchsenleisten, die Kabel zu den Laufwerken sind daran steckbar. Befürworter heben abgesehen von der größeren Flexibilität hervor, dass dadurch keine überzähligen Kabel den Kühlluftstrom behindern; Skeptiker verweisen darauf, dass durch den Übergangswiderstand am Steckverbinder die Effizienz sinkt und Wackelkontakte zu Fehlfunktionen bzw. sogar zu Hardwareschäden führen können.

Passive Netzteile

Passive Netzteile arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie aktive Netzteile, mit dem Unterschied dass die Kühlung über einen passiven Rippenkühler erfolgt. Dies wird meist erst über die Steigerung der Effizienz ermöglicht, da so bei gleichbleibender ausgehender Leistung weniger Verlustwärme freigesetzt wird.

Es gibt aber auch Exemplare mit aktivem Rippenkühler. Der Kühlkörper wird in diesem Falle nicht durch Abstrahlung der Wärme, sondern durch eines oder mehrere Peltier-Elemente gekühlt, was jedoch durch den zusätzlichen Stromverbrauch der Peltier-Elemente die Effizienz stark reduziert.

Passive Netzteile sind im Gegensatz zu aktiv gekühlten Netzteilen in der Regel lautlos.

Wirkungsgrad

Ein Wichtiges Merkmal eines PC-Netzteils ist sein Wirkungsgrad, der von der Qualität des Netzteils und seiner Belastung abhängt. Höherwertige Netzteile erreichen praktisch immer einen Wirkungsgrad von 80 % und mehr.

Netzteile, die nachweislich einen Wirkungsgrad von 80 % oder mehr erreichen, werden mit dem Symbol 80 plus ausgezeichnet (wobei weit mehr Netzteile die Bedingungen erfüllen, als dies tatsächlich genannt wird). Über weitere Verbesserungen sind heute Netzteile verfügbar, die einen Wirkungsgrad von annähernd 90 % besitzen. Dabei wird der Wirkungsgrad bei 20 %, 50 % und 80 % Auslastung gemessen. Entscheidend für die Einstufung sind die beiden äußeren Werte; wobei der Wert bei 50 % Auslastung in der Regel noch einmal deutlich höher liegt. Unterhalb von 20 % Auslastung fällt der Wirkungsgrad eines Netzteils teilweise sehr deutlich ab (was z.B. im Standby-Betrieb von Bedeutung ist); eine genaue Dokumentation dieser Eigenschaften fehlt zumeist. Netzteile mit derart hohen Wirkungsgraden sind jedoch nur in Leistungsklassen weit über 500 W im Einzelhandel erhältlich; PC-Hersteller setzen jedoch teilweise wesentlich bessere Modelle ein, beispielsweise ist bei Dell ein 235 W-Modell im Einsatz, das über den gesamten Messbereich (20-80 %) einen Wirkungsgrad von etwa 90 % erreicht.

Ein moderner PC ohne dedizierte Grafikkarte benötigt ohne Last üblicher Weise um die 50 W inklusive des Netzteils, was im besten Falle 40 W ohne Netzteil bedeutet. Hiermit wäre ein Netzteil mit einer Nennleistung von 200 W das maximal sinnvolle; darüber beginnt der Wirkungsgrad deutlich zu leiden. Auch wäre ein solches Netzteil ausreichend, um den Stromverbrauch bei maximaler Last selbst mit leistungsstärkeren Prozessoren (bis etwa 100 W für diesen selbst) abzudecken. Tatsächlich verfügbar sind jedoch selbst als einfache "80-plus"-Modelle nur Netzteile ab etwa 330-350 W.

Für den Fall einer Grafikkarte der unteren Mittelklasse mit (wie derzeit üblich) 25 W im 2D- und 100 W im 3D-Modus ist ein solches 350 W-Netzteil sinnvoll belastet; jedoch sind auch hier nur Modelle knapp über 80 % Wirkungsgrad verfügbar. Das kleinste Anfang März 2009 frei verfügbare 80-plus-Gold-Netzteil besitzt eine Nennleistung von 550 W, was selbst für einen Highend-PC mit einer ATI Radeon HD 4870 X2; der derzeit stromhungrigsten Grafikkarte am Markt in den meisten Fällen überdimensioniert ist. Jedoch kann auch diese Leistung bei der Verwendung von SLI, Crossfire, AMD Quad FX und Intel Skulltrail zu wenig sein. Hierfür können Netzteile mit über 1000W notwendig sein, je nach CPU, Grafikkarte(n) und Peripherie (z.B. Laufwerke, PCI/PCIe-Karten).

Steckerbelegungen

AT-Format Netzteilstecker

Farbe	Pin	Signal
orange	P8.1	Speisung gut
rot	P8.2	+5 V
gelb	P8.3	+12 V
blau	P8.4	-12 V
schwarz	P8.5	Masse
schwarz	P8.6	Masse
schwarz	P9.1	Masse
schwarz	P9.2	Masse
weiß	P9.3	-5 V
rot	P9.4	+5 V
rot	P9.5	+5 V
rot	P9.6	+5 V

24-poliger ATX-Netzteilstecker

Beim 20-poligen Stecker fehlen die letzten 4 Pins (11, 12, 23 und 24).

Farbe	Signal	Pin	Pin	Signal	Farbe
	+3.3 V	1	13	+3.3 V Rückmeldung
	+3.3 V	2	14	-12 V
	Masse	3	15	Masse
	+5 V	4	16	Speisung ein
	Masse	5	17	Masse
	+5 V	6	18	Masse
	Masse	7	19	Masse
	Speisung gut	8	20	-5 V
	+5 V Standby	9	21	+5 V
	+12 V	10	22	+5 V
	+12 V	11	23	+5 V
	+3.3 V	12	24	Masse

Spannungstoleranzen bei ATX-Netzteilen

Es sollten alle Verbraucher (Festplatte(n), Mainboard, Optische(s) Laufwerk(e),...) beim Messen angeschlossen sein.

Farbe	Signal	Toleranz +/-	Min.	Max.
	Masse
	+ 3.3 V	5%	+ 3.14 V	+ 3.47 V
	-12.0 V	10%	-10.80 V	-13.20 V
	+ 5.0 V	5%	+ 4.75 V	+ 5.25 V
	- 5.0 V	10%	- 4.50 V	- 5.50 V
	+ 5.0 V	5%	+ 4.75 V	+ 5.25 V
	+12.0 V	5%	+11.40 V	+12.60 V
	Power On

Weblinks

• Spezifikationen der einzelnen Formfaktoren (engl.)
• Zertifizierungsunternehmen energieeffizienter Netzteile (engl.)