Warum sind Brownouts so schädlich?

Ein Brownout ist eine Unterspannungsbedingung, wenn die Wechselstromversorgung um etwa 10% unter den Nennwert abfällt (Nominalbedeutung 110-120 oder 220-240 in den meisten Bereichen). In den USA könnte ein Brownout als die Wechselspannung definiert werden, die unter 99 V fällt. Die Intel-Spezifikation für ATX-Netzteile legt fest, dass die Spannungen zwischen 90 und 135 sowie zwischen 180 und 265 den korrekten Betrieb des Netzteils ermöglichen sollten ( Abschnitt 3.1 ), sodass das Netzteil auch bei einem spürbaren Spannungsabfall normal funktioniert.

Einige Menschen schließen auch sehr kurze Stromausfälle (unter 30 ms oder etwa 2 Wechselstromzyklen) als Spannungsabfälle ein, da Glühlampen während dieser Zeit kurz, aber sichtbar dimmen, ähnlich einer echten Unterspannungsbedingung.

In beiden Fällen werden sie von Intel als Unterspannungsbedingungen definiert und erörtert, welche Anforderungen ein ATX-Netzteil unter diesen Bedingungen erfüllen muss, siehe Abschnitt 3.1.3 des Intel Design-Handbuchs ATX12V Power Supply

Die Stromversorgung muss eine Schutzschaltung enthalten, so dass das Anlegen einer Eingangsspannung unter dem in Abschnitt 3.1, Tabelle 1 angegebenen Mindestwert nicht zu einer Beschädigung der Stromversorgung führt.

Typischerweise haben Stromversorgungen einen Eingangsabschnitt, der aus einer Reihe interessanter Schaltungen besteht, die am Ende des Tages einem Transformator etwa 308 V Wechselspannung liefern, der dann die Regelungs- und Konditionierungsschaltung antreibt. Diese Schaltung bildet tatsächlich die Hauptbasis der Regelschaltung, und wenn Sie weniger als die volle Leistung des Netzteils verwenden, kann dies mit erheblichen Unterspannungszuständen auskommen, ohne dass die Regelung auf der Ausgangsseite außer Kraft tritt.

Wenn ein Spannungsabfall auftritt, versucht die Stromversorgung, den Nennstrom so lange wie möglich zu liefern (basierend auf der eingehenden Spannung und dem eingehenden Strom). Wenn die Regelung nicht eingehalten werden kann, wird das Power GoodSignal zur Hauptplatine deaktiviert . Die Hauptplatine ist dafür verantwortlich, dass das power onSignal nicht mehr zur Versorgung gelangt, und wenn dies rechtzeitig geschieht, wird die gesamte Ausgabe abfallen und sich abschalten.

Wenn das Motherboard dies nicht tut, sollte das Netzteil seine Schienen herunterfallen lassen, wenn es zu weit vom Regelungsgrad abweicht. Dies kann jedoch nicht garantiert werden. Bei Netzteilen von geringer Qualität kann es sein, dass auch Ihre Komponenten und Ihr Motherboard Unterspannungszustände haben.

Was an diesem Punkt passiert, hängt davon ab, wie robust diese Komponenten sind, aber im Allgemeinen ist es nicht gut, da die Komponenten versuchen, bei niedrigerer Spannung zu arbeiten. Denken Sie daran, dass die Spannungsversorgung für eine kurze Zeit immer eine Unterspannung bereitstellt (das Herunterfallen der Ausgänge auf 0 ist nicht sofort), so dass sehr kurze Unterspannungsperioden in Ordnung sind. Das Problem tritt nur dann auf, wenn sich die Stromversorgung über einen längeren Zeitraum in einem Unterspannungszustand befindet. Dies kann nur vorkommen, wenn sowohl die Stromversorgung als auch die Hauptplatine das Problem nicht erkennen und weiterhin versuchen zu arbeiten.

Beachten Sie, dass die Intel-Spezifikation nicht viel mehr als eine Branchenrichtlinie ist und dass es keine Zertifizierungsstellen gibt. Selbst gute Stromversorgungen sind an die Einhaltung der Empfehlungen nicht gebunden. Mein Lieblingsabschnitt ist 3.1.5. Ich habe gesehen, dass viele Netzteile, sowohl teuer als auch billig, diese Empfehlungen nicht einhalten können!

Die spezifischen Auswirkungen unterscheiden sich je nach der besprochenen Komponente, was eigentlich eine separate Diskussion ist.

KUCHEN. P = IE. Leistung = Aktuelle Zeiten Spannung. Wenn also die Spannung in einem Brownout niedriger ist, muss ein Netzteil mehr Strom aus dem Netz ziehen, um die gleiche Leistung aufrechtzuerhalten. Während also die Spannungsbelastung während eines Brownouts tatsächlich geringer ist, steigt die Strombelastung der Stromversorgung an, um dies zu kompensieren.

Hier die kurze Antwort: Bei einem Brownout müssen Netzteile mehr Strom ziehen, um die niedrigere Versorgungsspannung zu kompensieren, was für Transistoren, Drähte, Dioden usw. sehr anstrengend ist. Sie werden auch weniger effizient, wodurch sie noch mehr Strom ziehen, das Problem zu verschlimmern.

Hier ist die lange Antwort: Die meisten PCs (wenn nicht alle) verwenden Schaltnetzteile. Wenn alle Elemente der Versorgung (Transistoren, Transformatoren, Kondensatoren, Dioden usw.) vollkommen ideal wären, könnte eine Versorgung eine beliebige Eingangsspannung annehmen und die gewünschte Leistung bei der gewünschten Spannung erzeugen (sofern an der Stromquelle genügend Strom vorhanden ist Eingabe, um P = IE zu erhalten).

Da diese Elemente jedoch alles andere als ideal sind, sind alle realen Netzteile für den Betrieb innerhalb eines bestimmten Bereichs ausgelegt, beispielsweise 80 bis 240 V. Selbst innerhalb des Bereichs, für den sie ausgelegt sind, neigt der Wirkungsgrad (der Prozentsatz der Leistung am Ausgang der Versorgung im Vergleich zur benötigten Leistung am Eingang) dazu, abzufallen, wenn die Eingangsspannung abnimmt. Anandtech hat ein gutes Beispiel Graph . Die X-Achse ist die Leistung am Ausgang der Versorgung (die Last) und die Y-Achse ist der Wirkungsgrad. Daher ist diese Versorgung mit etwa 300 W am effizientesten.

Bei einem 120-V-Eingang liegt der Wirkungsgrad bei ca. 85%. Daher zieht er etwa 300 W / 0,85 = 353 W von der Wand, um 300 W am Ausgang zu erhalten. Das "fehlende" 53W wird in der Stromversorgungsschaltung abgeführt (deshalb haben Ihre PCs Lüfter - es ist, als hätte Ihr Netzteil eine 50W-Glühlampe in einer kleinen Box und muss die Wärme rausnehmen). Da P = IE ist, können wir den Strom berechnen, den er aus dem Wandstecker benötigt, um 300 W Ausgangsleistung von 120 V zu erzeugen: I = P / E = 353 W / 120 V = 2,9 A. (Ich ignoriere den Leistungsfaktor, um diese Erklärung einfach zu halten.)

Bei einem 230-V-Eingang liegt der Wirkungsgrad bei 87%, er zieht also nur 344 Watt von der Wand, was schön ist. Da die Spannung so viel höher ist, ist die Stromaufnahme viel niedriger: 344 W / 230 V = 1,5 A.

In einem 90-V-Brownout-Zustand ist der Wirkungsgrad jedoch noch schlechter als bei 120 V: 83,5%. Jetzt zieht die Versorgung 300W / 0,835 = 359W von der Wand. Und es zieht noch mehr Strom: 359W / 90V = 4A!

Nun, das würde dieses Netzteil wahrscheinlich kaum beanspruchen, da es mit 650 W ausgelegt ist. Schauen wir uns kurz an, was bei 650W passiert. Bei 120 V liegt der Wirkungsgrad bei 82% -> 793 W und 6,6 A von der Wand. Bei hohen Lasten ist der Wirkungsgrad jedoch noch schlechter. Bei 90 V ergibt sich ein Wirkungsgrad von 78,5%, dh 828 W und 9,2 A! Selbst wenn der Wirkungsgrad bei 78,5% blieb, müsste der Brownout bei einem Spannungsabfall von 80 V 10,3 A ziehen. Das ist viel Strom; Dinge beginnen zu schmelzen, wenn sie nicht für diese Art von Strom ausgelegt sind.

Aus diesem Grund sind Spannungsabfälle für Netzteile schlecht. Sie müssen mehr Strom ziehen, um die niedrigere Versorgungsspannung zu kompensieren, was für Transistoren, Drähte, Dioden usw. sehr anstrengend ist. Sie werden auch weniger effizient, was dazu führt, dass sie noch mehr Strom ziehen und das Problem noch verschlimmern.

Bonusbeispiel: Hier wird kurz erklärt, warum Netzteile mit abnehmender Versorgungsspannung weniger effizient werden. Alle elektronischen Komponenten (Transistoren, Transformatoren, auch die Leiterbahnen auf der Leiterplatte) haben einen gleichwertigen Widerstand. Wenn ein Leistungstransistor eingeschaltet ist, hat er einen Einschaltwiderstand, beispielsweise 0,05 Ohm. Wenn also Strom 3A durch diesen Transistor fließt, sieht er 3A * 0,05 Ohm = 0,15 V an seinen Leitungen. Diese 0,15 V * 3A = 0,45 W Leistung, die jetzt in diesem Transistor verbraucht wird. Das ist Energieverschwendung - es ist Wärme in der Stromversorgung, nicht die Last für die Last. Das ist unser 300W-Szenario, 120V-Szenario.

Im 90-V-Brownout-Szenario mit 300 W hat der Transistor den gleichen Widerstand von 0,05 Ohm. Jetzt wird jedoch ein Strom von 4 A durchgelassen, so dass er 4 A * 0,05 Ohm = 0,2 V über seine Zuleitungen abfällt. Die 0,2 V * 4A = 0,8 W Leistung, die jetzt in diesem Transistor verbraucht wird. Jedes Gerät (und es gibt viele davon) in der Stromversorgung, die einen Einschaltwiderstand / Spannungsabfall hat, erzeugt mehr Wärme (verschwendete Energie), wenn die Versorgungsspannung abfällt. Im Allgemeinen und aus gutem Grund führen höhere Spannungen zu höheren Wirkungsgraden.