Um die 80-Plus-Zertifizierung zu erhalten, müssen Netzteile bei 20 %, 50 % und 100 % der Nennlast einen Wirkungsgrad von mindestens 80 % aufweisen. (Bild: Belfuse)
Die größten Technologietrends der heutigen Zeit haben alle eines gemeinsam: Sie erfordern enorme Mengen an Rechenleistung. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen (KI/ML) brauchen zur Ausführung bestimmter Algorithmen meist riesige Rechenkapazitäten. Oft werden dabei Supercomputer für die Datenverarbeitung eingesetzt. KI/ML erfordert außerdem oft enorme Datenmengen, um die Algorithmen richtig zu trainieren. Ähnlich wie beim Cloud-Computing sind für die Speicherung und Verarbeitung dieser Daten große Rechenzentren mit vielen Servern, Routern und Switches erforderlich, die zusammen riesige Mengen an Strom verbrauchen.
Effizienz beim Hochleistungsrechner
Diese neue Generation von Rechenanlagen stellt hohe Anforderungen an die Komponenten und Systeme, die für den Betrieb dieser Maschinen erforderlich sind. Von großer Bedeutung bei all diesen Rechenanwendungen ist die Stromversorgung durch ein Netzteil. Es reicht aktuell nicht mehr aus, dass ein Netzteil einfach „nur“ Strom liefert. Zudem müssen Entwickler thermische Beschränkungen beachten, einen höheren Wirkungsgrad erreichen, Redundanzen einrichten und Zuverlässigkeit gewährleisten.
Ein gut konzipiertes Rechensystem berücksichtigt all diese Faktoren. So gibt es mittlerweile Vorschriften und Zertifizierungen, die einige dieser Anforderungen regeln und helfen, Netzteile zu ermitteln, die bestimmte Kriterien erfüllen.
Ein Beispiel hierfür ist Energy Star, ein freiwilliges Programm, das von der US-Umweltschutzbehörde entwickelt wurde. Es stellt strenge Anforderungen an 80-PLUS-Netzteile, um deren Wirkungsgrad und Umweltfreundlichkeit zu gewährleisten. Die Spezifikationen verlangen, dass die Netzteile bei verschiedenen Lastpunkten – 20 %, 50 % und 100 % – einen Wirkungsgrad von mindestens 80 % erreichen. Um sich für die niedrigste 80-PLUS-Zertifizierung (Standard) zu qualifizieren, muss ein Netzteil beispielsweise einen Wirkungsgrad von 80 % bei den vorgegebenen Lasten erreichen. Für höhere Zertifizierungen wie Bronze, Silber, Gold, Platinum und Titanium werden die Anforderungen zunehmend strenger. Diese strengen Normen entsprechen dem Engagement von Energy Star für die Verbesserung des Wirkungsgrades und die Verringerung der Umweltauswirkungen des Energieverbrauchs, wodurch die Entwicklung nachhaltigerer Server und Speichergeräte gefördert wird.
Das 80-Plus-Programm
Das 80-Plus-Programm ist ein Anfang der 2000er Jahre eingeführtes Zertifizierungsprogramm. Es wurde zunächst von Ecos Consulting ins Leben gerufen und gehört aktuell zu CLEARResult. Dabei handelt es sich um ein freiwilliges Programm, das Herstellern hilft, energieeffiziente Konzepte für den Einsatz in Computern zu fördern. Um die 80-Plus-Zertifizierung zu erhalten, müssen Netzteile bei 20 %, 50 % und 100 % der Nennlast einen Wirkungsgrad von mindestens 80 % aufweisen und bei 100 % Last einen Leistungsfaktor von 0,9 oder mehr erreichen.
Aber was genau sind eigentlich Wirkungsgrad und Leistungsfaktor?
Wirkungsgrad und Leistungsfaktor
Der Wirkungsgrad ist wohl die bekanntere der beiden Messgrößen. Einfach ausgedrückt, ist der Wirkungsgrad eines Netzteils das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Gesamteingangsleistung, ausgedrückt in Prozent:
Wirkungsgrad [%] = Ausgangsleistung [W] / Eingangsleistung [W] × 100
Aufgrund der nicht idealen Effekte der in Netzteilen verwendeten elektronischen Komponenten ist ein Wirkungsgrad von 100 % praktisch nicht möglich. Zu diesen Effekten können Schalt- und Leitungsverluste in aktiven Komponenten wie Transistoren und Gleichrichtern, Widerstandsverluste in Drähten, Wicklungen und Leiterbahnen sowie Wechselstromverluste im Transformator gehören. Die Energie, die in diesen Komponenten verloren geht, wird im Allgemeinen in Form von Wärme abgeleitet, was zusätzliche Probleme verursachen kann.
Der Leistungsfaktor ist ein wenig komplexer. Er ist das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung und hat einen Höchstwert von eins. Die in Watt gemessene Wirkleistung bezeichnet die Arbeit verrichtende Leistung, die vom Netzteil und dem Verbraucher aufgenommen wird. Um 90° phasenverschoben zur Wirkleistung ist die Blindleistung, gemessen in Volt-Ampere-Reaktiv (VAR). Blindstrom zirkuliert einfach im System und leistet keine Arbeit. Die Scheinleistung ist der Betrag der Vektorsumme aus Wirk- und Scheinleistung, die auch gleich dem Produkt aus den Effektivwerten von elektrischer Spannung und Stromstärke ist.
Leistungsfaktor = Wirkleistung [W] / Scheinleistung [VA]
In einem rein aus Widerstand bestehenden Stromkreis ist der Leistungsfaktor 1 und die gesamte Scheinleistung erzeugt Arbeit. Wenn jedoch Stromkreise und Verbraucher reaktive Komponenten wie Induktoren und Kondensatoren enthalten, verschiebt sich die Stromwellenform im Verhältnis zur Spannung und der Leistungsfaktor sinkt aufgrund der zusätzlichen Blindleistung. In nichtlinearen Stromkreisen, wie z. B. in Schaltnetzteilen, sind auch Oberschwingungen zu berücksichtigen. Oberschwingungsstrom ist reaktiv und senkt daher ebenfalls den Leistungsfaktor.
Ein niedriger Leistungsfaktor führt zu einem erhöhten Eingangsstrom, was wiederum Folgendes nach sich zieht:
- größere und teurere Verkabelung
- Verteilungsnetze
- geringere Kapazität der Nebenstromkreise
- erhöhte Kosten
Es gibt viele Gründe, warum ein Konstrukteur ein 80-Plus-zertifiziertes Netzteil anderen, nicht zertifizierten Netzteilen vorzieht. Ein wichtiger Grund sind die Kosten. Netzteile mit höherem Wirkungsgrad bedeuten weniger Verlustleistung. Das bedeutet, dass effizientere Netzteile dazu beitragen können, die Kosten für den Betrieb größerer Anlagen zu senken. Verlustleistung wird in der Regel in Form von Wärme abgeleitet, was oft Kühlsysteme erforderlich macht, die nicht nur zusätzliche Kosten verursachen, sondern auch wertvollen Platz beanspruchen und unnötigen Lärm verursachen können. Weniger Wärme und weniger (oder gar keine) laufende Lüfter verlängern auch die Lebensdauer eines Produkts und erhöhen die allgemeine Zuverlässigkeit eines Systems.
Effizienzstufen
Wie der Name schon sagt, wurde bei der Einführung der 80-Plus-Zertifizierung nur verlangt, dass die zu prüfenden Netzteile bei 20 %, 50 % und 100 % Last einen Wirkungsgrad von mindestens 80 % erreichen. Diese Effizienzstufe wird heute als 80 Plus Standard bezeichnet. Seit der Einführung des Programms wurden fünf weitere Zertifizierungsstufen hinzugefügt.
In einem rein aus Widerstand bestehenden Stromkreis ist der Leistungsfaktor 1 und die gesamte Scheinleistung erzeugt Arbeit. Wenn jedoch Stromkreise und Verbraucher reaktive Komponenten wie Induktoren und Kondensatoren enthalten, verschiebt sich die Stromwellenform im Verhältnis zur Spannung und der Leistungsfaktor sinkt aufgrund der zusätzlichen Blindleistung. In nichtlinearen Stromkreisen, wie z. B. in Schaltnetzteilen, sind auch Oberschwingungen zu berücksichtigen. Oberschwingungsstrom ist reaktiv und senkt daher ebenfalls den Leistungsfaktor.
Ein niedriger Leistungsfaktor führt zu einem erhöhten Eingangsstrom, was wiederum Folgendes nach sich zieht:
- größere und teurere Verkabelung
- Verteilungsnetze
- geringere Kapazität der Nebenstromkreise
- erhöhte Kosten
Es gibt viele Gründe, warum ein Konstrukteur ein 80-Plus-zertifiziertes Netzteil anderen, nicht zertifizierten Netzteilen vorzieht. Ein wichtiger Grund sind die Kosten. Netzteile mit höherem Wirkungsgrad bedeuten weniger Verlustleistung. Das bedeutet, dass effizientere Netzteile dazu beitragen können, die Kosten für den Betrieb größerer Anlagen zu senken. Verlustleistung wird in der Regel in Form von Wärme abgeleitet, was oft Kühlsysteme erforderlich macht, die nicht nur zusätzliche Kosten verursachen, sondern auch wertvollen Platz beanspruchen und unnötigen Lärm verursachen können. Weniger Wärme und weniger (oder gar keine) laufende Lüfter verlängern auch die Lebensdauer eines Produkts und erhöhen die allgemeine Zuverlässigkeit eines Systems.
Effizienzstufen
Wie der Name schon sagt, wurde bei der Einführung der 80-Plus-Zertifizierung nur verlangt, dass die zu prüfenden Netzteile bei 20 %, 50 % und 100 % Last einen Wirkungsgrad von mindestens 80 % erreichen. Diese Effizienzstufe wird heute als 80 Plus Standard bezeichnet. Seit der Einführung des Programms wurden fünf weitere Zertifizierungsstufen hinzugefügt. Die aktuellen Zertifizierungsstufen des 80-Plus-Programms sind in Bild 2 zu sehen.
Jede dieser Zertifizierungen ist weiter in Unterkategorien unterteilt, die auf der AC-Eingangsspannung basieren. Dies hilft den Herstellern, verschiedene Regionen der Welt abzudecken. Diese Unterkategorien umfassen:
- 115 V intern nicht redundant
- 230 V intern redundant
- 115 V Industrie
- 230 V EU intern nicht redundant
- 380 V DC
Die verschiedenen Zertifizierungsstufen sowie 3 der verschiedenen Unterkategorien sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die höchste Zertifizierungsstufe, 80 Plus Titanium, eine zusätzliche Nennlast von 10 % vorsieht.
Netzteile sind im Allgemeinen zwischen 50 % und 75 % ihrer Nennlast am effizientesten. Bei geringerer Last kann der Wirkungsgrad des Netzteils jedoch erheblich sinken. Mit Ausnahme von Netzteilen mit Titanium-Zertifizierung kann die Effizienz eines 80-Plus-zertifizierten Netzteils bei einer Last von weniger als 20 % auf unter 80 % fallen. Für die Titanium-Zertifizierung müssen Netzteile bei 10 % ihrer Nennlast einen Wirkungsgrad von mindestens 90 % erreichen.
Bedeutung eines hohen Wirkungsgrades
Die Senkung des Stromverbrauchs im Interesse der Umweltfreundlichkeit ist zwar natürlich an sich schon ein Vorteil, aber die Verbesserung des Wirkungsgrades von Netzteilen ist auch aus Kostengründen wichtig. So können Serverfarmen und Rechenzentren durch die Integration effizienterer Netzteile in ihre Systeme eine Menge Geld sparen.
Die Verlustleistung wird mit der folgenden Gleichung berechnet:
PVerlust = (Pab/Wirkungsgrad) – Pab = Pzu - Pab
So würde beispielsweise bei einem 375-W-Netzteil mit Platinum-Zertifizierung bei Volllast ein Leistungsverlust von 41,67 W anfallen (ausgehend von einem nicht redundanten 230-V-Netzteil mit einem Wirkungsgrad von 90 %). Ein gleichwertiges 375-W-Netzteil mit Titanium-Einstufung (94 % Wirkungsgrad) würde dagegen nur 23,94 W verlieren, was einer Reduzierung der Verlustleistung um 43 % entspricht.
Ein Jahr hat 8760 h. Davon ausgehend, dass das Netzteil durchgehend in Betrieb ist, können wir den jährlichen Gesamtenergieverbrauch in kWh wie folgt berechnen: (375 W + 32,61 W) × 8760 / 1000 = 3570,7 kWh. Bei einem Netzteil mit einem Wirkungsgrad von 96 % käme dies also auf insgesamt 3421,8 kWh.
Die Differenz von 148,9 kWh pro Jahr mag auf den ersten Blick zwar nicht hoch erscheinen, aber dabei ist zu bedenken, dass sich dieser Vergleich nur auf ein einziges Netzteil bezieht. Rechenzentren und Serverfarmen haben jedoch Tausende von Racks mit Geräten, die jeweils mehrere Netzteile benötigen. Somit summieren sich die Kosteneinsparungen also sehr schnell und können unterm Strich leicht Hunderttausende von Euro erreichen.
Maßgeschneiderte Netzteile
Im Zuge immer größerer Rechenzentren und zunehmend anspruchsvollerer Anwendungen kommt Netzteilen mit möglichst hohem Wirkungsgrad eine immer größere Bedeutung zu. Sie tragen nicht nur zu Kosteneinsparungen und Zuverlässigkeit bei, sondern machen die Systeme überhaupt erst möglich, da sie weniger Wärme erzeugen und nicht so viel Platz brauchen. Zu den geeignete Lösungen gehören daher Netzteile wie die Titanium-zertifizierten Netzteile von Bel Power Solutions.
Bel Power Solutions bietet eine breite Palette von Netzteilen und Produkten mit hohen Wirkungsgraden an. Dank seiner umfassenden Erfahrung in der Entwicklung von Elektronik kann das Unternehmen eine große Auswahl an Titanium-zertifizierten Frontend-Konzepten anbieten. Ansonsten bietet Bel Power Solutions auch die Möglichkeit von individuell angepassten Netzteilen. Gerne ist eine maßgeschneiderte Lösung für die spezifischen Anforderungen eines Kunden möglich. (bs)
Dieser Beitrag basiert auf Unterlagten von Belfuse.