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»Wirkungsgrad« in der EDV?
Was die Lärmbelästigung im PC mit dem Stromverbrauch zu tun hat

Stefan Fassbinder
Ein neuer Zufallsfund

Gesucht wurde:
Der geräuschlose Wohnzimmer-PC
Gefunden wurde:
Ein Energiefresser, der Energie verschwendet,
weil er zu wenig Kupfer und Aluminium enthält
Dieses nagelneue PC-Netzteil

für 39,95 €

verspricht 60% weniger Lärm!
Na ja, 60% weniger Lärm
ist ja schon mal ein Wort!
Mehr als nur ein Wort allerdings
auch wieder nicht …
… solange hierbei die Frage offen bleibt:

Weniger als was denn nun?
So ging das nicht!

Das war ein Schlag ins Wasser.

Verlustwärme kann man
• entweder wegblasen

• oder vermeiden!
Etwas Anderes musste also her:

Ein lüfterloses Netzteil (für 79,50 €) arbeitet
vollkommen geräuschlos!
Wie wird die Reduktion des
Geräuschpegels erreicht?
Durch Verbesserung der passiven Kühlung oder
durch Senkung des Kühlbedarfs, sprich der
Verluste?
Durch Verbesserung der passiven Kühlung und
durch Senkung der Verluste:
• Erhebliche Oberflächen-Vergrößerung der
Aluminium-Kühlkörper
• Erhebliche Querschnitts-Vergrößerung der
Kupfer-Wicklungen
Senkung der Verluste

120W

P →

140W

Hochfahren eines PC
mit anschließendem Leerlauf

100W
80W
60W
40W
20W
0W
00:00min

Original-Netzteil Antec True 380 SP
Lüfterloses Netzteil FSP ZEN (2009)

05:00min

t →

10:00min
Wie senkt man denn die Verluste?
Konventionell

420W

Lüfterlos

300W
Mehr Stoff muss hinein!
Die tatsächliche Leistungs-Aufnahme eines
Büro-PC (Baujahr ≈ 2002) betrug:
• 80 W im Leerlauf
(und Briefe schreiben sowie Excel Tabellen
erstellen ist Leerlauf für einen PC!),

• 145 W Spitzenleistung
(hier aufgetreten während einer InternetRecherche),
wofür das gewöhnliche PC-Netzteil natürlich stark
überdimensioniert ist!
Daher kann das 300-W-Modell ganz leicht
eine Type mit 380 W oder 420 W ersetzen

PC-NetzteileVergleich
Nennleistung
Gewicht
Material-Intensität
Faktor

Antec
FSP ZEN
True 380 mit AktivSP mit
PFC,
Aktiv-PFC lüfterlos
380W
300W
1995g
2223g
5,250g/W 7,410g/W
100%
141%

Das dämpft den Material-Mehrbedarf
Wer hilft uns? Wer sollte sonst noch
ein Interesse an diesem Thema haben?
Hier die Antwort der Kollegen von
www.aluinfo.de
auf eine entsprechende Anfrage:
Herkömmliches PC-Netzteil, 420 W

PC-Netzteil LC4620, S/N: 7J090402
Eingang
P
4,4 W
13,5 W
64,0 W
71,0 W
109,0 W
148,0 W
161,0 W
286,0 W
307,0 W
450,0 W
740,0 W

Nennleistung
420 W
30,0 A
28,0 A
14,0 A
Ausgang
3,3 V
5,0 V
12,0 V
P
P /P N
0,0 A
0,0 A
0,0 A
0,0 W
0,0%
0,0 A
0,0 A
0,0 A
0,0 W
0,0%
0,0 A
0,0 A
3,3 A
40,1 W
9,5%
17,5 A
0,0 A
0,0 A
57,8 W
13,8%
0,0 A
0,0 A
6,7 A
80,2 W
19,1%
0,0 A
0,0 A
9,4 A 113,2 W
26,9%
0,0 A
25,0 A
0,0 A 125,0 W
29,8%
0,0 A
0,0 A
18,8 A 226,0 W
53,8%
28,5 A
24,0 A
0,0 A 214,1 W
51,0%
28,5 A
25,0 A
7,0 A 303,1 W
72,2%
Ausfall des Netzgeräts nach ≈2 s mit <20% Überlast

η
0,0%
0,0%
62,6%
81,3%
73,5%
76,5%
77,6%
79,0%
69,7%
67,3%
Herkömmliches PC-Netzteil, 300 W (?)

PC-Netzteil T.I.P. 300 ATX
Eingang
P
0,0 W
3,1 W
21,4 W
43,3 W
56,8 W
70,0 W
97,0 W
122,0 W
148,0 W
181,0 W
226,0 W

Nennleistung: 3,3 V *14 A + 5 V * 20 A + 12 V * 6 A = 218W
14,0 A
20,0 A
6,0 A
Ausgang
3,3 V
5,0 V
12,0 V
P
P /P N
η
0,0 A
0,0 A
0,0 A
0,0 W
0,0%
0,0%
0,0 A
0,0 A
0,0 A
0,0 W
0,0%
0,0%
0,0 A
0,0 A
0,5 A
6,1 W
2,8%
28,6%
0,0 A
2,2 A
0,9 A
21,7 W
9,9%
50,0%
0,0 A
0,0 A
3,2 A
38,9 W
17,8%
68,5%
0,0 A
0,0 A
4,3 A
51,4 W
23,5%
73,4%
0,0 A
5,0 A
3,4 A
66,1 W
30,3%
68,1%
0,0 A
5,0 A
5,2 A
87,2 W
40,0%
71,5%
5,8 A
5,0 A
5,2 A 106,0 W
48,6%
71,6%
5,8 A
9,5 A
5,2 A 129,0 W
59,1%
71,3%
14,0 A
9,5 A
5,3 A 157,4 W
72,1%
69,7%
Abschaltung – keine weiteren Messungen möglich
Herkömmliches PC-Netzteil, 380 W

PC-Netzteil Antec True 380 SP
Eingang
P
4,4 W
28,3 W
64,8 W
90,0 W
109,0 W
148,0 W
174,0 W
282,0 W
381,0 W
463,0 W
561,0 W

Nennleistung
380 W
28,0 A
35,0 A
18,0 A
Ausgang
3,3 V
5,0 V
12,0 V
P
P /P N
Lüfterloses 0,0 A
0,0 A
0,0 A
0,0 W
0,0%
2,2 A
0,0 A
0,0 W 7,1 W
1,9%
PC-Netzteil, 300 A
2,5 A
0,0 A
0,9 A
19,1 W
5,0%
2,5 A
4,0 A
0,9 A
39,1 W
10,3%
Angegebener 0,9 A 53,3 W 14,0%
6,1 A
4,4 A
6,1 A
4,6 A
3,3
Wirkungsgrad: A 82,6 W 21,7%
5,6 A
9,3 A
3,3 A 105,0 W
27,6%
27,0 A
9,3 A
3,4 A 176,2
89% (bei voller Last) W 46,4%
27,0 A
17,0 A
6,7 A 254,5 W
67,0%
27,0 A
17,0 A
12,9 A 328,9 W
86,6%
27,0 A
17,0 A
19,0 A 402,1 W
105,8%

η
0,0%
25,1%
29,4%
43,4%
48,9%
55,8%
60,3%
62,5%
66,8%
71,0%
71,7%
Welchen »Wirkungsgrad« hat ein PC?
Jedenfalls einen viel besseren als früher
Uralt-XT:
f = 4,7 MHz
Pel ≈ 40 W

Neuester Rechner:
f = 4,7 GHz
Pel <<400 W

Das sieht aus wie eine Verbesserung des
Wirkungsgrades um einen Faktor >> 100!
Mit ähnlichen Werten für
• Speicherbausteine,
• Festplatten,
• Grafikkarten
kommt man auf Verbesserungs-Faktoren um 106!
Wohin führt die Reise noch?

Eine Grenze ist erst erreicht, wenn für ein Datenbit nur
noch ein Elektron bewegt werden muss.
Bislang sind es aber immer noch
10.000 bis 100.000 Elektronen,
die für den kleinsten vorkommenden »Elementarvorgang«
der EDV bemüht werden müssen.
Das theoretische Potenzial
• bei der Verkleinerung der Bauteile,
• bei der Beschleunigung der Prozesse,
• bei der Reduktion des Energie-Bedarfs
liegt also noch bei einem Faktor von 104 … 105!
In der Entwicklung der Rechenleistung
liegt der größte Teil des Weges hinter uns
• Die Zuse Z1 hatte die Ausmaße einer
Elektrolokomotive…
• …und auch deren Stromverbrauch…
• …und das bei der Rechenleistung eines
Scheckkartenrechners, den man heute als
Werbegeschenk bekommt und mit 2 cm²
Solarzellen oder ein Jahr lang mit einer
Knopfzelle betreiben kann!
Doch der Fortschritt bei den Prozessoren
hält noch an:
PC Baujahr
2005

Aufgerüstet
2011

Prozessor

2,6 GHz,

2*2,7 GHz,

Speicher

512 MB,
400 MHz

4 GB,
1,6 GHz

Leerlauf

59 W

45 W

Jeweils am selben lüfterlosen Netzteil
Nur: Was hilft es,

wenn man alles Erdenkliche unternimmt, um z. B.
in einen modernen Dieselmotor alle verfügbaren
Energiespar-Maßnahmen einzubauen, und dann
ein Getriebe mit 30% Verlusten dahinter setzt?
Beim Auto undenkbar –
beim PC gängige Praxis!
Denn das Netzteil ist nicht viel mehr als ein
»Getriebe« für Strom.
Eine offene Frage ist auch,

warum Laptop-Netzteile ganz selbstverständlich
ohne jede aktive Kühlung ebenso wie ohne
Kühlrippen auskommen – selbst bei ganz
beachtlichen Nennleistungen?
Mehr Rechenleistung kostet also
mehr Geld – die Geräuschfreiheit nicht!
Berechnung der Stromkosten für einen PC (Baujahr 2005)
vor und nach Austausch des konventionellen gegen ein
lüfterloses Netzteil
Konventionelles
Netzteil mit Lüfter
Ausgangswerte
Volllast
100 h/a
Leerlauf 3000 h/a
»aus«
5660 h/a
Netzteil
Preis
Strom
Verbrauch
Stromkosten
Amortisationszeit

Lüfterloses Netzteil

P
S
135,5 W 138,9 VA
82,0 W 87,1 VA
6,3 W 24,5 VA
39,95 €

Q
P
S
Q
51,4 var 113,0 W 123,2 VA 67,0 var
29,3 var
59,2 W 70,5 VA 38,1 var
2,0 W 24,1 VA 24,0 var
23,6 var
79,50 €
14,0 c/kWh
294,91 kWh/a
200,36 kWh/a
41,29 €/a
28,05 €/a
2,99 a

Die eingesparten Verluste amortisieren den Mehrpreis nach 3 Jahren!
Warum bieten eigentlich tragbare Rechner
die gleiche Rechenleistung mit viel weniger
Strom?

Dieser Notebook-PC
ist mit einem eingebauten Akku von
55 Wh und einem Zusatz-Akku von
95 Wh ausgestattet und läuft damit
13 Stunden lang! Das entspricht etwa 12 W
Netto-DC-Bedarf!
Voraussetzungen:

• WLAN aus,

• kein UMTS-Gerät,
• keine »Ballerspiele«,

• mäßige Bildschirm-Helligkeit.
Wobei beim Laptop bemerkenswert ist,
• dass der Bildschirm schon inbegriffen ist
• und der ganze PC weniger verbraucht…
… als ein Flachmonitor
für sich allein schon zu sich nimmt!
So bleibt am Ende eine Frage im Raum:
Warum kann man diese Technik nicht in einen DesktopPC einbauen?
Energie ist wohl immer noch viel zu billig:
Die Verfügbarkeit von Strom aus dem Akkumulator ist ein
Grund zum Sparen – der Strompreis offenbar nicht.
Mehr:
www.technologieforumkupfer.de/anwendungen/e-energie/strom/edv

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Lüfterlärm

  • 1. »Wirkungsgrad« in der EDV? Was die Lärmbelästigung im PC mit dem Stromverbrauch zu tun hat Stefan Fassbinder
  • 2. Ein neuer Zufallsfund Gesucht wurde: Der geräuschlose Wohnzimmer-PC Gefunden wurde: Ein Energiefresser, der Energie verschwendet, weil er zu wenig Kupfer und Aluminium enthält
  • 3. Dieses nagelneue PC-Netzteil für 39,95 € verspricht 60% weniger Lärm!
  • 4. Na ja, 60% weniger Lärm ist ja schon mal ein Wort! Mehr als nur ein Wort allerdings auch wieder nicht … … solange hierbei die Frage offen bleibt: Weniger als was denn nun?
  • 5. So ging das nicht! Das war ein Schlag ins Wasser. Verlustwärme kann man • entweder wegblasen • oder vermeiden! Etwas Anderes musste also her: Ein lüfterloses Netzteil (für 79,50 €) arbeitet vollkommen geräuschlos!
  • 6. Wie wird die Reduktion des Geräuschpegels erreicht? Durch Verbesserung der passiven Kühlung oder durch Senkung des Kühlbedarfs, sprich der Verluste? Durch Verbesserung der passiven Kühlung und durch Senkung der Verluste: • Erhebliche Oberflächen-Vergrößerung der Aluminium-Kühlkörper • Erhebliche Querschnitts-Vergrößerung der Kupfer-Wicklungen
  • 7. Senkung der Verluste 120W P → 140W Hochfahren eines PC mit anschließendem Leerlauf 100W 80W 60W 40W 20W 0W 00:00min Original-Netzteil Antec True 380 SP Lüfterloses Netzteil FSP ZEN (2009) 05:00min t → 10:00min
  • 8. Wie senkt man denn die Verluste? Konventionell 420W Lüfterlos 300W Mehr Stoff muss hinein!
  • 9. Die tatsächliche Leistungs-Aufnahme eines Büro-PC (Baujahr ≈ 2002) betrug: • 80 W im Leerlauf (und Briefe schreiben sowie Excel Tabellen erstellen ist Leerlauf für einen PC!), • 145 W Spitzenleistung (hier aufgetreten während einer InternetRecherche), wofür das gewöhnliche PC-Netzteil natürlich stark überdimensioniert ist!
  • 10. Daher kann das 300-W-Modell ganz leicht eine Type mit 380 W oder 420 W ersetzen PC-NetzteileVergleich Nennleistung Gewicht Material-Intensität Faktor Antec FSP ZEN True 380 mit AktivSP mit PFC, Aktiv-PFC lüfterlos 380W 300W 1995g 2223g 5,250g/W 7,410g/W 100% 141% Das dämpft den Material-Mehrbedarf
  • 11. Wer hilft uns? Wer sollte sonst noch ein Interesse an diesem Thema haben? Hier die Antwort der Kollegen von www.aluinfo.de auf eine entsprechende Anfrage:
  • 12. Herkömmliches PC-Netzteil, 420 W PC-Netzteil LC4620, S/N: 7J090402 Eingang P 4,4 W 13,5 W 64,0 W 71,0 W 109,0 W 148,0 W 161,0 W 286,0 W 307,0 W 450,0 W 740,0 W Nennleistung 420 W 30,0 A 28,0 A 14,0 A Ausgang 3,3 V 5,0 V 12,0 V P P /P N 0,0 A 0,0 A 0,0 A 0,0 W 0,0% 0,0 A 0,0 A 0,0 A 0,0 W 0,0% 0,0 A 0,0 A 3,3 A 40,1 W 9,5% 17,5 A 0,0 A 0,0 A 57,8 W 13,8% 0,0 A 0,0 A 6,7 A 80,2 W 19,1% 0,0 A 0,0 A 9,4 A 113,2 W 26,9% 0,0 A 25,0 A 0,0 A 125,0 W 29,8% 0,0 A 0,0 A 18,8 A 226,0 W 53,8% 28,5 A 24,0 A 0,0 A 214,1 W 51,0% 28,5 A 25,0 A 7,0 A 303,1 W 72,2% Ausfall des Netzgeräts nach ≈2 s mit <20% Überlast η 0,0% 0,0% 62,6% 81,3% 73,5% 76,5% 77,6% 79,0% 69,7% 67,3%
  • 13. Herkömmliches PC-Netzteil, 300 W (?) PC-Netzteil T.I.P. 300 ATX Eingang P 0,0 W 3,1 W 21,4 W 43,3 W 56,8 W 70,0 W 97,0 W 122,0 W 148,0 W 181,0 W 226,0 W Nennleistung: 3,3 V *14 A + 5 V * 20 A + 12 V * 6 A = 218W 14,0 A 20,0 A 6,0 A Ausgang 3,3 V 5,0 V 12,0 V P P /P N η 0,0 A 0,0 A 0,0 A 0,0 W 0,0% 0,0% 0,0 A 0,0 A 0,0 A 0,0 W 0,0% 0,0% 0,0 A 0,0 A 0,5 A 6,1 W 2,8% 28,6% 0,0 A 2,2 A 0,9 A 21,7 W 9,9% 50,0% 0,0 A 0,0 A 3,2 A 38,9 W 17,8% 68,5% 0,0 A 0,0 A 4,3 A 51,4 W 23,5% 73,4% 0,0 A 5,0 A 3,4 A 66,1 W 30,3% 68,1% 0,0 A 5,0 A 5,2 A 87,2 W 40,0% 71,5% 5,8 A 5,0 A 5,2 A 106,0 W 48,6% 71,6% 5,8 A 9,5 A 5,2 A 129,0 W 59,1% 71,3% 14,0 A 9,5 A 5,3 A 157,4 W 72,1% 69,7% Abschaltung – keine weiteren Messungen möglich
  • 14. Herkömmliches PC-Netzteil, 380 W PC-Netzteil Antec True 380 SP Eingang P 4,4 W 28,3 W 64,8 W 90,0 W 109,0 W 148,0 W 174,0 W 282,0 W 381,0 W 463,0 W 561,0 W Nennleistung 380 W 28,0 A 35,0 A 18,0 A Ausgang 3,3 V 5,0 V 12,0 V P P /P N Lüfterloses 0,0 A 0,0 A 0,0 A 0,0 W 0,0% 2,2 A 0,0 A 0,0 W 7,1 W 1,9% PC-Netzteil, 300 A 2,5 A 0,0 A 0,9 A 19,1 W 5,0% 2,5 A 4,0 A 0,9 A 39,1 W 10,3% Angegebener 0,9 A 53,3 W 14,0% 6,1 A 4,4 A 6,1 A 4,6 A 3,3 Wirkungsgrad: A 82,6 W 21,7% 5,6 A 9,3 A 3,3 A 105,0 W 27,6% 27,0 A 9,3 A 3,4 A 176,2 89% (bei voller Last) W 46,4% 27,0 A 17,0 A 6,7 A 254,5 W 67,0% 27,0 A 17,0 A 12,9 A 328,9 W 86,6% 27,0 A 17,0 A 19,0 A 402,1 W 105,8% η 0,0% 25,1% 29,4% 43,4% 48,9% 55,8% 60,3% 62,5% 66,8% 71,0% 71,7%
  • 15. Welchen »Wirkungsgrad« hat ein PC? Jedenfalls einen viel besseren als früher Uralt-XT: f = 4,7 MHz Pel ≈ 40 W Neuester Rechner: f = 4,7 GHz Pel <<400 W Das sieht aus wie eine Verbesserung des Wirkungsgrades um einen Faktor >> 100! Mit ähnlichen Werten für • Speicherbausteine, • Festplatten, • Grafikkarten kommt man auf Verbesserungs-Faktoren um 106!
  • 16. Wohin führt die Reise noch? Eine Grenze ist erst erreicht, wenn für ein Datenbit nur noch ein Elektron bewegt werden muss. Bislang sind es aber immer noch 10.000 bis 100.000 Elektronen, die für den kleinsten vorkommenden »Elementarvorgang« der EDV bemüht werden müssen. Das theoretische Potenzial • bei der Verkleinerung der Bauteile, • bei der Beschleunigung der Prozesse, • bei der Reduktion des Energie-Bedarfs liegt also noch bei einem Faktor von 104 … 105!
  • 17. In der Entwicklung der Rechenleistung liegt der größte Teil des Weges hinter uns • Die Zuse Z1 hatte die Ausmaße einer Elektrolokomotive… • …und auch deren Stromverbrauch… • …und das bei der Rechenleistung eines Scheckkartenrechners, den man heute als Werbegeschenk bekommt und mit 2 cm² Solarzellen oder ein Jahr lang mit einer Knopfzelle betreiben kann!
  • 18. Doch der Fortschritt bei den Prozessoren hält noch an: PC Baujahr 2005 Aufgerüstet 2011 Prozessor 2,6 GHz, 2*2,7 GHz, Speicher 512 MB, 400 MHz 4 GB, 1,6 GHz Leerlauf 59 W 45 W Jeweils am selben lüfterlosen Netzteil
  • 19. Nur: Was hilft es, wenn man alles Erdenkliche unternimmt, um z. B. in einen modernen Dieselmotor alle verfügbaren Energiespar-Maßnahmen einzubauen, und dann ein Getriebe mit 30% Verlusten dahinter setzt? Beim Auto undenkbar – beim PC gängige Praxis! Denn das Netzteil ist nicht viel mehr als ein »Getriebe« für Strom.
  • 20. Eine offene Frage ist auch, warum Laptop-Netzteile ganz selbstverständlich ohne jede aktive Kühlung ebenso wie ohne Kühlrippen auskommen – selbst bei ganz beachtlichen Nennleistungen?
  • 21. Mehr Rechenleistung kostet also mehr Geld – die Geräuschfreiheit nicht! Berechnung der Stromkosten für einen PC (Baujahr 2005) vor und nach Austausch des konventionellen gegen ein lüfterloses Netzteil Konventionelles Netzteil mit Lüfter Ausgangswerte Volllast 100 h/a Leerlauf 3000 h/a »aus« 5660 h/a Netzteil Preis Strom Verbrauch Stromkosten Amortisationszeit Lüfterloses Netzteil P S 135,5 W 138,9 VA 82,0 W 87,1 VA 6,3 W 24,5 VA 39,95 € Q P S Q 51,4 var 113,0 W 123,2 VA 67,0 var 29,3 var 59,2 W 70,5 VA 38,1 var 2,0 W 24,1 VA 24,0 var 23,6 var 79,50 € 14,0 c/kWh 294,91 kWh/a 200,36 kWh/a 41,29 €/a 28,05 €/a 2,99 a Die eingesparten Verluste amortisieren den Mehrpreis nach 3 Jahren!
  • 22. Warum bieten eigentlich tragbare Rechner die gleiche Rechenleistung mit viel weniger Strom? Dieser Notebook-PC ist mit einem eingebauten Akku von 55 Wh und einem Zusatz-Akku von 95 Wh ausgestattet und läuft damit 13 Stunden lang! Das entspricht etwa 12 W Netto-DC-Bedarf!
  • 23. Voraussetzungen: • WLAN aus, • kein UMTS-Gerät, • keine »Ballerspiele«, • mäßige Bildschirm-Helligkeit. Wobei beim Laptop bemerkenswert ist, • dass der Bildschirm schon inbegriffen ist • und der ganze PC weniger verbraucht…
  • 24. … als ein Flachmonitor für sich allein schon zu sich nimmt!
  • 25. So bleibt am Ende eine Frage im Raum: Warum kann man diese Technik nicht in einen DesktopPC einbauen? Energie ist wohl immer noch viel zu billig: Die Verfügbarkeit von Strom aus dem Akkumulator ist ein Grund zum Sparen – der Strompreis offenbar nicht. Mehr: www.technologieforumkupfer.de/anwendungen/e-energie/strom/edv