Warum sind Brownouts so schädlich?

Ich habe gerade gelesen. Wird ein Überspannungsschutz tatsächlich benötigt? und nun, ich würde gerne wissen, warum Brownouts so schädlich sind. Die dort angegebene Erklärung lautet "Die Kondensatoren werden über ihre Nennspannung gebracht". Dies ist jedoch nicht sinnvoll, wenn die in das Netzteil eingespeiste Leistung unter der üblichen Spannung liegt. Was passiert mit einem Netzteil in einem Brownout, um es zu beschädigen?

Ist in modernen Netzteilen ein Schutz eingebaut, um solche Schäden zu verhindern? Gibt es eine andere Möglichkeit, den Computer unter Brownout-Bedingungen zu schützen, als eine USV zu verwenden?

Ein Spannungsabfall ist ein Unterspannungszustand, wenn die Wechselstromversorgung den Nennwert um etwa 10% unterschreitet (Nennwert bedeutet an den meisten Stellen 110-120 oder 220-240). In den USA kann ein Spannungsabfall als ein Abfall der Wechselspannung unter 99 V definiert werden. Die Intel-Spezifikation für ATX-Netzteile legt fest, dass Spannungen zwischen 90 und 135 sowie 180 und 265 den ordnungsgemäßen Betrieb des Netzteils ermöglichen sollen ( Abschnitt 3.1 ), sodass das Netzteil auch dann normal funktioniert , wenn ein merklicher Spannungsabfall auftritt.

Einige Leute haben auch sehr kurze Stromausfälle (unter 30 ms oder etwa 2 Wechselstromzyklen) als Spannungsabfälle, da Glühbirnen während dieser Zeit kurzzeitig, aber sichtbar, nachlassen, ähnlich wie bei einem tatsächlichen Unterspannungszustand.

In beiden Fällen definiert Intel sie als Unterspannungsbedingungen und erläutert in Abschnitt 3.1.3 des Intel ATX12V Power Supply Design Guide , welche Anforderungen ein ATX-Netzteil unter solchen Bedingungen erfüllen muss

Die Stromversorgung muss Schutzschaltungen enthalten, die sicherstellen, dass das Anlegen einer Eingangsspannung unter dem in Abschnitt 3.1, Tabelle 1 angegebenen Minimum keine Schäden an der Stromversorgung verursacht.

Typischerweise haben Stromversorgungen einen Eingangsabschnitt, der aus einer Reihe interessanter Schaltungen besteht, die am Ende des Tages einen Transformator mit etwa 308 VAC versorgen, der dann die Regelungs- und Konditionierungsschaltungen mit Strom versorgt. Diese Schaltung bildet tatsächlich die Hauptbasis der Regelungsschaltung, und wenn Sie weniger als die volle Leistung des Netzteils verbrauchen, können Sie möglicherweise mit erheblichen Unterspannungsbedingungen auskommen, ohne aus der Regelung auf der Ausgangsseite herauszufallen.

Wenn ein Spannungsabfall auftritt, versucht das Netzteil, den Nennstrom so lange wie möglich zu liefern (basierend auf der eingehenden Spannung und dem eingehenden Strom). Wenn die Regelung nicht aufrechterhalten werden kann, wird das Power GoodSignal zum Motherboard deaktiviert . Das Motherboard ist dafür verantwortlich, das power onan die Stromversorgung gelieferte Signal zu deaktivieren. Wenn dies rechtzeitig geschieht, wird die gesamte Stromversorgung unterbrochen und ausgeschaltet.

Wenn das Motherboard dies nicht tut, sollte das Netzteil seine Schienen fallen lassen, wenn es zu weit von der Regelung abweicht. Dies kann jedoch nicht garantiert werden. Bei minderwertigen Netzteilen können Ihre Komponenten und das Motherboard ebenfalls Unterspannungsbedingungen ausgesetzt sein.

Was an diesem Punkt passiert, hängt davon ab, wie robust diese Komponenten sind. Dies ist jedoch im Allgemeinen nicht gut, da die Komponenten versuchen, mit der niedrigeren Spannung zu arbeiten. Denken Sie daran, dass das Netzteil beim Ausschalten immer für kurze Zeit eine Unterspannung liefert (das Absenken der Ausgänge auf 0 erfolgt nicht sofort), sodass sehr kurze Unterspannungsperioden in Ordnung sind. Das Problem tritt nur auf, wenn sich das Netzteil über einen längeren Zeitraum in einem Unterspannungszustand befindet. Dies kann nur auftreten, wenn sowohl das Netzteil als auch das Motherboard das Problem nicht erkennen und weiterhin versuchen, den Betrieb aufzunehmen.

Beachten Sie, dass die Intel-Spezifikation nicht viel mehr als eine Branchenrichtlinie ist und es keine Zertifizierungsstellen gibt. Auch gute Stromversorgungen sind nicht verpflichtet, den Empfehlungen zu folgen. Mein Lieblingsabschnitt ist 3.1.5. Ich habe gesehen, dass viele teure und billige Netzteile diese Empfehlungen nicht einhalten!

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

KUCHEN. P = IE. Leistung = Strom mal Spannung. Wenn die Spannung bei einem Spannungsabfall niedriger ist, muss ein Netzteil mehr Strom aus dem Netz ziehen, um die gleiche Leistung aufrechtzuerhalten. Während die Spannungsbelastung während eines Spannungsabfalls in der Tat geringer ist, erhöht sich die Strombelastung des Netzteils, um dies zu kompensieren.

Hier ist die kurze Antwort: Bei einem Spannungsabfall müssen Netzteile mehr Strom ziehen, um die niedrigere Versorgungsspannung auszugleichen, die für Transistoren, Drähte, Dioden usw. sehr anstrengend ist. Außerdem werden sie weniger effizient, wodurch sie noch mehr Strom ziehen , das Problem verschärfend.

Hier ist die lange Antwort: Die meisten PCs (wenn nicht alle) verwenden Schaltnetzteile. Wenn alle Elemente der Versorgung (die Transistoren, Transformatoren, Kondensatoren, Dioden usw.) vollkommen ideal wären, könnte eine Versorgung jede Eingangsspannung aufnehmen und die gewünschte Leistung bei der gewünschten Spannung erzeugen (solange genügend Strom vorhanden ist) Eingabe zur Aufrechterhaltung von P = IE).

Diese Elemente sind jedoch alles andere als ideal, sodass alle Netzteile der realen Welt für den Betrieb in einem bestimmten Bereich ausgelegt sind, z. B. 80 bis 240 V. Selbst innerhalb des Bereichs, für den sie ausgelegt sind, fällt der Wirkungsgrad (der prozentuale Anteil der Leistung am Ausgang der Versorgung im Vergleich zur am Eingang benötigten Leistung) mit abnehmender Eingangsspannung tendenziell ab. Anandtech hat ein gutes Beispiel Graph . Die X-Achse ist die Leistung am Ausgang der Versorgung (der Last) und die Y-Achse ist der Wirkungsgrad. Daher ist diese Versorgung mit rund 300 W am effizientesten.

Bei einem 120-V-Eingang ist der Wirkungsgrad ca. 85%. Daher werden ca. 300 W / 0,85 = 353 W von der Wand bezogen, um 300 W am Ausgang zu erhalten. Die "fehlenden" 53W werden im Stromkreis verbraucht (deshalb haben Ihre PCs Lüfter - es ist, als ob Ihr Netzteil eine 50W-Lampe in einer kleinen Schachtel hat und die Wärme abführen muss). Da P = IE ist, können wir den Strom berechnen, den der Netzstecker für eine Ausgangsleistung von 300 W bei 120 V benötigt: 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 beträgt der Wirkungsgrad 87%, sodass nur 344 W von der Wand gezogen werden, was sehr schön ist. Weil die Spannung so viel höher ist, ist die Stromaufnahme viel niedriger: 344 W / 230 V = 1,5 A.

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

Nun, das würde dieses Netzteil wahrscheinlich nicht stark belasten, da es mit 650 W bewertet ist. Schauen wir uns also kurz an, was bei 650 W passiert. Bei 120 V ist der Wirkungsgrad 82% -> 793 W und 6,6 A von der Wand entfernt. Bei hohen Lasten ist der Wirkungsgrad jedoch noch schlechter. Für 90 V sehen wir einen Wirkungsgrad von 78,5%, was 828 W und 9,2 A bedeutet! Selbst wenn der Wirkungsgrad bei 78,5% bleiben würde, müsste bei einem Spannungsabfall von 80 V 10,3 A gezogen werden. Das ist viel Strom; Dinge beginnen zu schmelzen, wenn sie nicht für diese Art von Strom ausgelegt sind.

Deshalb sind Spannungsabfälle schlecht für die Stromversorgung. Sie müssen mehr Strom ziehen, um die niedrigere Versorgungsspannung zu kompensieren, die für Transistoren, Drähte, Dioden usw. sehr anstrengend ist. Sie werden auch weniger effizient, wodurch sie noch mehr Strom ziehen, was das Problem verschlimmert.

Bonus-Beispiel: Hier finden Sie eine kurze Erklärung, warum Stromversorgungen mit abnehmender Versorgungsspannung weniger effizient werden. Alle elektronischen Komponenten (Transistoren, Transformatoren, sogar die Leiterbahnen auf der Leiterplatte) haben einen ähnlichen Widerstand. Wenn ein Leistungstransistor eingeschaltet ist, hat er einen Einschaltwiderstand von beispielsweise 0,05 Ohm. Wenn 3A Strom durch diesen Transistor fließt, sieht er 3A * 0,05 Ohm = 0,15 V über seinen Leitungen. Diese 0,15 V * 3 A = 0,45 W Leistung, die jetzt in diesem Transistor verbraucht wird. Das ist Verschwendung von Strom - es ist Wärme in der Stromversorgung, nicht Strom für die Last. Das ist unser 300-W-Szenario, 120-V-Szenario.

In dem 90-V-Brownout-300-W-Szenario hat der Transistor den gleichen Widerstandswert von 0,05 Ohm, aber jetzt fließen 4 A Strom durch ihn, sodass 4 A * 0,05 Ohm = 0,2 V über seine Zuleitungen abfallen. Diese 0,2 V * 4 A = 0,8 W Leistung, die jetzt in diesem Transistor verbraucht wird. Daher erzeugt jedes Gerät (und es gibt viele davon) im Netzteil, an dem ein Einschaltwiderstand / Spannungsabfall auftritt, mehr Wärme (Energieverschwendung), wenn die Versorgungsspannung abfällt. Im Allgemeinen und im Rahmen der Vernunft ergeben höhere Spannungen höhere Wirkungsgrade.