USV und Netzteile: Schutz und Stromversorgung für Computer

Grundlagen der unterbrechungsfreien Stromversorgung

Ein Gerät, das elektrische Energie liefert, sorgt für die Versorgung bei einem Energieabfall. Es ist eine wichtige Energiequelle und verbessert die Qualität der Stromzufuhr. Es wird für kritische Lasten (medizinische Ausrüstung, Industrie) verwendet, um Datenverluste bei einem Stromausfall zu verhindern. Ein solcher Ausfall kann dreimal schädlicher sein als ein Computervirus.

Häufige Netzwerk-Probleme

Blackout (Stromausfall): Verlust der Versorgung durch Blitzschlag, Überlastung etc. Dies kann Geräte beschädigen und Datenverlust verursachen.

Brownout (Unterspannung/Mikro-Unterbrechungen): Kurze Spannungseinbrüche, oft verursacht durch schwere Maschinen. Sie können Schäden an Maschinen und Datenverlust zur Folge haben.

Spikes (Hochspannungsspitzen): Diese können zu Programmfehlern und Schäden an elektronischen Komponenten führen.

Undervoltage (Anhaltende Unterspannung): Spannungsabfall über Minuten, Stunden oder Tage. Oft ein vorsätzlicher Abbau der Spannung bei verstärkter Nachfrage, was zu Schäden an Maschinen führt.

Overvoltage (Überspannung): Erhöhung der Netzspannung, zum Beispiel durch Blitzschlag, wobei die Spannung auf über 600V steigen kann. Dies führt zu Datenverlust und Maschinenschäden.

Line Noise (Elektrisches Rauschen): Hochfrequente Störungen (RFI / EMI), die durch Maschinen verursacht werden. Sie führen zu Programmfehlern und Schäden an elektrischen Komponenten.

Frequenzvariation: Instabilität der Frequenz, oft verursacht durch Generatoren. Dies führt zu mangelhafter Ausrüstung, Datenverlust, System-Ausfallzeiten und Beschädigung des Geräts.

Transient Switching (Schalttransienten): Kurze Spannungseinbrüche, die seltsames Verhalten auf Computern verursachen.

Harmonic Distortion (Harmonische Verzerrung): Verzerrung der Wellenform, verursacht durch nichtlineare Lasten im selben Netzwerk. Dies führt zu Überhitzung.

Funktionsweise einer USV

• Offline-System: Liefert nur Batteriestrom, wenn die Versorgung unterbrochen wird. Wird meist für Heimcomputer verwendet.
• Line-Interactive-System: Enthält eine Automatik, die Spannungsschwankungen ausgleicht, ohne den Akku zu nutzen. Es erhöht oder verringert die Intensität je nach Bedarf.
• Online-System: Verfügt über ein starkes Batterieladegerät für den Dauerbetrieb. Bekannt als Doppelwandler (AC-DC und DC-AC). Es fungiert zudem als Firewall gegen Anomalien in der Netzfrequenz.

Externe Elemente einer USV

Es gibt zwei Arten von Verbindungen: UPS-Plug (normaler Schuko-Stecker, 3-Pin). Diese filtern Spannungsspitzen. Zudem kann ein USB-Port vorhanden sein, um die USV am PC zu überwachen. Ein Telefonleitungsfilter vermeidet Spannungsspitzen im Telefonnetz. Die Statusanzeigen (LCD) informieren über:

• Eingangsspannung (Netz = 230V)
• Ausgangsspannung (USV = 230V)
• Last und Autonomie (Batteriestatus)
• Online-Symbol (Netzbetrieb)
• Batteriebetrieb (Anzeige bei Stromausfall)

Leistung und Nomenklatur

Hersteller verwenden eine duale Nomenklatur für die USV-Leistung:

• Leistung in Watt (W): Realer Stromverbrauch des Netzes.
• Scheinleistung in Voltampere (VA): Wichtig für die korrekte Dimensionierung der Kabel.

Das Verhältnis zwischen Watt und VA wird durch den Leistungsfaktor (Power Factor) angegeben. Er beschreibt die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Stromstärke. Die Gleichwertigkeit ist beispielsweise: 200 Watt x 1,4 = 280 VA (wobei 1,4 der Leistungsfaktor ist).

Die Wahl der richtigen USV

• Autonomie: Die Zeitspanne, in der die Geräte ohne Netzstrom weiterbetrieben werden können.
• Transferzeit: Eine Zeit von über 10 ms gilt als kritisch, da der Computer abstürzen kann.
• Anschlüsse: Anzahl und Art der Steckplätze.
• Management-Software: Eine gute Software zur Steuerung und Überwachung.

Anschlüsse an der USV

Typischerweise werden folgende Geräte verbunden: Der Computer, der Bildschirm und Netzwerk-Geräte wie Router.

Das Computer-Netzteil

Das Netzteil ist verantwortlich für die Bereitstellung elektrischer Energie für den Computer, indem es den Strom aus dem Netz umwandelt. Es transformiert 125V oder 220V Wechselstrom in 12V, 5V oder 3,3V Gleichstrom (AC zu DC).

Komponenten und Phasen

Externer Teil: Lüfter (Fan), Schalter, Spannungswähler, AC-Eingang.

Phasen der Stromversorgung:

• Transformation: Reduzierung der Spannung (220V/125V) mittels einer Transformatorspule auf 5V oder 12V.
• Gleichrichtung: Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) mittels einer Gleichrichterbrücke (Graetz-Schaltung).
• Filterung: Da der Gleichstrom noch schwankt, glätten Kondensatoren den Stromfluss.
• Stabilisierung: Ein Regulator stabilisiert das Signal bei Schwankungen.

Standards und Steckverbinder

• AT-Format: Liefert +5V (rot), -5V (weiß), +12V (gelb), -12V (blau) über zwei Anschlüsse (P8 und P9).
• ATX-Format: Prozessoren benötigen weniger als 5V (3,3V). Es gibt neue Leitungen für 3,3V und eine 5V-Standby-Leitung (5VSB), die das Mainboard immer mit Strom versorgt.

Steckverbinder: Molex, Diskette, ATX 24-Pin, SATA, ATX 4-Pin, PCI-Express.

Kabelfarben: Schwarz (Masse), Orange (3,3V), Rot (5V), Violett (5VSB), Grau (PWR_OK), Grün (PS_ON), Blau (-12V), Gelb (+12V).

• PWR_OK: Zeigt an, dass die Spannungen innerhalb der Grenzwerte liegen.
• PS_ON: Signal zum Einschalten des Netzteils.
• 5VSB: 5V Standby-Modus für Netzwerk-Boot etc.

Leistung und Effizienz

Alle Netzteile haben eine Nennleistung. Je mehr Komponenten im PC verbaut sind, desto höher muss die Leistung sein, sonst wird das System instabil. Ein Netzteil gibt nie exakt das aus, was auf dem Etikett steht, da ein Teil der Energie durch den Betrieb (Wärme) verloren geht. Hochwertige Netzteile haben einen Wirkungsgrad von über 90%.