Leistungsmessung
Die elektrische Leistung ist eine Grundgrösse in der Elektrotechnik. Sie wird in Watt (Einheit) gemessen und hat den in der Physik den Kennbuchstaben P.
Eine aussagekräftige Leistungsmessung an elektronischen Geräten ist bei der heutzutage verbauten Technik in der Regel sehr komplex und oftmals mit einfachen, preisgünstigen Messgeräten nur eingeschränkt möglich!
Die Leistungsmessung eines VDRs erfolgt meist um den Energieverbrauch oder die Abwärme zu ermitteln. Es werden grundlegend 2 Messarten unterschieden, die direkte Gesamtmessung und die indirekte Messung einzelner Komponenten.
Die verbrauchte Leistung wird zu annähernd 100% in Wärme umgewandelt. Somit lässt sich vom Energieverbrauch direkt die Abwärme und die dadurch notwendigen Kühlmittel wie etwa Lüfter ableiten.
Elektrische Consumer-Produkte wie ein VDR-Computer sind in der Regel mit Wechselstrom betrieben (z.B. Europa: 230V Effektivspannung, 50Hz Netzfrequenz). Daher muss zur Leistungsmessung eines VDRs die Wechselstromtheorie beachtet werden.
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Direkte Gesamtleistungsmessung
Diese Messung ist recht einfach auszuführen, da lediglich ein Messadapter in die netzseitige Zuleitung eingefügt wird.
Ein solcher Leistungsmesser ist in Baumärkten, gut sortierten Haushaltswarengeschäften, im Versandhandel (z.B. Conrad Elektronik) oder im Elektrofachhandel ab ca 10€ zu bekommen. Jedoch sollte genau auf die technischen Spezifikationn des angebotenen Messadapters geachtet werden. In der Regel erfüllen die günstigen Messadapter nicht die Ansprüche, um eine glaubhafte Messung eines PC-Systems durchzuführen.
Vor-/Nachteile der direkten Messung
- + relativ einfache Durchführung
- + schnelles Ergebnis
- + direkt ablesbar
- + meistens auch für Nicht-Elektriker durchführbar
- + keine Veränderung an der Elektronik notwendig
- - nur Gesamtleistung kann ermittelt werden
- - Genauigkeit von Messadapter sehr unterschiedlich, allzu oft sehr schlecht
Wann welches Messgerät
Die Ansprüche an das Messgerät hängen im wesentlichen vom Typus des verbauten Netzteils und der Komplexität des Geräts ab. Primitive Leistungsmesser aus dem Baumarkt eignen sich meistens nur, um dem Wasserkocher oder der Glühbirne beim Stromverbrauchen zuzuschauen. Etwas teurere Leistungsmesser aus dem Elektronikfachhandel können schon recht gut mit Energiesparlampen, Leuchtstoffröhren oder Staubsaugern umgehen.
Sobald jedoch Schaltnetzteile ins Spiel kommen, stoßen alle diese Geräte äußerst schnell an ihre Grenzen, wenn man völlig unbedacht herangeht.
Prinzipiell muss man drei Arten von Schaltnetzteilen unterscheiden und daraus die erforderliche Messtechnik ableiten:
- ohne PFC
- Leistungsmessungen sind nur mit True-RMS-Leistungsmessgeräten oder vektoriellen Leistungsanalyser durchführbar.
- Für Privatleute i.d.R. nicht bezahlbar
- mit passiver PFC
- Bei einer passiven PFC wird oft eine Drossel (Spule) verbaut. Je nach Größe der Drossel ist eine Messung im Normalbetrieb mit einem mittel- bis höherpreisigen Messadapter möglich. Die Ergebnisse sollten aber mit großer Vorsicht betrachtet werden. Sichere Messungen ergeben nur True-RMS-Leistungsmessgeräte oder vektorielle Leistungsanalyser.
- Unter Umständen für Privatleute durchführbar, Messwerte sollten skeptisch betrachtet werden
- mit aktiver PFC
- Normal-Betrieb: Messungen mit mittel- bis höherpreisigen Messadapter sind möglich und auch relativ glaubhaft
- Standby-Betrieb: die PFC-Schaltung ist im Standby-Betrieb nicht aktiv! Messungen nur mit True-RMS-Leistungsmesser oder vektoriellen Leistungsanalyser möglich. Zudem unterschreitet die zu messende Leistung oft die minimale messbare Leistung der meisten Messadapter
- Unter Normalbetrieb sind relativ glaubwürdig Messungen mit mittelpreisigen Messadaptern möglich
- (Man sollte die Ergebnisse aber nicht auf die goldene Waagschale legen. Selbst die höherpreisigen Messadapter haben oft eine Messgenauigkeit von nicht mehr als ca. +/- 3 Watt. Dazu kommt noch, dass die PFC-Schaltungen auch nicht zaubern können. Wenn man seinen Messungen eine Toleranz von +/- 5-10 Watt im Bereich von 30 bis 300 Watt unterstellt, dann begibt man sich in den Bereich des Realistischen.)
(PFC = power factor correction, dt.: Blindleistungskompensation)
Angaben über die Blindleistungskompensation findet man normalerweise auf dem Typenschild des Netzteils oder man recherchiert im Internet anhand der Typenbezeichnung.
Auswahlhilfe beim Messgerät
Einfache Energiekosten-Messgeräte
Empfehlung: ENERGY MONITOR 3000 von Conrad/Voltcraft, knapp 40.-€
Die vergleichsweise gute Genauigkeit und die Fähigkeit recht souverän auch mit (sinusförmigen) Blindleistungen umgehen zu können, lassen das Gerät als 'brauchbar' einstufen.
Halbprofessionelle Leitungsmessgeräte
Für Privatleute mit einem gut gefüllten Geldbeutel soll noch erwähnt sein, dass inzwischen relativ gute True-RMS-Multimeter mit Leistungs-Messadaptern verfügbar sind!
Das Voltcraft VC940 bietet ein gutes Preis-/Leistungsverhältnis. Die kalibrierte Version ist mit ca. 192.- € fair bepreist. Wer auf die Kalibrierung verzichten kann, hat die Möglichkeit, nochmals 40.- € zu sparen.
Dieses Gerät wird u.a. auch vom THG-Labor (Toms Hardware Guide) bei Leistungsmessungen verwendet. Die Messwerte mit diesem Gerät können in den allermeisten Fällen als glaubhaft eingestuft werden.
Indirekte Einzelmessung
Diese Messung ist nicht so einfach durchzuführen und erfordert auch eine gewisse Grundkenntnis der Elektrizität. Benötigt wird ein Strom und Spannungsmesser, auch bekannt als Multimeter. Idealerweise sind zwei Multimeter verfügbar, um beide Größen gleichzeitig zu messen. Bei kleinen Leistungen kann das Messgeräte sonst u.U. die Ergebnisse verfälschen.
Indirekte Einzelmessungen an den Netzleitungen, Steckdosen oder Netzteilen sollten auf KEINEN Fall vom Laien durchgeführt werden. Es besteht akute Lebensgefahr, wenn man ohne fundiertem Wissen an 230V Wechselstrom arbeitet.
Im inneren von Gehäusen herrschen dagegen maximal 12V Gleichspannung, was innerhalb des Schutzkleinspannungsbereich liegt und als unbedenklich eingestuft werden kann.
Mehr Informationen dazu: Kleinspannung
An einer Stelle werden mittels Spannungsmesser und Strommesser die Spannung und Stromstärke gemessen. Die Leistung wird nun mit der Formel bestimmt:
Leistung = Spannung * Strom * cos (Phi) P = U * I * cos(Phi) (mit physikalischen Kennbuchstaben), Phi ist der Phasenwinkel zwischen U und I.
Wobei der Wirkfaktor cos (Phi) zumeist unbekannt ist: 0 <= cos(phi) <= 1, mit dieser Messung wird eigentlich nur die Scheinleistung S in VA (Volt*Ampere) bestimmt, wenn man den Winkel Phi vernachlässigt.
Bei Gleichstrom ist cos(phi)=1 anzunehmen. Das ist generell im inneren von Gehäusen der Fall.
Vor-/Nachteile
- + sehr flexible Anwendung
- + Messungen an unterschiedlichen Spannungsbereichen und Strängen (5V, 12V, etc)
- + Messung einzelner Komponenten/Gesamtsystem
- - sie messen nur VA und nicht die Wirkleistung.
- - nur indirekt (mit Rechnung) ermittelbar
- - el. Grundkenntnis erforderlich
- - Veränderung der Elektrik notwendig (ggf. Messadapter verwenden)
- - in den meisten Fällen unbrauchbar, da der Wirkfaktor cos (Phi) für die meisten Geräte unbekannt ist
- - es lassen sich nur konstante Leistungen ermitteln, bei den meisten PC-Komponenten können sich die Lasten stark ändern (je nach Betriebsmodus)
Probleme
CPU
Da die CPU direkt auf dem Mainboard eingebaut ist und von diesem mitversorgt wird, ist eine Leistungsmessung nur schwer möglich. Hier ist man auf Angaben der Hersteller angewiesen.
Komponenten mittels Gesamtmessung
Bestimmt man einzelne Komponenten durch verschiedene Gesamtmessungen, so könnte man auf den Verbrauch einzelner Komponenten schließen.
(Messung mit Festplatte) - (Messung ohne Festplatte) = Leistung Festplatte
z.B.
90 Watt - 80 Watt = 10 Watt
Dies ist jedoch nur bedingt möglich, da das Netzteil bei verschiedenen Belastungen verschiedene Wirkungsgrade erzielt. Desweiteren entfällt von den gemessenen 10 Watt ohnehin ein Teil an das Netzteil, da dieses aufgrund seines nicht-idealen Wirkungsgrads immer etwas Leistung in Wärme umsetzt.
Daher sollte man dazu idealerweise ein Effizienzdiagramm des Netzteils vorliegen haben (von einigen Herstellern im Datenblatt zu finden).
Theoretischer Hintergrund: Wechselstrom-Systeme
In einem Wechselstrom-System wird die elektrische Leistung über die komplexe Scheinleistung S dargestellt. Diese setzt sich aus der reelen Wirkleistung P und der komplexen Blindleistung Q zusammen. (Siehe auch: Wirkleistung)
Die Scheinleistung erhielt ihren Namen von der Tatsache, dass bei der Leistungsmessung (mit einfachen Messgeräten) ein Verbraucher jene Leistung nur zu verbauchen scheint, es aber nicht wirklich tut. In vielen Fällen ist dieser gemessene Wert alleine kaum zu gebrauchen. Nur die Wirkleistung wird in Wärme-, Bewegungs-, Licht- o.ä. Leistungen umgesetzt. Die Blindleistung muss zwar über die Stromleitungen übertragen werden, der Verbraucher verwertet diese aber nicht.
Rein ohmsche Lasten (z.B. eine konventionelle Glühbirne) belasten das Netz mit keiner Blindleistung, haben also lediglich Wirkleistung. Rein kapazitive/induktive Lasten (z.B. Kondensator oder Spule) belasten das Netz ausschließlich mit Blindleistung.
Wenn man also die Verbrauchsleistung eines Geräts messen will, dann heißt das: man möchte die Wirkleistung kennen! In der Praxis haben die meisten Geräte jedoch sowohl Wirk- als auch Blindleistungsanteile. Wenn im gemessenen System nur sinusförmiger Strom und Spannung auftritt, dann lässt sich die Wirkleistung mit dem Ausdruck
berechnen. Dabei stellt cos(phi) den 'Wirkfaktor dar: cos(phi) = P / S = sqrt( 1 - ( Q^2 / S^2 ) )
Diese Formel gilt wie gesagt nur dann, wenn ausschließlich sinusförmiger Strom und Spannung auftritt! Das ist der Fall, wenn das elektrische Gerät ein sogenannter linearer Verbraucher ist (konventionelle Glühbirne, Heizlüfter, etc). Die in beinahe allen elektronischen Geräten verbaute Schaltnetzteile sind jedoch zunächst als stark nicht-lineare Verbraucher anzusehen!
In beinahe allen elektrischen Geräten wird heutzutage ein Schaltnetzteil verbaut, was zunächst ein stark nicht-linearer Verbraucher ist. Daher gelten die einfachen Gleichungen von oben nicht und es muss weiter differenziert werden!
Power Factor Correction (PFC)
Schaltnetzteile sind stark nicht-lineare Verbaucher, u.a. weil die Energie sozusagen in kleinen Stücken mit hohen Frequenzen umgewandelt wird. Dadurch entstehen hochfrequente Störsignale im Energienetz, die unter Umständen auch andere Geräte stören können. Zudem ändert sich dadurch zeitlich der Phasenwinkel, wodurch kein eindeutiger Wirkfaktor feststellbar ist.
Aus diesem Grund werden bei der Entwicklung vieler Schaltnetzteile zusätzliche Schaltungen eingesetzt, um die hochfrequenten Störsignale zu minimieren sowie den Phasenwinkel (engl. power factor) des Netzteils möglichst konstant und klein zu halten. Diese zusätzlichen Schaltungen werden Blindleistungskompensationen genannt, Abkürzung: PFC (Power Factor Correction bzw. Power Factor Compensation).
Dabei gibt es zwei grundlegende Arten von Blindleistungskompensationen:
- Passive PFC
- Active PFC
Bei guten aktiven PFC-Schaltungen wird ein Wirkfaltor von bis zu 0,95 - 0,98 erreicht. Zudem kann man bei diesem Kompensationstyp auf der Primärseite von weitestgehend sinusförmigen Leistungen ausgehen, wodurch bei den meisten Leistungsmessungen auf teure Profigeräte verzichtet werden kann.
Als Faustregel lässt sich sagen, dass bei Schaltnetzteilen mit kleinen Leistungen (bis ca. 30W) keine PFC-Schaltungen zu erwarten sind. Sofern PFC-Schaltungen eingesetzt werden, dann sind bei Leistungen bis ca. 75W passive und ab 50W aktive PFC-Schaltungen zu erwarten.
Genauere Informationen zum eingesetzten PFC-Typ erhält man mit einem genaueren Blick auf das Netzteil: Das Typenschild sollte eine entsprechende Information bieten, falls eine Blindleistungskompensation verbaut wurde.
