Computersystemen/Spanningsbron

Doelstellingen

Onderstaande doelstellingen komen in meer of mindere mate aan bod. De grijze doelstellingen komen hier niet aan bod. Dat zijn bv. praktijkoefeningen die aansluiten bij deze theorie, maar die in dit Wikibook niet behandeld worden. Of bv. theorie die in een ander hoofdstuk wordt behandeld.

Uit het leerplan van Applicatie- en Databeheer, een deel van leerplandoel 23:

• LPD 23: De leerlingen lichten de opbouw en werking van een computersysteem met zijn basiscomponenten en optionele componenten toe.
  • Aansluitingen en connectoren
  • Functie van controller en driver
• Lexicon. De basiscomponenten van een computersysteem zijn: moederbord, processor,intern geheugen (werkgeheugen, cache geheugen, systeemgeheugen, CMOS), koeling, voeding, grafische kaart, klok.
• Lexicon. De optionele componenten van een computersysteem zijn hardwarecomponenten die dienen voor invoer, uitvoer of opslag
• Wenk. Enkel de gangbare actuele basiscomponenten en optionele componenten van een computersysteem worden besproken. Je kan ook sensoren als mogelijk invoerapparaat voor een smartphone behandelen.

Uit het leerplan Toegepaste Informatica van de richting Informaticabeheer:

• 1.3.3 Het principe van stroom via usb toelichten.
• 1.3.7 De kenmerken en toepassingsgebieden van een aantal moderne batterijtypes toelichten en vergelijken.
• 1.5.5 Gelijk- en wisselspanning correct uitmeten.
• 3.5.5 De kenmerken en het nut van een UPS toelichten.
• 3.1.14 De functie van de belangrijkste componenten van een netwerk toelichten, onder meer werkstation, server, repeater, access point, switch, router, gateway, noodbatterij, backbone, SAN, NAS.

Er zijn verschillende spanningsbronnen om elektronica te laten werken. Door de toename van mobiele toepassingen (laptop, tablet, smartphone, IoT) wordt de ontwikkeling van batterijen belangrijk. Door de afhankelijkheid van netwerken wordt een noodstroomvoeding (UPS, noodstroomaggregaat) ook belangrijk. In het toekomstig, wispelturig(er) elektriciteitsnet (wind, zonnepanelen,...) zullen batterijen, elektronica en software (beheer, monitoring, voorspelling,...) een belangrijke rol spelen in het beheer ervan.

PSU

Een PSU (Power Supply Unit) vormt de wisselspanning van het lichtnet (in Europa 230V op 50Hz) om naar een reeks gelijkspanningen (+12V, -12V, +5V, -5V, +3,3V). Deze gelijkspanningen zijn oa. nodig voor het moederbord en de opslagmedia. Bij high end systemen is er vaak ook een aparte voedingskabel vanaf de PSU naar de processor en/of de grafische kaart.

Enkele kenmerken:

• Totaal vermogen. Dit moet overeenstemmen met de configuratie zoals processor, moederbord, grafische kaart en opslagmedia. Licht overdimensioneren kan zeker geen kwaad (bv. bij een extra harde schijf in de toekomst).
• Vermogen per rail. Staar je niet alleen blind op het totaal maximaal vermogen, maar bekijk dit ook per rail. Zo merk je bij de afbeelding met specificaties een totaal vermogen van 350W, maar bij de 3,3V & 5V rail maar 180W.
• De vormfactor. Een ATX-voeding zorgt ervoor dat je deze kan inbouwen in een ATX-computerkast en aansluiten op een ATX-moederbord. Er bestaat een 20- en 24-pin variant. Vaak kan je bij de 24-pin er 4 losmaken, zodat je deze ook op een 20-pin moederbord kan gebruiken. Door het volgen van deze standaard ben je behoorlijk vrij in jouw keuze. Sommige merkpc's maken gebruik van een merkeigen PSU. Bij een defect moet je een nieuwe PSU via hen aanschaffen en door deze vendor lock-in kan de prijs behoorlijk hoog uitvallen.

Een onstabiel systeem kan o.a. komen door een slechte of ondergedimensioneerde voeding. Je kan deze uitmeten met een klassieke voltmeter, maar er bestaan ook speciale PSU-testers. Als je de pinouts uitmeet met een voltmeter, dan meet je steeds een spanningsverschil, waarbij je normaal uitmeet t.o.v. de aarding. Meten tussen -5V en 0V zal zo -5V geven. Tussen 5V en 5V zal dit 0V zijn (en niet 10V). Tussen +12V en -12V zal dit 24V zijn (en niet 0V).

• 
  ATX
• 
  Niet-standaard
• 
  Server
• 
  Specificaties
• 
  Voedingsconnectoren
• 
  Pinouts ATX
• 
  20- en 24-pins
• 
  PSU-tester

Ter info enkele belangrijke opmerkingen bij de pinouts van ATX:

• De zwarte kleur staat symbool voor de aarding (en dus 0V) en wordt soms aangegeven door GND, COM of massa.
• Vroeger had je een aan-uit-schakelaar om de pc aan te zetten (zoals bij een lichtschakelaar). Nu wordt gewerkt met een soft switch, waardoor de ATX-controller het PS_ON-signaaal aanzet om de volledige voeding aan te schakelen. Om de voeding aan te zetten zonder moederbord/pc moet je een "verbinding" maken tussen groen (PS_ON) en zwart, bv. met een jumper cable of paperclip.
• Het duurt een fractie van een seconde vooraleer alle spanningen stabiel zijn. Om te beletten dat de pc opstart in deze periode, zal de voeding pas een PWR_OK-signaal genereren als alle spanningen stabiel zijn. Pas na dit signaal begint de rest van de pc aan zijn opstartproces.
• De SB-vermelding zorgt dat een standby-functie van de computer mogelijk is of zodat de pc via Wake-on-LAN terug gewekt kan worden.

Batterij

Een batterij (of accu) is ook een spanningsbron, omdat deze een elektrische spanning afgeeft waarvan de grootte bij het aansluiten van een elektrische belasting niet (veel) afneemt. Met andere woorden, als er een stroom gaat lopen blijft de spanning tussen de twee aansluitpunten van de spanningsbron gelijk. De stroomsterkte die de spanningsbron levert, wordt bepaald door de aangesloten belasting.

Met een hydraulische analogie wordt soms verwezen naar een pomp die gebruikt kan worden om water te laten stromen, maar het concept van "opslag van energie" is hier niet zo aanwezig. Een andere analogie is een spaarbekken waar je water in opslaat.

Kenmerken

Onderstaande kenmerken zijn van toepassing als specificaties van een batterij, waarvan sommige kenmerken enkel toepasbaar zijn op oplaadbare batterijen. Sommige kenmerken zijn duidelijk te bepalen (bv. bronspanning), maar andere minder gemakkelijk (bijv. de levensduur). De meest bekende kenmerken zijn wellicht de capaciteit, de wattuur en de bronspanning.

• De capaciteit van (oplaadbare) batterijen, uitgedrukt in ampère-uur of Ah (een eenheid voor elektrische lading, niet van energie!) is de totale hoeveelheid lading die bij 1 ampère in 1 uur heeft gestroomd. Zo kan een 100 Ah accu 20 uur lang 5 ampère leveren (bij 20° C). Op wegwerpbatterijen laten fabrikanten dat meestal achterwege. Door het parallel schakelen van batterijen, kan je de totale capaciteit verhogen.
• De wattuur drukt uit hoelang je een bepaald vermogen van een batterij kan afnemen. Een 100 Wh batterij laat toe om 10 W voor 10 uren af te nemen.
• De prijs is uiteraard een belangrijk kenmerk, vaak bekeken als energie/prijs: hoeveel energie krijg ik voor een bepaald bedrag. Dit wordt dan uitgedrukt in Wh/EUR.
• De energiedichtheid (in Wh/kg of Wh/l) is de hoeveelheid energie per massa- of volume-eenheid en is dus belangrijk bij mobiele toepassingen. Dit wijst dus op de maximale energie die er per kg of per liter kan worden in opgeslagen.
• De vermogensdichtheid (in W/kg) wijst op het maximale vermogen dat per kilo kan geleverd kan worden. De vermogensdichtheid lijkt goed op de energiedichtheid, maar het zijn zeker geen synoniemen. Voor sommige toepassingen (bv. de loodaccu van een auto) is niet superveel energie nodig (een lage energiedichtheid is niet erg), maar moet er wel kortstondig een hoog vermogen kunnen aangeboden worden (een hoge vermogensdichtheid is dus wel nodig).
• De laad/ontlaadefficiëntie geven respectievelijk aan hoeveel van de energie bij het laden wordt opgeslagen en welk deel van de opgeslagen energie bij het ontladen benut kan worden. Als deze bijvoorbeeld 50-92% zijn, zal van de energie die bij het laden toegevoerd wordt, 50% in de accu terechtkomen (de rest gaat verloren als restwarmte). Bij gebruik van de accu zal 92% van de opgeslagen energie benut kunnen worden en zal de overige 8% verloren gaan als restwarmte.
• Zelfontlading is een vervelende eigenschap van een accu, waardoor de elektrische lading langzaam verdwijnt, zonder dat de accu gebruikt wordt. Met een hydraulische analogie zou je de accu kunnen vergelijken met een emmer: wat je er in stopt kan je er ook weer uithalen. Als je echter te lang wacht verdwijnt (bij een emmer: verdampt) de inhoud.
• De bronspanning (in V) is de spanning tussen de klemmen van de accu in onbelaste toestand. Opgelet: een bijna lege batterij zal een lagere spanning hebben dan zijn officiële specificatie! Als er eenzelfde vermogen nodig is, dan moet de stroom dus hoger zijn. Door het serieel schakelen van batterijen kan de totale bronspanning verhoogd worden.
• Het aantal laadcycli dat de batterij kan verdragen, zonder dat de capaciteit of bronspanning te veel vermindert. Bij sommige types batterijen telt het twee keer ontladen en terug opladen maar als één laadcycli. Dit is bv. als je de helft van de batterij ontlaadt door gebruik, daarna terug volledig oplaadt, om deze daarna terug voor de helft te ontladen en om deze tenslotte terug volledig op te laden.
• De SoC (State of charge) drukt in een percentage uit hoe vol de batterij geladen is. Dit wordt gebruikt door het BMS (Battery management system) om te weten hoeveel er nog geladen of ontladen kan worden.
• De levensduur (State of health of SoH) drukt uit hoe de situatie van de batterij is t.o.v. zijn ideale conditie. Een net aanschafte batterij zou dan 100% zijn. Deze SoH hangt af van de omstandigheden (o.a. temperatuur) waarin de batterij wordt bewaard, geladen en ontladen. Ook het aantal laadcycli speelt een rol.

Let goed op de gebruikte eenheden! Bij de capaciteit van oplaadbare batterijen is de eenheid ampère-uur, dus Ah en niet A/h! En bij energiedichtheid is de eenheid Wh/kg of Wh/l en niet W/h/kg of W/h/l!

Toepassingsgebieden

Als je de toepassingsgebieden van een batterij bekijkt, kan je dat doen op basis van het formaat of op basis van de technologie.

Het formaat is soms gestandaardiseerd, wat toelaat dat diegene die apparaten maken hun batterijhouder hierop kunnen ontwerpen.

• Een knoopcel is een schijfvormige batterij, ongeveer ter grootte van een knoop. Knoopcellen worden toegepast in veel draagbare elektronische apparaten die een zeer gering stroomverbruik hebben. Voorbeelden hiervan zijn: de BIOS-batterij op het moederbord, horloges, rekenmachines, afstandsbedieningen, hoortoestellen, allerlei speelgoed en dergelijke.
• Van de cilindervormige batterijen zijn de meest bekende waarschijnlijk de AA en AAA batterijen. Afhankelijk van hoeveel ruimte er is wordt de grotere AA (bv. bij een fietslamp) of de kleinere AAA (bv. bij een afstandsbediening) gebruikt.
• Van de blokvormige batterijen is de 9-volt batterij wellicht de bekendste. Deze wordt vaak gebruikt bij walkie talkies en rookdetectoren.
• Helaas zijn niet alle batterijen/accu's gestandaardiseerd wat de uitwisselbaarheid verkleint en de vendor lock-in vergroot. Denk bv. aan fiets- en laptopaccu's. In sommige situaties is de accu zelfs niet eens (of moeilijk) te vervangen. In dat opzicht kan het interessant zijn om iFixit te bezoeken, om de repareerbaarheid te weten.

Bij de technologie is er heel wat onderzoek, door de vraag vanuit de mobiele wereld (laptop, gsm, smartphone, tablet,...), de mobiliteit (elektrische fietsen, auto's, bussen, ...) en hernieuwbare energie. De ideale batterij bestaat niet en dus is het vaak een afweging van situatie tot situatie: zo zal bij een thuisbatterij het gewicht minder belangrijk zijn dan bij de elektrische fiets. Je kan ver gaan in de vergelijking tussen de verschillende types, hier wordt de lijst beperkt:

• Een loodaccu is vooral bekend als startaccu voor een klassieke ('fossiele') auto en deze kan in korte tijd hoge stroom leveren. De voordelen zijn o.a.: de eenvoud, relatief goedkoop te maken en relatief gemakkelijk te recycleren.
• Een alkalinebatterij is een niet-oplaadbare batterij die vaak gebruikt wordt voor speelgoed, flitslampen van camera's en mp3-spelers. De alkalinebatterij is een batterij met goede prestaties, zelfs bij lage temperaturen. Ook hebben deze batterijen een hoog opslagvermogen en een lange levensduur.
• Een Lithium-ion-accu of Li-ion-accu is een accu die vaak in consumentenelektronica, elektrische mobiliteit wordt gebruikt, vooral vanwege de hoge energiedichtheid. Een nadeel is dat dit type niet te ver ontladen mag worden en daarom is deze voorzien van een regelsysteem (BMS, battery management system). Er zijn gevallen van explosie en brand door hoge temperaturen.

• 
  Diverse batterijen: 3R12, R20, R14, R6, R03, R61, 8R23, 6R61, knoopcellen
• 
  Binnenkant van een 9V batterij
• 
  Loodaccu
• 
  Nokia Li-ion

Accuparken in Europa

In de toekomst kunnen batterijen er mee voor zorgen dat het elektriciteitsnet niet in mekaar stort door de moeilijk voorspelbare elektriciteitsstromen uit windmolens en zonnepanelen. Nu al zijn ze handig voor het stabiliseren van de netfrequentie, daar ze in milliseconden kunnen reageren. In Noord-Duitsland is de grootste batterij van Europa in werking gezet: 10.000 lithium-ion batterijen met een totaal vermogen van 48 MW. Dat klinkt veel maar is nog geen 2% van wat er in Europa staat aan middelen (opslag en stroomcentrales) om het hoogspanningsnet in evenwicht te houden. Bovendien is de kost van ongeveer 30 miljoen euro niet min en na een uur op vol vermogen zijn de batterijen al leeg. In Vlaanderen is er een accupark in Ruien (een investering van ca. 11 miljoen euro) en in Dilsen-Stokkem.

(nl) Vlaanderen krijgt accupark van 25 megawatt. Tweakers.net (2018-06-26). (nl) Grootste stroombatterij in Europa moet black-outs helpen voorkomen. VRT NWS (2018-05-11).

De auto als mobiele energiecentrale

V2x is nu nog een ietwat cryptische term, maar de techniek zal in de nabije toekomst mogelijk in iedere auto en laadpaal zitten. Het is de verzamelterm voor elektrische auto's (vehicle) die energie kunnen terugleveren, dankzij een bidirectionele omvormer. Je kunt je auto dan op je huis (v2home), aan je bedrijf (v2business), aan het elektriciteitsnet (v2grid) of aan een klassiek toestel (v2load, bv. laptop opladen) koppelen.

(nl) De auto als mobiele energiecentrale. Tweakers.net (2022-05-21).

USB

USB kan zowel gebruikt worden voor de overdracht van data, als het voorzien van een apparaat van een beperkt vermogen. Er zijn dan twee pinnen/kabeltjes voorzien voor stroom (aarding en 5 Volt) en twee voor de eigenlijke data. Eenvoudige apparaten hebben voldoende aan dat beperkt vermogen en kunnen dus via USB de nodige stroom krijgen (bv. muis, toetsenbord, USB-stick, webcam, HDD, opladen van smartphone,...). Men spreekt dan over buspowering. Soms wordt een Y-USB-kabel voorzien wanneer een enkele USB-poort onvoldoende vermogen kan leveren (bv. bij sommige externe HDDs). Voor apparaten met een groot vermogen (bv. printer, scanner, HDD) is USB vaak ontoereikend en moet een aparte spanningsbron voorzien worden (selfpowering).

• 
  Configuratie USB A en B
• 
  Opengemaakte USB-kabel
• 
  Y-USB-kabel

Adapter

Een netvoedingsadapter is een toestel dat de netspanning omzet in een lagere spanning, meestal gelijkspanning, bijvoorbeeld voor het opladen van een mobiele telefoon, laptop of tablet.

De belangrijkste specificaties slaan op de input (bv. 230V wisselspanning op 50 Hz) en output (bv. 12V gelijkspanning en 500mA). De uitgangsspanning moet exact overeenkomen met wat het apparaat vraagt, maar de vermelde stroom op de adapter mag meer zijn t.o.v. de waarde die het apparaat vermeldt (maar niet minder).

• 
• 
• 
• 

Noodstroomvoeding

Noodstroomvoeding is de voeding van een elektrisch netwerk, die in bedrijf komt zodra...

• ... de gebruikelijke primaire voeding uitvalt.
• ... de frequentie van de wisselspanning teveel afwijkt van de gebruikelijke frequentie (in Europa 50 Hz).
• ... de spanning teveel afwijkt van de gebruikelijke spanning (in Europa 230 V).

Binnen een netwerk neemt bv. de server een prominente rol in. Bij problemen met de primaire voeding kan het zijn dat er elektronica defect gaat of data verloren gaat. Dankzij een noodstroomvoeding kan de server nog een tijdje doorwerken of op zijn minst netjes afsluiten (bv. transacties afwerken, RAM bewaren op een opslagmedium, HDD tot stilstand brengen).

Als noodstroomvoeding wordt vaak een UPS (en:uninterruptible power supply) gebruikt, die intern een batterij heeft. Hoe groter die batterij, hoe langer men zonder primaire voeding kan. Als men ook langere periodes wil kunnen overbruggen, zal men dit combineren met een noodstroomaggregaat.

• 
  Voorkant UPS
• 
  Achterkant UPS
• 
  500kVA-UPS
• 
  Dieselmotor

Stroomstoring Amsterdam leidt tot problemen bij datacenter

Een stroomstoring in Amsterdam heeft tot problemen bij het datacenter van TransIP geleid, waardoor diensten en sites van klanten tijdelijk offline waren. Een systeemstoring in combinatie met de weigering van een back-upgenerator zorgde voor problemen. De storing had ook impact op de site van Hardware.info, na de storing wilde een webserver niet herstarten. Vooral de commentaren bij het artikel zijn interessant om te weten in hoeverre je je kan wapenen bij problemen met de stroomvoorziening.

(nl) Stroomstoring Amsterdam leidt tot problemen bij TransIP. Tweakers.net (2017-01-17).