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Spezialadapter mit Kondensatoren an der PCIe-Buchse der Grafikkarte gegen Lastspitzen – Schlangenöl oder Wundermittel? | Praxis

Lastspitzen, die sogar nominell ausreichend bemessene Netzteile zum plötzlichen Abschalten bringen können, sind gerade in aller Munde, vor allem seit dem Launch von NVIDIAs aktueller Ampere Generation. Dass das die Legendenbildung und natürlich auch die Zubehörindustrie mit auf den Plan ruft, ist auch unbestritten. Doch bringt es überhaupt etwas, außerhalb der Grafikkarte, also gleich nach den 8-Pin-Buchsen noch einen Kondensator zwischen den 12 Volt-Leitungen und Masse zu positionieren? Jain, aber eher mit einer Tendenz zum Nein. Da sich das Ganze auch messen und erklären lässt, habe ich mich einfach mal darangesetzt.

Testaufbau und Methodik

Der Testaufbau dafür ein relativ einfach, denn ich messe einerseits die fließenden Ströme direkt an der Grafikkarte, also gleich hinter dem Stecker. In den nachfolgenden Messungen sehen wir diese Werte immer als blaue Kurve. Im Bild sehen wir einen meiner Kondensator-Adapter und bei der Messung ohne Adapter setzt die Zange an der gleichen Position, dann aber direkt auf den PCIe-Anschlusskabel.

Dann messe ich die Ströme noch einmal direkt am Netzteil, also kurz vor der Anschlussbuchse am vollmodularen Netzteil. Zum Einsatz kommt ein be quiet! Straight Power mit 1000 Watt Nennleistung und angenehm niedriger Restwelligkeit. Diese Werte repräsentiert später die gelbe Kurve. Die ebenfalls in den Kurvendiagrammen auftauchende rote Kurve stellt die Differenz der fließenden Ströme dar (Blau minus Gelb), sie ist also eine Art Verlustkurve.

Auf dem nachfolgenden Bild sehen wir noch einmal den Testaufbau im Stück. Die Lila-Kurve ist hier die Betriebsspannung, die ich zur Kontrolle direkt an der Grafikkarte messe. Man kann aber bereits auf den Bild erkennen, dass es selbst im Mikrosekundenbereich keinerlei Spannungsschwankungen gibt und die leichten Fransen die normale Restwelligkeit repräsentieren, die man immer vorfindet. Genau aus diesem Grund habe ich in den Grafiken, auch zur besseren Nachvollziehbarkeit, die jeweilige Leistung in Watt als Produkt aus Strom und Spannung aufgeführt und nicht nur die Ströme. Für die Allgemeinheit dürfte dies einfach verständlicher sein.

Für den Test nutze ich mit Absicht ein Modell mit nur einem einzigen 8-Pin-Versorgungsanschluss in Form der GeForce RTX 3070 Founders Edition, weil es das Messen im obigen Aufbau doch deutlich vereinfacht. Allerdings hängen auch bei dieser Karte nicht alle Phasen der GPU-Spannungsversorgung (NVVDD) am externen PCIe-Anschluss. sondern satte 5,5 Ampere (also das Maximum des von der PCI SIG als Norm Erlaubten) fließen auch über den Motherboard-Slot! Knapp 66 Watt der Gesamtleistungsaufnahme von 225 Watt gehen also nicht über das angeschlossene PCIe-Kabel, was etwas weniger als ein Drittel ist. Trotzdem bleibt da noch ein ordentlicher Stromfluss am Kabel übrig.

Ich habe mit verschiedenen Intervallen, Kapazitäten und Kondensatortypen experimentiert: Aluminium-Elektrolyt- vs. Aluminium-Polymer-Kondensatoren und Kapazitäten von 160 bis 4400 μF sowie Messintervallen von 100 ms bis 6 ms (was bei 6000 Messpunkten dann eine Auflösung von 200 bis zu 10 μS ergibt). Bei einem durchschnittlichen Stromfluss von 12,7 Ampere am Netzteil (und einer Leistung von knapp 153 Watt) waren allerdings alle Kapazitäten unterhalb von 1000 μF nahezu wirkungslos, egal, welcher Kondensatortyp genutzt wurde. Ab 1000 μF habe ich nur noch Elektrolyt-Kondensatoren genutzt und am Ende waren es dann über die Zwischenstation mit 2200 μF sogar satte 4400 μF, um überhaupt signifikante Unterschiede noch optisch darstellen zu können!

 

Die Anregung zu dieser Messreihe und erste Erfahrungen resultieren übrigens noch aus meinem Besuch der Entwicklungsabteilung von FSP auf Taiwan, als es genau um die damals aufkommende Thematik der immer Lastspitzen-freudigeren Grafikkarten ging. Wir sehen also, das Thema ist nicht neu, nur aktuell deutlich wichtiger als noch damals. Ich verzichte an dieser Stelle auch bewusst auf die näheren Erläuterungen zu den Unterschieden bei den Kondensator-Typen, weil sich diese für den aktuellen Versuch als eher nebensächlich erwiesen haben. sowie auf eine andere Details, die die Allgemeinheit eher irritieren als aufklären würden.

Eingangsfilterung auf Grafikkarten, Ausgangsfilterung am Netzteil und das Anschlusskabel

Die sogenannte Eingangsfilterung ist eigentlich eher eine Ausgangsfilterung, welche die hochfrequenten Einflüsse der mit 300 bis 500 KHz recht schnell schaltenden Spannungswandler auf den Rest des System zu unterdrücken hilft. Während NVIDIA im Base-Design-Kit der Referenz weiterhin auf eine jeweils eine Spule pro Rail /Buchse (Low-Pass)  als einfache Längsdrossel setzt, ist es bei AMD seit Big Navi jeweils ein echtes LC-Filter (siehe Bild unten) mit Spule (Low Pass) und einem oder zwei Kondensatoren (Aluminium-Polymer, High Pass). Das ist also nichts anderes als eine Art Tiefpass2. Ordnung. Gegen die auftretenden maximalen Lastspitzen hilft das alles also nur bedingt, auch wenn es durchaus etwas Kurvenkosmetik bedeuten kann. Nun ja, etwas.

Die Richtung des LC-Filters lässt sich übrigens immer schön daran erkennen, auf welcher Seite der Spulen die Kondensatoren angeordnet sind, wenn nur eine Seite damit beglückt wurde. Am Bild oben erkennt man, dass die Richtung des Filters von Richtung VRM zu den Buchsen geht (Lötaugen oben). Und genau jetzt stellt sich die Frage, was ein an der Ausgangsseite (also noch hinter der Buchse positionierter) Kondensator eigentlich bringen soll. Es ist ja bereits ein normaler Tiefpass 1. Ordnung und würde am Ende nur zu einem Pi-Filter erweitert, was aber in unserem Fall gar nichts bringt.

Netzteilseitig ist in jedem besseren Netzteil mit modularem Kabelmanagement sowieso auf (oder kurz vor) der Anschlussplatine der eine oder andere Solid verbaut (Bild unten), der aber in erster Linie die streuenden Einflüsse des Haupttransformators in Richtung Ausgang zur Grafikkarte abblocken soll. Denn auch Kabel und Platinen wirken wie Antennen. Sekundärseitig ist also alles abgepuffert und bestückt. Genau da messe ich ja auch die gelbe Kurve.

Zwischen den beiden Komponenten befindet sich außerdem ein ordentliches PCIe-Anschlusskabel. Je geringer der Widerstand (Querschnitt, Kupferqualität, Länge), umso weniger werden wir noch Einflüsse und Leitungsverluste feststellen können. So gerüstet, können wir nun ans Werk gehen und die beiden Extremfälle messen. Einmal ganz ohne “Filter” und einmal mit einer Kombination aus zwei großen Elektrolyt-Kondensatoren, um überhaupt etwas messen zu können. Als dann…. bitte weiterblättern!

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Deridex

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Hm, habe ich das falsch im Kopf? Hatte den RC-Filter als Tiefpass 1. Ordnung und den LC-Filter als Tiefpass 2. Ordnung in Erinnerung.

So oder so: Ich hoffe damit dürfte vielen klar sein, dass Elkos allein bei den Lastspitzen nicht viel bringen.

Edit: Ab einer gewissen Kapazität können die Elkos alein im Einschaltmoment sogar zu Problem werden.

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Igor Wallossek

Format©

5,591 Kommentare 8,643 Likes

Das mit der 1. und 2. Ordnung ergibt sich aus der Anzahl der Kombinationen aus Hoch- (HP) und Tiefpass (LP) also der Anzahl der passiven Bandpässe. Einfache Bandpässe mit jeweils nur einen frequenzbestimmenden Bauteil für HP und LP sind immer Filter 1. Ordnung, egal ob nun RC oder LC. Das gilt auch für Bandsperren bei Parallelschaltung. Nimmt man dann jedoch zwei unterschiedliche Speicherglieder für LP und HP, dann werden es Filter 2. Ordnung.

Man kann auch T und Pi-Filter bauen. Das mit dem zweiten Kondensator an der Buchse oben wäre z.B. eine Pi-Filter als passiver Tiefpass. :)

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Martin Gut

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3,416 Kommentare 1,159 Likes

Hallo Igor

Danke für den Test.

Mich würde interessieren, ob bei einem Netzteil an der Leistungsgrenze grössere Unterschiede Messbar sind. Bei diesem Beispiel scheint das Netzteil ja bereits genug Kondensatoren verbaut zu haben. Dann nochmals einen dazu zu bauen hat nicht so viel Einfluss. Wenn man nun aber ein Netzteil nimmt, das zu wenig Kondensatoren hat, weil es an seiner Leistungsgrenze läuft, könnte der zusätzliche Kondensator schon einen Unterschied machen. Man müsste also beispielsweise mit einer RTX 3080 an einem 550 Watt-Netzteil testen bei dem Probleme auftreten.

Nach deiner Beschreibung kann ich mir aber vorstellen, dass es auch da wenig ausmacht, weil es zu wenig filtert oder die falsche Methode ist gegen diese Schwankungen vorzugehen. Sinnvoller wäre es so oder so, die starken Schwankungen zu verringern indem man das Boostverhalten der Karte sanfter macht.

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RedF

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1,138 Kommentare 389 Likes

Ich mag Schlangenöl Tests : ) . Gerade wenn das keine Häkelkäfer zur verbesserung des Audiosignals sind.
( soll heißen das das auf den ersten blick ja sinnvoll erscheint )

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DommeP

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75 Kommentare 18 Likes

Hallo und Danke für den Test :)

Joar, das Caps da so nicht viel bringen wundert mich nicht, selbst welche mit niedrigem ESR glätten halt primär die eh schon relativ unproblematische Spannung und sorgen nur für eine Phasenverschiebung des Stroms. Nett wäre ein gegenversuch mit Drosseln/Rinkernspulen gewesen mit dem Vergleich der Spannung an Graka Anschluss - falls die Graka dann nicht irgendwann die Grätsche macht.
Stromspitzen weg - ebenso wie die glatte Spannung. Irgendwo muss die Leistung ja herkommen.

Und ein (CLC? DC Servo??) Aufbau der schnell genug die Leistungsspitzen der Graka abdecken könnte ohne das das NT was davon mitbekommt klingt eher nach einer neuen Grakastütze als einer kurzen Adapterleitung.
Und nach der Lösung eines nicht vorhandenen Problems - solange man das gesparte Geld in vernünftige Netzteile investiert^^

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Deridex

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1,663 Kommentare 486 Likes

@Igor Wallossek
Ich habe extra nochmal die Fachliteratur usw. bemüht:
Natürlich lassen sich Filter 1. Ordnung zu Filtern höherer Ordnung kaskadieren. Da hast du rselbstverständlich recht.

Dennoch wird bei dem, wo ich nachgesehen habe, ein LC-Filter als Tiefpass 2. Ordnung angesehen. Der Grund ist ganz salop gesagt: Es ist quasi eine Kombination aus RC-Filter und LR-Filter. Letzteren Filter vergesse ich immer, weswegen ich auch nachsehen musste 😀

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FfFCMAD

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Im Prinzip muesste also eine Art Schaltung her, die Grafikkartenseite und Netzteilseite entkoppelt. Oder verstehe ich da was falsch? Also aehnlich einer USV.

Mit so einem angeloeteten Kondensator verschiebt sich sich der Spannungsverlauf ein wenig und das wars. Der laedt sich ja in dem Moment auf, wo die Grafikkarte nicht mehr am Strohalm nuckelt und gibt dann Energie ab, wenn sie beginnt zu nuckeln. (Da haengt ja meist noch mehr am Kabel und das Netzteil wird das sicherlich auch in irgendeiner Form terminieren.)

Edit: Korrigiert...

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DommeP

Mitglied

75 Kommentare 18 Likes

@Deridex
Den Letzten?
Beim Vierpol mit 2 Bauelementen gibt's für TP und HP jeweils eine Variante mit C & L und mit beiden -> Mir Fallen 6 ein.
Filter - In Reihe - Parallel
TP - R - C
TP - L - R
TP - L - C
HP - R - L
HP - C - R
HP - C - L

Edit: jetzt weiß ich welchen letzteren - alles klar.

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Igor Wallossek

Format©

5,591 Kommentare 8,643 Likes

Man muss immer die Frequenzen und Ströme mit betrachten. Die verwendete Spule hat zwar auch einen Innenwiderstand, den man aber hier geradezu vernachlässigen kann, weil er für die Filterwirkumg im Verhältnis nahezu irrelevant ist. Das gilt auch für den "Innenwiderstand" des Kondensators. Im NF-Bereich kenne ich eigentlich keinen, der ein einfaches LC Glied in die 2. Ordnung erhebt. Mehr als 6dB pro Oktave bekomme ich hier nicht hin. ;)

Ich weiß aber, dass man wegen der Flankensteilheit gern das LC-Filter auch als Filter 2. Ordnung betrachtet, weil ein RC-Filter noch schlechter abschneidet. Das Schlimme ist, dass man eigentlich Argumente für Beides findet. :(

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vezixig

Neuling

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Super, vielen Dank für den Test! Ich habe mich schon lange gefragt, ob diese "Ausbuchtungen" am Kabel wirklich sein müssen.
Hat mir sehr geholfen!

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About the author

Igor Wallossek

Chefredakteur und Namensgeber von igor'sLAB als inhaltlichem Nachfolger von Tom's Hardware Deutschland, deren Lizenz im Juni 2019 zurückgegeben wurde, um den qualitativen Ansprüchen der Webinhalte und Herausforderungen der neuen Medien wie z.B. YouTube mit einem eigenen Kanal besser gerecht werden zu können.

Computer-Nerd seit 1983, Audio-Freak seit 1979 und seit über 50 Jahren so ziemlich offen für alles, was einen Stecker oder einen Akku hat.

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