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Unser neuer TDP-Simulator entsteht – Noch bessere Messungen für Kühler, Wasserblöcke, Radiatoren, Wärmeleitpasten und Pads | Praxis

Wir alle wissen: Igor`s LAB und zuverlässige Messtechnik gehören zusammen wie Zeter und Mordio und obwohl das eine alte Interjektion aus der Gerichtsbarkeit ist, trifft sie den Sinn doch ganz gut. Ich, Bernhard von CrankzWare, wurde von Igor konsultiert und um praktische Hilfe gebeten, um gemeinsam einen Messtechnik-Prototypen als TDP-Simulator zu entwickeln und quasi auch real existierend auf die Welt zu bringen. Natürlich stehe ich meinem lieben Freund gerne mit Sach- und Fertigungsverstand zur Seite, so dass dieses Projekt am Ende nicht nur sehr viel Spaß gemacht, sondern auch ordentlich Nerven gekostet hat. Also genau so, wie es sich für ein anspruchsvolles Vorhaben auch gehört. Sonst wäre das Leben ja fade und langweilig.

Aber um was geht es jetzt im Konkreten? Igor möchte Kühlungskomponenten und Wärmeleitmittel, egal ob luft- oder wassergebunden, zuverlässig und auch reproduzierbar testen. Im Primärfokus steht bei diesem Vorhaben die genaue Regelung der Abwärme in Watt, sekundär natürlich auch die Nachvollziehbarkeit und die Eignung im Einsatz einer Laborumgebung. Es geht also, kurzgesagt, um die Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie. Was besonders spannend bei diesem Vorhaben ist: Ich muss mit Absicht genau das emittieren, was Chips eigentlich nur als lästige Nebenerscheinung ausstoßen, nämlich Hitze.

Als Lastenheft wurden mir folgende Maxime vorgeschrieben:

  • Sicherer Betrieb
  • Hohe Belastbarkeit
  • Genaue Messtoleranzen (</=1%)
  • Hohe Reproduzierbarkeit aller Tests
  • Skalierbarkeit und Editierbarkeit der Aufbauten
  • Vorgefertigte TDP-Stufen für übliche Abwärmeklassen mit Fein-Tuning
  • Universeller Aufsatz, um vielfältige Messungen auch spartenübergreifend zu ermöglichen

Da ich kein Metaller bin und es sicher auch nie werde, wird Igor die weiterführenden Arbeiten wie spezielle Auflageflächen für Wärmeleitpads mit speziellen Sensoren und Druckverstellung noch selbst weiterentwickeln und fertigen (lassen). Mein Part ist der einer möglicht genauen Hitzeschleuder als verlässliche und strapazierfähige Basis. Der Rest ist dann eine reine Zubehörentwicklung und nicht mehr mein Ding. Doch auch der Aufbau der Heizstation ist etwas kniffliger geworden, als anfangs gedacht. Doch ich will nicht vorgreifen.

Die Konzeption

Wenn Strom in Hitze umgewandelt werden soll, denkt man zuerst immer an die Temperaturfestigkeit möglicher Komponenten und Baugruppen. Natürlich habe ich mich in diesem Kontext dann für ein Aluminium-Gehäuse entschieden, denn eine thermische Entkopplung zwischen Heizkern und Gehäuse kann mir ja niemals wirklich zu 100 % gelingen. Der nächste Gedanke war dann, wie man diesen Prototypen sicher im Betrieb gestalten kann. Die Antwort ist, zumindest bei funktionierender Haustechnik denkbar einfach: Eine Eingangssicherung, sowie eine anständige Erdung des Gehäuses sind die üblichen Mindestanforderungen.

Weiter geht es dann mit der generellen Elektronik: Wir verwenden Netzteilbausteine, die unsere 230V Wechselstrom zu 12V Gleichstrom umwandeln. Der Heizkern wird diese 12V dann benutzen, um Strom effizient in Hitze umzuwandeln. Hierbei gibt es zwei grundsätzliche Ideen: Entweder benutzt man Heizkartuschen, um den Heizkern zu befeuern, oder Lastwiderstände. Beides sollte funktionieren, ich habe mich aber in letzter Konsequenz für zweiteres entschieden, den Grund erfahrt ihr später.

Die meiste Arbeitsleistung verschlingt die Steuerung. Diese soll schnell, präzise und nachvollziehbar sein. Natürlich ist es im ersten Schritt gut, wenn wir uns die Energieumwandlung im Generellen ausgedacht haben, aber Leistung ohne Kontrolle ist auch nichts wert. Da wir es als „Verbraucher“ ausschließlich mit Heizkartuschen oder Lastwiderständen zu tun haben, ist meine Lösung: Endstufe, PWM-geregelt auf Low-Side.

Da der Status, sowie die Einstellungen des Gerätes auch in raueren Umgebungen schnell und zuverlässig funktionieren muss, (und weil mein Softwareentwickler kapazitätstechnisch aus dem letzten Loch pfeift), bleiben wir hier bei Analogtechnik. Natürlich würde sich hier auch ein programmierbares Display anbieten, aber dafür bräuchte ich erheblich mehr Entwicklungszeit, also tun es in diesem Fall erst einmal LEDs und ein Potentiometer, sowie ein paar beleuchtete LCDs.

Ich hatte meinen Spaß beim Planen und dem Zusammenbau, Ihr habt ihn jetzt (hoffentlich) beim Lesen. Und ich kann Euch jetzt schon versprechen, es wird sicher interessant und alles andere als zu theoretisch und langweilig. Wir sind ja immer noch Handwerker und Entwickler, keine Politiker 🙂

 

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RedF

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2,869 Kommentare 1,281 Likes

Danke für die einblicke in das Projekt.

Jetzt kann ich erste messungen kaum abwarten : )

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ipat66

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Freue mich auch schon auf die Ergebnisse.
Geiles Projekt !!!
Danke Igor,danke Bernhard.

Eine Frage kam mir aber in den Sinn,als ich das Photo des fertig montierten TDP-Simulator sah.

Wie lange wird die (scheinbare) Obergrenze von 240 W ausreichen?
Der immer größer werdende Energiehunger von CPU und GPU ist ja, gelinde gesagt, extrem.

Auf der anderen Seite,bleibt ja anscheinend noch Platz für ca. 3 weitere Dioden rechts von 240 W...:)

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Igor Wallossek

Format©

7,210 Kommentare 11,846 Likes

Für das, was ich hier testen werde, reicht das mehr als aus. Denn selbst GDDR6X hat ja nur 3 Watt pro Modul und CPUs liegen unter 200 Watt. Und es ist ja erst einmal mehr nur der Prototyp. Das lässt sich später noch erweitern.

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Deridex

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1,893 Kommentare 645 Likes

Schönes Projekt. Ich denke damit lässt sich zumindest feststellen wie es um die allgemeine Wärmeabfuhr steht. Jedoch denke ich, dass das den Test auf der CPU/GPU nicht ersetzen kann.

Ein paar Details sind mir beim In-der-Mittagspause-kurz-überfliegen aufgefallen:
- Das EDA Tool sieht mir stark nach Eagle aus. Verwendest du das wirklich auch für 8Layer?
- Ich glaube die Pins beim Footprint der Mosfets sind zu weit auseinander. Wenn es um den Abstand geht, rate ich dazu, die Pins auf der dünneren Seite des Materials (sind normalerweise rechtwinklig und nicht quadratisch) zu biegen.
- Habt ihr einen Lüfter im Gehäuse? Fals nicht würde ich dringend dazu raten.

Edit: Punkt gestrichen und etwas ergänzt

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ipat66

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522 Kommentare 433 Likes

Im Gehäuse sind keine...
Rechts und links am Gehäuse aber schon ( 2x80er Lüfter )....:)
Sieht man auf dem letzten Bild und bei der Beschreibung der Inbetriebnahme.

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D
Deridex

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1,893 Kommentare 645 Likes

Ops, habe ich übersehen :)

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ELITKon GmbH

Hersteller-Account

27 Kommentare 36 Likes

Yep, da hast du recht. Ich mache öfter mal viele Layer mit EAGLE aber ab 6 wirds unschön :) Die Vias für die MOSFETs sind tatsächlich 5,08 mm Rastermaß und nicht 2,54, wie es sich für TO220 eignentlich gehört. Das habe ich in diesem Fall aber so machen müssen, da die Traces zu dick waren und ich keinen Aufpreis für das PCB für doppelte oder dreifache Kupferlage bezahlen wollte.

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T
Tombal

Mitglied

89 Kommentare 21 Likes

Ganz schön mutig, die beiden Open-Frame-Netzteile einfach so parallel zu schalten. Wie soll den so eine gleichmässige Lastverteilung erreicht werden? Ist die Spannung des einen Netzteils nur einige Millivolt höher, als die des anderen, dann übernimmt es die komplette Last. Bei vielleicht 180W wird es dann Überlast erkennen und sich abschalten, dann übernimmt Netzteil #2 und schaltet sich wenige Millisekunden später auch ab. Nummer #1 ist inzwischen wieder gestartet und die ganze Schaltung schwingt wie verrückt.

Die Schaltung würde ich daher so abändern, dass jedes Netzteil getrennt jeweils die Hälfte der Lastwiderstände betreibt. Und ich habe gesehen, dass beide Netzteile direkt übereinander montiert sind - da wird sich das untere nicht besonders wohl fühlen und sich rasch aufheizen.

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ELITKon GmbH

Hersteller-Account

27 Kommentare 36 Likes

Die Netzteile wurden natürlich vorher aufs Zehntel Millivolt genau eingestellt mit geeichtem Multimeter. Schwingen kommt nicht vor, da die Netzteile für mehrfachen Parallelbetrieb ausgelegt sind realisiert wird das durch einen Komparator. Die Netzteile werden nicht wärmer als 35 Grad oben und 45 Grad unten bei Zimmertemperatur wenn die Lüfter laufen.

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jahtari

Veteran

190 Kommentare 66 Likes

Für mich als ausgebildeten Informationselektroniker und Industriemechaniker ziemlich spannend und auch direkt zu Beginn schon amüsant:

Passiert Dir bestimmt kein zweites mal. Ich wette, beim nächsten Projekt wandert das Gehäuse unlackiert beim Schlosser. :p

So und jetzt les ich erstmal weiter. ;)

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G
Guest

Ja, sehr interessant, danke an Bernhard und Igor. Als alter Metaller (jo, auch handwerklich ;)) fand ich die Umsetzung auch sehr angemessen. Auch wenn man die Stellen dann nach dem Einbau der Displays nicht mehr sieht, aber so pingelig, wie ich da bin, wäre ich wohl nochmal sauber drüber gegangen.
Mir geht es da wohl entgegengesetzt zum Autor, da ich mich mit der Arbeit mit Metall immer wohler gefühlt habe. Elektrotechnik habe ich wegen meinem Techniker zum Glück nur marginal machen müssen. Und auch da: auch wenn ich liebend gerne an PC´s rumbastle, was ja letztendlich auch in dieser Richtung ist, kann ich mich für die Feinheiten dahinter nicht so begeistern. Deswegen sind dann auch viele Begriffe nicht so geläufig.
Aber Geschmäcker und Vorlieben sind ja zum Glück verschieden.
Und das Lesen des Artikels hat wirklich Spaß gemacht, auch wenn ich nicht alles gleich verstanden habe. Aber Igor wird das restliche dann mit seinen Tests erledigen, da muss ich mir keinen Kopf machen.
Bin auch schon auf ersten Messungen gespannt.

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D
Deridex

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1,893 Kommentare 645 Likes

Hm, wenn ich so drüber nachdenke, habe ich auch Zweifel bei den Netzteilen. Ich habe bei Meanwell (glaube solche Netzteile sind es oder?) keine Info darüber gesehen, ob die für den Parallelbetrieb geeignet sind.

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k
kermit_nc

Mitglied

48 Kommentare 17 Likes

Ich habe in meiner Firma mal was ähnliches zusammengestellt, nur durfte ich mich nicht so austoben sondern musste auf fertige Dinge zurückgreifen. Die Quelle war da ein EA-PS9040-20T das über die EA Control SW gesteuert wurde. Mit 1200EUR nicht ganz billig aber sehr gut ausgestattet.

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S
SnailSoft

Neuling

7 Kommentare 5 Likes

Ja wenn das so ist...
Ich tue mich auch schwer damit Schaltnetzteile einfach parallel zu betreiben, nach schnellem googlen wurde wenigstens empfohlen identische Netzteile erst an der Last zusammen zu schalten und auch nicht übereinander zu verbauen, wegen den unterschiedlichen Temperaturen und den daraus resultierenden Abweichungen innerhalb der Netzteile...
Es soll spezielle Netzteile mit Load-Balancing geben, die haben dann aber auch weitere Messleitungen dafür, das hier sieht nach Meanwell aus,
ich verbaue die auch gerne selber, aber dieser Parallelbetrieb ist mir auch höchstgradig suspekt.

Und da 2 Netzteile in der Regel teurer sind als eines erschließt mir der Sinn nicht ganz:

Leistungsklassen mäßig ist man ja auch noch lange nicht am Ende.
Von der Herstellergarantie mal ganz abgesehen...

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N
Name

Mitglied

15 Kommentare 2 Likes

Interessanter Artikel und immer toll wenn man auch die Hintergründe zu den Messeaufbauten erklärt bekommt.
Nur stellt sich mir jetzt eine Frage:
Wie vergleichbar sind diese Test dann mit einem Test der auf der auf einer CPU durchgeführt wurde? Bzw würde eine CPU die 200W "ausspuckt" aber bestimmte Hotspots hat und auch bestimmte Unebenheiten auf dem Heatspreader hat (z.B.: Konkav, Konvex) auf den jeweiligen Kühlern nicht eventuell ein anders Ergebnis bringen als auf dem TDP Simulator?
Falls ich hier Grundlegendes nicht verstanden habe wär es nett wenn mir das jemand näher bringen kann.

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About the author

Bernhard Baumgartner

Bernhard ist langjähriger Hardwareentwickler in der Optoelektronik, der gern mal aus dem Nähkästchen spricht und mit seinem Start-Up CrankzWare einen plattform- und herstellerunabhängigen RGB-, Fan- und Pumpencontroller namens RainPOW entwickelt hat und vertreibt.

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