Masse auf Abwegen: Warum nur bestimmte Pins der Stromversorgungsstecker schmelzen und wir PCs neu überdenken sollten | Teil 1 von 2

1 - Unerklärklliche Dinge und ein wichtiges Gesetz 2 - Messungen und eine neue Erkenntnis 3 - Schema der Stromflüsse und ein Fazit

Manche Dinge sind Zufallsfunde und eigentlich so trivial, dass sich keiner die Mühe macht, das mit den Stromflüssen im PC überhaupt einmal zu hinterfragen und vor allem auch nachzumessen. Wir messen ja immer nur die 12-Volt-Schienen und sind glücklich. Doch fließt bei Steckverbindern wie dem 12VHPWR bzw. 12V2x6 oder 6+2 Pin, dem 8-Pin-EPS sowie dem 24-Pin Mainboardanschluss im Rückfluss nach Masse genau der gleiche Strom, wie er reinfließt? Mitnichten und genau das hat mich enorm getriggert!

Eigentlich war ich ja auf der Suche nach der Ursache, warum bei den 12VHPWR-Verbindern immer nur die 12V-Pins verschmoren und im Gegenzug, vor allem beim Einsatz potenter (und extrem hungriger) Grafikkarten, die Masse-Pins eines 8-Pin-EPS zumindest extrem heiß werden. Außerdem hatte ich parallel noch einen komplett anders gelagerten Artikel in Arbeit, der hörbare Masseschleifen im PC-Audio und deren Beseitigung behandelt und war einigermaßen erstaunt, dass sich hier die ganzen Ursachen auf einen gemeinsamen, gleichen Nenner bringen lassen!

Wichtige Vorbemerkung

“Masseschleifen” sind nichts Neues, denn der Strom ist wie Wasser und sucht sich auch beim Rückfluss immer den leichtesten und auch kürzesten Weg. Man vermutet sie am Ende auch nie dort, wo sie dann eigentlich auftreten. Da auch PC-Gehäuse, die Art der Abstandshalter zum Mainboard, die Verkabelung und die Netzteilmontage bzw. das Netzteil selbst eine sehr große Rolle spielen und es somit unzählige Faktoren und Variationen gibt, habe ich das heutige Experiment sehr bewusst und mit Absicht auf einem elektrisch isolierenden Benchtable montiert. Alle Zu- und Ableitungen sind somit sehr gut vergleich- und einzeln messbar, da keine zusätzlichen Einflüsse durch weitere Masseverbindungen im Gehäuse entstehen.

Allerdings kann man es durchaus auch im Gehäuse gegentesten und merken, dass die Schwerpunkte meiner heutigen Erkenntnisse und deren Folgen trotzdem sehr ähnlich sind. Nur ist es schwieriger reproduzier- und verallgemeinerbar. Des Weiteren gibt es natürlich auch unterschiedliche Mainboards mit sehr unterschiedlicher Verschaltung, Track-Qualität und mehr oder weniger Layern. Das und deutlich schwankende Temperaturen beim Aufwärmen der Boards und Grafikkarten können natürlich die Absolutwerte deutlich verändern, aber auch hier gilt, dass es im Prinzip mit dem Rein- und Raus gleichermaßen unangenehm bleibt. Um das mit dem Strom jetzt zu verstehen, will ich eine kleine Anekdote voranstellen, die das Kirchhoffsche Gesetz erklärt.

Was Herr Kirchhoff damit zu tun hat

An einem herrlich sonnigen Nachmittag entschied sich ein gewisser Herr Kirchhoff, der für seine ernsthafte Miene und seinen noch viel ernsteren Schnurrbart bekannt war, für einen ungewöhnlich spontanen Spaziergang entlang des naheliegenden Flusses. Und während er so am Ufer entlangschlenderte, mit der Sonne im Rücken und dem leisen Plätschern des Wassers als seine einzige Begleitung, begann er, über die Ströme nachzudenken. Nicht über elektrische Ströme, oh nein, sondern über das Wasser, das so fröhlich an ihm vorbeifloss. In einem Moment der Heiterkeit (oder war es die Hitze, die ihm zu Kopf stieg?), begann er, das Wasser und die vorbeischwimmenden Blätter als elektrische Ladungen zu betrachten, die durch einen elektrischen Schaltkreis fließen.

“Interessant,” murmelte er vor sich hin, während er ein besonders flinkes Blatt beobachtete, das sich um einen Stein wirbelte, bevor es seinen Weg fortsetzte. “Wenn ich das richtig sehe, dann verhält sich der Fluss ganz ähnlich wie ein elektrischer Stromkreis. Die Gesamtmenge des Wassers, egal ob nun vor oder nach der Wassermühle oder dem parallel liegenden Wehr, die hier eintritt, muss genau der Menge entsprechen, die dort viel weiter hinten wieder herauskommt. Ein ewiges Gleichgewicht! Ich glaube, ich habe soeben ein grundlegendes Prinzip der Elektrizität entdeckt – am Ufer eines Flusses, wohlgemerkt!” Ein Gesetz, das fortan nicht nur die Welt der Elektrizität, sondern auch die Herzen von Physikstudierenden weltweit in Angst und Schrecken versetzen würde. Und wenn man genau hinhört, kann man bis heute das leise Kichern der Enten hören, die als Erste Zeuge wurden, wie ein fließender Strom die Inspiration für eines der fundamentalen Gesetze der Elektrophysik lieferte.

Diese Kirchhoffschen Gesetze, auch bekannt als Kirchhoffsche Regeln, beziehen sich auf zwei grundlegende Regeln in der Elektrotechnik, die für die Analyse von Strömen und Spannungen in elektrischen Netzwerken verwendet werden. Diese Gesetze sind entscheidend für das Verständnis und die Analyse elektrischer Schaltkreise. Es gibt zwei Hauptgesetze, von denen uns heute das erste am meisten interessiert.

1. Kirchhoffscher Stromsatz (Knotenpunktsatz oder erste Kirchhoffsche Regel)
   Dieses Gesetz besagt, dass in jedem Knotenpunkt eines elektrischen Netzwerks (ein Punkt, an dem Leiter zusammenkommen) die Summe aller hineinfließenden Ströme gleich der Summe aller herausfließenden Ströme ist.  Dieses Gesetz basiert auf dem Prinzip der Ladungserhaltung, wonach elektrische Ladung weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Strom kann man also nicht verbrauchen.

2. Kirchhoffscher Spannungssatz (Maschensatz oder zweite Kirchhoffsche Regel)
   Dieses Gesetz besagt, dass in jeder geschlossenen Schleife eines Netzwerks die Summe aller Spannungsabfälle (die durch Bauelemente wie Widerstände verursacht werden) und der Spannungen, die durch Quellen erzeugt werden, null sein muss. Das heißt, die algebraische Summe der Produkte aus Strom und Widerstand plus die Summe der elektromotorischen Kräfte (EMK) in der Schleife ist gleich null  Dieses Gesetz folgt aus dem Prinzip der Energieerhaltung in einem geschlossenen Kreislauf.

Diese beiden Gesetze sind fundamental für die Schaltungsanalyse, da sie es ermöglichen, unbekannte Ströme und Spannungen in komplexen Netzwerken zu berechnen, indem sie ein System linearer Gleichungen aufstellen, das mit Methoden der linearen Algebra gelöst werden kann. Doch ganz so kompliziert müssen wir das heute gar nicht machen, wobei natürlich wie immer gilt: Was man an Strom reinsteckt, das muss auch wieder rauskommen. Und so erwartet man ja, dass alles, was auf der 12-Volt-Schiene an den PC geliefert wird, auf Masse auch wieder zurückkommt. Das tut es auch, nur dass man besser nachmessen sollte, wo und wie das alles zurückgeliefert wird.