De grenzen van mItx opzoeken - deel 3

Door mux op zondag 5 september 2010 00:25 - Reacties (8)
Categorie: Passief gekoeld mITX Core 2-systeem, Views: 9.088

In deze serie over mijn Mini-ITX-systeem en efficientie van voedingen:
Deel 1 - Deel 2 - Deel 3 (je bent hier) - Deel 4 - Deel 5

Losse eindjes

Ik wil het in dit deel even over heel veel verschillende dingen hebben waar ik eerder nog niet aan toegekomen ben. Het betreft:

- mijn idee van een computer voor de power user
- waarom je geen wide-input picopsu wil
- mijn veranderde plannen over de stroomvoorziening van het ITX-systeem (met UPS en ingebouwde adapter)
- wat dingetjes over vermogen en stroom meten
De toekomst van PC's
Ja, dit is een titel die doet alsof ik alles weet van de toekomst. Maar ik doe ook graag alsof ik van alles weet, dat heet megalomaniearrogantie... ik kan even geen positief woord hiervoor vinden. Anyways...

Ik had eerder al gezegd dat ik mijn mini-ITX systeem helemaal optrek uit niet-bewegende delen, en dus automatisch ook een SSD. Gezien het een goedkoop systeem moet zijn is die SSD ronduit klein: een Intel X25-V 40GB, of 37GiB. Hier past het OS op, een paar programma's en dan heb je het ook echt wel gezien. Iemand zei in de comments dat ik dan wel een NAS moet hebben voor opslag, en ja, dat heb ik. Dit is mijn thuissituatie:



Vanuit het internets krijg ik via een PPP-lijn ADSL van mijn ISP, hier heb ik sinds kort een Draytek Vigor 2800Vg (waar ik vervolgens de draadloze netwerkkaart uit heb gesloopt omdat ik hem niet gebruik en hij 2W teveel verbruikt) aan hangen die mij in staat stelt ook VPN-tunnels naar mijn huis te leggen vanuit teh interwebs. Hierop zit vervolgens mijn huisswitch aangesloten (een of ander budget 9-poorts model), en daaraan hangen mijn computers en NAS. De NAS is een Freecom Network Drive Pro, zo'n ding dat linux draait en dus ook een beetje getweakt is voor mijn doeleinden (Apache2, PHP5, mysql, etc.). De computers zijn:

- Fluffy, een Compal IFL90 laptop,
- Dennis, de mega-bigtower waar jullie in deel 1 kennis mee hebben gemaakt. Deze zal vervangen worden door het mITX-systeem (Dennis2)
- Fikkie2, de opvolger van Fikkie (patroon in de naamgeving?), een pentium 4 die zonder kast aan de muur hangt en inmiddels een hoop stof heeft vergaard. Uiteraard geinspireerd door Terw_Dan.
- Een paar aansluitingen voor testbakken, gasten, etc. Gesymboliseerd door de computer 'Testbak' en de dradenbende rechtsboven.

Er hangt ook nog ergens een op voip aangesloten telefoon, maar telefoons zijn eng.

Waar ik naartoe wil is dat dit een geweldig systeem is: De computers individueel zijn slechts terminals die enkel een harde schijf hebben als snelle toegang tot geinstalleerde programma's, maar verder alle persoonlijke data van de NAS trekken. De NAS op zijn beurt is niet alleen vanuit het interne netwerk, maar ook via een IPSec VPN tunnel te benaderen vanuit overal op de wereld. Ik zit momenteel bijvoorbeeld bij mijn ouders, maar ik kan wel bij mijn afleveringen van het uitstekende hoorspel Bommel. De volgende stap is dat mijn NAS ook nog zijn contents eens in de zoveel tijd backupt naar zoiets als Amazon S3, maar ik ben er nog niet over uit wanneer dat gaat gebeuren. Anyways, het moge duidelijk zijn dat een grote harde schijf in *elke* computer stoppen gewoon niet meer nodig is, de NAS is het zuinigste met zowel stroom als schijfruimte (over het geheel genomen), en altijd bereikbaar. Al mijn computers kunnen in principe op goedkope SSDs overstappen. Ik denk dat dit in de toekomst meer zal worden toegepast, en voor wie dit allemaal vreemd in de oren klinkt: verdiep je eens in deze materie, je zult er blij van worden!
Waarom je geen wide-input PicoPSU wilt
In de vorige delen moet het wel ongeveer duidelijk zijn geworden wat een picopsu nou precies doet. Iemand in de comments vroeg zich af waarom ik niet een hele zwik laptopadapters - die doorgaans tussen de 16 en 20V afgeven - ga testen met een wide-input picopsu. Nou, vier redenen:

- Het is duurder
- Het is inefficienter
- Het is totaal onnodig als je een echte mantweaker bent!
- Het is moeilijker om dan een UPS in je mITX-systeem te bouwen

De PicoPSU wide input-versies kun je aansluiten op een adapter die alles tussen de 12 en 25V geeft, en dit mag ook gewoon varieren tijdens gebruik. In andere woorden, je kunt er een ongestabiliseerde of anderszins niet-12V adapter voor gebruiken. Onlangs is dit spanningsbereik zelfs iets uitgebreid naar 32V. Dit lijkt geweldig, maar het gaat een beetje in tegen het idee van de PicoPSU.

De originele PicoPSU pakt namelijk de 12V uit de adapter en verbindt die in één keer door met de uitgang. Hij doet er niks mee, dit is dus 100% efficient. Op de PicoPSU zitten dan verder nog een paar circuitjes die 5V en 3.3V maken, maar deze lijnen worden nauwelijks belast. Hij doet dit alsnog heel efficient (iets van 89% of beter), dus over het geheel genomen krijg je:

- (verhoudingsgewijs) heel veel vermogen dat direct wordt doorgegeven, 100% efficient op de 12V lijn
- een beetje vermogen dat 90% efficient wordt omgezet naar 5V, 3.3V

En onder de streep betekent dat dat een picopsu meestal 95% of beter efficient is. In mijn geval verwacht ik dat er echt maar 2W uit 3.3 en 5V wordt getrokken, en dat de rest uit de 12V komt, dus mijn picoPSU gaat echt 99+ procent efficient zijn.

Een wide-input PicoPSU echter moet eerst die - bijvoorbeeld - 18V omzetten naar 12. Alle vermogen dat door de picopsu gaat moet door een conversieslag heen, en deze is volgens specificaties (afhankelijk van de versie) tussen de 93 en 95% efficient. Je hebt dus altijd extra verlies! Veel is het niet, maar dit wil je alsnog niet.



De wide input is ook een stuk duurder; de goedkoopste wide input picopsu zit in de buurt van de 45 euro, terwijl de originele 80W picopsu maar 27 euro kost. Voor dat geld koop je al bijna een 12V adapter! Maar... nu komt het interessante technischere deel van deze sectie...

Het is namelijk totaal onnodig om een wide input picopsu te nemen, zelfs als je een laptopvoeding wilt gebruiken die een verkeerde spanning uitspuugt. Want het hele idéé van geschakelde voedingen is... dat ze de uitgangsspanning heel precies kunnen regelen. Er zit een regelcircuit in. En dat regelcircuit is op een bepaalde spanning ingesteld, een spanning die wij vást en zeker kunnen tweaken. En ik weet hoe dit het makkelijkst kan.

Elke adapter, elke computervoeding en eigenlijk alles waar AC in gaat en laagspanning DC uitkomt is namelijk hetzelfde. Een zogenaamde forward-converter:



Links komt de AC stroom erin, en deze gaat typisch door een zogenaamd common-mode filter (de meest linkse transformator), dit component zorgt ervoor dat er geen DC-component in de stroom komt te zitten. Daarna zitten er meestal een paar condensatoren en inductoren die voor PFC zorgen (zie deel 2 voor een uitleg over PFC), en in het geval van active PFC zitten hier nog veel meer componenten; dit zou de tekening onoverzichtelijk maken en voegt niks toe dus ik heb het weggelaten. Direct na PFC zit de bruggelijkrichter die hoogspanning DC van de AC-spanning maakt. Deze spanning wordt met een grote condensator afgevlakt (heel herkenbaar; dit is altijd de grootste condensator in een voeding), en daarna zie je iets wat heel logisch lijkt, maar toch raar is. Er zit namelijk een transformator. Logisch toch, met een transformator maak je toch van spanning A een andere spanning B? Ja, met een transformator waar je AC op zet, niet DC! En dat is waar de transistor voor is die je linksonder de transformator ziet zitten: deze zet de spanning telkens aan en uit over de trafo waardoor er een blokgolf-AC op komt te staan. Door te variëren hoe lang de transistor aan staat ten opzichte van hoe lang hij uitstaat kun je zelfs de spanning aan de uitgang variëren: heel eventjes aan en heel lang uit betekent een lage uitgangsspanning, en omgekeerd. Aan de andere kant van de transformator zit wéér een gelijkrichter en een filter (net als aan de AC-kant), en dat is dan je uitgangsspanning. Maar nu komt het leuke.

De uitgang wordt namelijk gemeten. Als het meetcircuit vindt dat de uitgangsspanning te hoog is, dan zegt hij draadloos (via een optocoupler) tegen de transistor dat hij wat minder aan moet staan, en omgekeerd. Het meetcircuit vergelijkt daarvoor de uitgangsspanning met een vaste referentiespanning, meestal binnenin deze chip. Het leuke is dat de chip bijna nooit de uitgang direct meet; hij meet een fractie van de uitgangsspanning, bijvoorbeeld de helft, door gebruik te maken van een simpele weerstandsdeling.

Als je nou die weerstandswaarden verandert... dan verander je wat het meetcircuit terugmeet, en tegen de schakelaar vertelt. En dus automatisch de uitgangsspanning. Precies wat ik wil! En alles wat ik hiervoor hoef te doen is een weerstandsdeling te vinden en 1 van de 2 weerstanden veranderen. Geen moeilijke chips solderen, niets reverse engineeren, gewoon twee weerstandjes vinden en een daarvan vervangen. En dan heb je dus een instelbare voeding gemaakt. Het moge duidelijk zijn dat voedingen die van zichzelf al instelbaar zijn niks anders doen dan een variabele weerstand op deze weerstandsdeling te zetten; het is echt zo simpel.

Disclaimer: Dat dit bijzonder gemakkelijk is wil niet zeggen dat het zonder risico is. Er zijn allerlei effecten die ervoor kunnen zorgen dat, als je dit zelf doet zonder precies te weten waar je mee bezig bent, je een ontzettend gevaarlijk apparaat maakt dat brandgevaarlijk is. Wanneer je aanklopt bij de verzekering en ze erachter komen dat je basically het huis in de fik hebt gezet om 3 euro te besparen op een adapter, krijg je niks uitgekeerd. Nogmaals: do not try this at home, en ik ben niet verantwoordelijk voor de consequenties (goed of minder goed) als je het wel doet. Om dan nog niet te spreken over het werken met levensgevaarlijke hoogspanning!
UPS in je mini-ITX-systeem
Een aparte header voor een interessante toepassing. Een tweaker dacht in de comments van deel 2 over een batterij in zo'n systeem. Dit is een ontzettend goed idee en ongelooflijk simpel uit te voeren, want:

- Lithium-ion cellen, maar eigenlijk ook alle andere batterijsoorten, komen automatisch met een ATX-waardige spanning door de juiste hoeveeheid cellen in serie te zetten
- Zo'n batterij zorgt ervoor dat piekbelastingen worden afgevangen en de adapter dus kleiner kan
- De batterij dient als hele goedkope UPS

Een lithium-ion cel heeft een hele gunstige spanning: als hij helemaal nokvol zit gaat er 4.25V in een cel, en als hij helemaal leeg is staat er 3.6V over. Doe dit keer 3 en je komt op een spanningsbereik van 10.8-12.75V. De ATX-specificatie zegt dat de 12V-lijn 5% boven en onder de 12V mag zitten, dus 11.4-12.6V. Dat is geweldig, want dat is een enclosed subset van de toegestane spanning van een 3-cel-pack. Met andere woorden... Je kunt de batterij gewoon direct, zonder enige tussen-elektronica, op de 12V-lijn jassen. Zolang de adapter nog werkt wordt de batterij op spanning gehouden, en zodra de adapter uitvalt maar de computer nog werkt trekt de computer stroom uit de batterij. Wanneer dan power weer on-line komt laadt de adapter de batterijen bij. Ideaal.

Er zijn wel een paar dingen waar rekening mee moet worden gehouden. 3 dingen:
- Maximale ontlaadstroom (stroom die uit de batterijen kan worden getrokken voor ze stukgaan)
- Maximale laadstroom (en dus adapter-rating)
- Cell balancing

Je kunt niet zomaar oneindig veel stroom uit de batterijen halen. Als je li-ion cellen te snel ontlaadt gaan ze stuk door voornamelijk oververhitting. Ook geven ze minder spanning onder belasting doordat ze interne weerstand hebben; typisch tussen de 100 en 300 mohm. Als je 3 cellen in serie hebt staan betekent dat dus tussen de 0.3 en 0.9 ohm - op een andere manier gezegd: voor elke ampère die je trekt, zakt de spanning dan 0.3 tot 0.9V in!

Het DC-stroomverbruik van mijn mini-ITX systeem is heel goed te berekenen; Onder volle belasting trekt een Celeron E3300 ongeveer 20W. Op het moederbord zitten verder 2 geheugen-DIMMs die elk 1W opeten. De northbridge - een G45 - heeft een TDP van 15W en de southbridge 2.2W. Tel daarbij de SSD op die 1.2W maximaal verbruikt en we komen op een som van 39.2W, oftewel ruim 3A op de 12V-lijn. Dit betekent dat de spanning zal inzakken tot ten hoogste 11.1V... eigenlijk al buiten de ATX-specificatie. Een oplossing hiervoor zou zijn het parallel zetten van 2 van deze 3-cel packs.

Stel je dan nu voor dat de stroom net weer online komt en de batterij maximaal ontladen is: we hebben hier eerder voor afgesproken dat dit 11.4V is. Nu gaat de adapter opeens de batterijen opladen, en wederom gedicteerd door de interne weerstand gaat dit met ongeveer 2A. Is dit acceptabel?

Nou, we zagen al dat het op het randje is wat betreft de spanning. Maar hoe snel je een specifieke cel mag ontladen hangt af van de discharge en charge rating, die wordt meestal gegeven in de pseudo-eenheid C. C staat voor capacity, en dat is het aantal mAh dat in een batterij zit: typische 18650-li-ion-cellen hebben een capaciteit van 1800-2200 mAh. Je kunt er dus 1,8 tot 2 ampère uit trekken voor een uur tot ze leeg zijn. De maximale stroom die je eruit mag halen is dus ook gedefinieerd in termen van deze capaciteit: je mag gewoonlijk li-ion cellen op- en ontladen met maximaal 2*C, dus een batterij van 2000mAh mag je met 2*2,0=4,0 ampère ontladen.

Gelukkig betekent dit dat de UPS voor de batterij geen probleem is; de laadstroom is maximaal ongeveer 1C en de ontlaadstroom 1,5C... prima binnen typische toleranties.

Dan heb je nog het laatste probleem, en dat is cell balancing. Als je li-ion cellen oplaadt in serie heb je namelijk geen garantie dat ze allemaal precies dezelfde spanning hebben. Als je bijvoorbeeld 12V op een serie van 3 cellen zet om ze op te laden, kan de onderste cel 3.8V zijn, de middelste 4.2 en de bovenste 4V. Dit betekent dat de cellen uit balans zijn, en gewoonlijk los je dit op door er een apparaatje aan vast te maken dat deze ongelijkheid gelijktrekt, een zogenaamde balancer. Echter, omdat dit apparaten zijn waar redelijk lastig aan te komen is en ze de toepassing een stuk ingewikkelder maken - en bovendien, omdat ik de ervaring heb dat het niet echt nodig is voor dit soort toepassingen - laat ik een balancer weg.

Disclaimer: laat nooit batterijbescherming weg bij li-ion cellen, ze zijn zeer explosiegevaarlijk bij overladen en diepontladen, en dit zal gebeuren als je ze ongebalanceerd ergens in laat zitten.

Ja, ik heb zojuist gedisclaimerd dat ik iets gevaarlijks aan het doen ben. Shoot me.

Nog een niet-vetgedrukte disclaimer: ik maak een passief systeem, dat betekent dat het allemaal waarschijnlijk best warm gaat worden. Li-ion cellen kunnen hier ook niet goed tegen.

Nog een laatste P.S.: Nu zie je ook waarom het beter is om een 12V-adapter (wel of niet gemod) te gebruiken, en niet een 18V met wide-input picoPSU: als je een batterij direct wilt aansluiten komt 12V exact goed uit, en 18V helemaal niet.
Vermogen meten: de juiste manier
Vermogen uit het stopcontact meten

Ik heb een hoop zitten klooien met die vermogensmeters van cresta en Voltcraft, maar dit is echt prutswerk. Ik heb geen enkele garantie dat wat die meters aangeven ook daadwerkelijk correct is. Maar, dit hoeft niet. Die garantie kun je wel hebben, en het magische woord hier is True RMS.

Bedrijven zoals Fluke (maar ook vele anderen) maken multimeters die spanning en stroom 'true RMS' meten. Ik had het eerder al over de power factor: als de power factor 1 is wordt er heel netjes stroom getrokken en hoef je geen gekke trucs uit te halen om te berekenen hoeveel vermogen er precies uit het stopcontact wordt getrokken. Maar juist als de power factor niet zo goed is - en dat is nou precies het geval bij geschakelde voedingen - vallen simpele metertjes door de mand. Zij doen namelijk aannames over hoe de stroom loopt in plaats van dat ze precies meten wat er gebeurt, en geven daardoor meetwaarden die wel ongeveer in de goede richting zitten, maar niet precies. Het is een goedkope manier van zakendoen, maar hopeloos onprecies.

Een True RMS-meter echter heeft een circuit dat heel exact de stroom of spanning over een bepaalde tijd continu meet en optelt, en daardoor op de exacte waarde komt van hoeveel stroom of spanning er *gemiddeld* in die tijd heeft gelopen. Ze doen geen enkele aanname, ze meten alleen. Dit zorgt ervoor dat de enige meetfout die erin zit de opgegeven (typisch 2%) meetfout is, en niet de wild uiteenlopende tientallen procenten foutmarge in goedkope stroommeters.

Ik ben dus nu druk bezig te proberen een Fluke multimeter van Marktplaats te trekken. Als iemand voor een zacht prijsje nog zo'n ding heeft liggen: IK WIL HEM!! GEEF!

Het moederbord meten

Ik kan op het internet nauwelijks precieze metingen vinden van het vermogen dat wordt getrokken door voornamelijk de north- en southbridge die ik gebruik (G45 en ICH10R). De processor is wel redelijk goed terug te vinden, maar ook hier vind ik op meerdere gebieden andere waarden! Dit komt waarschijnlijk doordat de VRMs om de processorsocket heen verschillend werken.

Daarom is het mijn plan om eens precies te gaan meten wat alles verbruikt met een multimeter. Gelukkig kan dat want:
- Alle vermogen die door de CPU+VRMs wordt gebruikt gaat door de ATX12V stekker, daar kan ik gemakkelijk een multimeter tussen zetten
- Alle vermogen die door het geheugen, northbridge en southbridge wordt gebruikt gaat door de ATX-stekker zelf, en kan ik dus ook makkelijk meten. Het precieze verbruik van het RAM kan ik meten door eerst met één, en daarna met twee latjes te meten.
- De enige andere verbruiker is de SSD, die kan ik ook makkelijk meten.

Hopelijk zal dit leiden tot een beter inzicht in waar er bespaard kan worden, en hoe goed dit bord presteert ten opzichte van anderen.

In deze serie over mijn Mini-ITX-systeem en efficientie van voedingen:
Deel 1 - Deel 2 - Deel 3 (je bent hier) - Deel 4 - (geen nieuwe delen)

Volgende: De grenzen van mITX opzoeken - deel 4 09-'10 De grenzen van mITX opzoeken - deel 4
Volgende: De grenzen van mITX opzoeken - deel 2 09-'10 De grenzen van mITX opzoeken - deel 2

Reacties


Door Tweakers user Dooievriend, zondag 5 september 2010 01:55

Nog steeds even interessant! Wat ga je gebruiken om te switchen tussen batterij en adapter? Zoiets?

Door Tweakers user BlackWhizz, zondag 5 september 2010 02:11

En als ik nou eens simpel denk.

PicoPSU voor auto.
Autoaccu
Autoacculader (die meer vermogen kan leveren als de computer vraagt)

Door Tweakers user Snowmiss, zondag 5 september 2010 07:59

Lekkere frequentie ook van deze blog!

Door Tweakers user mux, zondag 5 september 2010 08:42

Dooievriend schreef op zondag 05 september 2010 @ 01:55:
Nog steeds even interessant! Wat ga je gebruiken om te switchen tussen batterij en adapter? Zoiets?
Helemaal niks. De batterij zit op de 12V-lijn, samen met de adapter.
BlackWhizz schreef op zondag 05 september 2010 @ 02:11:
En als ik nou eens simpel denk.

PicoPSU voor auto.
Autoaccu
Autoacculader (die meer vermogen kan leveren als de computer vraagt)
Dat is iets lastiger, omdat een autoaccu met 16V wordt geladen en bij het cranken terug kan vallen naar 6-7V. Daar zul je echt iets anders moeten gebruiken.

Door Tweakers user Puch-Maxi, zondag 5 september 2010 15:56

Ik zie toch een "flaw" in je UPS, je gebruikt de cellen nu in feite als condensatoren.
Wanneer ze leeg zijn valt je systeem alsnog uit. Ideaal zou zijn als de UPS een seintje geeft aan het syteem om zichzelf uit te schakelen. :)

Door Tweakers user Xiphalon, zondag 5 september 2010 19:56

Dat seintje hoeft niet veel meer te zijn dan een paar weerstanden (spanningsdeler) en een tor.

Je hoeft maar 1 pin op de seriele poort hoog (of laag) te maken.

Door Tweakers user mux, zondag 5 september 2010 20:13

Het is mijn bedoeling om alles zodanig simpel te maken dat mensen het na kunnen bouwen als ze willen zonder ingewikkelde zooi. Ik ga dus nog even nadenken over hoe ik het exact wil doen. Het kan namelijk theoretisch ook met alleen maar een buzzer en diode...

Door Tweakers user elmoxx, maandag 1 november 2010 15:42

Heerlijke blog, dankjewel!. via deel 5 bij jou terecht gekomen. leuk!

Goed geschreven en gelijktijdig zeer interessant.

Ga zo door:)

Om te kunnen reageren moet je ingelogd zijn. Via deze link kun je inloggen als je al geregistreerd bent. Indien je nog geen account hebt kun je er hier één aanmaken.