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Der Computer im Ladegerät – Euer MacBook-Stromlieferant von innen

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Ist von einem Ladegerät die Rede, denkt man zunächst einmal an einen Trafo, ein paar Dioden und Spulen und ein paar Widerstände. Doch was sich im Inneren eines MacBook Ladegerätes so versteckt, hat Ken Shirriff in seinem Blog ausführlich dargestellt.

Es ist ganz klar, dass ein so komplexes Gerät, wie ein Notebook respektive MacBook eine andere Stromversorgung benötigt, wie etwa eine 12 V Halogenlampe. Dort reicht im Prinzip oben beschriebener Einfach-Trafo. MacBook oder auch iPad und iPhone sind jedoch etwas empfindlicher und brauchen daher perfekt gesiebten Strom. Zudem ist es für die Lebensdauer und die Leistung der Akkus sinnvoll, den Ladevorgang exakt zu steuern.

Schon beim Wort „steuern“ wird klar: Hier ist etwas mehr Aufwand notwendig. Und so hat Ken Shirriff ein solches Gerät einmal auseinander genommen.

ladegeraet-innen

Bild: Ken Shirriff

Zu sehen sind auf der Vorderseite der Platine zunächst einmal die üblichen Verdächtigen: ein Trafo zum Umwandeln der Spannung, einige Elkos und Spulen, zum glätten der Spannung und ein paar Leistungs-Dioden – zu erkennen an den Kühlblechen. Zusätzlich noch ein paar zunächst unbekannte Bauteile.

Kein gewöhnlicher Spannungswandler – das Schaltnetzteil

Bei dem hier gezeigten Ladegerät handelt es sich um ein sogenanntes Schaltnetzteil, was nicht zu vergleichen ist mit einfachen Trafos an Lampen oder ähnlichem. Im Schaltnetzteil wird die Spannungswandlung nicht an den üblichen 50 Hz Netzspannung durchgeführt, sondern die Wechselspannung wird zunächst gleichgerichtet, auf eine höhere Frequenz transformiert und dann erst über einen Trafo auf niedrigere Spannung gebracht. Der Vorteil liegt darin, dass Trafos für höhere Frequenzen, deutlich weniger Eisenkern benötigen und so die Trafos insgesamt deutlich kleiner gebaut werden können. Dieses trotz des höheren technischen Aufwandes, der durch die höhere Frequenz erforderlich ist, um Störungen zu verringern und den Ausgangsstrom zu glätten.

Prinzipieller Aufbau

Im folgenden Bild wurden die Funktionseinheiten des Schaltnetzteils farbig gekennzeichnet.

netzteil-prinzip

Bild: Ken Shirriff

Wir erkennen hier vier Bereiche:

Der Eingangsbereich ist grün markiert. Hier wird die Wechselspannung über einen Brückengleichrichter (bridge rectifier) in Gleichspannung umgewandelt, geglättet und abgesichert.

Der PFC (Leistungsfaktorkorrekturfilter, lila markiert) ist ein zusätzliches Element, dass dafür sorgt, dass die sogenannte Blindleistung im erlaubten Rahmen bleibt.

Der hier mit Primary (Eingangskreis, schwarz markiert) bezeichnete Bereich nimmt die Gleichspannung des PFC entgegen, erzeugt daraus eine hochfrequente Spannung und übergibt diese an den Transformator.

Der Bereich Secondary (Ausgangskreis, blau markiert) beginnt bei der zweiten Wicklung des Transformator und erhält von diesem eine Spannung im gewünschten Bereich von ca. 16,5 bis 18,5 V. Hier wird die Spannung ganz klassisch gleichgerichtet und gefiltert, damit am Ausgang keine Störungen auftreten.

Besonderheiten

netzteil-microproz

Bild: Ken Shirriff

Wenn man genau hinsieht, fällt diese Mini-Platine auf. Es handelt sich um ein Überwachungsmodul. Es schaltet den Ausgangsstrom ein und aus, je nachdem, ob das Netzteil angeschlossen ist oder nicht. Außerdem überwacht es die Funktion des Netzteils und schaltet das Gerät ab, falls Probleme auftreten.

Der Magsafe-Anschluß

Nicht nur im Netzteil selber, sondern auch im Macsafe-Anschluß findet sich Erstaunliches.

magsafe

Bild: Ken Shirriff

Der kleine Chip im Magsafe-Anschluß übergibt die technischen Daten an das MacBook, dass so entscheiden kann, ob es sich um ein geeignetes Ladegerät handelt. Außerdem kontrolliert der Baustein die Status LED.

Warum das Ladegerät bei Apple so teuer ist

Zum Ende seines Artikels zeigt uns Ken Shirriff noch, warum ein Apple Ladegerät einfach teurer sein muss als ein Nachbau.

netzteil-nachbau

Bild: Ken Shirriff

Zwar ist die Anzahl der Bauteile, die auf dem Nachbau zu sehen ist, nicht alleine ausschlaggebend für die Qualität eines Ladegerätes. Allerdings lässt sich der Mehraufwand für Konstruktion und Herstellung eines ungleich komplexeren Ladegerätes durchaus abschätzen. Ob der Nachbau für ein langes Leben von Akku und MacBook sorgen kann, darf bezweifelt werden. Dass Apple bei all seinen Geräten dennoch ein wenig mehr Gewinnmarge einkalkuliert als andere Hersteller, ist dabei nicht neu.

Fazit

Nur mit einem hohen Aufwand an Entwicklungsleistung ist es möglich, ein derart kleines Ladegerät zu entwickeln, das immerhin 85 Watt Nennleistung liefert. Die Technik an sich ist zwar nicht neu, doch die Miniaturisierung ist ja ein Steckenpferd bei Apple. Gut zu sehen auch bei den immer weiter schrumpfenden iPhone Ladegeräten.

Freitag, 27. Nov 2015, 17:26 Uhr — Andreas
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Rede mit!
  • Ist es schlimm das Book immer am Strom zu lassen? Bezüglich Akku natürlich ;)

    • Doch, ist es! Ein Akku lebt am längsten, wenn er genutzt wird. Ich würde mindestens einen Kompletten Ladezyclus pro Woche empfehlen.

      • Und das hast du in der Computerbild gelesen?

      • Nein, ist studiere Elektrotechnik im Master – Schwerpunkt Energietechnik.

      • Ein Akku lebt erst mal am längsten wenn er zwischen 20% und 80% seiner Kapazität hat. Es wird sogar auf einer Apple Seite erläutert das man das iPhone wenn man es länger nicht benutzen will auf 50% Entladen oder voll laden soll. Dann ist langsammes Laden immer besser als schnelles laden. Und es ist theoretisch am besten wenn der Akku sein Ladezustand bei behält aber dennoch ab und zu entladen wird. Also 1 Woche dauerstrom lassen dann leer machen… 1 Woche Dauerstrom… leer machen.

        Ich würde gerne mal wissen ob Apple die Akkus selber sogar von 20% – 80% betreibt und wir „Kunden“ das als 0% – 100% angezeigt bekommen. Bei Elektroautos wo eine Batterie mehrere Tausend/Zehntausend kostet ist das nämlich genau so. 0 Prozent ist es nur für den Fahrer. In Wirklichkeit ist sie aber noch teilweise Geladen um sie nicht zu schädigen. Man denkt aber sie ist leer weil sich das Auto auch so verhält. Es schaltet ab und zeigt 0% an.

      • So ein Blödsinn. Ich lasse mein MacBook am Strom und gönne ihm eine Entladung im Monat.

      • Entschuldige, nichts gegen ein Musterstudium in Elektrotechnik, aber Akkuladetechnik ist ein sehr komplexer Bereich den man nicht mal soeben in ein paar Vorlesungen vermittelt bekommt. Das ist eine sehr aufwendige Geschichte, die Chemie, Physik und Elektronik vereint. Mein Rat, nichts machen. Apple hat eine wirklich gute Ladetechnik installiert. Am Netz lassen bei Schreibtischgebrauch ist vollkommen richtig. Im Batteriebetrieb sollte nur vermeiden, den Akku kurzfristig zu entladen. Also z.B. vom Netz trennen und 10min auf der Couch surfen und den Akku bei Ladestand 99% wieder ans Netz zu hängen. Da macht es in der Tat mehr Sinn auf 30-40% zu entladen. Und bitte, bitte nicht solche dämlichen Tools wie „Nimm den Akku bei 80″ vom Netz und betreib ihn bis 30% im Akkubetrieb“. Das generiert nur unnötige Ladezyklen. Die Idee dahinter wird zum Beispiel in E-Fahrzeugen verwendet, jedoch komplett anders umgesetzt. Hier werden Akkupacks nur bis auf 70-80% geladen und nur bis minimal 20-30% entladen. Sprich man benutzt nur ca. 60-80% der möglichen Kapazität. Ähnlich wie bei SSDs wird so eine lange gleichbleibende Kapazität auch bei langem Gebrauch garantiert. das kann aber nur über die Ladesteuerung gelöst werden. Steckerzieher führt im Gegenteil zu schnellere Kapazitätsverlusten.

      • Ich kann das bestätigen. Nach zwei Jahren quasi dauerhaft am Netzteil war der Akku tot. (MBPro 2010) Nicht nur schwach – komplett hin. Habe ihn dann gewechselt und seither (jetzt 3 Jahre) hat er immernoch eine sehr gute Leistung. Laut coconutbattery ca. 80% Gesamtkapazität übrig. Und das weil ich den Laptop seither weitestgehend zwischen 20-90% halte (aber häufig auch ganze entlade und wieder komplett voll lade).

    • Hallo selber Elektro Student. Hast villeicht Ahnung von Strom und Akku aber keine Ahnung von Apple. Apple schaltet die Akku Ladung aus und schaltet den Mac nur auf Netzteil was sogar von Apple geworben wird.

      • Und du hast keine Ahnung von Lithium Akkus. Die altern nämlich bei hohen Ladezuständen deutlich stärker, weshalb das „wegschalten“ des vollen Akkus auch nur bedingt die Lebensdauer schont.
        Immer schön bei mittlerem Ladezustand bleiben und lieber öfter aber dafür nicht ganz voll laden. (Bin Diplom Ingenieur ET, weil man das hier scheinbar dazu sagen muss)

    • Du solltest den Akku schon ab und an benutzen. Apple empfiehlt min. einmal im Monat leeren.

      Das allerwichtigste aber bei den heutigen Akkus. Nicht zu lange leer lassen!

      Wenn ein Akku längere Zeit nicht benutzt wird, bei ca. 60 % Ladezustand einlagern und alle vier Wochen wieder auf diesen Ladestand bringen.

  • Schöner Artikel über die Technik, die im Hintergrund läuft. Davon lese ich in der Zukunft gern mehr.

  • Bilde mir ein Mal ein in einem Apple Support Dokument gelesen zu haben dass empfohlen wird, mindestens einmal im Monat eine komplette Ladung zu machen.

  • Ich glaube, da hat sich der Fehlerteufel eingeschlichen. Ihr schreibt, dass der Strom erst Gleichgerichtet wird und dann die Frequenz erhöht wrd. Ich denke, es müsste umgekehrt sein. Liebe Grüße Mike

  • WISO passt doch bei Gleichstrom die Frequenz erhöhen :) dann entstehen auch so gut wie keine Oberwellen :)

  • Das ist ein stink normales Schaltnetzteil in halbwegs wertiger Form…
    Aber nichts, was sämtliche anderen Hersteller nicht auch mitliefern würden.
    Die haben auch alle extra Platinen oder ICs, um das Netzteil zu steuern.

    Der Vergleich mit Trafos ist etwas unsinnig, da diese seit ich denken kann nicht für IT Geräte bzw. PCs oder ähnliche Geräte verwendet werden. Es werden quasi schon seit Ewigkeiten Schaltnetzteile verwendet.

    Ganz informativer Artikel, ich will darüber ja nicht meckern, war sicher auch einiges an Arbeit, die Qualität stimmt.
    Aber der Bezug auf Apple und die Rechtfertigung der Apple Preise darüber, dass es kein „einfacher Trafo“ ist, sind meiner Meinung nach einfach nur völlig überzogen, wenn nicht gar etwas weltfremd. Man könnte meinen, dass das Netzteil was besonderes oder äußerst wertiges wäre. Das ist es aber nicht. Das ist Standard China Ware… (Was übrigens keinesfalls heißt, dass es in irgend einer Form schlecht wäre).

  • Passt schon so wie beschrieben☺️

  • Ach ja, was ich noch sagen wollte, mit Miniaturisierung hat das hier überhaupt nichts zu tun. bei so nem Netzteil werden die Bauteile nicht jahr für jahr kleiner, wie bei Integrierten Schaltungen in CPUs oder ähnlichem. Auf der Netzteilplatine ist jede einzelne SMD Diode und jeder einzelne Elko klar zu erkennen und in greifbarer Form vorhanden (und nicht in irgend nem Microchip versteckt). Die haben die selben Maße und die selben werte, wie es sie schon seit Jahrzehnten gibt.

  • Mit „das“ und „dass“ und der Interpunktion stehst du aber auf dem Kriegsfuß Andreas!

  • Hier auch nochmal erwähnenswert. Den Tipp hab ich selber auch von iFun:
    .
    Wenn Ihr Euch wundert warum euer Mauszeiger im Zusammenhang mit dem Trackpad so unruhig ist und zittert. Zieht Euer „Zubehör“ Netzteil mal ab und schon ist es weg. So auch bei meinem das ich für 20Eur mal gekauft hab. Ist jetzt als Ersatzteil/Zweitnetzteil bei meinen Eltern zuhause wenn ich da mal bin.

  • Schöner Bericht, gute Bilder!

    Auffällig ist, dass die Elektrolytkondensatoren auffällig nahe an den Transistoren gebaut sind. Diese werden im Betrieb warm und erhöhen dadurch die Temperatur an den Elkos. Damit reduziert sich deren Haltbarkeit.
    Ein Schelm, wer Böses dabei denkt…
    Stichwort: geplante Obsoleszenz

  • Das Problem ist das mittlerweile fast jedes Elektronik Gerät mit Schaltnetzteilen arbeitet und wir immer mehr ein EMV Problem bekommen. Interessant z.B. Auch in der Zukünftigen Beleuchtung (LED) zu sehen da jeder LED Treiber mit Schaltnetzteilen Arbeitet.

  • Da habe ich gleich mal eine Frage zu… Schaltet sich beim iPhone oder iPad das Netzteil nach dem das iPhone oder das iPad voll ist auch ab? (Gleiches für Apple Watch)

    Weil ich mich frage ob es richtig ist das Telefon über Nacht zu laden. Danke schonmal

  • Danke für die Antworten ;) dann bin ich ja beruhigt

  • Als bei meinem Netzteil nach 4 Jahren sich der MagSafe Stecker auflöste, habe ich es auch mit diversen No-Name Netzteilen versucht (die auch nicht viel billiger waren), aber hatte nur Probleme damit.
    Manchmal hat es gar nicht geladen und wenn dann war das Trackpad immer unpräzise.
    Original Apple ist in dem Fall Pflicht, auch wenn nicht gerade billig.

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