Recalculated: Smart load balancing against ageing or monitoring with a hard cut – Which is the better solution for the 12VHPWR and 12V-2X6 Connectors? (Update)

Ich habe es Eingangs im Artikel geschrieben, dass ich mich nicht auf solche Diskussionen einlasse, sondern emotionslos ausschießlich MEINE Sicht der Dinge schildere. Ich möchte auch nicht auf Texte Dritter in Drittforen eingehen, die das Teil noch nie in der Hand hatten, denn das wäre genauso sinnlos, wie so etwas selbst zu verfassen. Man kann nur kritisieren, was man auch belegen kann. Man kann es gern testen und sollte es erst danach kritisieren, ich lerne auch gern noch dazu. Aber rein auf dem Hörensagen basierend, wäre ein solches Urteil für mich eine Nummer zu groß, so gut bin ich leider nicht. Ich habe auch gelernt, dass Dinge, die ich nicht hinbekomme, von anderen durchaus lösbar sind. Die lasse ich dann und freue mich für die, die es schöner hinbekommen haben. Was in anderen Foren aufkommt, interessiert mich nicht, es sei denn, man schreibt oder spricht mich direkt an.

Mein Artikel und auch meine Äußerungen im Forum hier (die ich da in Auszügen aus dem Draft des bereits seit drei Tagen fertigen Artikels entnommen hatte) sind übrigens deutlich älter als das, was Aquacomputer dann hier und was weiß ich wo noch gepostet hat. Das ist schon wieder so ein Punkt, wo man mir Dinge unterstellt, die sich sehr leicht widerlegen lassen. Aber Hauptsache, man wirft mal wieder ein Steinchen. Generell lasse ich mir nie Inhalte diktieren, aber vielleicht sollte man auch mal überlegen, warum verschiedene Leute am Ende dann doch zum gleichen Schluss kommen.

Zum Balancing habe ich jede Menge recherchiert und geschrieben, der Part mit den Grafikkarten und der Problemetik auf der Platine ist komplett neu, davon hatte ich noch nichts zitiert. Genauso wie die RMA-Geschichte und der Part, ob Balancing wirklich gefährlich ist. Da steht sogar indirekt die Antwort auf Romans Zweifel drin, denn Schieflasten von 6 Ampere werden definitiv nicht mehr geregelt. Vorher ist nämlich aus. Das ist übrigens etwas, was sein WireVIew Pro m.E. auch nicht kann, aber man könnte es sicher implementieren. Außerdem habe ich im Artikel mehrmals darauf hingewiessen, dass eklatante Schäden, und das wäre so einer, nicht zu einer Irrsinns-Regelung führen würden, wenn ein Balancer zweckmäßig ausgeführt wurde. Mir ging es im Artikel primar um die Haltbarkeit und Prävention, nicht um reine Reaktion. :)

Ausgangslage:

Fünf Leitungen führen je 8 A, die sechste nur rund 2 A. Gesamtstrom 42 A. Das ist eine klare Schieflast.

Der Balancer greift erst ab etwa 7,5 A ein. Er erhöht auf den fünf überlasteten Pfaden den wirksamen Serienwiderstand in Milliohm-Schritten, bis Strom in die schwache sechste Leitung ausweicht. Beispielhaft: hebt er auf jedem der fünf Pfade den Widerstand um 2 mΩ an, erzeugt das pro Pfad bei rund 9 A etwa 18 mV Zusatzabfall. Diese 5×18 mV verschieben in Summe ungefähr 5 A in die sechste Leitung. Aus 2 A werden so etwa 7 A, aus 8 A werden je ~7 A. Erhöht er die fünf Pfade weiter leicht (z. B. um insgesamt ~3 mΩ), wandern nochmals ~2 A zur sechsten Leitung: alle landen nahe 9 A.

Jetzt der zweite Effekt: Das Power-Management der Grafikkarte regelt auf ihre Zielleistung, sagen wir 55 A gesamt. Mit aktivem Balancing verteilt sich das dann ideal auf etwa 55/6 ≈ 9,17 A je Pin. Jeder Versuch, über ~9,5 A pro Pin hinauszugehen, triggert die definierte Schutzkette: zuerst Balancing-Maximierung, dann optional Lastreduktion im OS und, falls nötig, Abschalten. Man verlässt sich also nicht darauf, „dass es schon gut geht“, denn jeder Pin oberhalb der Norm führt kontrolliert zur Kappung, bevor Schaden entsteht.

Nun zur Kritik:

Nehmen wir den „schlechten“ Pin aus dem Beispiel, also jenen, der anfangs nur 2 Ampere führte, weil sein Kontaktwiderstand höher ist als bei den anderen. Dieses Szenario ist thermisch besonders tückisch, da die Wechselwirkung zwischen Temperatur, Kontaktwiderstand und Stromverteilung nicht linear verläuft, sondern sich selbst verstärkt.

Ein Kontakt mit leicht erhöhtem Übergangswiderstand – sagen wir 3 Milliohm statt 1,5 Milliohm – verursacht bei 2 A zunächst nur eine vernachlässigbare Verlustleistung von P = I² × R = 2² × 0,003 = 0,012 W. Das ist kaum messbar.

Sobald der Balancer aber beginnt, Ströme umzuleiten und diesen Kontakt wieder gleichmäßig zu belasten, fließen dort wie auf den anderen Pfaden etwa 9 A. Jetzt steigt die Verlustleistung auf P = 9² × 0,003 = 0,243 W. Das ist das Zwanzigfache der vorherigen Wärmeentwicklung und sie entsteht lokal auf einer winzigen Fläche im Metallkontakt. Diese Wärme konzentriert sich an der Grenzschicht zwischen Stecker und Buchse, wo der Übergangswiderstand ohnehin am empfindlichsten ist.

Bei 0,2 bis 0,3 W auf einer Kontaktfläche von nur wenigen Quadratmillimetern entstehen Temperaturanstiege von ca. 30 bis 50 °C über Umgebung, abhängig von der Kühlung und Materialpaarung. Diese Erwärmung wiederum erhöht den Widerstand des Kontakts, weil Metalle einen positiven Temperaturkoeffizienten besitzen (Kupfer etwa +0,4 %/K, vergoldete Federkontakte je nach Legierung 0,2–0,6 %/K). Dadurch wird der Kontakt noch heißer, sein Widerstand steigt weiter, und es kommt zu einem thermischen Aufschaukelungseffekt: der von mir mehrmals erwähnten positiven Rückkopplung. Das war wohl auch der Kern der Kritik.

Aber: Der Balancer wirkt hier als Stabilisator, indem er solche Effekte früh erkennt und gezielt dämpft: Er erhöht den Widerstand der anderen fünf Leitungen wieder minimal, so dass der Gesamtstrom auf dem schwachen Pin wieder sinkt, bevor dessen Temperatur weiter ansteigt. Er verhindert also genau das, was in einem unbalancierten System passieren würde: dass der Pin sich thermisch aufheizt, der Widerstand steigt, die Stromaufnahme dadurch weiter sinkt und die restlichen Pins immer mehr übernehmen müssen, bis die „guten“ Kontakte überhitzen und der Stecker insgesamt versagt.

Das thermische Problem des schlechten Pins liegt nicht in seinem isolierten Verhalten, sondern in der Rückkopplung zwischen Erwärmung und Stromverlagerung. Ohne Balancing führt sie zu einem sich selbst verstärkenden Ungleichgewicht, mit Balancing wird sie aktiv abgefangen, bevor aus einem heißen Kontakt ein potenzieller Ausfall wird.

Das ist meine Sicht der Dinge, da ich die Wirkungsweise kenne, die einem solchen Schaltungsaufbau immer zugrunde liegen muss. Es handelt sich hier um eine geschlossene, rückgekoppelte Mehrgrößenregelung mit gegenseitiger Beeinflussung, also eine Form von Multikanal-Regelung, bei der jede Stellgröße (der Leitungswiderstand pro Kanal) auf alle anderen Kanäle rückwirkt.

Beim Loadbalancing wird kein Ergebnis „in sich selbst eingespeist“, sondern der aktuelle Zustand aller sechs Leitungen wird in Echtzeit gemessen, miteinander verglichen und daraus ein neuer Stellwertvektor berechnet. Das System ist also rückgekoppelt. Man könnte es auch als iterative Selbstanpassung eines gekoppelten Systems beschreiben: Jede kleine Änderung in einem Kanal beeinflusst die Ströme in den anderen, was wiederum eine neue Regelantwort erzeugt. Diese Wechselwirkung läuft kontinuierlich und analog, nicht in diskreten Berechnungsschritten.
Wir haben hier ein dynamisches Gleichgewichtssystem, das sich ständig selbst korrigiert, bis die thermisch und elektrisch stabilste Verteilung erreicht ist. Der Regelkreis enthält also Rückkopplung, Dämpfung und Verzögerung in Einem, aber keine rekursive Berechnung.

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Ich habe gerade das hier gesehen:

Der Loadbalancer verändert nicht willkürlich den Strom auf einer Leitung, sondern sucht den elektrischen Arbeitspunkt, an dem die Spannungsabfälle über alle Leitungen möglichst gleich sind. Wenn ein Pin wegen höherem Übergangswiderstand weniger Strom führt, ist das System zunächst instabil, weil die anderen fünf Pfade mehr Last übernehmen. Würde man nichts tun, würde die Differenz immer größer und genau das beobachtet man in unbalancierten Steckverbindern.

Der Balancer versucht in dieser Situation nicht, den schwachen Pin aktiv stärker zu belasten, sondern reduziert die Dominanz der überlasteten Pfade, indem er dort den wirksamen Widerstand leicht anhebt. Der Gesamtstrom bleibt nahezu konstant, die Quelle (Netzteil bzw. GPU-Lastanforderung) bestimmt diesen ja – aber die Spannungsverteilung am Stecker gleicht sich aus. Dadurch wird der „schlechte“ Kontakt elektrisch wieder eingebunden, ohne dass er zwingend seine volle 1/6-Last tragen muss. Das System zielt nicht auf Gleichstromanteile, sondern auf minimale Spannungsabweichungen, also einen stabilen Gleichverteilungszustand.

Der zweite Punkt betrifft die Schutzlogik. Die Überwachung entscheidet tatsächlich, ob ein Pfad überlastet ist oder zu heiß wird. Wenn der Balancer einen Ausgleich nicht mehr stabil halten kann, etwa weil ein Kontakt thermisch „wegläuft“, dann greift diese Schutzebene. Dann wird entweder die GPU-Last reduziert oder die Stromzufuhr abgeschaltet. Das geschieht nachgelagert, nicht als Teil des Balancing-Prozesses.

– Der Balancer regelt Spannungsabfälle, nicht gezielt Ströme einzelner Leitungen.
– Er dämpft Schieflasten, er „belastet“ keine schlechten Pins aktiv nach.
– Die Abschaltung kommt nur dann, wenn ein Pfad physikalisch instabil wird und damit außerhalb des zulässigen Regelbereichs liegt.

Die Befürchtung, er könne einen schlechten Kontakt thermisch überfahren, wäre nur dann berechtigt, wenn der Balancer die Ströme aktiv erzwingen würde. Das tut er aber nicht, denn er sorgt nur dafür, dass kein Pfad dauerhaft unter- oder überversorgt ist. Der Grenzschutz bleibt in der Überwachung, nicht in der Regelung selbst. Immer vorausgesetzt, er ist so konstruiert, wie ich es voraussetzen würde.

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Ich habe jetzt keine Lust mehr. Ich muss mich jetzt um familiäre Dinge kümmern, denn das Leben so eines bescheuerten Steckverbinders ist vergleichsweise ein Fliegenschiss gegenüber dem eines Menschen. Ich bin hier erst mal raus, denn mehr als zu erklären, was eine rückgekoppelte Mehrgrößenregelung ist, kann ich auch nicht. Das sind eigentlich Basics. Wenn die Leute nicht mal den Unterschied zwischen Strom und Spannungsabfall bei der Regelung begreifen, dann kann ich auch nichts mehr machen. Ist Gott sei Dank auch nicht meine Baustelle.

Letztmalig, weil es mich so aufregt:
Ein guter Balancer arbeitet idealerweise nicht stromgeführt, sondern (weitgehend) spannungsgeführt. Das ist ein entscheidender Unterschied.

Ein stromgesteuerter Balancer würde tatsächlich das Risiko bergen, den „schwachen“ Pin über Gebühr zu belasten, wenn dieser einen höheren Widerstand hat. Ein spannungsgeführtes System – wie der Ampinel – arbeitet jedoch nach einem anderen Prinzip: Es misst permanent die Spannungsabfälle über allen sechs Pfaden und regelt diese so, dass sie möglichst gleich sind.

Das heißt: Wenn der schwache Pin wegen seines höheren Übergangswiderstands eine größere Spannungsdifferenz aufweist, fließt dort automatisch weniger Strom. Der Balancer erhöht nun leicht den Spannungsabfall auf den anderen, „besseren“ Leitungen – aber nur so weit, dass die Differenz der Spannungen angeglichen wird, nicht so weit, dass der Strom auf dem schlechten Pfad den der anderen übersteigt.

Sowas hier macht mich fertig, weil das Verständnis der zweckmäßigen Regelung komplett darin fehlt:

Der Denkfehler in dieser Argumentation liegt in der Annahme, dass der Balancer die Ströme aktiv erzwingt und damit den Gesamtstrom pro Leitung unabhängig verändert. Das tut er aber physikalisch nicht, denn er verändert nicht den Strom, sondern den Spannungsabfall über jede Leitung.

Das Beispiel im Bild („8 A + x Ω ⇒ 7 A“) geht implizit davon aus, dass der Strom auf den guten Leitungen durch den höheren Widerstand sinkt, sich der Gesamtstrom aber zwangsläufig auf die schwächere Leitung „verlagern“ müsse. Das würde aber nur gelten, wenn die Spannungsquelle ideal und der Lastwiderstand der GPU konstant wäre – also wenn die Quelle die gleiche Spannung beibehält, egal was an den Leitungen passiert. In der Realität ist das System aber geregelt und geschlossen:

• Die GPU zieht nur den Strom, den sie bei der aktuellen Versorgungsspannung benötigt.
• Wenn der Balancer die effektiven Serienwiderstände leicht anhebt, steigt der Spannungsabfall über den Leitungen, die GPU-Eingangsspannung sinkt geringfügig.
• Dadurch sinkt der Gesamtstrom des Systems minimal – es gibt also keine „Umleitung“ von Strom, sondern eine Verringerung der Gesamtsumme.

Das Verhalten des Balancers ist also dämpfend, nicht umverteilend im Sinne einer festen Summe. Der schwache Kontakt wird nicht plötzlich mit 5 A mehr belastet, weil der Gesamtstrom im Netzteilpfad nicht starr fixiert ist. Er sinkt leicht, sobald der Balancer eingreift, weil die GPU-Regelung und das Netzteil auf die leicht veränderte Spannung reagieren.

Oder anders gesagt: Der Balancer verteilt keine festen 55 A neu auf die Pins, sondern sorgt dafür, dass die Spannungsabfälle über den sechs Leitungen so gleichmäßig wie möglich bleiben. Wenn eine Leitung wegen eines schlechten Kontakts heiß wird, fließt dort physikalisch automatisch weniger Strom, nicht mehr. Der Balancer kann das nicht umkehren, weil er keinen Strom in eine einzelne Ader „hineinregelt“, sondern nur Spannungsausgleich betreibt. In der Grafik sehen wir schon, dass nichts "gleichgeschaltet" wird, sondern es nach wie vor kleinere Stromdifferenzen gibt. Bei einem stromgeführten System wären die Leitungen quasi gleich. Die Schieflast liegt aber hier unter 0.7 A und das passt.

ERGO

Das Missverständnis im Zitat entsteht also durch die falsche Annahme einer starren Gesamtstromsumme bei konstanter Spannung – tatsächlich handelt es sich um ein spannungsdynamisches, rückgekoppeltes System, bei dem alle Ströme über die momentanen Spannungsabfälle definiert sind. Der Balancer bremst die überlasteten Leitungen ab, ohne die schwachen zu überfahren.

Mathematisch formuliert strebt das System an, dass
ΔU₁ ≈ ΔU₂ ≈ ΔU₃ … ≈ ΔU₆
und nicht dass
I₁ = I₂ = I₃ = … = I₆.

Der Strom ergibt sich erst aus diesem Spannungszustand nach Ohm’schem Gesetz (I = U/R). Da der Widerstand des schlechten Kontakts höher ist, bleibt sein Stromfluss trotz Spannungsangleichung niedriger. Der Balancer gleicht also die Spannungsabfälle an, es wird nicht die Stromverteilung erzwungen.

Diese Regelstrategie stabilisiert das System, weil sie die Spannungsdifferenzen minimiert, die sonst durch Kontaktalterung oder Fertigungstoleranzen entstehen. Sie „zwingt“ keinen Kontakt zur höheren Lastaufnahme, sondern reduziert den Druck auf die überlasteten Leitungen, es ist also ein rein dämpfender, nicht treibender Eingriff.

Der Überwachungsteil, also Temperatur- oder Strom-Grenzwertüberwachung, bleibt zusätzlich aktiv und greift nur, wenn ein Pfad trotzdem aus dem sicheren Bereich läuft. Erst dann wird abgeschaltet oder die GPU-Last reduziert.

Ergo:
– Ein stromgeführtes System könnte gefährlich werden.
– Ein spannungsgeführtes, analog-dämpfendes Balancing wie beim Ampinel kann es nicht, weil es keine Ströme erzwingt.

Und genau deshalb wird dort kein schwacher Pin „hochgezogen“, sondern die übrigen werden leicht abgeregelt, bis das System sich thermisch stabilisiert. Ende Gelände :D

Edit:
Ich finde es wirklich so drollig, dass gefühlt 10 Foristen eine Schaltung kritisieren, die sie noch nicht einmal gesehen haben (können) und dabei ein spannungsgeführtes System wie ein stromgeführtes System betrachten,

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