Hardware Elektrotechnik on FISI Lernzettel

Energieeffizienz in der IT

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

Energieeffizienz in der IT#

Energieeffizienz ist bei der Hardwarebeschaffung ein wichtiges Kriterium – sowohl ökologisch als auch ökonomisch (Betriebskosten / TCO).

TDP – Thermal Design Power#

TDP (Thermal Design Power) gibt an, wie viel Wärme ein Prozessor oder eine GPU unter Volllast maximal erzeugt – und damit, welche Kühlleistung das Kühlsystem mindestens erbringen muss.

Eingebettete Systeme (Embedded Systems)

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

Eingebettete Systeme (Embedded Systems)#

Ein eingebettetes System ist ein Computer, der fest in ein technisches Gerät integriert ist und dort eine spezifische Steuerungs-, Regelungs- oder Überwachungsaufgabe übernimmt — im Gegensatz zu einem PC ist es nicht für allgemeine Anwendungen gedacht. Zusammen mit Sensoren und Aktoren bildet es ein cyber-physisches System, das die physische Welt misst und aktiv beeinflusst.

Grundbestandteile#

flowchart TD
 subgraph ES["Eingebettetes System"]
 CPU["CPU / Mikrocontroller\n(Verarbeitung)"]
 MEM["Speicher\n(Programm & Daten)"]
 IO["I/O-Schnittstellen"]
 end
 Sensor["Sensorik\n(z.B. Temperatur, Druck)"] -->|Messwert| IO
 IO --> CPU
 CPU --> MEM
 CPU -->|Steuersignal| IO
 IO --> Aktor["Aktorik\n(z.B. Motor, Ventil)"]
 Aktor -->|wirkt auf| Umwelt["Physische Umgebung"]
 Umwelt -->|beeinflusst| Sensor

Bestandteil	Aufgabe
CPU / Mikrocontroller	Führt die Steuerlogik/Software aus
Speicher	Speichert Programm (meist Flash) und Laufzeitdaten (RAM)
Sensorik	Erfasst physikalische Größen (Temperatur, Licht, Bewegung, Druck …)
Aktorik	Setzt Steuersignale in physische Wirkung um (Motor, Relais, Anzeige …)
I/O-Schnittstellen	Verbinden CPU mit Sensorik/Aktorik und ggf. anderen Systemen (Bus, Netzwerk)

Mikrocontroller vs. Mikroprozessor#

Der zentrale Unterschied liegt darin, wie viel Peripherie bereits auf dem Chip integriert ist:

Elektrotechnik-Grundlagen

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

Elektrotechnik-Grundlagen#

Grundlegendes elektrotechnisches Wissen ist Voraussetzung, um PC-Hardware, Netzteile und Stromversorgung (USV, RZ-Verkabelung) zu verstehen und sicher damit zu arbeiten.

Grundgrößen#

Größe	Formelzeichen	Einheit	Bedeutung
Spannung	U	Volt (V)	„Antriebskraft" für den Strom — Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten
Stromstärke	I	Ampere (A)	Menge der fließenden Ladung pro Zeit
Widerstand	R	Ohm (Ω)	Behindert den Stromfluss
Leistung	P	Watt (W)	Umgesetzte Energie pro Zeit

Ohmsches Gesetz#

U = R × I (Spannung = Widerstand × Strom)

Daraus abgeleitet:

ESD-Schutz & Elektro-Arbeitsschutz

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

ESD-Schutz & Elektro-Arbeitsschutz#

Bei Hardwarearbeiten drohen zwei unterschiedliche Gefahren: ESD kann Bauteile unbemerkt zerstören, elektrische Spannung kann Personen verletzen. Beide Risiken erfordern eigene Schutzmaßnahmen.

ESD (Electrostatic Discharge)#

Elektronische Bauteile (CPU, RAM, Mainboard) enthalten hochempfindliche Halbleiterstrukturen, die bereits durch wenige hundert Volt statischer Aufladung beschädigt werden können — oft ohne dass der Schaden sofort bemerkt wird (latenter Defekt, Ausfall erst nach Wochen).

Wie entsteht ESD?#

Durch Reibung (z. B. Laufen über Teppich, Kleidung) lädt sich der menschliche Körper elektrostatisch auf. Beim Berühren eines Bauteils entlädt sich diese Spannung schlagartig über die empfindliche Elektronik.

Kühlung: Luft- und Wasserkühlung

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

Kühlung: Luft- und Wasserkühlung#

CPU und GPU erzeugen im Betrieb Abwärme, die zuverlässig abgeführt werden muss — sonst drosselt die Hardware ihre Leistung (Thermal Throttling) oder nimmt Schaden.

Luftkühlung#

Die häufigste und günstigste Kühlmethode: ein Kühlkörper (meist Aluminium/Kupfer) mit Lüfter leitet Wärme von der CPU/GPU an die Umgebungsluft ab.

┌─────────────┐
│ Lüfter │ → bläst Luft durch die Kühlrippen
├─────────────┤
│ Kühlrippen │ → vergrößern die Oberfläche für Wärmeabgabe
├─────────────┤
│ Kühlkörper │ → Kupfer/Aluminium, direkter Kontakt zur CPU
├─────────────┤
│ Wärmeleitpaste│ → füllt Mikro-Unebenheiten zwischen CPU und Kühlkörper
├─────────────┤
│ CPU │
└─────────────┘

Vorteile	Nachteile
Günstig, einfache Installation	Lauter bei hoher Last
Wartungsarm, keine Leckage-Gefahr	Weniger effizient bei sehr hoher TDP
Langlebig	Größerer Platzbedarf im Gehäuse

Wasserkühlung (Flüssigkühlung)#

Eine Kühlflüssigkeit transportiert die Wärme von der CPU/GPU zu einem Radiator, der sie mit Lüftern an die Luft abgibt.

PC-Komponenten & Mainboard

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

PC-Komponenten & Mainboard#

Das Mainboard verbindet alle Komponenten eines Computers über Busse und Schnittstellen miteinander.

Überblick: Zentrale Komponenten#

Komponente	Funktion
CPU (Prozessor)	Führt Rechenoperationen aus, „Gehirn" des PCs
Mainboard	Verbindet alle Komponenten, enthält Chipsatz und Sockel
RAM	Flüchtiger Arbeitsspeicher für laufende Programme
Chipsatz	Steuert Datenfluss zwischen CPU, RAM und Peripherie
Netzteil (PSU)	Wandelt Netzspannung in Betriebsspannungen (12 V, 5 V, 3,3 V)
Massenspeicher	HDD/SSD für dauerhafte Datenspeicherung

CPU-Sockel#

Der Sockel bestimmt, welche CPUs auf einem Mainboard verbaut werden können — Sockel und CPU müssen zueinander passen.

Schnittstellen: USB, SATA, PCIe, Thunderbolt

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

Schnittstellen: USB, SATA, PCIe, Thunderbolt#

Schnittstellen verbinden Peripheriegeräte und interne Komponenten mit dem PC. Für die Prüfung relevant sind vor allem Geschwindigkeit, Einsatzbereich und Abwärtskompatibilität.

USB (Universal Serial Bus)#

Version	Bezeichnung	Max. Geschwindigkeit
USB 2.0	High Speed	480 Mbit/s
USB 3.0 / 3.1 Gen 1	SuperSpeed	5 Gbit/s
USB 3.1 Gen 2 / 3.2	SuperSpeed+	10–20 Gbit/s
USB4	—	bis 40 Gbit/s (nutzt Thunderbolt-3-Protokoll)

USB ist abwärtskompatibel: Ein USB 2.0-Stick funktioniert an einem USB 3.0-Port (mit reduzierter Geschwindigkeit), aber nicht schneller als seine eigene Spezifikation.