Ytukyg

Steckernetzteil an Mobiltelefon

Ein Netzteil ist ein eigenständiges Gerät oder eine Baugruppe zur Energieversorgung von Geräten oder Baugruppen, die andere Spannungen und Ströme benötigen, als vom Stromnetz bereitgestellt wird. Ausgangsspannung und maximaler Ausgangsstrom können fest eingestellt oder variabel sein.

Arten |

Netzteile unterteilen sich in Schaltnetzteile und Trafonetzteile, letztere noch in geregelte und ungeregelte. Sie alle gibt es in verschiedenen Ausführungen je nach Einsatzzweck. Meistens stellen sie eine Gleichspannung bereit, es gibt aber auch solche für Wechselspannung und selten solche für Konstantstrom, auch Konstantstromquelle genannt. Sie werden zum Beispiel zum Betrieb von Energiesparlampen, Halbleiterlasern oder in Ladegeräten zum Aufladen von Akkumulatoren benötigt. Ferner sind universelle Labornetzteile in dieser Betriebsart einsetzbar.

Trafonetzteil |

Vor der Erfindung der Schaltnetzteile kamen nur konventionelle Netzteile zum Einsatz. Heute finden sie sich nur noch in Spezialfällen.

Prinzipschaltbild eines linear geregelten Trafonetzteils mit galvanischer Trennung

Ihr Aufbau ist in nebenstehender Abbildung verdeutlicht. Sie bestehen aus einem Transformator (1), dessen Primärwicklung direkt mit der Wechselspannung des Stromnetzes und Netzfrequenz gespeist wird. Er setzt die Spannung auf den erforderlichen Ausgangswert um und stellt die galvanische Netztrennung sicher. Bei Netzteilen ohne galvanische Trennung können Spartransformatoren eingesetzt werden. Die Sekundär-Wechselspannung des Transformators wird mittels Gleichrichter (2) und Glättungskondensator (3) in eine Gleichspannung umgewandelt. Bei „stabilisierten“ Geräten stellt der nachfolgende Linearregler (4) und Pufferkondensator (5) die konstante Ausgangsspannung sicher. Solche stabilisierten Netzteile haben bei Volllast einen Wirkungsgrad unter 50 %. Bei einigen „geregelten“ Trafonetzteilen ist statt eines Linearregler ein Step-Down-Regler eingebaut, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Verlustwärme zu reduzieren.

Trafonetzteile wurden oft auf geringes Gewicht und geringe Kosten ausgelegt: Sie nutzten den Eisenkern maximal aus, der oft von minderer Qualität war. Dadurch wurden auch ohne angeschlossene Verbraucher bzw. ohne Stromentnahme mehrere Watt aus dem Stromnetz entnommen. Obiger Umstand rückte Steckernetzteile in die Kritik von Umweltschützern. 1998 rechnete der BUND in einer Medienkampagne vor, dass sich durch konsequentes Abschalten bzw. Ziehen aller Netzteile (nicht nur Steckernetzteile) nicht im Betrieb befindlicher Elektrogeräte im deutschsprachigen Raum ein mittleres Atomkraftwerk einsparen ließe.

Verschiedene Ausgangsspannungen können durch Umschalten von Wicklungsanzapfungen des Transformators erzielt werden. Die Leerlaufspannungen unstabilisierter Geräte sind oft sehr viel höher als die angegebene Nennspannung. Die Transformatoren enthalten zum Brandschutz eine selbstrückstellende oder nicht rückstellbare Thermosicherung; Letztere werden nach Überlastung unbrauchbar.

Trafonetzteile weisen im Vergleich zu den Schaltnetzteilen einen einfacheren Aufbau auf, wie in den Abbildungen dargestellt. Weil ungeregelten Netzteilen der Linearregler fehlt, stellen sie keine konstante Ausgangsspannung zur Verfügung. Dafür sind sie mit geringerem Bauelementeaufwand, hohem Wirkungsgrad und kostengünstig herstellbar. Manchmal bestehen ungeregelte Trafonetzteile auch nur aus dem Netztransformator; sie geben dann Wechselspannung ab.

Schaltnetzteil |

Schema eines Schaltnetzteils mit galvanischer Trennung

Heute kommen zum größten Teil Schaltnetzteile zum Einsatz. Die Energieübertragung erfolgt mit einer Frequenz von typischerweise einigen 10 kHz bis einigen 100 kHz, die damit deutlich höher liegt als z. B. die europäische Netzfrequenz von 50 Hz. Das erlaubt den Einsatz kleinerer Transformatoren bei gleicher Leistung. Schaltnetzteile sind nicht nur wesentlich leichter und kleiner als Trafonetzteile, sondern haben auch eine geringere Leistungsaufnahme im Leerlauf und einen höheren Wirkungsgrad im Betrieb. Die Leerlaufverlustleistung ist gesetzlich begrenzt worden, in der EU dürfen Netzteile bis 50 Watt nur 0,3 Watt und in den USA 0,1 Watt aufnehmen, größere Netzteile in der EU 0,5 Watt und in den USA 0,21 Watt. Der Wirkungsgrad ist abhängig von der Ausgangsleistung mit einer Formel vorgegeben.^[1][2] Diese Werte sind mit Trafonetzteilen praktisch nicht zu erreichen. Obwohl sie einen höheren Bauteilaufwand als Trafonetzteile erfordern, sind sie inzwischen aufgrund der gestiegenen Rohstoffkosten und Energiepreise mehr als konkurrenzfähig.

Praktisch alle Schaltnetzteile liefern eine geregelte Gleichspannung oder einen geregelten Gleichstrom. Sie sind kurzschlussfest und oft durch einen Weitbereichseingang an allen üblichen Netzspannungen der Welt von 85 V bis 250 V betreibbar. Durch die in ihrem Inneren vorkommenden hohen Schaltfrequenzen erzeugen sie jedoch mehr Störungen im Stromnetz, was Entstörmaßnahmen notwendig macht.

Der schematisierte Aufbau eines Schaltnetzteil lässt sich nebenstehender Abbildung entnehmen.

Kondensatornetzteil |

Eine besonders billige Version eines Netzteils ist das Kondensatornetzteil. Dieses nutzt den Blindwiderstand eines Kondensators, um die Netzspannung zu verringern und ist nur für sehr geringe Ströme und berührungssichere Geräte geeignet. Anwendungen von Kondensatornetzteilen sind LED-Leuchtmittel oder beispielsweise die Eigenversorgung von Dämmerungsschaltern und Bewegungsmeldern.

Bauformen |

Netzteile werden, je nach Einsatzzweck und bereitzustellender Ausgangsleistung, in verschiedenen Bauformen angeboten:

Steckernetzteile |

Geschaltetes (links: 20 Watt) und konventionelles Steckernetzteil (rechts: 3,6 Watt) im Größenvergleich

Platine eines Steckernetzteils

Steckernetzteile sind Netzteile, die mit dem Netzstecker eine Einheit bilden. Der Stecker zum Anschluss an das Wechselstromnetz ist in das Gehäuse des Netzteils integriert. Die abgegebene Kleinspannung wird meist über eine Leitung zum versorgenden Gerät geführt. Es gibt aber auch Typen, die auf der Kleinspannungsseite eine Buchse haben, z. B. USB-Ladegeräte. Heute werden alle Steckernetzteile als Schaltnetzteile ausgeführt, da die gesetzlich geforderten Effizienzanforderungen nur mit einem solchen kostengünstig realisiert werden können. Bis Anfang der 2000er Jahre wurden für kleine Leistungen unter 5 Watt Trafonetzteile mit konventionellem Aufbau und darüber Schaltnetzteile eingesetzt. Aufgrund der mechanischen Belastung der Steckdose gibt es keine Steckernetzteile mit mehr als 50 Watt.

Stecker |

Adapterstecker für universelle Steckernetzteile (siehe Text)

Beim Anschluss an das zu versorgende Gerät wird eine Vielfalt von Anschlusssteckern und Spannungen verwendet. Häufig führt der innere Kontakt positive Polarität, der äußere Masse. Bei vielen Geräten sind Hohlstecker und Klinkenstecker zu finden, wobei Erstere den Klinkensteckern vorzuziehen sind. Klinkenstecker verursachen beim Einstecken vorübergehend einen Kurzschluss und sollten immer nur bei stromlosem Netzteil gesteckt oder gelöst werden. Meist ist die Polarität durch zwei konzentrische Kreise mit „+“- und „−“-Zeichen auf dem Netzgerät markiert.

Die Abbildung zeigt eine Auswahl von Steckverbindungen (von links nach rechts):

• Hohlstecker EIAJ-01 (gelbe Kappe) 2,35 mm × 0,7 mm (Außendurchmesser × Innendurchmesser)


• Klinkenstecker 2,5 mm


• Hohlstecker 3,5 × 1,35 mm


• Klinkenstecker 3,5 mm


• Hohlstecker EIAJ-02 (gelbe Kappe) 4 × 1,7 mm


• Hohlstecker 5,0 × 2,1 mm

Hohlstecker der Größe 5,5 × 2,1 mm und 5,5 × 2,5 mm sind ebenfalls anzutreffen. Meist sind sie mit Buchsen für 5,0 × 2,1 mm kompatibel.

Micro-B-USB-Stecker, wie er bei manchen Smartphones als Ladestecker verwendet wird

Bei Handynetzteilen ist inzwischen für die Geräteklasse der Smartphones der Micro-USB-Stecker europaweit genormt (EN 62684:2010, „Micro-USB-Standard“).^[3]

Eine USB-2.0-Steckverbindung umfasst vier Leitungen plus einen Schirm. Die stabilisierte Spannung von 5 V wird an den äußeren Pins 1 und 4 eingespeist. Ausgänge des Standards USB 2.0 liefern maximal 500 mA, ab USB 3.0 maximal 900 mA. USB-Geräte mit integrierter Ladefunktion wie Mobiltelefone „erkennen“ das USB-Ladegerät an einem Widerstand im Netzteil, der zwischen den bei USB-Ladegeräten normalerweise nicht verwendeten Datenleitungen D+ und D− geschaltet ist. Beträgt der Widerstandswert zwischen den beiden Datenleitungen unter 200 Ω, geht der Laderegler im USB-Gerät davon aus, an einem dedizierten USB-Ladeanschluss wie einem USB-Ladenetzteil (englisch Dedicated charging port, DCP) angeschlossen zu sein, welches mindestens 500 mA oder mehr liefern kann.^[4]

Proprietäre Ladekabel der Firma Apple kodieren die Leistung eines Netzgerätes über eine Spannung, die an den Datenleitungen D+ und D− anliegt. Sind die Datenleitungen nicht beschaltet, können Geräte dieses Herstellers zwar am Netzgerät betrieben werden, aber die Aufladung des Geräteakkus funktioniert nicht. Diese Codierung ist nicht standardisiert und wurde schon einige Male von Apple verändert. Folgenden Spannungen an den Datenleitungen sind die entsprechenden Ladeströme zugeordnet.^[5]

Die Spannungen von 2 V bzw. 2,75 V werden durch Spannungsteiler an der 5-V-Versorgungsleitung erzeugt, beispielsweise durch das Widerstandspaar 75 kOhm und 49,9 kOhm bzw. 43,2 kOhm und 49,9 kOhm.

Kennzeichnungen |

Folgende Produktkennzeichnungen werden verwendet:

Standardsymbole der Polarität: Positiv belegter Innenleiter im Bild links, negativer Innenleiter im rechten Bild.

• Polarität: Gleichspannungsnetzteile haben positive oder negative Polarität, die mit den in der nebenstehenden Abbildung wiedergegebenen Symbolen gekennzeichnet wird und der Polarität des Innenpols von Stecker und Buchse entspricht. Die Polarität des Netzteils muss mit der des damit betriebenen Geräts übereinstimmen, um Schäden (meist Zerstörung des gesamten Gerätes) vorzubeugen.


• „Stabilisiert“ bedeutet, dass die Ausgangsspannung auch bei Leerlauf ihren Nennwert behält. (Nur auf Trafonetzteilen zu finden.)


• Ausgang: xx Volt ⎓ bedeutet gleichgerichtete, gesiebte Spannung; enthält Wechselspannungsanteile, bei Leerlauf steigt die Ausgangsspannung teilweise wesentlich über die Nennspannung an.


• Ausgang: xx Volt AC oder ~ bedeutet Wechselspannungsausgang (z. B. für Lichterketten).

Der Spannungsangabe folgt die Angabe des maximal entnehmbaren Stromes bzw. der Ausgangsleistung.

Weiterhin sind Symbole bzw. Piktogramme zu finden:

• Durchgestrichene Mülltonne: nach Elektronikschrottverordnung gehören ausgediente Geräte nicht zum Restmüll


• Doppelquadrat: Schutzisolierung netzspannungsführender Teile


• stilisiertes Haus: nur in Innenräumen zu verwenden


• 
  CE-Kennzeichnung: Ein Freihandelkennzeichen für die Europäische Union. Durch das Anbringung der CE-Kennzeichnung bestätigt der Inverkehrbringer, dass das Produkt den produktspezifisch geltenden europäischen EU-Richtlinien entspricht.


• Durch einen Strich getrennte überlappende Kreise: Schutztrennung zwischen Netz- und Ausgangsspannung (Schutzkleinspannung)


• Punkt oder Ring mit römischer Zahl darin: gibt die Energieeffizienz an. Je größer die Zahl, um so enger ist die Leerlaufverlustleistung begrenzt. Manchmal steht links daneben „EFFICIENCY LEVEL“. Netzteile, die derzeit (2017) neu in den Verkauf gelangen, sind markiert mit den Zahlen 'IV' (nach CEC Tier 2), 'V' (nach CEC Tier 3) oder 'VI' (nach DOE VI, einzuhalten seit Februar 2016) für den US-Markt und harmonisierte Märkte.^[2] Vor allem ältere Netzteile, die weniger strengen Kriterien genügen, können die Zahl 'III' aufweisen. 'I' bezeichnet ein Netzteil, was keinem der Kriterien der anderen Effizienzklassen genügt, für die Kennzeichnung 'II' sind niemals Kriterien festgelegt worden.^[6]
  

Eigenständige Geräte |

Separates Kleinleistungsnetzteil der Schutzklasse II

Festspannungsnetzteile |

Für mittlere Leistungen (10–200 W) gibt es ein vielfältiges Angebot an Netzteilen mit gebräuchlichen Ausgangsspannungen (eine oder mehrere Gleich- oder Wechselspannungen) in Form externer Einheiten, die über ein teilweise am Gerät steckbares Netzkabel gespeist werden und den Verbraucher über eine abgehende Leitung mit Gerätestecker versorgen.

Die Verwendung externer Netzteile im Gegensatz zu im Gerät integrierten Netzteilen bietet Geräteherstellern einige wichtige Vorteile:

1. Durch den Einsatz von zugekauften, standardisierten, externen Netzteilen werden Entwicklungskosten und -risiken vermieden. Neben den rein funktionellen Aspekten betrifft das vor allem die Aspekte Sicherheit und elektromagnetische Verträglichkeit, die erheblich zum Entwicklungsaufwand eines Netzteils beitragen.


2. Externe Netzteile sind standardisierte Massenartikel, die sehr preisgünstig hergestellt und angeboten werden, was sich günstig auf die Gesamtkosten des Gerätes auswirkt.


3. Die Anpassung des Gerätes an landesspezifische Stromnetze reduziert sich auf eine geeignete Auswahl des externen Netzteils.


4. Die Bewertung und Überprüfung von Geräten, die mit externen Netzteilen arbeiten, im Hinblick auf deren Konformität mit anzuwendenden gesetzlichen Vorschriften, z. B. im Rahmen einer Produktzulassung, ist normalerweise deutlich weniger aufwendig als für Geräte mit integrierten Netzteilen, weil die lebensgefährliche Netzspannung nicht in das Gerät selbst eingeführt wird.


5. Ein zugelassenes Netzteil kann für mehrere Kleinspannungsgeräte verwendet werden.

Auch diese Bauform (z. B. für Drucker oder Laptops) weist nur selten einen Netzschalter auf, so dass sich durch den Einsatz schaltbarer Steckdosenleisten einige Energie sparen lässt. Insbesondere Tintenstrahldrucker führen jedoch nach einer vollständigen Netztrennung oft einen aufwendigen Selbsttest durch, bei dem sehr viel Tinte unnötig verschwendet wird.

Labornetzteile |

Geregeltes Festspannungsnetzgerät für 13,8 Volt und maximal 30 Ampere

Sogenannte Labornetzteile, auch Labornetzgeräte genannt, sind vielfältig verwendbare Geräte. Sie verfügen meist über eine stufenlos einstellbare Spannungsbegrenzung und eine ebenfalls einstellbare Strombegrenzung, ferner über eine Strom- und Spannungsanzeige.

Einbau-Netzteil |

PC-Netzteil zum Einbau in einen PC

Bei größeren Leistungen (über 100 W) sind Netzteile innerhalb von Geräten oder auch Schaltschränken oft als Baugruppe oder Einbaugerät ausgeführt. Die Anforderungen an den Berührungsschutz sind dann geringer. Die Integration des Netzteils erhöht anderseits jedoch die Sicherheitsanforderungen an das Gesamtgerät, da dieses nun z. B. hinsichtlich Berührungsschutz, Kriechspannungsabständen und Überspannungsfestigkeit oder Schutzerdung die Anforderungen erfüllen muss, die vorher nur an das separate Netzgerät gestellt wurden.

Einbaugeräte oder eingebaute Netzteile werden auch oft verwendet, wenn mehrere Spannungen benötigt werden, wie beispielsweise in Computern, Fernsehern, Videorekordern, Faxgeräten oder Laserdruckern.

DC-Schaltwandler |

Netzteile kommen auch an Gleichspannungsnetzen (Kraftfahrzeuge, Solaranlagen, Kleinflugzeuge) zum Einsatz, wenn Spannungen transformiert werden müssen oder Wechselspannung erforderlich ist. Sie werden jedoch meist nicht als Netzteil bezeichnet.

Ein Beispiel sind in kräftigen Audioverstärkern eingebaute Stromversorgungen zum Betrieb am KFZ-Bordspannungsnetz, die für die Endstufen aus 12 V (Bordnetz) Spannungen von oft mehr als ± 40 V erzeugen. Dort kommen DC/DC-Schaltnetzteile zum Einsatz, die einen Wechselrichter und einen Transformator mit nachfolgender Gleichrichtung enthalten.

Gleichspannungswandler werden im Kleinleistungs-Bereich (unter 5 W) als gekapselte Hybrid-Module zur galvanisch getrennten Versorgung von Baugruppen eingesetzt.

Typische Anwendungen sind Line-Interfaces von Telefon-Modems oder Netzwerkkarten, moderne PC-Mainboards und leistungsfähige Grafikkarten, die aus den vom PC-Netzteil gelieferten Spannungen ihre Betriebsspannungen möglichst nahe beim Verbraucher erzeugen (engl. point-of-load converter).

Wechselrichter erzeugen Netzwechselspannung aus Gleichspannungsnetzen, z. B. als steckbarer Netzadapter in Kraftfahrzeugen oder fest installiert in Gleichspannungsnetzen von Solaranlagen.

Weblinks |

 Commons: Netzteil – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Netzteil – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise |

1. 
   ↑ Christof Windeck: Ein-Watt-Verordnung. heise.de, Januar 2009, abgerufen am 19. Mai 2014. 
   


2. 
   ↑ ^ab Efficiency Standards for External Power Supplies. CUI Inc., August 2016, abgerufen am 15. November 2016 (englisch). 
   


3. 
   ↑ Universal-Ladegeräte für Handys sollen nun wirklich kommen. Heise.de, 7. Februar 2011, abgerufen am 3. August 2011. 
   


4. 
   ↑ Battery Charging Specification Rev. 1.1. (ZIP) USB Implementers Forum, 24. Juni 2009, abgerufen am 4. März 2014 (englisch). 
   


5. 
   ↑ Lady Ada: iCharging - The mysteries of Apple device charging. 20. November 2015, abgerufen am 6. Mai 2018 (englisch). 
   


6. 
   ↑ Efficiency Standards for External Power Supplies | DigiKey. Abgerufen am 19. August 2017 (amerikanisches Englisch).