Netzteil
Ein Netzteil (engl.: Power Supply Unit, PSU) 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.
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[Bearbeiten] Arten
Netzteile unterteilen sich in Schaltnetzteile und Trafonetzteile; letztere noch in geregelte und ungeregelte. Sie alle gibt es in verschiedenen Ausführungen je nach Einsatzzweck.
Heute kommen zum großen Teil - aber nicht ausschließlich - Schaltnetzteile zum Einsatz. Sie werden mit höheren Frequenzen als der Netzfrequenz betrieben - typische Werte liegen im Bereich einiger 10 kHz bis zu einigen 100 kHz. Das erlaubt bei gleicher Leistung den Einsatz kleinerer und leichterer Transformatoren und einen höheren Wirkungsgrad. Praktisch alle Schaltnetzteile liefern eine geregelte Gleichspannung oder einen geregelten Gleichstrom. Es gibt spezielle Netzteile welche man nur unter Last betreiben darf, weil sich bei offenen Anschlüssen eine so hohe Spannung aufbauen würde, dass es sich selbst zerstören würde. Je nach Typ variieren sie entweder die Schaltfrequenz oder das Pulsbreitenverhältnis, wodurch Energieverluste vermieden werden. Obwohl sie einen höheren Bauteilaufwand als Trafonetzteile erfordern, sind sie inzwischen aufgrund der gestiegenen Rohstoffkosten und Energiepreise mehr als konkurrenzfähig.
Trafonetzteile weisen im Vergleich zu den Schaltnetzteilen einen einfacheren Aufbau auf, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt: Sie enthalten einen Transformator (1), dessen Primärwicklung direkt mit der Wechselspannung des Stromnetzes und Netzfrequenz gespeist wird. Er setzt die Spannung auf den oder die erforderlichen Ausgangswerte 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, der nachfolgende Linearregler (4) stellt die konstante Ausgangsspannung sicher, wobei notwendigerweise Wärmeverluste auftreten. Weil ungeregelten Netzteilen der Linearregler (4) fehlt, stellen sie keine konstante Ausgangsspannung zur Verfügung, dafür sind sie mit geringeren Bauelementeaufwand, hohem Wirkungsgrad und kostengünstig herstellbar. Manchmal bestehen nicht geregelte Trafonetzteile auch nur aus dem Netztransformator, sie geben dann Wechselspannung ab.
Netzteile für konstanten Strom in Form einer Konstantstromquelle sind seltener. Sie werden zum Beispiel zum Betrieb von Halbleiterlasern oder in Ladegeräten zum Aufladen von Akkumulatoren benötigt. Ferner sind universelle Labornetzteile in dieser Betriebsart einsetzbar.
[Bearbeiten] Bauformen
Netzteile werden, je nach Einsatzzweck und bereitzustellender Ausgangsleistung, in verschiedenen Bauformen angeboten:
[Bearbeiten] Steckernetzteile
Steckernetzteile sind Netzteile, die mit dem Netzstecker eine Einheit bilden. Sie werden für kleine Leistungen eingesetzt; klein bedeutet hier unter 10 W bei konventionellem Aufbau und unter 50 W bei Schaltnetzteilen. Der Stecker zum Anschluss an das Wechselstromnetz ist in das Gehäuse des Netzteils integriert. Die abgegebene Kleinspannung wird meist über ein Kabel zum zu versorgenden Gerät geführt, es gibt aber auch Typen die auf der Kleinspannungsseite eine Buchse haben, z.B. USB-Ladegeräte.
Steckernetzteile werden wegen ihrer Bauform und ihrer kaum einzudämmenden Vermehrung gelegentlich scherzhaft als „Wandwarze“ bezeichnet. In der deutschen Übersetzung von Douglas Adams Buch Lachs im Zweifel werden sie als „Bammeldinger“ bezeichnet[1], einerseits wegen der vielfältigen Variationen von Stromstärken, elektrischer Spannungen und Steckverbindern, andererseits wegen der Schwierigkeit, ein Steckernetzteil und das dazugehörige Gerät irrtumsfrei zu kombinieren.
[Bearbeiten] Schaltnetzteil
Mittlerweile werden fast alle Steckernetzteile als Schaltnetzteile ausgeführt, die nicht nur wesentlich leichter und kleiner als Trafonetzteile sind, sondern auch eine geringere Leistungsaufnahme im Leerlauf und einen höheren Wirkungsgrad im Betrieb haben. Zudem ist die Ausgangsspannung stabiler als bei unstabilisierten konventionellen Netzteilen. Sie sind in der Regel kurzschlussfest und durch einen Weitbereichseingang im Bereich von 85 V bis 250 V an allen üblichen Netzspannungen der Welt betreibbar. Durch die in ihrem Inneren vorkommenden hohen Schaltfrequenzen erzeugen sie jedoch mehr Störungen im Stromnetz, was Entstörmaßnahmen notwendig macht. Die Leerlaufverlustleistung ist gesetzlich von der EU auf 1 Watt begrenzt worden.
Beim Anschluss an das zu versorgende Gerät wird eine Vielfalt von Anschlusssteckern und Spannungen verwendet. Die Anschlussstecker sind teilweise mechanisch standardisiert, aber regelmäßig kommen neue herstellerspezifische Varianten hinzu. Die Stecker und deren Polarität sind nicht standardisiert, so dass in der Regel jedes Gerät sein eigenes Netzteil benötigt. Bei Handynetzteilen ist inzwischen für die Geräteklasse der Smartphones ein USB-Stecker europaweit genormt (Europäische Norm EN 62684:2010).[2] Bei vielen Geräten sind Hohlstecker und Klinkenstecker zu finden, wobei erstere den Klinkensteckern vorzuziehen sind, da letztere beim Einstecken vorübergehend einen Kurzschluss verursachen und immer nur bei stromlosen Netzteil gesteckt oder gelöst werden sollten.
[Bearbeiten] Trafonetzteil
Früher kamen in vielen Steckernetzteilen einfache Konstruktionen aus Transformator, Gleichrichter und Siebkondensator zum Einsatz, deren elektrischer Wirkungsgrad bei Vollast deutlich unter 50 % liegt. Sie finden sich heute nur noch in Spezialfällen. Außer bei mit „stabilisiert“ gekennzeichneten Geräten wird auf einen Spannungsregler verzichtet, verschiedene Ausgangsspannungen werden durch Umschalten von Wicklungsanzapfungen des Transformators erzielt. Die Leerlaufspannungen unstabilisierter Geräte sind oft sehr viel höher als die angegebene Nennspannung. Die Transformatoren enthalten eine selbstrückstellende oder nicht rückstellbare Thermosicherung, letztere werden nach Überlastung unbrauchbar. Steckernetzteile mit Wechselspannungsausgang enthalten nur einen Transformator.
Trafonetzteile werden oft auf geringes Gewicht und geringe Kosten ausgelegt, sie nutzen den Eisenkern maximal aus, dieser ist auch oft von minderer Qualität, dadurch werden auch ohne angeschlossenen 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/Ziehen aller Netzteile (nicht nur Steckernetzteile) nicht im Betrieb befindlicher Elektrogeräte im deutschsprachigen Raum ein mittleres Atomkraftwerk einsparen ließe.
[Bearbeiten] Kennzeichnungen
Folgende Kennzeichnungen werden verwendet:
- 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: Schutzisolation 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)
[Bearbeiten] Eigenständige Geräte
[Bearbeiten] 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:
- 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.
- Externe Netzteile sind standardisierte Massenartikel, die sehr preisgünstig hergestellt und angeboten werden, was sich günstig auf die Gesamtkosten des Gerätes auswirkt.
- Die Anpassung des Gerätes an landesspezifische Stromnetze reduziert sich auf eine geeignete Auswahl des externen Netzteils.
- 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.
- 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.
[Bearbeiten] Labornetzteile
→ Hauptartikel: Labornetzteil
Sogenannte Labornetzteile, auch Labornetzgeräte genannt, sind vielfältig betreibbare Geräte. Sie verfügen meist über eine stufenlos einstellbare Spannungsbegrenzung und eine ebenfalls einstellbare Strombegrenzung, ferner über eine Strom- und Spannungsanzeige.
[Bearbeiten] Einbau-Netzteil
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.
[Bearbeiten] DC-Schaltwandler
Netzteile kommen auch an Gleichspannungsnetzen (Flugzeuge, Kraftfahrzeuge, Solaranlagen) zum Einsatz, wenn Spannungen transformiert werden müssen oder Wechselspannung erforderlich ist. Sie werden jedoch meist nicht als Netzteil bezeichnet.
Ein Beispiel sind in kräftigen Audio-Verstärkern 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.
Gleichstromsteller 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.
[Bearbeiten] Berechnungen
[Bearbeiten] Innenwiderstand und Scheinleistung
Ein für Berechnungen wichtiger Wert ist der Innenwiderstand eines Netzteiles. Als Berechnungsmodell betrachtet man ein Netzteil als eine ideale Spannungsquelle in Serie mit einem Ohmschen Widerstand. Bei Belastung bildet dieser Widerstand einen Spannungsteiler mit Last, und bewirkt somit einen Spannungseinbruch bei zunehmendem Strom. Beim Kurzschluss bricht die Spannung auf Null ein, und es fließt ein definierter Strom, der Kurzschlussstrom. Befindet sich das Netzteil im Leerlauf, so hat dieser Widerstand keine Wirkung, und es liegt eine definierte Spannung an, die Leerlaufspannung. Die Leerlaufspannung entspricht der Spannung der idealen Spannungsquelle im obigen Denkmodell. Außerdem entspricht sie etwa der Spitzenspannung (Wirkspannung mal Wurzel aus 2), der Ausgangswechselspannung des Transformators. Aus diesen beiden Werten lassen sich eine Leistung (Produkt) und ein Widerstand (Quotient) berechnen. Der Widerstand ist der oben genannte Innenwiderstand. Die Leitung bezeichnet die Scheinleistung. Die Scheinleistung, also das Produkt aus Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung, ist wesentlich höher als die tatsächlich mögliche Höchstleistung und ohne Beschädigung erlaubte Nennleistung. Um Verwechslungen auszuschließen, wird die Scheinleistung nicht in Watt (W) sondern in Voltampere (VA) angegeben, was zwar mathematisch die gleiche Einheit ist, aber eben dieser Verwechslung vorbeugt.
Zu beachten ist, dass Netzteile beim Kurzschluss stark belastet werden und daher eine lange Messung möglichst vermieden werden sollte. Bei käuflichen Netzteilen und Transformatoren wird daher die Scheinleistung, aus der der Innenwiderstand berechnet werden kann, in der Regel vom Werk/Händler genannt.
[Bearbeiten] Leistung und Wirkungsgrad
Aus den obengenannten Werten lässt sich die Leitung und der Wirkungsgrad berechnen. Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Quotienten des Lastwiderstands und der Summe von Lastwiderstand und Innenwiderstand. Der Wirkungsgrad nimmt also mit größerwerdendem Lastwiderstand - also geringerem Stromverbrauch - zu und erreicht sein theoretisches Maximum bei unendlichem Widerstand, also im Leerlauf.
In der Praxis fließt allerdings durch die Primärwicklung des Trafos ein relativ konstanter komplexer Wechselstrom. Der Blindstrom verrichtet Arbeit am Ohmschen Widerstand der Primärwicklung und des Lichtnetzes. Daher nimmt der Wirkungsgrad kurz vor dem Leerlauf wieder ab (und wird 0). Es ergibt sich also ein Punkt, an dem der Wirkungsgrad maximal ist, welcher in der Nähe des Leerlaufes liegt. Dies ist die Ursache für den hohen Elektrizitätsverbrauch von sogenannten Stand-By- Geräten.
Bei einer sinnvollen Nutzung des Netzgerätes befindet sich der Arbeitspunkt jedoch weit jenseits diese Punktes, weswegen das bei der folgenden Berechnung vernachlässigt wird.
Die tatsächliche Ausgangsleistung ergibt sich aus dem Produkt von Wirkungsgrad und Eingangsleistung. Der Wirkungsgrad nimmt bei steigender Belastung ab, während die Eingangsleistung bei steigender Belastung zunimmt. Trägt man die Ausgangsleistung zum Strom auf, erhält man eine nach unten geöffnete Parabel, die Nullstellen bei null Ampere und beim Kurzschluss hat. Der Scheitelpunkt der Parabel ist der Punkt höchster Ausgangsleitung. An diesem Punkt beträgt der Wirkungsgrad 50% und der Strom 50% des Kurzschlussstromes. Die maximale Leistung beträgt also 25% der Scheinleistung. Ein Arbeitspunkt auf dem fallenden Ast der Parabel bedeutet eine Abnahme der Leistung bei steigenden Stromverbrauch, ist also äußerst unwirtschaftlich. Der übliche Arbeitspunkt eines Netzteiles liegt daher auf dem steigenden Ast der Parabel. Durch größere Auslegung des Netzteiles - also Verschiebung des Arbeitspunktes zum steigenden Ast der Parabel hin - kann ein höherer Wirkungsgrad bei gleicher Ausgangsleitung erreicht werden.
Es ist also möglich, durch höheren Kostenaufwand beim Bau eines Netzteiles die Betriebskosten durch Elektrizität zu senken. Wird der Punkt des maximalen Wirkungsgrades (siehe oben) jedoch erreicht, ist eine weitere Vergrößerung unwirtschaftlich.
[Bearbeiten] Nennleistung und Nennstrom
Die Verlustleistung im Netzteil bewirkt die Verrichtung von Wärmearbeit am Netzteil. Da das Netzteil eine endliche Wärmeabfuhr und Betriebstemperatur hat, kann es durch eine andauernde Überlastung zerstört werden (bzw. die Sicherung brennt durch). Der Hersteller oder Händler gibt daher einen Nennstrom oder eine Nennleistung an, bis zu der das Netzteil gefahrlos betrieben werden kann. Inwiefern die obengenannten Punkte in der Kennlinie erreicht werden können, variiert ja nach Netzteil. Manche haben einen sehr niedrigen Innenwiderstand und dürfen daher nur in einem weit vom Scheitelpunkt entfernten Bereich betrieben werden, andere können sogar kurzgeschlossen werden, ohne beschädigt zu werden.
[Bearbeiten] Restwelligkeit
Da Gleichspannungsnetzteile eine Wechselspannung gleichrichten, handelt es sich bei ihrer Ausgangsspannung um eine Wechselspannung mit Gleichspannungsanteil, wobei der Gleichspannungsanteil stets größer als der Wechselspannungsanteil ist (aa die Gesamtspannung nie negativ wird). Würde die Spannung am Ausgang des Gleichrichters auf eine vollständig reelle Impedanz wirken, würde ein pulsierender Gleichstrom fließen. Daher werden im Netzteil Kondensatoren der Last parallel geschalten, die mit ihr einen Tiefpass ergeben. Der Wechselstrom teilt sich also auf Last und Glättkondensator auf, während der Gleichstrom nur durch die Last fließt. Die Restwelligkeit ergibt sich daher (in etwa) aus dem Quotient des Lastwiderstandes und des kapazitiven Widerstands des Kondensators. Daraus ergibt sich, dass die Restwelligkeit mit steigender Belastung zunimmt. Hochwertige Netzteile haben auch noch Spulen, deren induktiver Widerstand sich zum Widerstand der Last addiert, während ihr Widerstand für den Gleichstrom gegen Null geht.
Von Bedeutung ist die Restwelligkeit besonders für empfindliche Analoggeräte, wie z.B. Verstärker, bei denen sich die Restwelligkeit im sogenannten Netzbrummen bemerkbar macht.
Übliche Angaben der Restwelligkeit beziehen sich in der Regel auf Belastung mit dem Nennstrom, und werden als der Spitze-Spitze-Wert (USS) angegeben.
[Bearbeiten] Einzelnachweise
- ↑ Lachs im Zweifel, ISBN 3-453-86864-1. In der englischen Original-Fassung werden sie als "little dongly things" bezeichnet.
- ↑ Heise.de - Universal Ladegeraete für Handys sollen nun wirklich kommen Abgerufen am 3. August 2011
[Bearbeiten] Weblinks
Commons: Netzteil – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Netzteil – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
