Netzgerät

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.

Stecker-Netzteil am Mobiltelefon

Diverse Steckernetzteile

Arten

Stromlaufplan eines linear geregelten Netzteils mit Netztransformator

Netzteile gibt es in verschiedenen Ausführungsformen welche sich in geregelte und ungeregelte Netzteile unterteilen. Ungeregelte Netzteile stellen keine konstante Ausgangsspannung zur Verfügung und sind von der Last abhängig. Sie sind dafür mit geringeren Bauelementeaufwand und kostengünstig herstellbar. Oft bestehen nicht geregelte Netzteile nur aus dem Netztransformator.

Geregelte Netzteile unterteilen sich in linear geregelte Netzteile und Schaltnetzteile. Linear geregelte Netzteile, sie liefern immer eine Gleichspannung, weisen im Vergleich zu den Schaltnetzteilen einen einfacheren Aufbau auf, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt: Sie enthalten einen Transformator, 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 galvanischer Trennung können Spartransformatoren eingesetzt werden. Nach dem Transformator wird mittels Gleichrichter die Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung umgewandelt und der nachfolgende Linearregler stellt die konstante Ausgangsspannung sicher.

Schaltnetzteile werden mit höheren Frequenzen als der Netzfrequenz betrieben - typische Werte liegen im Bereich einiger kHz bis zu einigen 100 kHz. Dies erlaubt bei gleicher Leistung den Einsatz kleinerer und leichterer Transformatoren und im Gegensatz zu den linear geregelten Netzteilen einen höheren Wirkungsgrad. Schaltnetzteile liefern typischerweise auch eine geregelte Gleichspannung. Sie variieren je nach Typ dazu entweder die Schaltfrequenz oder das Pulsbreitenverhältnis und sind vom Aufbau her aufwändiger aufgebaut als Linearnetzteile.

Netzteile für konstanten Strom in Form der Konstantstromquelle sind seltener. Sie werden zum Beispiel zum Betrieb von Halbleiterlasern oder in Ladegeräten zum Aufladen von Akkumulatoren benötigt.

Bauformen

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

Steckernetzteil

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

Für kleine Leistungen (unter 10 W bei konventionellem Aufbau, unter 30 W bei Schaltnetzteilen) werden meist Steckernetzteile eingesetzt. Der Stecker zum Anschluss an das Wechselstromnetz ist in das Gehäuse des Netzteils integriert. Die abgegebene Kleinspannung wird über ein Kabel zum zu versorgenden Gerät geführt.

In vielen Steckernetzteilen kommen einfache Konstruktionen aus Transformator, Gleichrichter und Siebkondensator zum Einsatz, deren elektrischer Wirkungsgrad deutlich unter 50 % liegt. Außer bei mit „stabilisiert“ bezeichneten 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, so dass die Geräte nach Überlastung teilweise unbrauchbar werden.

Steckernetzteile mit Wechselspannungsausgang enthalten nur einen Transformator.

Da die Transformatoren auf geringes Gewicht ausgelegt sind, den Eisenkern maximal ausnutzen bzw. dieser oft von minderer Qualität ist, werden auch ohne angeschlossenen Verbraucher bzw. ohne Stromentnahme erhebliche Verluste verursacht. Dieser Umstand rückt Steckernetzteile in die Kritik von Umweltschützern. 1998 rechnete der BUND in einer Medienkampagne vor, dass sich durch konsequentes Abschalten/Ziehen von Steckernetzteilen abgeschalteter Elektrogeräte im deutschsprachigen Raum ein mittleres Atomkraftwerk einsparen ließe.

Mittlerweile werden immer mehr Steckernetzteile als Schaltnetzteile ausgeführt, die nicht nur wesentlich leichter sind, sondern auch eine sehr geringe Leerlauf-Leistungsaufnahme und eine hohe Stabilität der Ausgangsspannung haben. Sie sind in der Regel kurzschlussfest und häufig an allen Netzspannungen der Welt betreibbar (Weitbereichseingang). Sie erzeugen jedoch deutlich mehr Störspannungen, was Entstörmassnahmen notwendig macht.

Adapter für universelle Steckernetzteile

Beim Anschluss an das zu versorgende Gerät wird eine Vielfalt von Anschlusssteckern und Spannungen verwendet. Die Anschlussstecker sind teilweise mechanisch standardisiert, aber es werden regelmäßig neue herstellerspezifische Varianten verwendet. Das liegt nicht zuletzt daran, dass Polarität und Spannung nicht standardisiert sind, so dass in der Regel jedes Gerät sein eigenes Netzteil benötigt. Hohlstecker sind den Klinkensteckern vorzuziehen, da letztere bei Einstecken vorübergehend einen Kurzschluss verursachen und immer nur bei stromlosen Netzteil gesteckt oder gelöst werden sollten.

Steckernetzteile werden wegen ihrer Bauform und ihrer kaum einzudämmenden Vermehrung im Umfeld von Computer-Installationen gelegentlich auch scherzhaft als „Wandwarze“ bezeichnet.

Kennzeichnungen

Folgende Kennzeichnungen werden verwendet:

• „stabilisiert“ bedeutet, dass die Ausgangsspannung auch bei Leerlauf ihren Nennwert behält.
• 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).

Standardsymbole der Polarität

• Polarität: Gleichspannungsnetzteile haben positive oder negative Polarität, die mit den in der nebenstehenden Abbildung wiedergegebenen Symbolen gekennzeichnet wird. Die Polarität des Netzteils muss mit der des damit betriebenen Geräts übereinstimmen, um Schäden vorzubeugen.

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: Pflichtkennzeichnung, betrifft die elektrische und u. a. auch die Brandsicherheit
• durch einen Strich getrennte überlappende Kreise: Schutztrennung zwischen Netz- und Ausgangsspannung (Schutzkleinspannung)

Eigenständige Geräte

Separates Kleinleistungsnetzteil 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 eines Netzteils betrifft dies 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 für das Gerät einschließlich dem Netzteil 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 eingesetzt wird.

Labornetzgeräte

Sogenannte Labornetzteile bzw. Labornetzgeräte werden in Entwicklungslaboren, in Servicewerkstätten und in der Ausbildung eingesetzt.

Sie verfügen meist über eine Strom- und Spannungsanzeige, über eine stufenlos einstellbare Ausgangsspannung und eine einstellbare Strombegrenzung. Die Geräte weisen eine Rechteckkennlinie auf: überschreitet der Ausgangsstrom den eingestellten Maximalstrom, wechselt das Verhalten von konstanter Ausgangsspannung (geringer Ausgangswiderstand, eingeprägte Spannung) zu konstantem Ausgangsstrom (sehr großer Ausgangswiderstand, eingeprägter Strom), der auch bei Kurzschluss nicht überschritten wird. Dazu wird der Ausgangswiderstand der eingebauten Elektronik durch Schaltungsmaßnahmen dem Betriebszustand angepasst.

Einbau-Netzteil

PC-Netzteil zum Einbau in einen Personal Computer

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. Durch interne Abschaltung von Verbrauchern oder einen Steuereingang lassen sich Standby-Leistungsaufnahmen von unter 2 W realisieren.

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.