Netzteil
Ein Netzteil ist ein Gerät oder eine Baugruppe zur Versorgung mit elektrischer Energie für Geräte oder Baugruppen, die andere Spannungen und Ströme benötigen, als vom Stromnetz bereitgestellt wird. Ausgangsspannung und maximaler Ausgangsstrom können fest eingestellt oder variabel sein.
Funktionsweise
Meist enthält es einen Transformator, der die Wechselstrom-Eingangsspannung auf den oder die erforderlichen Ausgangswerte umsetzt und die galvanische Netztrennung sicherstellt. Aus Sicherheitsgründen darf in der Regel keine elektrisch leitende Verbindung zum Stromnetz vorhanden sein. Der Transformator kann entweder direkt mit der Wechselspannung des Netzes (in Deutschland 230 V, 50 Hz) arbeiten oder mit einer elektronisch erzeugten Wechselspannung höherer Frequenz. Letztere Bauart nennt man Schaltnetzteil, sie ist kleiner und leichter als die mit 50-Hz-Transformator, da die mit einem Transformator übertragbare Leistung mit der Frequenz der Wechselspannung zunimmt. Durch Verringerung an Transformator-Masse und die höheren Betriebsfrequenzen können Eisenverluste reduziert und somit höhere Wirkungsgrade erreicht werden.
Wird am Ausgang Gleichspannung benötigt, enthält das Netzteil zusätzlich einen Gleichrichter. In einem stabilisierten Netzteil sorgt eine Regelschaltung (Spannungsstabilisierung) dafür, dass die Ausgangsspannung bei Änderungen der Ausgangslast oder der Eingangsspannung weitgehend konstant bleibt. Ist die Regelschaltung als Linearschaltung ausgelegt, so wird das Produkt aus der Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom als Verlustleistung PD in Form von Wärme frei:
In Schaltnetzteilen ist die Stabilisierung der Ausgangsspannung in der Regel Bestandteil des Schaltungskonzepts. Es fällt durch die Stabilisierung keine zusätzliche Verlustleistung an, da dem Transformator immer nur soviel Leistung zugeführt wird, wie die Ausgangslast des Netzteils benötigt. Der Wirkungsgrad ist deshalb wesentlich höher, gleichzeitig ist die Abfuhr der Verlustwärme weniger aufwendig.
Bauformen
Netzteile werden, je nach bereitzustellender Ausgangsleistung, in verschiedenen Bauformen hergestellt:
Steckernetzteil
Für kleine Leistungen (< 20 W) als Steckernetzteil. Der Stecker zum Anschluss an das Wechselstromnetz ist in das Gehäuse des Netzteils integriert. Die abgegebene Schutzkleinspannung wird über eine Leitung zum zu versorgenden Gerät geführt, wobei die verschiedensten, teilweise genormten, teilweise herstellerspezifischen Anschlußstecker verwendet werden. In Anbetracht der geringen elektrischen Leistungen und der Tatsache, dass die Steckernetzteile Geräte versorgen, die vergleichsweise preiswert sind, kommen häufig einfache Konstruktionen aus Trafo und Längsregler zum Einsatz, deren elektrischer Wirkungsgrad deutlich unter 50% liegt und die auch bei vollständig abgeschaltetem Gerät noch nennenswerte Leistungen aufnehmen, da sich der Schalter im versorgten Gerät und nicht im Netzteil selbst befindet. Dieser Umstand rückt Steckernetzteile in 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. Steckernetzteile werden wegen ihrer Bauform und ihrer kaum einzudämmenden Vermehrung im Umfeld von Computer-Installationen gelegentlich auch als "Wandwarze" bezeichnet.
Eigenständiges Gerät
Für mittlere Leistungen (> 10 W, < 200 W) als eigenständiges Gerät. Das Netzteil wird als abgesetzte Einheit über eine Primärnetz-Leitung gespeist und versorgt über eine abgehende Leitung den angeschlossenen Verbraucher.
Die Verwendung externer Netzteile bedeutet in vielen Fällen auch eine Kostenersparnis für den Hersteller. Dies hat zwei Gründe.
- Die Anpassung an landesspezifische Stromnetze reduziert sich auf das Netzteil.
- Die Sicherheitsprüfung für die Produktzulassung für Kleinspannungsgeräte ist weniger streng als für Geräte mit Netzspannung. Ein zugelassenes Netzteil kann für mehrere Kleinspannungsgeräte verwendet werden.
Auch diese Bauform, sehr häufig bei preiswerten Druckern eingesetzt, weist nur selten einen Netzschalter auf, so dass sich durch den Einsatz schaltbarer Steckdosenleisten einige Energie sparen lässt. Doch Vorsicht: Insbesondere Tintenstrahldrucker führen nach einer vollständigen Netztrennung oft einen aufwendigen Selbsttest durch, bei dem sehr viel Tinte unnütz vergeudet wird.
Integriertes Netzteil
Für größere Leistungen (> 100 W) als Baugruppe innerhalb von Geräten. Die bei größeren Leistungen auftretenden sekundärseitigen Ströme führen zu besonderen Anforderungen hinsichtlich Leiterquerschnitten, Steckverbindern und Absicherung. Bei integrierten Netzteilen kann die Verdrahtung deutlich einfacher ausgeführt werden. Die Integration des Netzteils erhöht anderseits jedoch die Sicherheitsanforderungen an das Gesamtgerät, da dieses nun als Gesamtgerät z. B. hinsichtlich Berührungsschutz, Kriechspannungsabständen und Überspannungsfestigkeit die Anforderungen erfüllen muss, die vorher nur an das separate Netzteil gestellt wurden.
Die Bauform als integriertes Netzteil ist zudem immer dann anzutreffen, wenn eine Vielzahl von Sekundär-Spannungen benötigt wird. Diese Spannungen werden dann entweder im Gerät aus der vom externen Netzteil gelieferten einzelnen Spannung gewandelt oder aber das Netzteil wird komplett integriert, um die doppelte Wandlung zu vermeiden oder seitens des Gerätes den Betriebszustand des Netzteils steuern zu können. Durch diese Maßnahme lassen sich bei Geräten der Haushaltselektronik wie beispielsweise Videorekordern, Faxgeräten oder Laserdruckern Standby-Leistungsaufnahmen von unter 2 W realisieren.
DC-Schaltwandler
Interne Netzteile kommen darüber hinaus zum Einsatz, wenn Gleichspannungen transformiert werden sollen, beispielsweise für Audio-Verstärker zum Betrieb im KFZ-Bordspannungsnetz, welche für die Endstufen Spannungen von mehr als 40 V benötigen. Dort kommen DC/DC-Schaltnetzteile zum Einsatz, die im Vergleich zu den 230-V/50-Hz-Geräten den Gleichrichter am Eingang einsparen können, jedoch mehr Schaltungsaufwand benötigen zum störungsfreien Betrieb am teilweise stark beeinträchtigtem 13,8 V Bordspannungsnetz. DC/DC-Spannungswandler finden sich im Kleinleistungs-Bereich (< 5 W) als gekapselte Hybrid-Module, welche zur elektrischen Versorgung von galvanisch getrennten Baugruppen eingesetzt werden. Typische Anwendungen sind Line-Interfaces von Telefon-Modems oder Netzwerkkarten.
DC-Schaltwandler finden sich ebenfalls auf jedem modernen PC-Mainboard und leistungshungrigen Grafikkarten, um aus den vom PC-Netzteil gelieferten Spannungen die Stromversorgung möglichst nah am eigentlichen Verbraucher sicherzustellen.