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Netzteil

Viele elektrische Geräte, vor allem Kleingeräte, arbeiten mit relativ niedrigen elektrischen Spannungen von z. B. einigen Volt. Wenn sie am öffentlichen Stromnetz betrieben werden sollen, welches in Europa meist eine Wechselspannung mit 230 V Effektivwert liefert, wird ein Netzteil benötigt. Dieses erzeugt aus der Netzspannung die benötigte Spannung – in den meisten Fällen eine relativ niedrige Gleichspannung von z. B. 6 V. Es gibt aber auch Hochspannungsnetzteile, die z. B. einige Kilovolt liefern, und relativ selten Netzteile für Wechselspannung, wie sie z. B. manche Elektromotoren benötigen.

Ein Netzgerät ist ein Gerät, welches nur ein Netzteil in einem Gehäuse enthält. Oft werden aber auch Netzgeräte (mit Gehäuse) als Netzteile bezeichnet.

Bauformen von Netzteilen und Netzgeräten

Besonders gebräuchlich sind Steckernetzteile (Abbildung 1), die mit dem Netzstecker zusammen verbaut sind. Vor allem moderne Schaltnetzteile (siehe unten) sind sehr kompakt und leicht.

In anderen Fällen (z. B. bei Netzteilen für tragbare Computer) liegt das Netzteil in der elektrischen Leitung zwischen Steckdose und Verbraucher. Diese Art wird für etwas höhere Leistungen verwendet, wenn die Abmessungen für ein Steckernetzteil etwas zu groß würden. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel.

Bei Kofferradios oder PCs ist das Netzteil in das versorgte Gerät eingebaut, ist also nicht direkt sichtbar. Bei PCs verwendet man Netzteil-Module mit genormten Größen, die ebenfalls zur Kühlung des PCs beitragen, indem sie erwärmte Luft aus dem Gehäuse absaugen. Für Notebooks verwendet man in der Regel externe Netzgeräte, da diese nicht immer mitgenommen werden müssen (so dass weniger Masse herumgetragen werden muss) und ihre Abwärme nicht das Notebook zusätzlich erwärmt.

Für Kleingeräte gab es früher eine unübersehbare Vielzahl verschiedener Netzteile, die durch die Einführung von USB-Netzteilen obsolet wurde. Siehe unten den Abschnitt "USB- und Thunderbolt-Netzteile".

Transformatoren und Schaltnetzteile

Ursprünglich enthielt fast jedes Netzteil einen Transformator, d. h. ein Bauteil, in dem mit einer Primärspule ein Magnetfeld in einem ferromagnetischen Kern erzeugt wird und dieses Feld in einer oder mehreren Sekundärspulen Wechselspannungen auf anderen Niveaus erzeugt. Dazu kann ein Gleichrichter zur Erzeugung von Gleichspannung kommen, zusätzlich ein Kondensator für die zeitliche Glättung der Gleichspannung und eventuell weitere Elektronik für zusätzliche Funktionen (siehe unten).

Heutzutage werden aber zunehmend sogenannte Schaltnetzteile eingesetzt. Sie enthalten nur noch einen relativ kleinen Transformator oder sogar nur eine einfache Spule (wenn keine galvanische Trennung nötig ist), dafür aber eine etwas komplexere Elektronik. Der Transformator wird mit einer Frequenz betrieben, die weit über der Netzfrequenz liegt (oft bei Dutzenden von Kilohertz). Typische Vorteile von Schaltnetzteilen sind geringere Abmessungen (bei gegebener Leistung) und (vor allem bei schwacher Auslastung) ein höherer Wirkungsgrad und somit niedrigere Energieverluste. Hinzu kommt, dass sie oft mit einem weiten Bereich von Netzspannungen arbeiten können – beispielsweise mit 110 V wie auch 230 V, selbst ohne dass am Gerät eine Umstellung erfolgen muss. Als ein Nachteil wird manchmal angesehen, dass Schaltnetzteile höherfrequenten Elektrosmog erzeugen.

Zusätzliche Funktionen eines Netzteils

Außer der Anpassung des Spannungsniveaus kann ein Netzteil auch weitere Aufgaben erfüllen:

• Bei stabilisierten Netzteilen wird die gelieferte Spannung durch eine Regelschaltung genau konstant gehalten, selbst wenn die Netzspannung oder die Strombelastung sich ändert. Bei nicht stabilisierten (ungeregelten) Netzteilen nimmt dagegen die gelieferte Spannung oft deutlich ab, wenn die maximale Leistung entnommen wird. Außerdem können Störspannungen auf das versorgte Gerät übertragen werden; beispielsweise könnte dies bei einem Radio Brummtöne verursachen.
• Manche Universalnetzteile sind zwischen verschiedenen Ausgangsspanungen und evtl. auch Polaritäten umschaltbar.
• Manche Netzteile sind kurzschlussfest, indem sie den entnommenen Strom begrenzen (also notfalls die Ausgangsspannung absenken) oder bei Überschreitung der eingestellten Grenze ganz abschalten. Andere können durch Überlastung beschädigt werden.
• Oft ist eine galvanische Trennung notwendig, d. h. es gibt keine elektrische Verbindung zwischen dem Stromnetz oder dem Erdpotenzial und der gelieferten Niederspannung. Die elektrische Energie wird in einem Transformator rein magnetisch übertragen.
• Besonders ausgefeilt sind Labornetzteile, die meist Anzeigen für die gelieferte (einstellbare) Spannung und die entnommene Stromstärke enthalten. Sie sind praktisch immer kurzschlussfest und präzise einstellbar.

Energieeffizienz von Netzteilen

Die Umformung und ggf. die Stabilisierung der Spannung mit einem Netzteil bringt immer einen gewissen Energieverlust mit sich, der sich in einer Erwärmung des Geräts äußert.

Der Wirkungsgrad hängt meist stark von der Auslastung ab: Bei geringer Auslastung (z. B. wenn sich das versorgte Gerät im Standby-Modus befindet) kann der Wirkungsgrad stark abfallen. Häufig wird der Standby-Verbrauch des Gesamtsystems zum größten Teil durch das Netzteil verursacht anstatt durch das versorgte Gerät. Vor allem bei kleinen Netzteilen mit Transformatoren kann der Standby-Verbrauch einen erheblichen Teil der vollen Leistung ausmachen. Dieses Problem wird dadurch verschärft, dass z. B. ein einziger Büroarbeitsplatz meist eine beträchtliche Anzahl von Netzteilen enthält (z. B. für PC, Bildschirm, Drucker, Telefon, Faxgerät, Internet-Modem, Router, etc.), so dass sich die Standby-Verbräuche leicht zu nennenswerten Beträgen aufaddieren. In vielen Haushalten und Büros verursachen allein die Verluste der Netzteile insgesamt einige Prozent des gesamten Stromverbrauchs.

Dieses Problem lässt sich weitestgehend lösen mit qualitativ hochwertigeren Netzteilen; insbesondere sind Schaltnetzteile meist effizienter. Viele neue Modelle von Netzteilen für PCs weisen eine "80-Plus"-Kennzeichnung der Energieeffizienz auf: Sie müssen bei einer Belastung von mindestens 20 % ihrer Nennleistung einen Wirkungsgrad von mindestens 80 % erreichen. Noch bessere Geräte erfüllen den Standard 80 Plus Bronze, Silber oder Gold.

Man beachte, dass bei vielen Geräten selbst im ausgeschalteten Zustand zumindest das Netzteil mit dem Stromnetz verbunden bleibt. So wird häufig nur deswegen konstruiert, weil das Schalten der Niederspannung hinter dem Netzteil mit einem billigeren Schalter möglich ist.

Für ein gegebenes schlechtes Netzteil hilft es nur, es bei Nichtbenutzung vom Netz zu nehmen – durch Ausstecken oder durch Abschalten mit einer schaltbaren Steckerleiste.

Ineffiziente Netzteile erkennt man oft schon daran, dass sie selbst ohne Belastung erheblich warm werden. Bleibt dagegen ein kompaktes Steckernetzteil immer völlig kalt, so kann davon ausgegangen werden, dass hier keine nennenswerten Energieverluste auftreten.

USB- und Thunderbolt-Netzteile

Früher war es üblich, dass jedes Gerät mit einem eigenen Netzteil geliefert wurde, wobei es eine riesige Spanne verschiedener Netzteile gab, die sich hinsichtlich der Steckverbindung, der Spannung und maximalen Stromstärke etc. unterschieden. Dies war aus mehreren Gründen sehr ungünstig:

• Wenn man auf Reisen ging, musste man oft mehrere Netzteile mitnehmen. Auch zu Hause konnte es mühsam sein, für jedes Gerät das jeweils passende Netzteil zu finden und anzuschließen.
• Wenn ein Gerät ersetzt werden musste, wurde oft auch das zugehörige Netzteil, welches noch lange funktioniert hätte, unnötigerweise durch ein neues ersetzt. Auf diese Weise wurden unnötig viele Netzteile hergestellt, die dann vorzeitig als Elektroschrott endeten.
• Mitunter passte die Steckverbindung für ein anderes Gerät, jedoch ohne dass das Netzteil zu diesem Gerät passte. Sogar eine Zerstörung des Geräts z. B. bei zu hoher Spannung des Netzteils oder bei falscher Polarität des Anschlusses war möglich.

Jedoch hat sich mit der Zeit ein neuer Standard etabliert: Netzteile mit USB-Anschluss. Dieser Standard (USB = Universal Serial Bus) war seit 1996 eigentlich zunächst für die Datenübertragung entwickelt worden, bot aber auch die Möglichkeit der Stromversorgung – ursprünglich mit einer auf 5 V begrenzten Spannung und einer maximalen Stromstärke von 0,1 A, was einer maximalen Leistung von nur 0,5 W entspricht – genug z. B. für eine Computermaus oder Tastatur.

Die Leistungsfähigkeit wurde später massiv erweitert, um den Bereich möglicher Anwendungen auszudehnen. Dies geschah nicht nur durch eine Erhöhung der maximal erlaubten Stromstärke auf bislang bis zu 5 A, sondern interessanterweise auch mit höheren Spannungen. So ist in manchen Fällen nun z. B. eine Leistung von 20 V · 5 A = 100 W möglich, also 40 mal mehr als früher. Solche Leistungen reichen nun sogar z. B. für den Betrieb und das gleichzeitige Laden eines Notebooks. In Kombination mit der ursprünglichen Spannung von nur 5 V wäre hierfür eine Stromstärke von 20 A nötig gewesen, die viel robustere (also auch dickere) Kabel und auch entsprechend größere Stecker vorausgesetzt hätte.

Die dafür nötige Erweiterung des USB-Standards wurde so konzipiert, dass die Kompatibilität mit Geräten für geringere Spannungen erhalten blieb: Die Geräte starten beim Verbinden via USB-Kabel erst mit dem Standard-Modus, der nur eine sehr niedrige übertragene Leistung ermöglicht, können dann aber eine höhere Spannung und Stromstärke miteinander aushandeln – wobei normalerweise die beste Kombination, die für beide Geräte möglich ist, ausgewählt wird. (Auch das verwendete Kabel kann unter Umständen begrenzend wirken; es kann über einen E-Marker-Chip seine Grenzen kommunizieren.) Erst danach wird das Netzteil die angelegte Spannung ggf. massiv erhöhen, beispielsweise auf 12 V oder 20 V. Solange alle beteiligten Geräte standardkonform arbeiten, besteht keinerlei Gefahr einer Beschädigung durch eine unpassende Kombination von Geräten. Schlimmstenfalls erhält ein Gerät weniger Leistung, als es benötigt, und kann damit nicht richtig funktionieren. In anderen Fällen dauert einfach das Laden eines Akkus sehr viel länger als mit einem optimalen Netzteil, oder gelingt u. U. auch gar nicht. Dies kann auch passieren, wenn Geräte nicht direkt miteinander verbunden werden, sondern über einen USB-Hub.

Es gibt noch einen zweiten Standard namens Thunderbolt, der technisch auf ähnliche Weise arbeitet und ebenfalls sehr hohe übertragene Leistungen ermöglicht.

USB-Netzteile als vorgeschriebener Standard

In den frühen 2000er Jahren begannen Bemühungen für eine Standardisierung von Netzteilen durch die Europäische Union, diverse Regierungen, Unternehmen und Verbraucherorganisationen. Ein früher Schritt war, dass sich auf Druck der EU-Kommission 2009 viele Hersteller von Mobiltelefonen auf die Verwendung von Micro-USB-Gerätebuchsen als Ladeanschluss geeinigt haben. Mit einer EO-Richtlinie, die im Juli 2022 verabschiedet wurde, wurde ein USB-C-Ladeanschluss Pflicht für alle neuen tragbaren elektronischen Geräte wie Smartphones, Tablets, Kameras, tragbare Lautsprecher und Kopfhörer ab Herbst 2024. Für Notebooks gilt dies ab 2026. Eine Vielzahl von Geräten unterstützt dies bereits lange vor der gesetzlichen Verpflichtung.

Solche Regelungen bringen Verbrauchern und auch Herstellern erhebliche Vorteile, und zudem sind sie ökologisch sehr sinnvoll, in dem die unnötige Produktion von Elektroschrott erheblich vermindert wird. Allerdings gibt es auch Kritik daran, dass Thunderbolt nicht ausgewählt oder zumindest als Alternative zugelassen wurde. Jedoch ist USB-C wesentlich weiter verbreitet und auch kostengünstiger realisierbar. Durch die Zulassung zweier Standards wären wiederum Probleme mit Inkompatibilitäten für lange Zeit erhalten geblieben.

Siehe auch: Transformator, Netzspannung, Standby-Verbrauch, elektrische Energie, Stromnetz