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Netzteil

Definition: ein Gerät zur Anpassung der elektrischen Spannung an das benötigte Spannungsniveau

Englisch: power supply

Kategorie: elektrische Energie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 23.05.2010; letzte Änderung: 03.11.2018

Steckernetzteile
Abbildung 1: Zwei typische Steckernetzteile. Das größere rechts enthält einen Transformator, das kleine leichte (links) ein Schaltnetzteil mit kaum niedrigerer Leistung.

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.

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.

Laptop-Netzteil
Abbildung 2: Das Netzteil eines Laptops. Trotz der kompakten Abmessungen (11,5 cm Länge) kann dieses Schaltnetzteil eine Leistung bis zu 72 W abgeben.

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.

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.

Siehe auch: Transformator, Netzspannung, Standby-Verbrauch, elektrische Energie, Stromnetz
sowie andere Artikel in der Kategorie elektrische Energie

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