Netzteil Ratgeber

DC-DC Converter werden im Deutschen auch als DC-DC Wandler bezeichnet. Die Gleichspannungswandler oder Gleichstromsteller wandeln eine Gleichspannung in eine Gleichspannung mit anderem Spannungsniveau um. Die elektrische Schaltung arbeitet meist mit mehreren Energiespeichern.

DC-DC Wandler werden in Schalternetzteilen eingesetzt. Schalternetzteile werden in vielen Haushalten als Netzteil für Notebooks und PCs sowie für Mobiles und HiFi-Geräte genutzt. Moderne Schalternetzteile werden nicht so heiß wie Linearnetzteile und weisen eine deutlich längere Batterielebendauer auf. Mit DC-DC Convertern sind nicht nur Spannungsumwandlungen möglich, sondern auch Hochleistungsanwendungen.  

Die DC-DC Converter werden als Wandermodule hergestellt. Diese Module können auch direkt auf Leiterplatten gesetzt werden. Die Converter wandeln die Gleichspannung entweder in eine höhere, niedrigere oder gleiche Ausgangsspannung von Gleichstrom in Gleichstrom eines anderen Spannungsniveaus um. Resonanzwandler sind eine spezielle Bauform von DC-DC Wandlern. Sie werden für bestimmte Leistungsanwendungen und besonders kompakte Stromkreise genutzt.

DC-DC Wandler werden unter Anderem vom Hersteller Mean Well an geboten. Die Produkte von Mean Well werden über verschiedene Distributoren vertrieben. Mean Well stellt neben Wandlern auch Batterieladegeräte, Netzteile und Transformatoren her. Das Unternehmen produziert in Thailand und auch an mehreren Standorten in China. Mean Well DC-DC Converter und andere Produkte des Unternehmens können über die Distributoren vor Ort und im Internet bezogen werden.

Batterieladegeräte laden den Energiespeicher von Akkus wieder auf. Die Ladegeräte sind in vielen Haushalten vorhanden – etwa als Ladestation für Akku-Einzelzellen für Digitalkameras. Batterieladegeräte werden über die Steckdose betrieben und lassen sich manchmal auch an den Zigarettenanzünder im Auto anschließen. Man unterscheidet zwischen einfachen und intelligenten Ladegeräten.

Einfache Batterieladegeräte laden Batterien über einen konstanten Stromfluss oder eine gleichmäßige Spannung auf. Bei den meisten Ladegeräten sind Ladezeit und Ladestrom voreingestellt, so dass die Batterien vollständig wieder aufgeladen werden. Eine schnelle Aufladung oder Ladezustandsüberwachung ist mit einfachen Ladegeräten nicht möglich.

Intelligente Batterieladegeräte sind mit einer Ladeschaltung ausgestattet und bieten verschiedene Möglichkeiten, den Ladevorgang zu steuern. Einige Ladegeräte verfügen sogar über einen Mikrocontroller. Eine vollständig aufgeladene Batterie wird vom intelligenten Ladegerät erkannt und die weitere Aufladung unterbrochen. Damit wird eine Überladung ausgeschlossen. Intelligente Ladegeräte überwachen auch einzelne Zellen, die zum Aufladen eingelegt werden, unabhängig.

Ladegeräte sind für Netzspannung und Gleichspannung erhältlich. Auch eine Versorgung über Solarzellen ist möglich. Die Lebensdauer des Akkus bessert sich deutlich, wenn das Ladeverfahren von intelligenten Batterieladegeräten überwacht wird. Akkus reagieren ansonsten empfindlich, wenn eine Überladung, Überhitzung oder Tiefentladung auftritt. Intelligente Batterieladegeräte gleichen Faktoren wie die Aufladung über Konstantstrom ab. Viele Ladegeräte bestehen aus einem Steckernetzteil für die Steckdose und einer Ladeschaltung, über die Lithium-Ionen-Akkus wieder aufgeladen werden.  

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Als Erdung wird die leitfähige Verbindung bezeichnet, die mit dem elektrischen Potential des Erdbodens besteht. Hierbei handelt es sich um eine Masseverbindung, die eine leitfähige Verbindung aufbaut. Immer wenn dabei eine Verbindung mit der Erde besteht, liegt eine Erdung vor. Die Schutzerdung umfasst eine sichere Verbindung zur Erde, um lebensgefährliche Spannungen zu vermeiden, die bei elektrischen Anlagen und Geräten auftreten können. Viele Gebäude verfügen zudem über eine Blitzschutzerdnung: Der Blitzableiter leitet die Spannung bei einem Einschlag des Blitzes vom Gebäude weg und in die Erde. Bei Schaltanlagen und Kraftwerken kommt hingegen die Betriebserdung zur Anwendung, um einen reibungslosen Betrieb sicher zu stellen. Elektrische Einrichtungen werden mit einer Funktionserdung vor Störströmen und Störkupplungen geschützt.

Jedes Gebäude verfügt über eine Erdungsanlage. Diese Einrichtung muss immer zuerst gebaut werden. Oberflächenerder und Tiefenerder werden jeweils in ihrere Einbautiefen unterteilt. Beim Bau von Einfamilienhäusern verwendet man etwa Fundamenterder.

Neben Erdern und Blitzableitern werden auch Schutzleiter zur Erdung verwendet. Diese Schutzleiter schützen vor elektrischen Schlägen und auftretenden Spannungen bei einer Berührung. Schutzleiter sind das Kabel mit dem grün-gelben Mantel.

Schutzleiter-Klemmen werden auch als Erdungsklemmen bezeichnet und schließen Drähte, Leitungen und Adern ab. Erdklemmen sind eine Verbindung zur Montageschiene und ermöglichen den Anschluss eines Schutzleiters. Weitere Schutzleiter-Klemmen wie Reihen- und Federzugklemmen, Brücken- und PCB-Klemmen kommen ebenfalls zum Einsatz.

An die Stromversorgung medizinischer Geräte in Kliniken und Praxen werden ganz besondere Anforderungen gestellt. Das Regelwerk EN60601 definiert alle technischen Anforderungen ganz genau. Medizinische Netzteile, die diesem Regelwerk nicht entsprechen, erhalten in Deutschland und anderen Ländern mit vergleichbaren Vorgabekatalogen keine Zulassung.

Medizinische Netzteile dürfen die gesetzlich vorgegebenen Ableitungsströme nicht überschreiten. Diese Eigenschaft ist für den medizinischen Bereich besonders relevant, da die normalen Ableitströme die Sicherheit des Patienten, der an das Medizingerät angeschlossen ist, nicht gefährden dürfen. Auch medizinische Geräte zur Mehrfachversorgung von Patienten erfüllen trotz erhöhtem Energiebedarf die hohen Anforderungen an die maximale Toleranzgrenze für Ableitströme.

Handelsübliche Netzteile für die Medizin sind mit einem Überleitungsschutz, einer Überstromerkennung und einem Überhitzungsschutz ausgestattet. Sie müssen in jedem Fall auch bei unterbrochenen Schutzleitern eine reibungslose Funktionalität des medizinischen Gerätes gewährleisten.

Das Angebot für medizinische Netzteile ist aufgrund der strengen gesetzlichen Bestimmungen und hohen Anforderungen an die Patientensicherheit überschaubar. Die Entwicklungskosten für medizinische Netzteile sind sehr hoch. Open Frame Medizinische Netzteile und weitere Geräte zur reibungslosen Stromversorgung von Medizingeräten werden über den Fachhandel angeboten. Die hochentwickelten Netzteile erreichen oft eine lange Betriebsdauer und werden auf Basis langfristig angelegter Produktzyklen von den Herstellern entwickelt.

Medizinische Netzteile erreichen Betriebstemperaturen von bis zu etwa 70 Grad. Die Netzteile mit Recovery-Funktion nehmen automatisch wieder ihren gewohnten Betriebszustand an.

Netzteile versorgen bestimmte Baugruppen oder ganze Geräte mit Strom. Die Netzteile agieren dabei als Energieversorgung zwischen der Netzspannung aus der Steckdose und dem Gerät: Sie wandeln den Strom in die vom Gerät benötigte Spannung um. Netzteile sind vielfältig im Haushalt anzutreffen – sie gehören zum Lieferumfang aller Mobiltelefone und versorgen als Spannungsnetzteile Notebooks mit Strom. Besonders hohe Anforderungen werden an medizinische Netzteile gestellt, um der Sicherheit von Patienten gerecht zu werden.

Medizinische Netzteile müssen gesetzliche Normen wie das Regelwerk EN60601 erfüllen, um überhaupt in Deutschland zugelassen zu werden. Die Netzteile unterliegen sehr strengen Grenzwerten und müssen durchgängig funktionieren – auch bei unterbrochenem Schutzleiter. Die Qualitätsmerkmale von medizinischen Netzteilen sehen maßgeblich auch eine Begrenzung der Ableitströme für die Patientensicherheit vor. Über angeschlossene Bauteile könnten diese Ströme ansonsten auch den Patienten auf dem Krankenbett erreichen. Hochwertige Netzteile aus dem medizinischen Segment erreichen einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent.

Aufgrund der hohen Sicherheitsstandards und Zulassungen ist die Entwicklung von medizinischen Netzteilen vergleichbar kostspielig. Die Qualitätsmerkmale von medizinischen Netzteilen umfassen unter Anderem Schutzfunktionen wie einen Überspannungsschutz, Überhitzungsschutz, Überstromerkennung und Recovery.
Medizinische Netzteile werden an Medizingeräte in Krankenhäusern oder Arztpraxen angeschlossen. Die sensiblen Werte für den maximalen Patientenableitstrom und Erdkriechstrom werden nicht überschritten.

Moderne Netzteile können auch für medizinische Geräte konzipiert werden, die einen höheren Stromverbrauch haben: An die Mehrfachversorgung werden neue Anforderungen gestellt.

Schaltnetzteile sind elektronische Baugruppen, die Eingangsspannung in eine Gleichspannung umwandeln. Das Schaltnetzteil richtet die eingehende Netzspannung gleich und wandelt sie anschließend in eine Wechselspannung mit höherer Frequenz um. Dann wird die Wechselspannung im Schaltnetzteil wieder gleichgerichtet. Zur Spannungstransformation verwendet das Schaltnetzteil einen integrierten Transformator.

Die Dimensionierung von Schaltnetzteilen umfasst einen geschlossenen Regelkreis. Innerhalb dieses Regelkreises wird die Spannung gleichgerichtet, geglättet, in eine Wechselspannung umgewandelt, wiederum gleichgerichtet und gesiebt. Schaltnetzteile zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, der deutlich über herkömmlichen Netzteilen liegt.

Dimensionierung von Schaltnetzteilen: Das Netzteil besteht aus einem Netzfilter, Gleichrichter, Glättungskondensator, Leistungstransistor und einem Trafo. Zusätzlich arbeiten im Netzteil ein Optokoppler und die Steuerelektronik.

Schaltnetzteile werden in Computernetzteilen, bei Monitoren und Fernsehern verbaut. Sie eignen sich auch als Steckernetzteile und werden in handelsüblichen PC-Druckern verbaut. Schaltnetzteile zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent aus und sind auf unterschiedliche Netzspannungen ausgelegt. Sie benötigen nur einen geringen Anteil von Kupfer und sind sehr leicht. Mithilfe kleindimensionierter Transformatoren und Siebkondensatoren konnte mit Schaltnetzteilen auch das Volumen des Bauteils reduziert werden. Die Schaltnetzteile sind zudem preisgünstiger als ein normaler Trafo und zeichnen sich durch einen äußerst niedrigen Stromverbrauch im Stand-By-Modus aus. Im Betrieb müssen die anfallenden Störemissionen jedoch aufwendig heraus gefiltert werden. Schaltnetzteile sind vergleichbar komplex aufgebaut und fallen theoretisch schneller aus als einfach konstruierte Netzteile.

Unterputzdosen finden Verwendung, wenn Elektrokabel und Telekommunikationskabel installiert werden. Die Unterputzdose wird direkt in die Wand montiert, wozu für jede Steckdose und für jeden TV-Anschluss ein Loch in der Wand angelegt werden muss. Auch die Kabelkanäle verlaufen direkt in der Wand. Die Unterputzdose wird fest in der Wand verankert und eingegipst.

Zur Befestigung klebt der Elektrotechniker die Unterputzdose zunächst in das Loch ein. Anschließend werden die Kabel durch die Dose geführt. Wenn alle Kabel verlegt wurden, kann die Unterputzdose mit Gips oder Putz endgültig in der Wand befestigt werden.

Die Unterputzdosen Maße betragen bei einer flachen Unterputz Gerätedose 4,1 bis 4,2 Zentimetern. Diese Dosen sind feuerbeständig bis zu einer Temperatur von 650 Grad. Die Gerätedosen verfügen über mehrere Ausbrechöffnungen, die auf DIN-genormte Rohre zugeschnitten sind. Der benötigte Durchmesser liegt für handelsübliche Steckdosen-Unterputzdosen bei etwa sieben Zentimetern: Hier muss in der Wand also ein geeignetes Loch geschaffen werden.

Unterputzdosen werden nicht nur für flexible Kabel wie bei einer Steckdose verlegt, sondern auch als Abzweig- bzw. Verteilerdose. Mit einer Verteilerdose werden mehrere elektrische Leitungen zusammen geführt. In Wohnräumen verwendet man auch für Verteilerdosen immer eine Unterputzausführung. Die sichtbare Aufputz-Variante findet lediglich in Kellern, Feuchträumen und im Außenbereich Verwendung.

Unterputzdosen für Steckdosen und Abzweigdosen sind für wenige Cent im Fachhandel erhältlich. Bei der Installation muss der Gips oder Putz, mit dem die Dose zum Einführen der Kabel zunächst eingeklebt wird, immer erst richtig aushärten.

In der Elektrotechnik werden Klemmen genutzt, um Kupferleitungen, Drähte und Adern zu verbinden oder wieder lösbar anzuschließen. Der Kontakt wird durch Schrauben oder Federn hergestellt, mit denen die Klemme mechanisch fixiert wird. Elektrotechniker arbeiten je nach Anwendungsgebiet mit verschiedenen Klemmen-Typen wie Erdklemmen, Brückenklemmen und Reihenklemmen.

Die Reihenklemme wird auf eine Tragschiene aufgereiht. Die am häufigsten verwendete Tragschiene ist eine Hutschiene nach DIN TS35, auf der nacheinander mehrere Reihenklemmen befestigt werden können. Die meisten Reihenklemmen verfügen über einen Schraubverschluss, der verschiedene Leiterquerschnitte miteinander verbinden kann. Klemmen mit Schraubverschlusstechnik kommen insbesondere auch für große Stromleistungen zum Einsatz. Ohne Schraube kommen hingehen Klemmen mit Federkraftanschluss aus, der einen federnden Kontakt ermöglicht. Noch vergleichbar neu auf dem Markt sind Reihenklemmen mit Schnellanschlusstechnik. Auch die Schnellanschlüsse müssen nicht mehr mithilfe von Schrauben fixiert werden, sondern nutzen einen Schneidkontakt. Hierbei kann die Zeit, die üblicherweise für den Anschluss der Klemmen gebraucht wird, um mehr als die Hälfte reduziert werden. Die Schnellanschlusstechnik ist für alle handelsüblichen Schraubendreher geeignet.

Reihenklemmen der Firma Dinkle und weiterer Hersteller werden über den Fachhandel vor Ort und im Internet angeboten. Hier sind mittlerweile auch Hybridklemmen erhältlich, die sich alle Anschlusstechniken in einem Modul zu Nutze machen. Die im Handel erhältlichen Reihenklemmen der Firma Dinkle und anderer Hersteller entsprechen der gültigen DIN-Normung und werden meistens in Schalterschränken verbaut.

Vom Handy bis zur Solaranlage: Netzteile versorgen Geräte mit Energie. Die Baugruppen oder Geräte, die vom Netzteil mit Energie versorgt werden, können nicht direkt an das Stromnetz angeschlossen werden. Bei einem Mobiltelefon wird hier beispielsweise immer das Netzteil über die Steckdose aufgeladen. Handelsübliche Netzteile werden als geregelte und ungeregelte Netzteile angeboten.

Zu den bekanntesten Netzteilen im Haushalt zählt das Steckernetzteil: Bis zu maximal 30 Watt werden Geräte über ein Steckernetzteil mit Energie versorgt, das in die Steckdose gesteckt wird. Die neueste Generation der Steckernetzteile sind Schalternetzteile, die eine verbesserte Energieausbeute bei geringerer Größe möglich machen. Zu den bekanntesten und in nahezu jedem Haushalt vorrätigen Netzteil gehört das Steckernetzteil für Mobiltelefone.

Auch Festspannungsnetzteile, die als eigenständige Geräte ausgelegt sind, dürften den meisten Verbrauchern bekannt sein: Das Notebook wird über ein Festspannungsnetzteil aufgeladen. Das Spannungsnetzteil verfügt üblicherweise über einen Steckdosenstecker und einen vom Gerät abhängigen Steckertypen wie den Notebook Adapterstecker. Einbau-Netzteile sind für Leistungen über einhundert Watt ausgelegt und kommen in zahlreichen Geräten wie Desktop-PCs, Fernseher und Laserdrucker zum Einsatz.

Netzteile sind in großer Auswahl über den Fachhandel und spezialisierte Internetshops erhältlich. Die Komponenten werden heute auch selbständig verbaut: Direktmontage Netzteile können etwa in Möbel und Zwischendecken eingesetzt werden. Diese Netzteile werden für den Betrieb von LED-Leuchten genutzt. Direktmontage Netzteile sind auch im Ladenbau häufig anzutreffen und agieren als Schalternetzteil in geschlossener Bauform.

Transformatoren bestehen aus einem magnetischen Kreis, um den zwei Stromkreise herum geführt werden. Im allgemeinen Sprachgebrauch sind Transformatoren auch als Trafo oder Umspanner bekannt. Transformatoren bauen im zweiten Leiter eine Wechselspannung auf, wenn der erste Leiter mit Wechselstrom betrieben wird. Die Bauelemente kommen daher zum Einsatz, wenn Wechselspannungen erhöht oder verringert werden müssen.

Im Haushalt finden Transformatoren in nahezu jedem Netzteil Verwendung: sie wandeln die Netzspannung aus der Steckdose in die notwendige Betriebsspannung des Gerätes um. In der Stromversorgung werden Transformatoren überall gebraucht, da der über Hochleitungen transportierte Strom erst nach seiner Umwandlung durch einen Transformator in Niederspannung eingesetzt werden kann.

In den Netzteilen von Haushaltsgeräten sind bereits Netztransformatoren verbaut. Alternativ kommen auch Schaltwandler zum Einsatz. Die Netzteile von Computern und Fernsehern sind mit einem Zeilentransformator ausgestattet, der zwischen 20 und 30 kV erzeugt. Der Kern eines Transformators besteht aus Eisen oder Ferriten – keramische Werkstoffe mit schlechten Leitungseigenschaften aus Eisenoxid. Die klassische Bauweise eines Transformators ist die Ringform. Das Modell des idealen Transformators weicht in der Praxis dem realen Transformator: Faktoren wie Wirbelstromverluste, Widerstände und Streuflüsse ermöglichen keine Umsetzung des idealen Modells.

Einphasen-Transformatoren erzeugen mit der Sekundärspule auf der Ausgangsseite eine Wechselspannung, wenn an der Primärseite am Eingang des Transformators eine Wechselspannung angelegt wird. Die erzeugte Ausgangsspannung entspricht bei Einphasen-Transformatoren der Eingangsspannung unter Berücksichtigung des Windungsverhältnisses der Spule und ist mit einer Formel errechenbar.