Netzteil Ratgeber

Als Akkupack werden mehrere Akkus bezeichnet, die zu einem Paket zusammengeschaltet sind. Dabei handelt es sich um ein Paket aus baulich identischen Zellen, die sich durch die gleichen Kapazitäten und Spannungen auszeichnen.

Mehrere zu einem Akkupack zusammengeschaltete Akkus finden in der industriellen Produktion Verwendung. Man verwendet die Systeme zudem für schnurlose Festnetztelefone und auch sehr häufig im Modellbau. Die Nennspannung dieser Pakete ergibt sich aus der Gesamtheit der beteiligten Zellen. Akkupacks können in verschiedenen Anordnungen aus mehreren Zellen aufgebaut sein wie in einer runden Form oder Säulenform. Meist werden die beteiligten Zellen miteinander verklebt und mit geeigneten Verbindungsmaterialien durch Löten verbunden. An den Plus- und Minuspol kommen dann jeweils noch Ableiter und Kabel. Meist werden Akkupacks mit einem Kunststoffschlauch zusammen gefasst.

In Zusammenhang mit Netzteilen und Ladegeräten ist auch häufig von einer sogenannten Tiefentladung des Akkus die Rede. Bei einer Tiefentladung wird die Zelle des Akkus vollständig entladen – was zu Kapazitätsverlusten oder gar Schäden führen kann.

Die Tiefentladung eines Akkus wird beim Absinken der Spannung unterhalb der Entladeschlussspannung erreicht. Normalerweise sollten Akkus immer nur bis zur Entladeschlussspannung entladen werden. Kommt es zu einer Tiefentladung, können Schäden wie ein Kapazitätsverlust entstehen. Bei Lithium-Ionen-Akkus kann es im Zuge einer Tiefentladung sogar zu einem Kurzschluss kommen, bei Nickel-Cadmium-Akkus entwickelt sich tendenziell ein Memory-Effekt (Kapazitätsverlust).

Es kann aus verschiedenen Gründen zu einer Tiefentladung von Akkus kommen. Hierzu zählen beispielhaft eine Überalterung des Akkus, fehlerhafte Aufladevorgänge, defekte Ladegeräte und falsche Ladegeräte, die nicht für den Akku geeignet sind. Man kann eine Tiefentladung mit einer Spannungsmessung feststellen und bei Lithium-Ionen-Akkus an einer charakteristischen Wärmebildung. Oft lassen sich die durch eine Tiefentladung geschädigten Akkus auch nicht mehr richtig aufladen.

Der Begriff galvanische Trennung fällt häufig in Zusammenhang mit elektrischem Strom. Unter einer galvanischen Entkopplung versteht man ebenfalls eine galvanische Trennung. Dabei werden zwei leitfähige Gegenstände getrennt. Der Strom kann in diesem Fall nicht von einem Stromkreis zum anderen fließen. Für eine galvanische Trennung finden verschiedene Bauteile wie Kondensatoren und Transformatoren Verwendung.

Eine galvanische Trennung von zwei leitfähigen Gegenständen erfolgt in den meisten Fällen aus Gründen der Sicherheit. Bei medizinischen Geräten oder auch Steckernetzteilen findet man eine entsprechende Trennung vor. Zu den weiteren Anwendungsbereichen zählt die Messtechnik. Galvanische Entkopplungen werden auch zur Vermeidung von elektromagnetischen Störungen angewendet.

Transformatoren sind ideale und sehr populäre Beispiele für eine galvanische Trennung. Der Trafo passt dabei nicht nur die Spannung an das benötigte Niveau an, sondern baut eine galvanische Trennung zum Stromnetz auf. Dieses Verfahren wird bei Trafos mit zwei Spulen realisiert, die sich auf einem Eisenkern befinden. Man nennt diese Wirkweise auch induktive Trennung.

Es gibt Gleichstrom, Wechselstrom und Mischstrom. Unter Gleichstrom versteht man einen konstanten elektrischen Strom, der immer in gleicher Richtung fließt und seine Stärke nicht ändert. Der Gleichstrom wird zum Betrieb der meisten Haushaltsgeräte und für Computer benötigt. Weltweit kommt allerdings fast überall Wechselstrom aus der Steckdose, weil Wechselstrom kostengünstiger bereit gestellt werden kann und weitere Vorteile bietet. Deshalb benötigen Geräte wiederum ein Netzteil, das Ihnen den Gleichstrom zur Verfügung stellt.

Wechselstrom ist sozusagen das Gegenteil von Gleichstrom – er ändert seine Richtung meist in periodischen Abständen. Mithilfe eines Transformators kann die Spannung von Wechselstrom einfach angepasst bzw. geändert werden. Wechselstrom wird zur Energieversorgung von Haushalten genutzt. Seine Netzfrequenz liegt in Europa bei 50 Hz. Da in den USA und auch in Japan eine andere Netzfrequenz Verwendung findet, sind auf Reisen spezielle Netzteile notwendig, die auf diese Frequenz ausgelegt sind. Auch der im Haushalt für den Herd benutzte Dreiphasenstrom bzw. Kraftstrom, ist ein Wechselstrom.

Mischstrom setzt sich aus Gleich- und Wechselstrom zusammen.

Intelligente Ladegeräte, die das Laden des Stroms selbständig steuern, sind zu diesem Zwecke mit einer Ladeschaltung oder einem Mikrocontroller ausgestattet. Bei diesem Mikrocontroller handelt es sich um einen Halbleiterchip, der mit einem Prozessor ausgestattet ist.

In vielen Fällen sind Mikrocontroller auch mit einem Arbeitsspeicher und/oder Programmspeicher ausgestattet. Damit sind Mikrocontroller als eine Art Mini-Computer zu verstehen. Bei Ladegeräten regeln sie die benötigte Stromzufuhr. Aufwendigere Mikrocontroller haben weitere Peripherie-Funktionen wie USB oder eine Ethernet-Schnittstelle an Bord. Die kleinen Systeme können kostengünstig produziert werden und haben eine geringe Leistungsaufnahme. Mikrocontroller befinden sich nicht nur in intelligenten Ladegeräten, sondern im Haushalt auch in Waschmaschinen, Radios, Fernsehern, Fernbedienungen und in Armbanduhren.

Mikrokontroller werden manchmal mit den eng verwandten Mikroprozessoren verwechselt. Tatsächlich ist der Übergang zwischen beiden Chips fließend. Meist werden bis heute Mikrocontroller verbaut, die standardmäßig mit einem 8-Bit-Prozessor arbeiten.

Egal ob zum Aufladen von Mobiltelefonen über das Steckernetzteil oder als Ladegerät für Batterien: In fast jedem Haushalt sind ein oder mehrere Ladengeräte vorhanden. Als Ladegerät werden Geräte bezeichnet, die zum Aufladen von Energiespeichern wie Akkus Verwendung finden. Ladegeräte werden normalerweise über die Steckdose oder über einen Zigarettenanzünder bedient. Es gibt zwei verschiedene Gruppen von Ladegeräten: Einfache und intelligente Geräte.

Einfache Ladegeräte laden den Akku mit einer konstanten Spannung bzw. Strom auf. Sie steuern und überwachen den Ladeprozess allerdings nicht. Einfache Ladegeräte beenden den Ladevorgang also nicht, wenn der Speicher vollständig aufgefüllt ist. Bei einfachen Ladegeräten kann es aufgrund der ungesteuerten Entladung zu einer Verringerung der Lebensdauer des Akkus kommen.

Intelligente Ladegeräte zeichnen sich durch eine integrierte Ladeschaltung aus. Diese Ladeschaltung steuert den Ladeprozess. Auch eine Schnellladung ist möglich, ohne dass eine Überladung droht. Möglich ist unter Anderem ein Ladeprozess mithilfe von Stromimpulsen. Ein gutes Beispiel für eine gesteuerte Ladung sind die Starterbatterien in Autos: Sie werden mit dem Laderegler über die Lichtmaschine geladen. Der Laderegler zeigt sich dabei für die Steuerung des Stroms aus der Lichtmaschine verantwortlich.

Um mit einem lokalen Netzwerk Daten zu tauschen, benötigen Computer eine sogenannte Netzwerkkarte. Diese Netzwerkkarten werden zu den DC-Schaltwandlern gezählt. DC-Schaltwandler werden allerdings nicht als Netzteile bezeichnet. Trotzdem kann man sie aber den eigenständigen Netzteil-Typen zuordnen.

Netzwerkkarten besitzen einen oder mehrere Ethernet-Anschlüsse. Oft ist der Netzwerkanschluss bei modernen Rechnern heute auf der Hauptplatine zu finden. Das bedeutet: Eine separate Netzwerkkarte ist nicht mehr notwendig. Diese sogenannte Onboard-Lösung mit einem Anschluss von durchschnittlich einem GBit auf der Platine ist für standardmäßige Anwendungen völlig ausreichend. Beliebt sind separate Netzwerkkarten aber für anspruchsvolle Arbeitsanwendungen und insbesondere auch bei Gamern.

Integrierte Netzwerkkarten werden meist für Wireless LAN-Verbindungen genutzt. Neben Notebooks haben heute auch Desktop-Rechner eine solche Netzwerkkarte und können ohne LAN-Kabel ins Internet. Die handelsüblichen Netzwerkkarten werden anhand ihrer Bussysteme unterschieden: Zu den bekanntesten Schnittstellen zählen PCI-Express oder PCMCIA. Ist die Netzwerkkarte bereits integriert, spricht man immer von einer Onboard-Lösung. Diese Schnittstellen für LAN bestehen aus dem gleichen Bauteilen wie separate Netzwerkkarten und sind auf der Platine integriert.

Es gibt Netzteile für verschiedene Anwendungsbereiche. In fast jedem Haushalt sind beispielsweise Steckernetzteile (Mobiltelefon) bekannt, bei denen Netzteil und Stecker eine bauliche Einheit bilden. Zu den besonderen Netzteilen für spezielle Anwendungsbereiche gehören Labornetzteile.

Wo werden Labornetzteile verwendet?

Labornetzteile kommen im Prüf- und Servicebereich zum Einsatz. Auch in der Hobbyelektronik arbeitet man mit speziellen Labornetzteilen. Die Labornetzteile können in unterschiedlichen Bauweisen ausgeführt sein. Typisch ist aber eine Regelung, mit der sich mindestens die ausgehende Spannung einstellen lässt.

Die besonderen Merkmale von Labornetzteilen

Labornetzteile haben eine Strombegrenzung. Die meisten Labornetzteile sind mit einer Anzeige ausgestattet, die die eingestellte und abgegebene Spannung sowie das Stromniveau angibt. Die meisten Labornetzteile sind auf Bananenstecker ausgelegt. Die Netzteile arbeiten bei entsprechenden technischen Voraussetzungen auch mit einem Steuerrechner zusammen. Die Ausgänge von Labornetzteilen sind überlastungs-, verpolungs- und kurzschlussfest. Angegeben wird sowohl das Impulsverhalten als auch die Restwelligkeit und Rauschen. Höherwertige Netzteile weisen eine erweiterte Ausstattung auf – sie haben beispielsweise vier Buchsen statt zwei.

In Zusammenhang mit effektiven Netzteilen für beispielsweise PCs wird immer wieder der Wirkungsgrad als Qualitätsmerkmal genannt. Moderne Computernetzteile erreichen einen Wirkungsgrad von deutlich über 80 Prozent.

Allgemein gibt der Wirkungsgrad das Verhältnis von abgegebener und zugeführter Leistung an. Wenn dem Netzteil nun mehr Leistung zugeführt werden muss, als es wieder abgibt, entsteht eine sogenannte Verlustleistung. Der Wirkungsgrad definiert also die Effizienz von Energieumwandlungen oder Energieübertragungen. Der individuelle Wirkungsgrad wird immer in Prozent ausgedrückt. Je höher der Wirkungsgrad, desto effektiver arbeiten Geräte wie Netzteile.

In der Praxis wird kein Wirkungsgrad von 100 Prozent erreicht. Auch Netzteile können also nie sämtliche Energie, die ihnen zugeführt wurde, an das Gerät weitergeben. Zu den Gründen für diese natürliche Verlustleistung zählt vor allem die entstehende thermische Energie.

Optimal wäre natürlich ein Gerät, das einen Wirkungsgrad von mehr als 100 Prozent erreicht – dieses sogenannte Perpetuum Mobile gibt es aber nicht.

In Zusammenhang mit Netzteilen werden auch häufig sogenannte Spartransformatoren erwähnt. Bei einem Spartransformator handelt es sich um eine abgespeckte Version eines Transformators mit nur einer Spule. Spartransformatoren können bei Netzteilen ohne galvanische Trennung verbaut werden.

Der Spartransformator oder Spar-Trafo ist auch als Autotransformator bekannt. Die primäre und sekundäre Seite des Spar-Trafos werden mit einer einzigen Spule definiert. Über die Spule wird die Ausgangsspannung abgegeben. Beide Teile des Spar-Trafos sind elektrisch miteinander verbunden. Im Gegensatz zu dieser Funktionsweise haben normale Transformatoren zwei Spulen mit Eingangs- und Ausgangskreis, die nicht miteinander verbunden sind. Spar-Trafos sparen in erster Linie Material und sind schmaler aufgebaut, weil die nur aus einer Spule bestehen.

Zu den Anwendungsgebieten für Spar-Trafos zählen:

- Netzadapter wie Reiseadapter
- Spar-Stelltransformatoren
- Zündspulen in Verbrennungsmotoren und anderen Wärmekraftmaschinen
- Autotransformatorsysteme wie die Versorgungsanlagen der Bahn
- Trafos für Maschinen, die trotz weltweit unterschiedlicher Netzspannungen flächendeckend eingesetzt werden sollen