mini|Steckernetzteil an Mobiltelefon

Ein Netzteil wandelt die Spannung aus dem Stromnetz für einen Verbraucher um. Es kann als eigenständiges Gerät oder als Baugruppe ausgeführt sein. Ausgangsspannung und maximaler Ausgangsstrom können fest eingestellt oder variabel sein.

Stromverbrauch Früher waren Netzteile aufgrund ihrer Vielzahl im Haushalt für einen nicht unerheblichen Stromverbrauch verantwortlich, daher nahm sich in den 2000er Jahren der Gesetzgeber dieses Problems an. Die EU und USA waren Vorreiter in der Einführung verbindlicher Grenzwerte. Laut EPA kann damit der Stromverbrauch bezogen auf die USA um 1 % gesenkt werden, das sind pro Jahr 32 Mrd. Kilowattstunden (kWh).

Leerlaufverlustleistung mini|Symbol für Effizienzstufe VI auf einem externen NetzteilDie Leerlaufverlustleistung von Netzteilen ist gesetzlich begrenzt worden:

Externe Netzteile unter 50 Watt dürfen in der EU nur 0,3 Watt aufnehmen, größere Netzteile 0,5 Watt. In den USA und Kanada wurden sie analog auf 0,1 bzw. 0,21 Watt begrenzt. In Australien gibt es ähnliche, wenn auch weniger strenge Anforderungen. Da Gerätehersteller ihre Produkte weltweit vertreiben, werden oft unabhängig vom Abnehmerland Netzteile mit der höchsten geforderten Effizienzstufe (engl. Efficiency Level) beigelegt. Die Stufe wird auf dem Netzteil aufgedruckt, siehe Logo rechts.

Geräte mit eingebautem Netzteil sind in der EU im Schein-Aus auf 0,5 Watt, im Bereitschaftsbetrieb mit zusätzlichen Funktionen, z. B. Uhrzeitanzeige, auf 1 Watt begrenzt. Laut einer Studie konnten damit in der EU die Leerlaufverluste von jährlich 51 auf 16 Mrd. Kilowattstunden (kWh) reduziert werden.

Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad ist abhängig von der Ausgangsleistung mit einer Formel vorgegeben. In der EU müssen beispielsweise ein Smartphonenetzteil mit 5 V und 1 A mindestens 68 Prozent und Geräte ab 50 Watt mindestens 87 Prozent Wirkungsgrad erreichen; in den USA gelten analog Werte von 74 Prozent und 88 Prozent. Die Netzteile müssen den jeweiligen Wirkungsgrad bei einer Last von 25 %, 50 %, 75 % und 100 % im Mittel einhalten.

Arten Netzteile unterteilen sich in Schaltnetzteile und solche mit Netztrafo (sogenannte „Trafonetzteile“); daneben gibt es noch transformatorlose Netzteile, z. B. Kondensatornetzteile. Heute kommen zunehmend Schaltnetzteile zum Einsatz. Für verschiedene Einsatzzwecke gibt es verschiedene Ausführungen.

Arten von Schaltnetzteilen:

mit geregelter Gleichspannung am Ausgang und sicherer Netztrennung. Diese sind sehr häufig anzutreffen. mit einem i. d. R. integrierten Abwärtswandler direkt am Netz ohne Netztrennung. mit ungeregelter Wechselspannung, z. B. „Elektroniktrafos“ für Niedervolt-Halogenglühlampen. mit Konstantstrom-Ausgang, zum Beispiel zum Betrieb von Leuchtdioden, Halbleiterlasern oder als Ladegerät.

Arten von Trafonetzteilen:

ungeregelt, mit Wechsel- oder (gesiebter) Gleichspannung. mit einem Linearregler geregelt mit einem sekundärseitigen Abwärtswandler geregelt.

Netzadapter mit Spartransformator zur Anpassung der Netzspannung 230 V/127 V werden nicht als Netzteil bezeichnet.

Klassische trafolose Netzteile arbeiten mit einem Kondensator als verlustlosem Vorwiderstand, um die Netzwechselspannung abzusenken.

Labornetzteile mit einstellbarer Gleichspannung und einstellbarer Strombegrenzung arbeiten nach dem Prinzip linear geregelter Trafonetzteile oder sie sind als Schaltnetzteil ausgeführt.

Schaltnetzteil mini|Schema eines Schaltnetzteils mit galvanischer Trennung

Die Energieübertragung erfolgt bei Schaltnetzteilen mit einer Frequenz von typischerweise einigen 10 kHz bis einigen 100 kHz, die damit deutlich höher liegt als die Netzfrequenzen von 50 bzw. 60 Hz. Das erlaubt den Einsatz kleinerer Transformatoren bei gleicher Leistung. Daher sind Schaltnetzteile nicht nur wesentlich leichter und kleiner als Trafonetzteile, sondern haben auch eine geringere Leistungsaufnahme im Leerlauf und einen höheren Wirkungsgrad im Betrieb. Obwohl sie einen höheren Bauteilaufwand haben, lösen sie aufgrund der gestiegenen Rohstoffkosten und Energiepreise Trafonetzteile weitestgehend ab. Außerdem sind in den meisten Ländern Leerlaufverlustleistung und Wirkungsgrad gesetzlich geregelt und einzig mit Schaltnetzteilen zu erfüllen.

Praktisch alle Schaltnetzteile liefern eine geregelte Gleichspannung oder einen geregelten Gleichstrom. Sie sind meist kurzschlussfest und oft durch einen Weitbereichseingang an allen üblichen Netzspannungen der Welt von 85 V bis 250 V betreibbar. Durch die in ihrem Inneren vorkommenden hohen Schaltfrequenzen erzeugen sie jedoch trotz Entstörmaßnahmen mehr Störungen. Schaltnetzteile sind empfindlicher gegenüber kurzzeitiger Netzüberspannung als Netztransformatoren.

Der schematisierte Aufbau eines Schaltnetzteiles lässt sich nebenstehender Abbildung entnehmen. Es handelt sich um ein potentialtrennendes Schaltnetzteil mit geregelter Ausgangsspannung. Die Sicherheitsbarriere zwischen Netzspannung und Ausgangsspannung wird durch den Transformator und den Optokoppler gebildet.

Schaltnetzteile können auf Kosten der Spannungsstabilität auch ohne zwecks Regelung rückgeführter Ausgangsspannung (d. h. ohne Optokoppler) gebaut werden. Dabei wird ein fly back-Transformator eingesetzt, und die Ausgangsspannung wird an der Primärwicklung oder einer Hilfswicklung ermittelt. Solche Netzteile können bei Einsatz eines einzigen monolithischen integrierten Schaltkreises einen gegenüber der oben beschriebenen Lösung stark reduzierten Bauteilaufwand haben.

Offline-Regulator: Nicht potentialgetrennte Schaltnetzteile mit monolithischem IC Im englischen auch Off-Line Switcher IC genannt, von off the mains voltage line.

Dies ist eine sehr häufig bei kleinen Leistungen eingesetzte Schaltnetzteil-Variante. Sie besteht aus wenigen externen Bauelementen und einem speziellen monolithischen integrierten Schaltkreis (IC), der Leistungs-MOSFET und Regelung vereint. Extern sind lediglich eine Drossel oder ein Transformator, zwei Kondensatoren für Aus- und Eingangsspannung, eine Diode und wenige weitere passive Bauteile erforderlich. Der maximale Ausgangsstrom beträgt typischerweise einige hundert Milliampere. Da eine Netztrennung innerhalb vieler Geräte nicht erforderlich ist, sind solche Netzteile nicht potentialtrennend.

Meist wird die Netzspannung von 230 Volt gleichgerichtet und geglättet, womit der Effektivwert der Eingangsspannung für den Regler 325 V beträgt. Diese wird dann heruntergesetzt.

Möglich wurden solche ICs Anfang der 90er Jahre, als man erstmals einen Hochvolt-MOSFET und die Ansteuerlogik auf demselben Die unterbringen konnte. Solche Netzteile sind aufgrund der Integration sehr ökonomisch.

Hersteller solcher ICs für nicht potentialtrennende Kleinleistungs-Netzteile sind z. B. ST mit der VIPer-, VIPerPlus- und Altair-Serie, Power Integrations mit der LinkSwitch-TN2-, LNK304-, TNY- und TOP-Serie, NXP mit der STARplug-Serie (TEA), ONsemi mit der NCP- und FS-Serie.

Hersteller monolithischer ICs für potentialtrennende Schaltnetzteile sind z. B. Power Integrations mit der TinySwitch-LT-Serie (bis 30 Watt). Die Firma fertigt auch Schaltkreise mit eingebauter Potentialbarriere für das Rückführen (feedback) der Ausgangsspannung (InnoSwitch3-EP-Serie, bis 100 Watt).

Kleinleistungs-Schaltnetzteile mit nur einem IC finden sich z. B. in weißer Ware, in Steckernetzteilen oder LED-Lampen. Sie sind oft knapp dimensioniert bzw. besitzen keinen geeigneten Eingangsfilter, um Netz-Überspannung abzuwehren und sind daher anfällig insbesondere für Stoßspannungen (Surge nach EN 61000-4-5).

Auch in LED-Leuchtmitteln werden überwiegend Tiefsetzsteller mit Konstantstromausgang verbaut. Sie besitzen keinen Transformator, nur eine Speicherdrossel.

Trafonetzteil mini|Prinzipschaltbild eines linear geregelten Trafonetzteils mit galvanischer Trennung Sogenannte konventionelle Netzteile, oft als Trafonetzteil bezeichnet, haben einen Netztransformator, der auf Grund der niedrigen Arbeitsfrequenz von 50 oder 60 Hz groß gegenüber denjenigen in Schaltnetzteilen ist.

Ihr Aufbau ist in nebenstehender Abbildung ersichtlich. Sie bestehen aus folgenden Bestandteilen: Netztransformator, dessen Primärwicklung direkt mit der Wechselspannung des Stromnetzes mit Netzfrequenz gespeist wird. Er setzt die Spannung herab und stellt die galvanische Netztrennung sicher. Bei Netzteilen ohne galvanische Trennung können Spartransformatoren eingesetzt werden. Gleichrichter zum Gleichrichten der Sekundär-Wechselspannung Glättungskondensator zur Siebung der erhaltenen pulsierenden Gleichspannung optional bei stabilisierten Geräten ein Linearregler; stabilisiert die Ausgangsspannung bei Last- und Netzspannungsschwankungen optional ein Pufferkondensator/Ausgangskondensator zum Abfangen von Lastspitzen

Solche stabilisierten Netzteile haben bei Volllast einen Wirkungsgrad unter 50 %. Bei einigen ist statt eines Linearregler ein Step-Down-Regler eingebaut, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Verlustwärme zu reduzieren.mini|Netzteil eines DDR-Kassetten­recorders, gut sichtbar die Sieb­konden­satoren (blau) und der Netz­transformator. Die Länge beträgt etwa 70 mm, die Ausgangs­leistung beträgt etwa 5 Watt

Die kleinen konventionellen Netzteile mit Netztransformator sind oft auf geringes Gewicht und geringe Kosten ausgelegt: man versuchte, den Eisenkern maximal auszusteuern, der zudem oft von minderer Qualität war. Dadurch liegen die Leerlaufverluste solcher Netzteile oft im Bereich über 1 Watt. Das brachte sie in den Fokus von Energiesparmaßnahmen. 1998 rechnete der BUND in einer Medienkampagne vor, dass sich durch konsequentes Abschalten bzw. Ziehen aller im Stand-By arbeitender Netzteile und Steckernetzteile im deutschsprachigen Raum die Leistung eines mittleren Atomkraftwerk einsparen ließe.

Verschiedene Ausgangsspannungen können durch Umschalten von Wicklungsanzapfungen des Netztransformators erzielt werden. Die Leerlaufspannungen unstabilisierter Geräte sind oft sehr viel höher als die angegebene Nennspannung. Die Transformatoren enthalten zum Brandschutz eine selbstrückstellende oder nicht rückstellbare Thermosicherung; Letztere werden nach Überlastung unbrauchbar.

Trafonetzteile mit Wechselspannungsausgang bestehen lediglich aus einem Netztransformator.

Kondensatornetzteil

Eine traditionelle Variante ohne Potentialtrennung für Ausgangsströme bis etwa 100 mA ist das Kondensatornetzteil. Dieses nutzt den Blindwiderstand eines Kondensators als Vorwiderstand, um die Netzspannung zu verringern. Die Ausgangsspannung ist von der Last abhängig; falls diese nicht konstant ist, muss eine Spannungsbegrenzung vorhanden sein.

Kondensatornetzteile besitzen zwingend einen in Serie zum Kondensator geschalteten Widerstand hoher Stoßspannungsfestigkeit, um die Last vor Netztransienten und Einschaltstromstößen zu schützen. Die Last muss zur Wirksamkeit des Schutzes einen Pufferkondensator besitzen.

Kondensatornetzteile sind beispielsweise in manchen LED-Leuchtmitteln sowie für die Eigenversorgung in Dämmerungsschaltern und Bewegungsmeldern verbaut. Sie sind nicht potentialtrennend, daher liegt die gesamte Schaltung auf lebensgefährlichem Netzspannungspotential – diese Geräte müssen komplett berührungssicher sein.

Bauformen Netzteile werden, je nach Einsatzzweck und bereitzustellender Ausgangsleistung, in verschiedenen Bauformen angeboten:

Steckernetzteil mini|Geschaltetes (links: 20 Watt) und konventionelles Steckernetzteil (rechts: 3,6 Watt) im Größenvergleich mini|Platine eines Steckernetzteils