Mechanische und sicherheitsbezogene Standards für externe Netzteile

Netzteile werden häufig als Massenware angesehen, die bei der Entwicklung eines neuen Produkts ganz unten auf der Prioritätenliste stehen. Ein System ist jedoch nur so gut wie sein schwächstes Glied, und der Adapter oder das externe Netzteil muss der Qualität und Leistungsfähigkeit des Endprodukts entsprechen, um unzufriedene Kunden zu vermeiden. Ein Netzteil stellt nicht nur Volt und Ampere bereit, sondern muss auch die internationalen gesetzlichen Standards für Sicherheit und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erfüllen, die je nach Endanwendung und Region variieren können. Andere Parameter wie Wirkungsgrad, Regelung, Spitzenausgangsleistung, Überbrückung bei Netzausfall, Temperatur- und Feuchtigkeitsbewertung, Leerlauf- und Standby-Verluste, Ästhetik etc. können ebenfalls entscheidend für die Benutzerfreundlichkeit und den erfolgreichen Betrieb des Endgeräts sein.

Nimmt ein neues Produktdesign Gestalt an, tendieren viele Entwickler dazu, den Gesamtleistungsbedarf zu ermitteln. Ein Teil der Entscheidung fußt darauf, ob ein diskretes oder modulares Netzteil in das Produkt integriert oder ein externes Netzteil bereitgestellt werden soll. Die Art der Anwendung, die Baugröße und das erforderliche Gesamtleistungsbudget bilden die Auswahlkriterien. Obwohl beide Ansätze praktikabel sind, bietet ein externes Netzteil tendenziell mehr Flexibilität – vor allem wenn das Produkt weltweit einsetzbar sein soll. Die Auswahl des falschen externen Netzteils kann Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit des Produkts haben. Dies führt zu Unannehmlichkeiten, frustriert die Kunden und schädigt langfristig auch das Markenimage und den Ruf des Herstellers.

Die technischen Anforderungen legen den Spannungs- und Strombedarf des Produkts fest. Dies sind die Ausgangskriterien für die Auswahl der Stromversorgung. In den meisten Fällen benötigt das Produkt eine einzige DC-Eingangsspannung, z. B. 12 VDC, und wird an die Netzwechselspannung angeschlossen. Der maximale Strom, den das Produkt benötigt, sollte sämtliche Peripherie oder Motoren einschließen, die während des Gebrauchs mit dem Produkt verwendet und von diesem mit Strom versorgt werden. Beträgt der maximal erforderliche Strom beispielsweise 2 A, beträgt die Gesamtleistung des Netzteils 24 W. Bezogen auf die Volllastleistung muss das Netzteil zuverlässig arbeiten und das Produkt kontinuierlich ohne Überhitzung mit Strom versorgen. Bei der Auswahl eines externen Netzteils für die oben genannten Parameter stoßen Entwickler auf weitere Überlegungen, die den Auswahlprozess komplexer machen.

Im Großen und Ganzen lassen sich die zusätzlichen Überlegungen in drei Kategorien unterteilen: mechanische, elektrische und sicherheitsbezogene Standards sowie deren Einhaltung.

Je nach Strombedarf kann man zwischen einem externen Desktop-/Tischnetzteil oder einem Wandstecker-Netzteil wählen, das direkt in die Steckdose gesteckt wird. Letztere bieten meist eine Ausgangsleistung von 3 bis 45 W und sind praktisch und kompakt. Der Ausgang kann entweder direkt verkabelt sein oder für Standardspannungen (z.B. als USB-5VDC-Ausgang) eine Standardbuchse bereitstellen. Bei kabelgebundenen Ausgängen sollte die Kabellänge ausreichend lang sein, um das Produkt für den Großteil der Anwendungsszenarien zu versorgen. Auch die Art der DC-Buchse am Produkt ist zu beachten und ob diese als Standardoption für das gewählte Netzteil bereitsteht. Das Datenblatt des Herstellers sollte die verfügbaren DC-Steckeroptionen aufzeigen, zu denen in der Regel gerade oder rechtwinklige Standardbuchsen, eine USB-Buchse und ein EIAJ-Anschluss gehören. Ist eine Verriegelung vorhanden, oder soll eine kundenspezifische Steckdose vorliegen? In diesem Fall kann der Hersteller den entsprechenden Stecker anbringen oder das Ausgangskabel abisoliert und verzinnt liefern. Entwickler sollten auch nicht vergessen, die Polarität der Steckeranordnung zu überprüfen.

Wo am Produkt befindet sich die Versorgungsbuchse und wie wird sie gesichert? Die AC-Eingangsseite eines Wandstecker-Netzteils bietet ebenfalls mehrere Optionen. Erstens, wenn das Produkt weltweit zum Einsatz kommen soll, ermöglichen austauschbare Stecker (zwei- oder dreipolig) eine einfache Produktverpackung. Die Erdung (Masse-Anschluss) eines Wandsteckers wird meist nicht verwendet, und der DC-Ausgang ist in Bezug auf die Masse potentialfrei (Stromversorgung der Klasse II). Als Referenz für die verschiedenen Steckertypen dient die IEC-Webseite. Der AC-Eingangsspannungsbereich sollte ebenfalls bestätigt werden, obwohl die meisten Wandstecker- und Desktop-Netzteile namhafter Hersteller den universellen AC-Spannungsbereich von 90 bis 264 VAC und 50/60 Hz abdecken.

Desktop-Netzteile verfügen über ähnliche mechanische Ein- und Ausgangsanschlüsse. Sie sind physikalisch meist nicht so eingeschränkt wie Wandstecker-Netzteile. Daher sind sie mit Nennleistungen bis 250 W erhältlich. Ein Beispiel ist die Serie SDI250-U von CUI mit einem Standard-IEC320/C14-Eingangsstecker. Zu prüfen ist, ob Netzkabel für alle länderspezifischen Steckertypen verfügbar sind. Aufgrund der höheren Ausgangsleistung und der Notwendigkeit, optionale länderspezifische Netzkabel zu liefern, können bei Desktop-Netzteilen zusätzliche Überlegungen zu Größe und Gewicht auch die Verpackungskriterien des Gesamtprodukts beeinflussen.

Der mechanische Aufbau des Netzteils wirkt sich auch darauf aus, wo das Produkt verwendet werden kann, wobei unter anderem die Umgebungsbedingungen der Anwendung entscheidend sind. Diese Faktoren können das Eindringen von Feuchtigkeit und die Betriebstemperatur umfassen und werden im folgenden Abschnitt über Normen/Spezifikationen behandelt.

Ein abschließender Hinweis auf mögliche Anpassungen eines Netzteils: Viele Menschen kennen das schwarze Kunststoffgehäuse für externe Netzteile – aber das Produktdesign selbst ist auf Netzteilebene schlanker und durchdachter geworden. Das Netzteil sollte zur Gesamtästhetik des Produkts passen. Ist es möglich, Firmenlogo oder Markennamen auf das Gehäuse zu drucken; das Netzteil in Ihren Firmenfarben zu erhalten und sogar eine maßgeschneiderte Verpackung für das Netzteil zu entwickeln? Aus Verbrauchersicht wirken sich kleine Details wie diese beim Öffnen der Produktverpackung positiv auf das visuelle Gesamterlebnis aus.

Elektrische Spezifikationen des externen Netzteils

Einige wichtige elektrische Parameter müssen zusätzlich zur Eingangsspannung, dem Strom und der Frequenz überprüft werden. Aus Sicht des Netzeingangs sollte der Einschaltstrom im Datenblatt angegeben werden, da es sich hier um den momentanen Spitzenstrom eines „Kaltstarts“ handelt, der ein unnötiges Auslösen des Leitungsschutzschalters verursachen kann. Zudem ist der Leckstrom innerhalb der Spezifikation anzugeben. Entwickler müssen ebenfalls die Eigenschaften des DC-Ausgangs sorgfältig prüfen. Die Lastregelung, Welligkeit und das Rauschen sind entscheidend. Kann das Netzteil die Ausgangsspannung über alle Lastbedingungen und AC-Eingangsspannungsbereiche in einem akzeptablen Bereich halten? Eine Regelung von ±5 % ist normalerweise ausreichend, d.h. ein nominaler 5-V-Ausgang wird innerhalb von 4,75 bis 5,5 VDC gehalten. Benötigt das Netzteil zudem eine Mindestlast? Welligkeit und Rauschen sind besonders wichtige Kriterien für empfindliche Halbleiterbauelemente wie FPGAs und Mikrocontroller. Hohes Rauschen kann zusätzliche Filterkomponenten im Produkt erforderlich machen, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. So weist das 5-VDC-Netzteil SDM36-U von CUI eine maximale Welligkeit und ein Rauschen von 80 mVpp auf.

Bild 4 zeigt den minimalen durchschnittlichen Wirkungsgrad und die maximale Leistungsaufnahme bei Nulllast für ein einzelnes Netzteil mit niedriger Ausgangsspannung. Im Vergleich dazu enthält die europäische Ecodesign-Richtlinie (2019/1782) ferner eine Niedriglast-Richtlinie, die verlangt, dass der Hersteller den Wirkungsgrad bei 10 % der angegebenen Volllast dokumentiert.

Jüngste Fortschritte bei Halbleiterprozesstechnologien, wie sie für Schalttransistoren in Leistungswandlern zum Einsatz kommen, sorgen für einen höheren Wirkungsgrad, ein geringeres Gewicht und eine geringere Baugröße externer Netzteile. So basiert das externe Desktop-Netzteil SDI220G-U von CUI auf Galliumnitrid-(GaN-)Halbleitern mit großer Bandlücke (WBG; Wide Band-Gap), um den Wirkungsgrad auf 96% zu erhöhen, das Gewicht um 32 % zu reduzieren und die Gesamtgröße im Vergleich zu früheren Modellen um mehr als die Hälfte zu verringern.

Zusätzlich zu den oben genannten Anforderungen an die Sicherheit und Energieeffizienz müssen Netzteile auch die EMV-Richtlinien für leitungsgeführte und abgestrahlte Störungen erfüllen, von denen die FCC 20870, CISPR22 und IEC 61204-3 am häufigsten zutreffen. Zu beachten ist auch, dass für medizinische Anwendungen die Kriterien der IEC-1 (3. Auflage) für elektromagnetische Störfestigkeit zu beachten sind, die in der Begleitnorm IEC 60601-1-2 (4. Auflage) spezifiziert sind.

Externe AC/DC-Desktop- und Steckernetzteile bieten eine bequeme Methode zur Stromversorgung verschiedenster Consumer-, Gesundheits- und Industriegeräte. Abgesehen von den wesentlichen Spannungs- und Stromanforderungen und ihrem Erscheinungsbild als Massenware sollten Entwickler auch auf die nicht so offensichtlichen Spezifikationen des Netzteils achten, indem sie das Datenblatt sorgfältig lesen und sicherstellen, dass es vollständig den Anforderungen des Produkts entspricht. Externe Netzteile können in Größe, Gewicht und Kosten erheblich variieren, obwohl sie scheinbar ähnliche Nennwerte aufweisen.