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Labornetzteile

  

Das passende Labornetzteil oder Labornetzgerät zu finden ist nicht immer einfach. Wie Netzteile funktionieren, wo die Unterschiede zwischen Netzgeräten und Labornetzgeräten liegen und wie Sie das passende Netzgerät für Ihre Anforderungen finden verraten wir Ihnen hier. 

  

Labornetzteile und Labornetzgeräte 

Auch wenn Techniker konkrete Vorstellungen davon haben, was ein Netzteil und was ein Netzgerät ist, wird im täglichen Sprachgebrauch kein Unterschied zwischen den Begriffen gemacht und beide für ein und dasselbe Gerät benutzt. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um ein Festspannungs-Netzgerät, über ein linear geregeltes Netzgerät oder ein getaktetes Netzgerät handelt. Wir zeigen Ihnen wo die Unterschiede bei den jeweiligen Netzgerätetypen liegen und wann ein Netzteil ein Labornetzteil ist, damit Sie für Ihre Bedürfnisse das genau passende Netzteil oder Labornetzteil finden.

 

  

  

Wozu werden Netzteile benötigt?

Netzgeräte oder auch Netzteile werden benötigt, um aus der 230 V-Wechselspannung des öffentlichen Stromversorgungsnetzes eine feste oder einstellbare Gleichspannung zu erzeugen. Im einfachsten Fall kann das ein simples Steckernetzgerät bzw. Steckernetzteil für eine LED-Leuchte, ein Akku-Ladegerät oder auch für einen Anrufbeantworter sein, das einfach an der Netzsteckdose angeschlossen wird. Diese Netzteile sind in Bezug auf Ausgangsspannung und Ausgangsstrom genau auf den zu versorgenden Verbraucher abgestimmt. Sind Verbraucher mit höherem Energiebedarf zu versorgen wie z.B. Notebooks oder Drucker, werden größere Tischnetzteile eingesetzt, die ebenfalls speziell an den jeweiligen Verbraucher angepasst sind.

Im Service, bei der Elektronikentwicklung, in der Ausbildung oder auch im Hobbybereich werden jedoch weiterreichende Anforderungen an ein Netzteil bzw. Netzgerät gestellt. Schulen oder Behörden haben zudem noch besondere sicherheitstechnische Anforderungen wie z.B. die Prüfung nach einer bestimmten Norm, die Netzteile unbedingt erfüllen müssen.
Um das passende Netzteil für die persönlichen Anforderungen zu finden, ist es erforderlich sich zunächst mit einigen grundsätzlichen Funktionen von Netzteilen bzw. Netzgeräten vertraut zu machen.

  

  

Wie funktioniert ein Netzteil?

Ein klassisches und nicht stabilisiertes Netzteil besteht aus einigen wenigen aber wichtigen Komponenten.

Transformator

Um die Netzwechselspannung am Eingang auf einen geringeren Wert am Ausgang zu wandeln, wird ein Netztransformator (siehe Bild 1) eingesetzt. Dieser Transformator sorgt gleichzeitig auch für die galvanische Trennung von Ein- und Ausgangsspannung. Das bedeutet: Beide Stromkreise (230 V-Netzstromkreis und Verbraucherstromkreis) sind elektrisch nicht miteinander verbunden. Das Wicklungsverhältnis Primär- zu Sekundärwicklung sowie der Durchmesser des verwendeten Kupferlackdrahtes geben die Sekundärspannung und den max. Sekundärstrom und damit die Leistung des Trafos vor.

Bild 1: Ein Netztransformator wandelt die 230 V Wechselspannung des Stromnetzes in eine Wechselspannung mit geringerer Höhe um.

Gleichrichter

Der Gleichrichter sorgt dafür, dass nur die positiven Anteile der Wechselspannung genutzt werden. Im Prinzip würde dafür eine einzige Diode (siehe D1 in Bild 2) ausreichen, welche die negative Halbwelle abschneidet, wenn Strom über den Verbraucher (Widerstand R) fließt. Zum besseren Verständnis sind in Bild 2 bei der Ausgangsspannung die abgeschnittenen negativen Halbwellen noch schematisch angedeutet.

Bild 2: Über die Gleichrichterdiode D1 wird die negative Halbwelle der Wechselspannung abgeschnitten.

Um auch die Energie negative Halbwelle für die Gewinnung der Gleichspannung nutzen zu können, werden Brückengleichrichter eingesetzt. Durch die Anordnung der 4 Dioden (sien D1 – D4 in Bild 3) wird die negative Halbwelle umgepolt (quasi nach oben geklappt), sobald Strom über den Verbraucher (Widerstand R) fließt. Allerdings kann man jetzt noch nicht von einer Gleichspannung sprechen, da die Spannung zwischen den einzelnen Halbwellen ja immer noch bis auf Null zurück geht. Zur besseren Darstellung sind in Bild 3 bei der Ausgangsspannung die negativen Halbwellen ebenfalls schematisch angedeutet.

Bild 3: Durch den Einsatz eines Brückengleichrichters wird die negative Halbwelle der Wechselspannung umgepolt und somit für die Gewinnung der Gleichspannung mit genutzt.

Siebkondensator

Um den Spannungsrückgang zwischen den Halbwellen zu vermeiden, wird ein großer Elektrolytkondensator (siehe Bauteil C in Bild 4) dem Gleichrichter nachgeschaltet. Der Kondensator wird auch als Siebkondensator bezeichnet und lädt sich bis auf den Spitzenwert der Halbwelle auf. Zwischen den Halbwellen, wenn der vom Transformator gelieferte Strom wieder bis auf Null abfällt, dient der Kondensator als Stromquelle für den Verbraucher und versucht die Spannung aufrecht zu erhalten. Je nach Strombelastung des Netzteils durch den Verbraucher (Widerstand R) sinkt die Spannung am Kondensator, bis die nächste Halbwelle den Kondensator wieder auf den Spitzenwert auflädt.  Aus diesem Grund ist bei dieser Schaltung die Gleichspannung nicht glatt, sondern weist eine gewisse Schwankung (Restwelligkeit) auf. Zur besseren Darstellung sind in Bild 4 bei der Ausgangsspannung die Halbwellen wieder schematisch angedeutet.

Bild 4: Der Siebkondensator "C" verhindert, dass die Spannung zwischen den Halbwellen wieder auf 0 Volt zurückgeht.

Stabilisierte Netzteile

Wenn der im Bild 1 - 4 gezeigte Transformator eine sinusförmige Wechselspannung mit einem effektiven Spannungswert von z.B. 12 V liefert, haben die einzelnen Spitzen der jeweiligen Halbwellen eine Spannung von ca. ±17 V. Das ist auch der Grund, warum bei einem unstabilisierten 12 V-Netzteil die Ausgangsspannung zwischen 12 V (bei normaler Last) und ca. 17 V (im Leerlauf ohne Last) variieren kann. Für unempfindliche Verbraucher mag das ja kein Thema sein, aber für ein universell einsetzbares Netzteil ist dieser Umstand nicht akzeptabel. Hier darf die Spannung nicht lastabhängig schwanken. Aus diesem Grund muss noch eine Stabilisierungsstufe in das Netzteil mit eingebaut werden.

Für kleinere Festspannungs-Netzteile eignet sich dazu ein Festspannungsregler mit integrierter Regelelektronik wie z.B. der Typ 78XX (siehe Bild 5). Diese Regler gibt es mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen von 5 – 24 V. Bei einem Regler mit der Bezeichnung 7812 beträgt die Ausgangsspannung 12 V, wobei die Eingangsspannung min. 1,5 - 2 V über der Ausgangsspannung liegen muss. Nun ist es unwichtig, ob das Netzteil sich im Leerlauf befindet oder den max. möglichen Strom abgibt – die Ausgangsspannung ist immer stabil bei 12 V. Ebenso spielt die Welligkeit am Siebkondensator keine große Rolle mehr.

Bild 5: Mit einer Stabilisierungsstufe erhält man ein stabile Gleichspannung am Ausgang des Netzteils.

Einstellbare Netzteile

Alternativ zu den Festspannungs-Netzteilen bieten einstellbare bzw. regelbare Netzteile die Möglichkeit, die Ausgangsspannung individuell einzustellen. Somit lassen sich mit diesen Netzteilen die unterschiedlichsten Aufgaben durchführen. Im einfachsten Fall verwendet man dazu einen integrierten Spannungsregler z.B. mit der Bezeichnung LM 317 (siehe Bild 6), der für die Stabilisierung über den Widerstand R1 einen aktuellen Bezug von der Ausgangsspannung erhält. Durch die Veränderung des Einstellreglers P1 kann die Ausgangsspannung individuell eingestellt werden.

Bild 6: Mit einer regelbaren Stabilisierung kann die Gleichspannung am Ausgang individuell eingestellt werden.

Hinweis:
Die in Bild 5 und 6 dargestellten Festspannungsregler eignen sich in erster Linie für kleinere Ströme (ca. 1,5 A). Muss ein Netzteil höhere Ströme abgeben, werden anstelle der Festspannungsregler leistungsstarke und parallelgeschaltete Transistoren auf großzügig dimensionierten Kühlkörpern eingesetzt. Die Ansteuerung der Transistoren erfolgt über eine entsprechende Elektronik, die eine Regelung der Ausgangsspannung sowie diverse Schutzschaltungen ermöglicht.

  

  

Spannungs- und Stromregelung

Neben der Spannungsregelung, bei der die Ausgangsspannung z.B. von 0 – 30 Volt eingestellt werden kann, verfügen viele Netzteile noch über eine zusätzliche Stromregelung z. B. von 0 – 5 A. Ob ein Netzteil im Spannungsregel-Mode oder im Stromregel-Mode arbeitet, liegt an der Einstellung des Netzteils bzw. am angeschlossenen Verbraucher. Wie die beiden Regelungen ineinander greifen erkennt man am besten, wenn man einen Motor am Netzteil betreibt.

Wenn ein Gleichstrommotor bei einer Betriebsspannung von 12 V unter normaler mechanischer Belastung max. 1,5 A Strom aufnimmt, muss die Ausgangsspannung des Netzteils auf 12 V und der maximale Strom auf 1,5 A eingestellt werden. Solange der Motor im Betrieb die 1,5 A-Grenze nicht erreicht, wird das Netzteil am Ausgang eine Spannung von 12 V zur Verfügung stellen. Das Netzteil arbeitet im Spannungsregel-Mode als Konstantspannungs-Quelle mit lastabhängigem Strom.
Sollte die mechanische Last des Motors im Betrieb plötzlich zu groß werden und er dadurch mehr als 1,5 A Strom aufnehmen wollen, regelt das Netzteil die Spannung sofort zurück, damit nicht mehr als 1,5 A fließen können. Das Netzteil arbeitet nun im Stromregel-Mode als Konstantstrom-Quelle mit lastabhängiger Spannung. Der Anwender wird über entsprechende Anzeigen über den aktuellen Mode informiert.

Hinweis:
Netzteile ohne einstellbare Stromregelung verfügen zum Teil über eine fest vorgegebene Strombegrenzung, die das Netzteil beim Erreichen des max. zulässigen Stromes effektiv vor Überlast sichert.

  

  

Lineares oder getaktetes Netzgerät?

Die in Bild 5 und 6 schematisch dargestellten Netzteile sind Linear-Netzteile, bei denen die Spannungsregler die nicht benötigte Leistung in Wärme umwandeln müssen. Wenn bei einem Netzteil, das bis zu 30 V abgeben kann, eine Ausgangs-Spannung von lediglich 5 V bei einem Strom von 1 A benötigt wird, müssen 25 V am Spannungsregler des Netzteiles abfallen. Bei dem benötigten Strom von 1 A sind das stolze 25 W, die verheizt werden.

Effektiver wäre es, wenn das Netzteil getaktet wird und nur soviel Energie umwandelt wie der Verbraucher im Moment benötigt. Sperrwandler-Netzteile erfüllen genau diese Funktion. Der Netztransformator wird nun nicht mit der „langsamen“ Netzfrequenz von 50 Hz betrieben, sondern wesentlich schneller ein- und ausgeschaltet.

Bild 7: Schematischer Aufbau eines getakteten Netzteils. Dank der hohen Schaltfrequenz kann der Wandlertrafo deutlich kleiner ausfallen, wodurch die Netzteile kompakter und leichter sind, als Netzteile mit herkömmlichen Netztrafos.

  

  

Im Gegensatz zu den linearen Netzteilen wird bei Sperrwandler-Netzteilen bereits die 230 V-Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt. Die Spannung wird dann über den Wandler-Transformator (L) zum Transistor (T) geführt, der als elektronischer Schalter arbeitet. Angesteuert wird der Transistor über eine pulsweitenmodulierte Steuerung. Das Verhältnis zwischen Einschaltzeit und Ausschaltzeit des Transistors bestimmt letztendlich die Höhe der Spannung am Ausgang. Über eine einstellbare Regelstufe (RS) und einem Optokoppler (OK) zur galvanischen Trennung erhält die Pulsweitenmodulation Informationen, wie lange der Transistor leiten bzw. sperren soll.

Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Netzteiltypen

Linearnetzteile:
Lineare Labornetzgeräte sind relativ einfach aufgebaut und die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt in der Regel schneller und genauer. Die Ausgangskapazität ist relativ gering, wodurch die Strombegrenzung sehr schnell anspricht. Die Geräte sind leicht zu reparieren und es sind keine umfangreichen Entstörmaßnahmen erforderlich.

Bei geringen Ausgangsspannungen und hohen Strömen kann die thermische Belastung eines linearen Labornetzteiles nicht unerheblich sein, was eine gute Kühlung mit Kühlkörpern und mit Lüfter erforderlich macht. Durch die Nutzung der Netzfrequenz werden bei leistungsstarken Netzteilen große Transformatoren erforderlich, wodurch die Netzteile unhandlich, schwer und teuer werden.

Schaltnetzteile:
Aufgrund der höheren Taktfrequenz haben Schaltnetzteile einen besseren Wirkungsgrad und die Bauform des Wandler-Transformators kann wesentlich kleiner ausfallen. Die thermische Belastung ist deutlich geringer und die Siebkondensatoren müssen zudem auch keine so hohen Kapazitätswerte mehr aufweisen. Das gesamte Netzteil ist bei gleicher Leistung deutlich kleiner und leichter. Aus diesem Grund werden Labornetzteile mit hoher Leistung vorzugsweise als Schaltnetzteil konzipiert.

Der Schaltungsaufbau eines Schaltnetzteils ist deutlich komplexer, um hochfrequente Störaussendungen zu vermeiden und die Elektronik reagiert zudem empfindlicher auf hochfrequente Einstreuungen. Kleinste Unregelmäßigkeiten bei der PWM-Steuerung machen sich sofort als Störung am Ausgang bemerkbar.

Um die Vorteile beider Netzteiltypen nutzen zu können, gibt es mittlerweile Geräte auf dem Markt, die beide Techniken kombinieren.

  

  

Wann ist ein Netzgerät ein Labornetzgerät?

Netzteile bzw. Netzgeräte gibt es in unterschiedlichen Bauformen und mit den unterschiedlichsten Leistungsmerkmalen. Labornetzgeräte bzw. Labornetzteile hingegen weisen gegenüber den Standard-Netzteilen noch einige besondere Leistungsmerkmale auf.

  • Bei Labornetzteilen sind der oder die Ausgänge im Regelfall gegen Überlast, Kurzschluss oder Verpolung geschützt.
  • Die Anzeigengenauigkeit ist deutlich größer als bei einfachen Geräten.
  • Das Impulsverhalten, die Restwelligkeit und das Rauschen der Ausgangsspannung von Labornetzteilen sind spezifiziert.
  • Labornetzteile verfügen über eine fest eingestellte Strombegrenzung oder eine einstellbare Stromregelung.
  • Einstellbare Labornetzteile haben in der Regel Anzeigen für die eingestellten und ausgegebenen Strom- und Spannungswerte (Soll-/Ist-Anzeige).
  • Moderne Labornetzteile verfügen über Schnittstellen, die eine Steuerung über externe Rechner ermöglichen und so komplexe Prüfabläufe möglich werden. Dies kann so weit gehen, dass das Labornetzteil als Leistungs-Signalgenerator genutzt werden kann.
  • Hochwertige Labornetzteile weisen zum Teil „Sense“-Buchsen auf. An diese beiden Buchsen werden Messleitungen angeschlossen, die direkt mit den Anschlussklemmen des Verbrauchers verbunden sind. Die Spannungsregelung des Labornetzteiles erfolgt nun nach den an den Sense-Buchsen gemessenen Spannungswerten und nicht nach den Spannungswerten an den Ausgangsbuchsen. Speziell bei Verbrauchern mit hoher Stromaufnahme treten an den Anschlussklemmen und auch an den Anschlussleitungen nicht unerhebliche Spannungsverluste auf, die dann ausgeregelt werden. Da über die Sense-Leitungen kein Strom fließt, wird die Klemmenspannung des Verbrauchers verlustfrei an das Labornetzgerät übermittelt.
  • Labornetzteile verfügen teilweise über eine Master-/Slave-Funktion, mit deren Hilfe mehrere Ausgänge/Geräte parallel oder in Serie betrieben werden können.

  

  

Bauformen von Labornetzgeräten

Labornetzgeräte können sich in ihrer Bauform deutlich unterscheiden. Zum Einbau in einen genormten Schaltschrank oder in ein Rack eignen sich Netzgeräte mit einem 19“-Gehäuse. Alternativ dazu dienen Netzgeräte mit Tischgehäuse, die zum Teil mit praktischen Tragebügeln für den komfortablen Transport ausgestattet sind.

19 Zoll-Labornetzgerät

An diesem 19 Zoll-Labornetzteil sind die Bedienelemente und die Lüftungsschlitze für die Kühlung an der Gerätevorderseite angebracht. Dies ist erforderlich, da in Racks mehrere zum Teil unterschiedliche Geräte dicht übereinander verbaut werden können.

Tisch-Labornetzgerät

Bei einem Tisch-Labornetzgerät sind die Lüftungsschlitze u.a. auch an der Geräteoberseite angebracht (Konvektionskühlung). Werden Tischgeräte übereinander gestapelt, muss immer auf eine ausreichende Kühlung der einzelnen Geräte geachtet werden.

  

  

Kalibrierte Labornetzgeräte

Bei manchen Labornetzgeräten ist der Hinweis zu finden, dass diese Geräte nach ISO oder DAkkS kalibriert sind. Diesen Geräten liegt ein Kalibrierungsprotokoll bei und wird von Betrieben benötigt, bei denen im Rahmen einer Zertifizierung der Einsatz von kalibrierten Mess- und Prüfmitteln vorgeschrieben ist.

Nur weil ein Labornetzgerät kalibriert ist, heißt das noch lange nicht, dass das Netzgerät genauer arbeitet als das nicht kalibrierte Exemplar gleichen Typs. Der Kalibriernachweis dokumentiert lediglich die Einhaltung der in den technischen Daten angegebenen Spezifikationen bzw. die tatsächlichen Abweichungen.

  

  

So finden Sie das passende Netzgerät oder Labornetzgerät

Das Angebot an Netzteilen und Netzgeräten ist scheinbar grenzenlos und die Preisspanne der angebotenen Geräte ist enorm. Aber mit einigen leicht zu beantwortenden Fragen grenzen Sie die Anzahl der in Frage kommenden Geräte sehr schnell ein und finden im Handumdrehen das für Sie passende Labornetzteil.

1. Zertifikat:
Muss das Netzteil nach ISO oder DAkkS zertifiziert sein?

2. Bauform:
Soll es ein 19“ Zoll Netzgerät oder ein Tischnetzgerät sein?

3. Zahl der Ausgänge:
Reicht ein Ausgang oder soll das Netzgerät über mehrere Ausgänge verfügen?

4. Spannungsbereich:
Müssen der oder die Ausgänge regelbar sein und wenn ja, in welchem Spannungsbereich? Eventuell reicht sogar ein Festspannungs-Netzgerät.

5. Strombereich:
Bei der Auswahl des Strombereiches ist entscheidend, welche Verbraucher versorgt werden müssen. Im Zweifelsfall lieber den Strombereich etwas größer wählen, wenn das Budget es zulässt.

6. Anzeigeelemente:
Reichen analoge Zeigerinstrumente sollen es lieber genauere Digitalanzeigen sein? Reicht die Anzeige der Ausgangsspannung oder soll auch der Ausgangsstrom mit angezeigt werden?

7. Zusätzliche Leistungsmerkmale:
Bei den zusätzlichen Leistungsmerkmalen muss man sich gut überlegen, was unbedingt benötigt wird. Ein zusätzlicher Festspannungsausgang, der quasi kostenlos mitgeliefert wird, ist kein Thema. Aber ein Netzgerät muss nicht unbedingt über Schnittstellen verfügen oder eine Programmierfunktion aufweisen, wenn diese Funktionen nie genutzt werden.
 

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