Elektronikschaltungen mit Akkus, Batterien oder Netzgeräten betreiben

Jede selbstgebaute elektronische Schaltung braucht natürlich auch eine passende Stromversorgung. Auch einfache Testaufbauten kommen nicht ohne eine geeignete Stromversorgung aus. Am einfachsten ist es meistens, Batterien oder Akkus als Stromversorgung zu nehmen. Diese Stromquellen liefern reine Gleichspannungen und ermöglichen es, die Schaltung überall dort aufzubauen, wo man möchte. Allerdings haben Batterien oder Akkus auch Nachteile. Irgendwann sind sie leer und müssen entweder ausgewechselt oder auch aufgeladen werden. Was liegt also näher, als statt Akkus oder Batterien Netzteile für die Stromversorgung der eigenen Schaltungen zu verwenden? Diese liefern vor allem gleichmäßige Spannungen und stellen somit konstante und sichere Stromversorgungen dar. Letzten Endes ist es aber Ihre eigene Entscheidung, welche Stromquelle Sie bevorzugen. Alle Möglichkeiten haben jeweils ihre Vor- und Nachteile. Ob nun Akkus, Batterien oder auch Transformator- bzw. Schaltnetzteile; alle Stromversorgungen haben ihre Eigenheiten, auf die ich im Folgenden eingehen möchte.

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Batterien und Akkus als Stromquellen

Elektronische Schaltung mit einer Batterie
Elektronische Schaltung mit einer Batterie

Wie bereits erwähnt, liefern sowohl Batterien als auch Akkus Gleichspannungen, die völlig frei von störenden Wechselspannungsanteilen (sogenannten Brummspannungen) sind. Zumindest gilt dies, solange die Energiespeicher noch nicht leer sind. In der Regel liefern Batterien auch völlig ungefährliche Spannungen in Höhe von bis zu einigen Volt. Natürlich sieht dies etwas anders aus, wenn man beispielsweise 50 Batteriezellen mit jeweils 1,5 Volt in Reihe schaltet. Aber wahrscheinlich werden dies die wenigsten tun. Allerdings möchte ich noch anmerken, dass viele Batterien und vor allem Akkus in der Lage sind, sehr hohe Ströme zu produzieren. Ein Akku in der Größe einer Mignonzelle beispielsweise ist durchaus in der Lage, einen Kurzschlussstrom von mehr als 10 Ampere zu liefern. Dieser hohe Strom reicht ganz locker aus, einen dünnen Draht zum Glühen zu bringen. Sie sollten also darauf achten, dass auch beim Betrieb von elektronischen Geräten oder Schaltungen mit Akkus keinesfalls Kurzschlüsse auftreten sollten. Fangen Drähte oder Kabel erst einmal an zu glühen, können dadurch schwere Verbrennungen verursacht werden. Außerdem besteht die Gefahr, einen Wohnungs- oder Hausbrand auszulösen. Diese Gefahr sollte niemals unterschätzt werden. Es kann nicht schaden, auch kleine und unscheinbare Batterien oder Akkus mit der entsprechenden Vorsicht zu behandeln. Weiterhin dürfte es sich auch von selbst verstehen, dass keinesfalls nicht aufladbare Batterien aufgeladen werden dürfen. Ich möchte an dieser Stelle auch noch einmal erwähnen, dass vor allem Lithium-Ionen-Akkus sehr gefährlich sind. Bei geringen Größen produzieren diese Akkus äußerst hohe Ströme. Außerdem sollten Lithium-Ionen-Akkus nur mit hierfür geeigneten Ladegeräten aufgeladen werden. Ist beispielsweise die Ladespannung zu hoch (zum Beispiel mehr als 4,1 oder 4,2 Volt für eine einzelne Zelle), können diese Akkus explodieren.

Netzteile als Stromversorgungen für eigene Schaltungen

Nun zu den Netzteilen bzw. Netzgeräten. Hier sollte man unbedingt unterscheiden zwischen sogenannten Schaltnetzteilen sowie solchen mit einem Netztransformator. Schaltnetzteile haben oft die Eigenschaft, dass sie nur bei einer bestimmten Stromabnahme durch einen Verbraucher richtig funktionieren. Es kann beispielsweise vorkommen, dass ein solches Netzteil dann nicht richtig funktioniert, wenn nur eine elektronische Schaltung mit einer äußerst geringen Stromaufnahme angeschlossen wird. Die Netzteile neigen hier dazu, die seltsamsten Fehler zu produzieren. Es ist also nicht empfehlenswert, an ein Schaltnetzteil mit einer recht hohen Leistung (beispielsweise ein Computernetzteil) eine Blinkerschaltung mit dem NE555 anzuschließen. Es kann hier durchaus entweder sofort oder nach einer gewissen Zeit passieren, dass die Schaltung nicht mehr funktioniert. Ich würde ohnehin davon abraten, Computernetzteile mit Leistungen von mehreren 100 Watt zum Betrieb eigenen Schaltungen zu verwenden. Diese Netzteile (die häufig auch als AT- bzw. ATX-Netzteile bezeichnet werden) sind nicht für den Betrieb solcher Schaltungen ausgelegt. Außerdem liefern solche Netzteile äußerst hohe Ströme. Vor allem die Spannungen 5 und 12 Volt werden von den Netzteilen mit Maximalströmen von einigen Ampere abgegeben. Kurzschlüsse sind hier äußerst gefährlich. Auch möchte ich unbedingt davon abraten, die Netzteile (und natürlich auch andere Schaltnetzteile und Trafonetzteile) zu öffnen oder gar für eigene Zwecke zu modifizieren.

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Geöffnetes Computernetzteil
Computernetzteile sind nicht für den Betrieb eigener Schaltungen geeignet

Besser für den Betrieb eigener Schaltungen sind Transformatornetzteile geeignet. Diese liefern entweder Wechselspannungen oder Gleichspannungen in unterschiedlichen Höhen und mit unterschiedlichen Ausgangsströmen. Am besten ist es, sogenannte stabilisierte Netzteile zu verwenden. Diese liefern eine von der angeschlossenen elektrischen Last unabhängige Ausgangsspannung. Die Spannung ist sowohl im Leerlaufbetrieb als auch mit angeschlossenem Verbraucher annähernd gleich. Es ist allerdings darauf zu achten, dass die Höhe der Ausgangsspannung und auch die Höhe des maximalen Ausgangsstroms abgestimmt ist auf den jeweiligen Verwendungszweck. Für die meisten der hier vorgestellten Schaltungen reichen Ausgangsströme von einigen 100 Milliampere aus. Einzelne Schaltungen benötigen Spannungen mit Strömen von mehr als 1 Ampere. Als sehr gut geeignet haben sich solche Netzgeräte herausgestellt, die verschiedene Ausgangsspannungen besitzen sowie eine Stromstärke von etwa 2 bis 3 Ampere. Mit solchen Netzteilen lassen sich sehr viele elektronische Schaltungen problemlos betreiben. Nur in Ausnahmefällen dürfte es notwendig sein, Netzgeräte mit noch höheren Stromstärken einzusetzen. Am besten ist natürlich ein solches Netzteil, bei dem sich die Ausgangsspannung stufenlos in einem Bereich von 0 bis etwa 15 oder 20 Volt einstellen lässt. Wer auf Nummer sicher gehen möchte, setzt ein Netzgerät ein, das einen kurzschlussfesten Ausgang besitzt.

Über Schaltnetzteile und Trafonetzteile

Unzählige Steckernetzteile und andere Netzteile sind heute in den Haushalten zu finden. Zusammen mit den entsprechenden Verbindungskabeln bilden Sie gerne mal Stolperfallen oder andere lästige Hindernisse im Zimmer. Dafür sind die Netzteile, allem voran die Steckernetzteile, in den letzten Jahren deutlich kleiner geworden. Dies hat auch einen Grund. Die Verwendung von sogenannten Schaltnetzteilen machte es möglich, die Größe und auch das Gewicht der Netzteile und Steckernetzteile deutlich zu verringern.

Das Innenleben eines Schaltnetzteils für 5 Volt und 12 Volt Ausgangsspannung
Das Innenleben eines Schaltnetzteils für 5 Volt und 12 Volt Ausgangsspannung

Herkömmliche Netzteile mit Transformator

Normalerweise besaßen früher die meisten Netzteile einen Transformator, der hier als eigentlicher Spannungswandler fungierte. Die Netzspannung aus der Steckdose, bei der es sich um eine Wechselspannung handelt, wurde zuerst einmal auf einen deutlich geringeren Wert herunter transformiert. Am Ausgang dieses Trafos lag also eine Wechselspannung in der gewünschten Höhe (beispielsweise 12 Volt Nennspannung) an. Da die meisten elektronischen Geräte Gleichspannungen benötigen, folgte am Ausgang des Transformators zunächst einmal ein Gleichrichter sowie ein Elektrolytkondensator zur Glättung der Ausgangsspannung, denn am Ausgang des Gleichrichters liegt eine sogenannte pulsierende Gleichspannung an. Gegebenenfalls kann hier noch ein integrierter Spannungsregler folgen, um die Ausgangsspannung des Netzteils lastunabhängig auf einen gewünschten Wert zu halten. Netzteile mit solchen Spannungsreglern werden übrigens als stabilisierte Netzteile bezeichnet.

Geöffnetes Transformatornetzteil. Der Trafo benötigt mit Abstand den meisten Platz im Gehäuse.
Geöffnetes Transformatornetzteil. Der Trafo benötigt mit Abstand den meisten Platz im Gehäuse.
Links ein Trafonetzteil mit einer Leistung von 1,6 Watt. Rechts das kleinere und leichtere Schaltnetzteil hat eine fast dreimal so hohe Ausgangsleistung.
Links ein Trafonetzteil mit einer Leistung von 1,6 Watt. Rechts das kleinere und leichtere Schaltnetzteil hat eine fast dreimal so hohe Ausgangsleistung.

Zur Funktion von Schaltnetzteilen

Schaltnetzteile funktionieren ganz anders als herkömmliche Netzteile mit Transformatoren. Sie bestehen aus verschiedenen einzelnen Stufen. In der Regel ist es so, dass am Eingang (dort wo die Netzspannung anliegt) Bauteile zur Filterung eingesetzt sind. Eventuell auftretende Überspannungen, sogenannte Oberwellen und andere diverse Netzstörungen, werden hier aus der Versorgungsspannung herausgefiltert. Anschließend erfolgt bei einem Schaltnetzteil die Gleichrichtung der Wechselspannung, also jener Schritt, der bei einem Trafonetzteil erst hinter den Trafo erfolgt.

Der nächste Schritt ist der gleiche wie nach der Gleichrichtung bei einem Transformatornetzteil. Es handelt sich um die Siebung bzw. Glättung der pulsierenden Gleichspannung. Hier besteht allerdings ein gewaltiger Unterschied zum Trafonetzteil, denn die Spannung, die hier am Elektrolytkondensator anliegt, beträgt nicht selten deutlich über 300 Volt. Diese hohe Gleichspannung wird durch eine entsprechende Elektronik und eine dieser folgenden Transistorstufe "zerhackt", also wieder in eine Art pulsierende Gleichspannung umgewandelt. Allerdings besitzt diese eine wesentlich höhere Frequenz (etwa 35 bis 50 kHz) als die 50 Hz der Netzspannung. Anschließend wird diese Spannung wieder in einen Transformator eingespeist. Durch die höhere Frequenz, mit der dies geschieht, kann dieser Transformator bei gleicher elektrischer Leistung deutlich kleiner sein als ein solcher, der direkt an der Netzspannung mit einer Frequenz von nur 50 Hz betrieben wird. Dies ist auch der Grund dafür, weshalb Schaltnetzteile bei gleicher Leistung deutlich kleiner und vor allem leichter hergestellt werden können als vergleichbare Transformatornetzteile. Allerdings hat die Verwendung der hochfrequenten pulsierenden Gleichspannung am Eingang des Wandlertrafos auch höhere Emissionen hochfrequenter Störspannungen zur Folge. Aus diesem Grunde sind Schaltnetzteile für empfindliche elektronische Geräte meist zusätzlich abgeschirmt, um die maximal zulässigen Störfelder nicht zu stark werden zu lassen.

Geregeltes Schaltnetzteil mit Ladeanschluss für Camcorderakku. Die Abschirmung wurde weggeklappt.
Geregeltes Schaltnetzteil mit Ladeanschluss für Camcorderakku. Die Abschirmung wurde weggeklappt.

Die in Schaltnetzteilen eingesetzten Wandlertransformatoren, durch die auch die gewünschte galvanische Trennung der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung umgesetzt wird, haben entweder einen oder mehrere Ausgänge mit den gewünschten Ausgangsspannungen, die gleichgerichtet und gesiebt werden, wie dies bei einem normalen Trafonetzteil auch geschieht. Geregelte Schaltnetzteile besitzen zudem einen Regelkreis, mithilfe dessen entweder eine konstante Ausgangsspannung oder ein konstanter Ausgangsstrom realisiert wird. Abhängig von der Ausgangslast oder der Ausgangsspannung wird der Energiefluss in das Netzgerät (vor dem Wandlertransformator) gesteuert. Diese Regelung hat unter anderem den Vorteil, dass die Leerlaufleistung beim Abschalten oder Trennen des Verbrauchers vom Schaltnetzteil deutlich heruntergefahren werden kann. Bei modernen Schaltnetzteilen beträgt die Leerlaufleistung in der Regel weniger als 0,5 Watt. Eine solch geringe Leerlaufleistung lässt sich durch den Aufbau mit einen Netztransformator vor allem bei Netzteilen mit höheren Ausgangsleistungen nur sehr schwer umsetzen.

Dasselbe Netzteil im Gehäuse mit Abschirmung.
Dasselbe Netzteil im Gehäuse mit Abschirmung.

Schaltnetzteile (besonders solche mit Regelung) haben noch einen weiteren Vorteil: Es besteht ein sehr großer Toleranzbereich für die Eingangsspannung. Schaltnetzteile können häufig ohne Umschalten mit sehr unterschiedlichen Netzspannungen im Bereich von unter 100 bis hin zu 250 Volt betrieben werden. In der Regel ist der Spannungsbereich auf dem Netzteil angegeben. Trotz des höheren Bauteileaufwandes lassen sich solche Schaltnetzteile meist preisgünstiger herstellen als vergleichbare Transformatornetzteile.

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