Die für die Stromversorgungssysteme eines Geräts verantwortlichen Ingenieure müssen sicherstellen, dass die Hauptstromquelle (die, sofern das Gerät nicht ausschließlich mit Primärbatterien betrieben wird, wahrscheinlich aus einer Steckdose stammt) den Bedarf decken kann. Dies wiederum erfordert einen AC/DC-Wandler und wirft die Frage auf: Sollte dieser Wandler intern, also Teil des Geräts selbst, oder extern sein? 

Beide Optionen bieten Vorteile. Ein interner Wandler wird in das Gesamtdesign integriert, wodurch potenziell die Sicherheitsanforderungen reduziert und möglicherweise, aber nicht zwangsläufig, die Gesamtkosten gesenkt werden. Ein externer Wandler hingegen bietet mehr Flexibilität hinsichtlich des benötigten Gesamtstroms. Bei einem externen Netzteil hat eine spätere Erhöhung der Ausgangsleistung des Netzteils keinen Einfluss auf das restliche Produktdesign. Beispielsweise könnte eine Erhöhung der Ausgangsleistung des Netzteils um 20 % die Größe des internen Netzteils proportional beeinflussen und eine Überprüfung der Einstellungen für das Wärmemanagement erforderlich machen. Ein externes Netzteil hingegen kann ausgetauscht werden, ohne die Größe und Form anderer Parameter im Hauptproduktdesign zu verändern.

Wenn das Hauptprodukt Zusatzbatterien verwendet, ist ein externes Netzteil fast immer die bevorzugte Option, da es die Gestaltung des Produktgehäuses unabhängig von Größe, Gewicht und Kosten der für die AC/DC-Wandlung benötigten Komponenten ermöglicht. Bei moderner Elektronik kann der Platzbedarf für das Netzteil im Vergleich zu den hochintegrierten Komponenten beträchtlich sein; beispielsweise würde man in einem Tablet kein AC/DC-Netzteil erwarten. Selbst viele Laptops verwenden heutzutage ein externes Netzteil anstelle eines Netzanschlusses.

Die Designanforderungen an ein AC/DC-Netzteil sollten nicht außer Acht gelassen werden, stellen aber auch keine Einschränkung dar, wenn ein externes Netzteil gewählt wird. Angenommen, ein externes Netzteil ist die geeignete Option für das nächste Produkt, müssen dennoch einige Designentscheidungen auf Basis verschiedener Faktoren getroffen werden, wie wir im Folgenden erläutern werden.

Sicherheit geht vor

In den meisten Fällen liefert ein externes Netzteil eine Gleichspannung an das Gerät, wodurch die Spannung der Hauptstromversorgung reduziert und auf die Subsysteme des Produkts verteilt wird. Diese Gleichspannung muss über einen einzigen Anschluss ausreichend Leistung für den Betrieb des gesamten Produkts bereitstellen. Daher ist auf den verwendeten Steckertyp zu achten.

Externe Adapter verwenden verschiedene Steckertypen. Bei tragbaren Geräten mit geringem Stromverbrauch (wie Smartphones und Tablets) ist der USB-Anschluss weit verbreitet. Mit dem Aufkommen von USB 3.x und dem Typ-C-Anschluss (auch einfach USB-C genannt) wird sich dieser Anschluss noch weiter verbreiten, da er die Lieferung von bis zu 100 W bei 20 V Gleichstrom ermöglicht, sofern der entsprechende Teil der Spezifikation implementiert ist. Der altbewährte Stecker (Stecker) ist hingegen weiterhin beliebt, ebenso wie die D-förmigen Stecker mit mehreren Pins, die häufig bei Adaptern für elektronische Geräte mit höherem Leistungsbedarf zu finden sind.

Abbildung 1: Bei der Auswahl des passenden Anschlusses für das externe Netzteil stehen viele Optionen zur Verfügung (Quelle: CUI) 

Die Verkabelung muss dem verwendeten Steckertyp entsprechen. Die Leistungsanforderungen bestimmen zwar den Kabelquerschnitt, jedoch müssen auch Sicherheitsaspekte wie Kabellänge und andere Eigenschaften berücksichtigt werden. Plant der Benutzer, den Stecker zu modifizieren, beispielsweise durch Änderung von Größe oder Format mithilfe optionaler Adapter, kann dies Auswirkungen auf die Sicherheitszertifizierung haben.

Da Wechselstrom potenziell gefährlich ist, müssen Adapter entsprechend zertifiziert sein und das Konformitätszeichen tragen, zumindest wenn sie in den meisten Ländern verwendet werden sollen. Obwohl es Bestrebungen zur Standardisierung dieser Anforderungen gibt, bestehen weiterhin regionale Unterschiede. Einige Merkmale sind in mehreren Regionen üblich, doch alle Unterschiede müssen beachtet werden. Es ist wichtig zu beachten, dass manche Anwendungen, wie beispielsweise medizinische Geräte, eigene spezifische Anforderungen haben. Der Hersteller weiß in der Regel bereits vor Beginn des Entwicklungsprozesses, ob der Adapter diese Spezifikationen je nach Anwendung und Land oder Region, in der er installiert werden soll, erfüllen muss. Im Zweifelsfall empfiehlt es sich, einen Experten wie CUI zu konsultieren.

Eine weitere designbezogene Anforderung betrifft elektromagnetische Störungen (EMI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Die Einhaltung der EMI- und EMV-Normen variiert regional, und Prüfungen sind oft die einzige Möglichkeit, Gewissheit zu erlangen. In vielen Fällen ist eine Filterung erforderlich, um Emissionen bei bestimmten Frequenzen zu reduzieren; Ferritperlen sind hierfür die gängigste Lösung. Auch hier können Experten wie CUI Herstellern helfen, diese Anforderungen zu erfüllen.

Regionale Anforderungen

Viele Aspekte der Stromversorgung sind reguliert, sowohl interne als auch externe Netzteile. Bei einem externen Netzteil gelten die Spezifikationen natürlich nur für das Netzteil selbst, während sie bei einem internen Netzteil in der Regel für das gesamte Produkt gelten. Auch wenn dies zunächst kontraintuitiv erscheinen mag, ist es relevant, da ein Netzteil mit hohem Wirkungsgrad nicht durch Ineffizienzen anderer Produktkomponenten beeinträchtigt werden sollte.

Beispielsweise muss der Stromverbrauch vieler Produkte im Leerlauf den von verschiedenen Ländern festgelegten Effizienzstandards entsprechen. In den USA ist die Einhaltung des Level-VI-Standards des Energieministeriums (der historisch auf dem 2004 eingeführten Standard der California Energy Commission basiert) verpflichtend. Dieser in den gesamten USA geltende Standard legt die Effizienz externer Netzteile und deren Standby-Stromverbrauch fest. So muss beispielsweise ein Netzteil, das eine Gleichspannung mit einer Ausgangsleistung von über 250 W liefert, einen Wirkungsgrad von mindestens 87 % aufweisen und im Leerlauf weniger als 0,5 W verbrauchen. CUI bietet Informationen zu vielen weltweit geltenden Standards und deren Anwendung auf externe Netzteile. Kurz gesagt: Erfüllt das Netzteil den Standard nicht, darf es nicht verwendet werden. Entspricht das Netzteil selbst dem Standard, ist es aber in einem Produkt verbaut, das ihn nicht erfüllt, ist eine Überarbeitung des Netzteils wahrscheinlich wirkungslos. Andererseits würde die Entwicklung eines externen Netzteils, das den Standards entspricht, es einem Hersteller ermöglichen, ein solches Design in vielen seiner Produkte zu verwenden oder es sogar auf dem Ersatzteilmarkt zu vermarkten.

Abbildung 2: Effizienzstandards und ihre Entwicklung im Laufe der Zeit (Quelle: CUI)

Zu den weiteren Designaspekten gehört die Art des Steckers für den Anschluss an die Steckdose. Obwohl es je nach Region unterschiedliche Ausführungen gibt, werden zertifizierte externe Adapter, die in verschiedenen Regionen funktionieren, immer häufiger verwendet. Tatsächlich ist einer der Hauptvorteile eines externen Adapters, dass das Produkt dadurch nahezu universell einsetzbar wird.

In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu überlegen, ob der Adapter direkt an eine Steckdose angeschlossen wird oder ein Netzkabel benötigt. Diese Entscheidung hängt wahrscheinlich von zwei Faktoren ab: dem Design des Produkts und der benötigten Leistung. Adapter, die die über USB-C verfügbaren 100 W liefern müssen, können mit einem Netzkabel ausgestattet werden. Dieses bietet zudem die Möglichkeit eines abnehmbaren Kabels für verschiedene Regionen.

Die Gesamtgröße des Netzteils muss ebenfalls berücksichtigt werden. Ist dies ein wichtiger Faktor, empfiehlt sich der Einsatz moderner Halbleitertechnologien wie Galliumnitrid (GaN), das eine höhere Schalteffizienz ermöglicht. Dies wiederum verbessert die thermische Effizienz und ermöglicht höhere Schaltfrequenzen und somit eine höhere Leistungsdichte. Kurz gesagt: Höhere Effizienz bedeutet kleinere Abmessungen. Dies kann wichtig sein für ein externes Netzteil für ein tragbares Gerät oder um dem Endnutzer, der ein großes, sperriges Netzteil unter dem Schreibtisch, hinter einem Gerät oder an einem anderen Ort in der Nähe aufbewahren muss, eine Verbesserung zu bieten.

Maßgeschneiderte Lösungen

Wie bereits erwähnt, ist es durchaus möglich, externe Netzteile als Alternative zu den internen Netzteilen des Herstellers zu vermarkten. Für einen spezialisierten Anbieter wie CUI ist es ebenfalls sinnvoll, das externe Netzteil selbst zu entwickeln und herzustellen. Das Unternehmen bietet zahlreiche Optionen zur individuellen Anpassung eines externen Netzteils an das Design Ihres Produkts. Ein Netzteil, das Ihr Branding so präsentiert, als wäre es in Ihren eigenen Produktionsstätten gefertigt, ist in diesem Fall ein bedeutender Vorteil und nur eine der zusätzlichen Serviceleistungen von CUI.

Abbildung 3: Die Markenbildung eines externen Adapters ist Teil seines Wertversprechens (Quelle: CUI)

Es ist wichtig zu beachten, dass das Netzteil letztendlich die korrekte Spannung und Stromstärke für das angeschlossene Gerät liefern muss. Dies führt uns zurück zu der Annahme, dass das Netzteil immer zuletzt entwickelt wird. Häufig weiß das Entwicklungsteam nicht genau, wie viel Strom ein Produkt benötigen wird. Soll das Netzteil intern verbaut werden, stellt dies eine Herausforderung für die Entwicklung dar. Wird die Entscheidung für ein externes Netzteil jedoch so früh wie möglich getroffen, entlastet dies die Ingenieure und ermöglicht es ihnen, sich auf die Produktmerkmale und -funktionen zu konzentrieren. Hier kann CUI einen wertvollen Beitrag leisten, indem das Unternehmen die Entwicklung und Fertigung des externen Netzteils übernimmt. Dieses ist so konzipiert, dass es die erforderliche Spannung und Stromstärke liefert, alle internationalen Sicherheits- und Effizienzstandards erfüllt, das Branding des Kunden in dessen individuellem Stil integriert und die vom Kunden gewählten Anschlüsse enthält.

Autor: Ron Stull, Ingenieur für Energiesysteme, CUIInc.