Auswahl geeigneter Eingangs- und Ausgangsstecker für den Netzadapter

Netzteile haben sowohl Eingangs- als auch Ausgangsspannungen und verfügen daher oft über zugehörige Eingangs- und Ausgangsanschlüsse. Die breite Palette an Anschlüssen, die für die Übertragung von Eingangs- und Ausgangsleistung zur Verfügung stehen, konnte nicht sinnvoll in einem einzigen Dokument behandelt werden. Diese Diskussion konzentriert sich stattdessen auf einphasige Wechselstrom-Gleichstrom-Netzteile und Desktop-Netzteile mit Netzsteckern (Eingang) und Gleichstromanschlüssen (Ausgang). Die Netzstecker sind genormt, ebenso wie die zugehörigen Spannungen und Maximalströme, sodass die Diskussion über diese Stecker stark vereinfacht wird. Gleichstromausgangsanschlüsse sind weit weniger standardisiert und daher wird nur eine allgemein verfügbare Auswahl der Anschlüsse besprochen.

Netzstecker und -Kabel

Die Auswahl des Netzsteckers ist in der Regel einfach und richtet sich nach zwei Kriterien: 1.) In welchen Regionen und/oder Ländern soll die Stromversorgung eingesetzt werden? 2.) Erfordert die Anwendung zwei oder drei Leiter? Die meisten Länder verfügen über gut definierte Stecker- und Steckdosenkombinationen, Spannungen und Frequenzen. Da die Spannungen der Steckdosen genormt sind, sind die Netzstecker ähnlich ausgelegt, um eine ausreichende Isolierung für die Standardspannungen zu gewährleisten. Die maximale Stromstärke für die Anschlüsse ist ebenfalls genormt, wobei unterschiedliche Nennwerte oft physikalisch unterschiedliche Anschlusskontakte verwenden, sodass falsch zusammengesetzte Stecker- und Steckdosenkombinationen nicht eingesteckt werden können.

Bei Desktopadaptern ist der Netzanschluss ein Kabel, während ein Steckernetzteil einen integrierten Stecker hat. Viele Produkte mit Wechselstromkabeln haben einen Standard-Wechselstromanschluss am Produktgehäuse, an den das Netzkabel angeschlossen wird. Bei diesen Produkten ist es möglich, verschiedene Arten von Steckdosen (in verschiedenen Regionen oder Ländern) zu nutzen. Dazu wird das Netzkabel durch ein Kabel mit der entsprechenden Steckerkonfiguration ersetzt. Einige Netzteile für die Wandmontage haben eine ähnliche Funktion, aber anstatt das Netzkabel zu wechseln, sind die Wechselstromstecker austauschbar, um verschiedene Regionen oder Länder zu berücksichtigen.

Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) gibt einen Leitfaden heraus, in dem Stecker allgemein mit Buchstabenbezeichnungen kategorisiert werden. Dieser Leitfaden leistet zwar gute Arbeit bei der generischen Gruppierung von Steckertypen, berücksichtigt aber nicht alle möglichen Nuancen und Variationen. So ist z. B. der Steckertyp A (der in Nordamerika, Mittelamerika und Japan verwendet wird) in Nordamerika üblicherweise gepolt (der neutrale Stift ist breiter), was in Japan jedoch nicht immer der Fall ist. Das bedeutet, dass japanische Stecker typischerweise in Nordamerika funktionieren, aber nicht immer andersherum. Informationen zu den internationalen Steckertypen finden Sie in unserem Leitfaden zu Weltsteckern und Eingangsspannung.

Zwei Leiter im Vergleich zu drei Leitern

In den meisten internationalen Märkten ist die Einphasen-Wechselstromversorgung mit drei Leitern genormt, obwohl nicht in allen Anwendungen alle drei Leiter eingesetzt werden. Die drei Leiter bestehen aus zwei stromführenden Leitern und einem dritten Schutzleiter (Protective Earth, PE), Gehäusemasse (Frame Ground, FG) oder Schutzerdungsleiter. Die Stromversorgung erfolgt über die beiden stromführenden Leiter und der Schutzleiter ist zur erhöhten Sicherheit vor gefährlichen Spannungen vorhanden.

Moderne Stromversorgungsdesigns, die einen zweiadrigen Stecker verwenden, sind mit ausreichender Isolierung konstruiert, um die Sicherheit der Konstruktion zu gewährleisten, ohne dass der Schutzleiter erforderlich ist. CUI-Artikel, die Isolierung und Arbeitsspannung beschreiben, und Worin besteht der Unterschied zwischen Netzteilen der Schutzklassen 2 und II? bieten zusätzliche Informationen zu diesem Thema.

Leitung und Nullleiter versus Leitung 1 und Leitung 2

In vielen einphasigen Wechselstromanwendungen werden die stromführenden Leiter entweder als Leitung und Nullleiter oder als Leitung 1 und Leitung 2 bezeichnet. Das Spannungspotential des Nullleiters soll nahe an dem der örtlichen Erde liegen und wird daher manchmal als „sicherer“ angesehen als die Leitungsspannung. Wie bereits erwähnt, verwendet der nordamerikanische Netzstecker des Typs A einen breiteren Stift für den Nullleiter und einen schmaleren Stift für den Netzleiter. Passende Schlitze in der nordamerikanischen Wandsteckdose sorgen für die Identifikation von Netz- und Nullleiter an der Last. Es ist zu beachten, dass viele Wechselstromstecker und -steckdosen (mit Ausnahme der nordamerikanischen Typ-A-Version) mit vertauschten Leitern angeschlossen werden können (z. B. der zuvor beschriebene japanische Typ-A-Stecker). Daher unterscheiden die meisten Verbraucher für internationale Märkte nicht zwischen der Leitung und dem Nullleiter.

Bei der Verwendung von Leitung 1 und Leitung 2 sind die Spannungen der beiden Leiter in Bezug auf das Erdpotential oft ausgeglichen. Ein Nullleiter wird nicht verwendet, wenn die Leistung mit Leitung 1 und Leitung 2 übertragen wird.

DC-Anschlüsse

Es gibt viele Standards für Gleichstromstecker und vielleicht noch mehr Versionen von nicht standardisierten Steckern. Die Standard-Steckverbinder, die wir besprechen werden, sind Hohlstecker, DIN-Steckverbinder und USB-Anschlüsse.

Im Folgenden sind einige Merkmale der drei Kategorien von Gleichstromausgangssteckern aufgeführt:

Hohlstecker

Hohlstecker sind vielleicht die gebräuchlichste Ausführung für Gleichstromsteckverbinder, da sie aufgrund der losen mechanischen Toleranzen kostengünstig in der Herstellung sind und beim Zusammenstecken keine vorgeschriebene Ausrichtung haben.

Die gebräuchlichste Form von Hohlsteckern hat Stecker, die aus konzentrischen Metallhülsen bestehen. Diese sind durch einen Isolator getrennt. Sowohl für die Innen- und Außenhülse als auch für die Länge des Steckerrohrs stehen viele Standarddurchmesser zur Verfügung. Es gibt gängige Kombinationen der Durchmesser und Längen, aber der Konstrukteur muss dennoch die gewünschten Abmessungen für die in seinen Produkten verwendeten Stecker angeben.

Die entsprechende Steckdose hat einen Stift, der in die Innenhülse des Steckers passt, oft mit einem losen mechanischen Spiel, und eine freitragende Feder, die die Außenhülse des Steckers berührt. Wie der Hohlstecker hat auch die Buchse Abmessungen für den zentralen Stiftdurchmesser, den Gehäuseinnendurchmesser und die Steckereinstecktiefe.

Wenn der Hohlstecker in die Buchse gesteckt wird, drückt die Feder in der Buchse gegen die äußere Hülse des Steckers und zwingt den mittleren Stift der Buchse, die innere Hülse des Steckers zu berühren. Die Auswahl der Stecker- und Buchsenabmessungen muss sicherstellen, dass die gewünschte mechanische Passung erreicht wird und die richtigen elektrischen Verbindungen hergestellt werden.

Obwohl die Eigenschaften des Hohlsteckers diesen für viele Anwendungen geeignet machen, gibt es auch einige Probleme, die durch das Design von Hohlsteckern verursacht werden. Die mechanische Toleranz zwischen dem Mittelstift der Buchse und der Innenhülse des Steckers ist nicht genormt. Auch die Kraft, mit der die freitragende Feder in der Buchse gegen die Außenhülse des Steckers drückt, ist nicht genormt. Dieser Mangel an Standardisierungen bedeutet, dass die Steck- und Haltekräfte zwischen Stecker und Buchse schwer zu spezifizieren sind und in einem weiten Bereich variieren. Bei Standard-Hohlsteckern gibt es keinen mechanischen Haltemechanismus für die Verbindung und somit kann sich die Verbindung versehentlich lösen. Eine Lösung, die sicherstellt, dass die Verbindung erhalten bleibt, ist die Verwendung von verriegelnden Hohlsteckern. Verriegelbare Hohlstecker sind entweder mit Gewinde oder mit Drehverriegelung erhältlich.

Die Strombelastbarkeit von Hohlsteckern wird durch die Kraft und Fläche zwischen der freitragenden Feder und der Außenhülse sowie zwischen dem Innenstift und der Innenhülse bestimmt. Die geringen Kräfte und kleinen Flächen begrenzen die Strombelastbarkeit der Steckverbinder.

Hohlstecker sind in einer Reihe von Innen- und Außenleiterdurchmessern erhältlich. Obwohl es keine Standards für die Kombinationen von Innen- und Außendurchmessern gibt, können Produktdesigner die Abmessungen so wählen, dass sie entweder zu bestehenden Produkten passen oder sich von anderen Produkten unterscheiden. Die beiden gebräuchlichsten Hohlsteckergrößen sind 5,5 mm Hülsenaußendurchmesser mit 2,1 mm Hülseninnendurchmesser und 5,5 mm Hülsenaußendurchmesser mit 2,5 mm Hülseninnendurchmesser.

Es hat sich die Konvention herausgebildet, dass der Außenleiter die Masse oder negative Spannung und der Innenleiter die positive Spannung darstellt. Der Vorteil dieser Konfiguration ist, dass, wenn der äußere Stecker der Hülse einen freiliegenden Leiter berührt, der freiliegende Leiter mit der Masse und nicht mit einem anderen elektrischen Potential verbunden wird. Diese Konvention wird nicht immer eingehalten und einige Produktdesign-Teams legen das positive Potenzial auf den Außenleiter und das negative Potenzial auf den Innenleiter.

Die Auswahl des Netzkabels in Reihe mit dem Netzanschluss ist die in der Industrie am häufigsten verwendete Konfiguration. Diese Konfiguration ist einfach herzustellen und erleichtert es dem Anwender, den Steckverbinder beim Einstecken auszurichten. Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen eine rechtwinklige Steckerkonfiguration bevorzugt wird. Ein Grund für die Wahl eines rechtwinkligen Steckers kann sein, dass das Gleichstromkabel bei der Einspeisung in den Stecker näher am Gehäuse verbleiben kann und somit die Stellfläche des Produkts kleiner ist. Ein weiterer Grund für die Auswahl eines rechtwinkligen Steckers ist die Sicherung zwischen den beiden Hälften der Hohlsteckerverbindung. Da das Netzkabel rechtwinklig zum Steckverbinder verläuft, übt eine Kraft, die auf das Kabel einwirkt, ein Drehmoment auf den Steckverbinder aus, wodurch das Lösen des Steckverbinders erschwert wird. Es ist auch möglich, das Kabel unter einem Haken oder Schnappverschluss am Produktgehäuse zu befestigen, sodass keine Zugkraft am Kabel auf den Stecker übertragen wird.

Steckverbinder DIN

DIN-Netzstecker sind eine Art von Steckern mit vier Stift- oder Buchsenkontakten, die in einem runden Gehäuse untergebracht sind. Diese Steckverbinder wurden ursprünglich von einer deutschen Normungsorganisation (Deutsches Institut für Normung) definiert, daher der Name der DIN-Steckverbinder. Jetzt werden sie aber von IEC 60130-9 definiert. DIN-Netzstecker werden häufig in Anwendungen mit mäßiger Leistung eingesetzt, wenn Hohlstecker nicht in der Lage sind, den erforderlichen Strom zu übertragen. Häufig wird zwischen DIN-Netzsteckern und DIN-Signalsteckern verwechselt. Es gibt keine absolute Definition eines DIN-Netzsteckers, aber nach Konvention haben DIN-Netzstecker vier Kontakte, die in einem Abstand von etwa 90 Grad um die Mitte des Steckverbinders angeordnet sind. Obwohl die Abmessungen der Stifte und Steckverbinder in der Dokumentation nur schwer zu finden sind, kann davon ausgegangen werden, dass 4-polige DIN-Netzstecker und -Buchsen richtig angeschlossen werden. DIN-Netzstecker gibt es auch mit Schraubverriegelung, wie bei den Hohlsteckern.

USB-Anschlüsse

USB-Anschlüsse wurden ursprünglich entwickelt, um Gleichstrom und digitale Signale zu liefern. Die breite Akzeptanz der USB-Spannungspegel und -Stecker hat sie auch für reine Stromversorgungsanwendungen beliebt gemacht. Der Typ-A-Stecker ist vielleicht der derzeit beliebteste USB-Stecker und findet sich in Anwendungen, die 5 VDC mit Lastströmen von weniger als etwa 2 A benötigen. Variationen des USB-Typ-A-Steckers (Mini, Micro, etc.) werden auch in ähnlichen Stromversorgungsanwendungen verwendet. Eine Einschränkung des Typ-A-Steckers und der Varianten besteht darin, dass es nur eine Ausrichtung der Stecker gibt, in der sie richtig angeschlossen werden. Diese Einschränkung erfordert, dass der Benutzer die korrekte Ausrichtung von Stecker und Buchse entweder durch visuelle Identifikation oder durch Einsteckversuche ermittelt.

Der USB-Typ-C-Stecker ist kompakter und kann in jeder der zwei offensichtlichen Ausrichtungen eingesteckt werden. Die Typ-C-Stecker können höhere Stromstärken durchlassen als frühere Versionen der USB-Stecker und sind für eine maximale Spannung von 20 V bei 5 A ausgelegt. Bitte sehen Sie sich den CUI-Artikel USB-C-, Power Delivery- und Programmable Power Supply-Netzteil an, um ein besseres Verständnis der Spezifikationen für USB Power Delivery (PD) und Programmable Power Supply (PPS) zu erhalten, die zur Bereitstellung der höheren Spannungen und Ströme verwendet werden. Obwohl Produktdesigner einen beliebigen Anschluss für den Gleichstromstecker wählen können, verwenden viele elektronische Produkte USB-Eingangsbuchsen für die Aufnahme von 5 VDC. Aufgrund dieser gängigen Praxis ist es ratsam, USB-Stecker nur an Netzteilen mit einer Ausgangsspannung von 5 VDC zu nutzen, um die vielen Produkte nicht zu beschädigen, die USB-Strombuchsen verwenden und 5 V vom Stecker erwarten. Die Ausnahme von dieser Empfehlung ist, wenn ein USB-Typ-C-Stecker eingesetzt wird, dann erlauben die USB-PD- und PPS-Spezifikationen, dass die Versorgung und die Last eine Spannung zwischen 5 V und 20 V aushandeln.

Zusammenfassung

Zusätzlich zu den elektrischen Eigenschaften der Eingangs- und Ausgangsspannungen und -ströme von Stromversorgungen müssen auch die Steckverbinder für die Versorgungen spezifiziert werden. Gleichstromeingangsanschlüsse sind einigermaßen gut standardisiert und daher in der Auswahl für die vorgesehenen Leistungsstufen und internationalen Märkte begrenzt. Im Gegensatz dazu sind Gleichstromausgangsanschlüsse nicht so standardisiert, sodass der Konstrukteur viel mehr Entscheidungen zu treffen hat. Der Ausgangsgleichstromstecker sollte für die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom ausgelegt sein und muss den gewünschten mechanischen Eigenschaften des Produkts entsprechen. CUI verfügt über technische und vertriebliche Support-Mitarbeiter, die Sie bei der Auswahl von Netzsteckern für Stromversorgungen beraten können.

Kategorien: Grundlagen, Produktauswahl

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