USB-Stromversorgung (#5)

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In diesem Artikel wollen wir zeigen, wie sich die vielen kleinen USB-Netzteile zu Hause kombinieren lassen. Wir errichten uns einen zentralen Platz in der Wohnung, um unsere mobilen Geräte mit USB-Stromversorgung laden oder betreiben zu können.

Es müssen nicht die ganzen Steckdosen in der Wohnung mit vielen kleinen USB-Netzteilen blockiert werden.

Doch wie können wir es besser machen?

Nun bevor damit begonnen wird, die vielen kleinen Netzteile zu einem großen Netzteil zu verschmelzen, soll dieser Beitrag das Verständnis erzeugen, dass eine Stromversorgung über USB-Anschlüsse kein Hexenwerk ist.

Hier steigen wir zu Beginn in die Grundlagen der Stromversorgung über USB-Steckverbindungen ein. Es wird nicht kompliziert, doch hilft es zu verstehen, welche Merkmale für ein USB-Netzteil zur Stromversorgung von mehreren USB-Geräten wichtig sind.

Bei der Auflistung der Geräte wurde mitunter festgestellt, dass es nicht nur eine Energieversorgung der aufgelisteten Geräte gibt. Ein Gerät funktioniert bestimmt nicht nur mit dem internen Energiespeicher (Akku oder Batterie) sondern auch mit einer externen Stromversorgung.

Vor einigen Jahren stimmten namenhafte Hersteller einem Standard zu, zukünftig ihre Elektronikartikel auf dem Markt nur noch über einen USB-Stecker mit Strom zu versorgen. Ich beziehe mich auf Smartphones, Handy-Held-Spielekonsolen, Music-Player, elektronische Kleinartikel. Einige Systemkameras (Fotoapparate) laden ihren Akku bereits auch über die USB-Schnittstelle.

Es ist sicher noch bekannt, dass sehr alte Handys spezielle Buchsen zum Aufladen der Akkus benutzten. Jeder Hersteller hatte sein eigenes Netzteil mit seinem eigenen gerätespezifischen Stecker zum Produkt verkauft.

Als Beispiel fällt mir das Nokia 6310i ein.

Heute lädt man sein Smartphone über die USB-Buchse. USB-Schnittstellen sind an fast jeden Computer vorhanden. Hersteller vermarkten Steckernetzteile mit integrierten USB-Buchsen.

Einige Gerätehersteller liefern immer noch Steckernetzteile mit einer USB-Buchse zum Produkt aus. Andere Hersteller liefern zum Produkt ein Netzteil mit Kabel aus, an dessen Ende der passende USB-Stecker für das Produkt fest montiert ist.

Wiederum gibt es Hersteller, die kabelgebundene USB-Stecker zum Produkt verkaufen.

Zu einem Produkt heute noch eine USB-Stromversorgung beizulegen, ist meiner Meinung nach technisch unsinnig.

Wie soll ich mein neues Gerät laden, wenn kein USB-Netzteil im Lieferumfang enthalten ist?

Die Antwort ist einfach. Mit einem USB-Netzteil mit mehreren USB-Buchsen. Mehrere Geräte lassen sich zeitgleich laden.

Normen und Standards helfen uns hier an dieser Stelle weiter.

Gehen wir kurz in die Elektrotechnik und betrachten uns die bekannten Steckdosen, die jeder zu Hause in der Wohnung hat – die „Schuko-Steckdose“.

„Der Strom kommt aus der Steckdose.“

Fast jeder kennt den Satz – >>Der Strom kommt aus der Steckdose<<. Gemeint ist natürlich die 230-Volt (V)-Steckdose. Im besten Fall finden wir die Steckdosen in jeder Ecke der Wohnung vor. Der Staubsauger, der Fernseher, die Spiele-Konsole, usw. haben alle am Kabelende des Gerätes einen Stecker, der in diese 230-V-Steckdose passt.

Auf den Stecker kommt es an.

In einer Norm legte man fest, dass jedes Gerät mit dem Stecker für die Steckdose eine Nennspannung von 230 Volt verwendet.

Der Staubsauger benutzt die Nennspannung direkt. Um jedoch einen Computer an die Steckdose anschließen zu können, benötigt man ein Netzteil, welches die erforderlichen Spannungen (5 Volt, 12 Volt, …) für den Betrieb des Computers zur Verfügung stellt. Auch der Laie weiß, dass der Prozessor vom Computer nicht mit 230 Volt arbeitet.

Der zweite wichtige technische Parameter ist der Strom. Die Stromstärke ist als Maximalwert in der Norm für den Steckertyp definiert. Für unsere Steckdosen in der Wohnung gilt die höchste Stromstärke von 16 Ampere (A).

Wie viel Strom das Gerät aus der Steckdose entnimmt, hängt von der Leistung des Gerätes ab. Ein Staubsauger verbraucht sicher mehr Strom als die Nachttischlampe. Die Leistung ist – einfach betrachtet – das Produkt aus Spannung und Strom. Der Elektrotechniker erkennt die Unterschiede zwischen Wechsel- und Gleichstrom. Zur Veranschaulichung soll eine einfache Formel genügen. Die Norm der Steckdose und das dahinter geschaltete Strom-Netz hält die Nennspannung von 230 Volt. Also kann die Leistung des Gerätes nur noch variieren, wenn sich die Stromaufnahme ändert.

Was hat dies mit den USB-Ports zu tun?

Wie der 230-V-Stecker für die Steckdosen in der Wohnung ist der USB-Stecker auch eine genormte Größe. Es ist also in einer Norm festgelegt worden, welche Abmessungen die USB-Stecker haben. Auch die Nennspannung der Geräte, die mit diesem Stecker versorgt werden, ist festgelegt. Die Nennspannung über USB-Steckerverbindung beträgt 5 Volt.

Wie hoch der Strom über den USB-Stecker ist, ist geräteabhängig. Je höher die Leistung (W) des Gerätes, desto höher der Strom.

Merke:

Die Leistung ergibt sich, wie oben beschrieben, aus dem Produkt von Spannung und Strom >> Leistung (W) = Spannung (V) x Strom (A) <<

Durch die Norm der USB-Stecker ist die Spannung auf 5 Volt festgelegt. Dieser Wert lässt sich nicht ohne weiteres ändern. Wir erkennen, in Abhängigkeit der Leistung ändert sich demnach der Strom.

USB-Netzteile liefern alle eine Ausgangsspannung von 5 Volt. Ebenso ist die gleiche Nennspannung an den USB-Ports im Computer vorhanden. Nur worin liegt der Unterschied zwischen den vielen USB-Netzteilen auf dem Markt und am Computer?

Wir betrachten die USB-Netzteile der vielen Hersteller genauer. Wie wir wissen, ist die Ausgangsspannung der USB-Netzteile immer gleich. Nur kann nicht jedes USB-Netzteil die benötigte Leistung für ein bestimmtes Gerät liefern.

Vergleichen wir die USB-Netzteile, zum Beispiel vom Telefon, Smartphone, MP3-Player, Tablets, Fahrradlampen, und so weiter. An den technischen Angaben der Netzteile fällt auf, dass die Stromangaben variieren. Die Hersteller legen zu ihrem Produkt nur Netzteile bei, die auch der Leistung des Produktes entsprechen.

Ein Beispiel:

Stecknetzteil_technische_Daten

Auf dem Netzteil sind folgende Angaben für uns wichtig:

  • Spannung: 5V =
  • Strom: 500 mA

Eine kleine Rechnung mit der oben genannten Formel zeigt uns die Leistung des Netzteiles.

Rechnung:

Strom (in A) x Spannung (in V) = Leistung (in W)

Damit wir die Leistung in Watt (W) erhalten, rechnen wir die 500 mA in A um.

500 mA : 1000 = 0,5 A

Die Leistung ergibt sich aus:

0,5 A x 5 V = 2,5 W

Das Netzteil hat eine Leistung von 2,5 W.
Wir wollen in Zukunft viele Geräte an einem Netzteil anschließen. Wir haben vor, Platz in der Wohnung zu sparen. Es sollen keine USB-Netzteile die 230-V-Steckdosen in den Wohnungen blockieren. Alle USB-Geräte sind zukünftig nur noch an einem Ort in der Wohnung zu laden.

Um diese Wünsche zu erreichen, benötigt man ein größer dimensioniertes Netzteil. Mehrere USB-Buchsen müssen am Netzteil vorhanden sein. Jedes Gerät benötigt jedoch in Abhängigkeit seiner Leistung den entsprechenden Strom am USB-Anschluss.

Kann ich mir ein Netzteilteil kaufen und mehrere Geräte daran betreiben oder aufladen?

Ja. Kann man. Ist denn auch bekannt, wie viele USB-Geräte in der Wohnung vorhanden sind?

Möglicherweise gibt es bereits eine Vorstellung, welche Geräte zeitgleich zu laden sind.

Diese Geräte versuchen wir jetzt zu ermitteln und den Gesamtstrom berechnen. Der Gesamtstrom hilft uns später die Gesamtleistung des Netzteiles zu errechnen, welches wir später erwerben wollen.

Ermitteln wir den Gesamtstrom unserer Geräte. Es empfiehlt sich das unten dargestellte Beispiel durchzuarbeiten. Danach ist die Rechnung mit den eigenen Geräten durchzuführen.

Als Beispiel werden hier Geräte aufgelistet:

Geräte Strom USB-Port
Telefon 2,1 A 1
MP3-Player 0,5 A 1
EBook-Reader 0,5 A 1
Tablet 2,1 A 1
Summe: 5,1 A 4

Aus der Tabelle geht hervor, dass ein USB-Netzteil mit 4 USB-Ports und einer Nennleistung von 25,5 W (5V x 5,1A = 25,5W) benötigt wird. Hier ist ersichtlich, dass die Änderung über die Anzahl der Geräte auch eine Änderung des Gesamtstroms zu Folge hat. Damit ändert sich auch die Gesamtleistung des Netzteils.

Was muss ich beim Neukauf eines USB-Netzteiles beachten?

Hier sind drei Kriterien wichtig, die vor dem Kauf bekannt sein müssen.

  1. Wie viele USB-Ports benötige ich, für ein zeitgleiches Laden meiner Geräte?
  2. Wie hoch ist die Gesamtleistung meiner Geräte?
  3. Nach Möglichkeit soll es ein Netzgerät sein, damit ich nur eine Steckdose im Haushalt verwenden muss.

 

Das oben gezeigte Beispiel zeigt, dass vier Geräte gleichzeitig zu laden sind. Die Gesamtleistung beträgt 25,5 W.

Es ist ein Netzteil zu wählen, dass als Nennleistung mindestens die errechnete Leistung von 25,5W aus der oben genannten Tabelle erreicht. Ein Planungsfaktor ist hier mit einzurechnen. Der Planungsfaktor enthält einen Sicherheitswert und einen Reservewert.

Der Sicherheitswert ist für das Netzteil, um es nicht zu überlasten. Die Geräte auf dem Markt sind so knapp dimensioniert, dass man die am Gerät angegebene Nennleistung nicht ganz erreichen und schon gar nicht überschreiten sollte.

Der Planungswert ist die Reserve für die Zukunft. Morgen soll das Netzteil auch noch zu verwenden sein. Nach einem Neuerwerb eines Gerätes soll es auch noch mit dem Netzteil geladen werden können. Meine Erfahrung zeigt, dass sich mit dem Planungsfaktor von 1.2 (+20%) gut zurecht kommen lässt.

Die errechnete Leistung ist mit dem Faktor 1.2 zu multiplizieren. Das Ergebnis wird als Planleistung benannt.
Planleistung = errechnete Leistung X Planungsfaktor

Planleistung = 25,5 W x 1,2

Planleistung = 30,6 W
Unsere Planleistung mit 30,6 W ist ein gutes Beispiel für das einfache mathematische Berechnen.

Schaut man sich auf dem Markt um, ist schnell erkennbar, dass es kein Netzteil mit einer Nennleistung von 30,6 W zu kaufen gibt. Entweder gibt es Netzteile in Höhe von 30 W oder in einigen Abstufungen darüber. Hier ist für das neue Netzteil eine Abstufung höher zu wählen, zum Beispiel: 35 W.

In Abstimmung aller Familienmitglieder ist ein zentraler Platz für das USB-Netzteil zu errichten. Sucht man den Platz im Alleingang ist die Akzeptanz der neuen Ladestation deutlich geringer.

Kurze Kabel mit den im Haushalt gängigen USB-Steckern können Ordnung an der „Tankstelle für USB-Geräte“ halten.

Fazit:
Aus meiner Sicht ist es sinnvoll die USB-Geräte an einer Stelle zu zentralisieren. Man schafft freie Steckdosen, die Gefahr, dass sich ein Steckernetzteil mit einer Stichflamme zerstört, wird minimiert.

Und schlussendlich, findet man alle USB-Geräte an einem Platz, falls eines von den Geräten gesucht wird.

 

Im nächsten Beitrag zeige ich die Optimierung der Energieversorgung auf Wanderschaft.

Sind Fragen, Bemerkungen oder Hinweise vorhanden, dann freue ich mich auf ein Feedback per Kontaktformular oder unten im Beitrag als Kommentar.

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