Zentrale DC-Versorgung

Oder: Wie ersetze ich viele kleine Steckernetzteile durch ein großes?

Das Problem:

Steckernetzteile (Wall Wart)

Viele (mehr oder weniger nützliche) Geräte bringen viele Steckernetzteile mit sich. Das wird unübersichtlich, braucht viele Steckdosen und macht viel Kabelgewirr.

Was nicht so bekannt ist: Gerade die alten (schweren, mit 50Hz-Trafo drin) und auch die kleinen 5V-Schaltnetzteile (mit 1A oder 2A) haben entweder eine hohe Leerlaufstromaufnahme (die mit den Trafos) oder einen nicht so arg tollen Wirkungsgrad (die kleinen 5V-Schaltnetzteile), oder beides.

So ein altes Trafonetzteil "überzeugt" schon mal mit einer Leerlauf-Leistungsaufnahme von 1.5W ... 3W. Da sind die kleinen "Eco-Friendly"-Schaltnetzteile schon eine Nummer besser: Da messe ich im Leerlauf typische Werte von 0.1W ... 0.3W. Der Haken kommt dann beim Wirkungsgrad: Ein 5V/1A-Steckernetzteil hat oft einen Wirkungsgrad von nur 67% ... 70% (ich habe einige davon mal vermessen). Besser wird es dann bei den etwas größeren, bei einem 5V/3A-Steckernetzteil habe ich 77% ... 80% gesehen.

Dieses Netzteil war dann auch schon eine kleine "Sparmassnahme" gewesen: Den Friendly Arm und den Ethernet-Switch auf meinem Schreibtisch habe ich anstelle der dafür vorgesehenen Netzteile (5V/1A für den Switch und 5V/2A für den Friendly Arm) mit eben diesem 5V/3A-Netzteil versorgt (mit einer passend für diesen Zweck gelöteten Adapterstrippe). Das hat auf der Netzseite gemessen ca. 1W eingespart.

FriendlyARM

Die Lösung:

In der Literatur (also heutzutage im Internet) wird hier und da eine zentrale Gleichstromversorgung fürs Haus propagiert. Da soll dann also ein zentraler "Gleichrichter" die Steckdosen im Haus mit Gleichstrom anstelle des bewährten Wechselstroms versorgen, weil die meisten Geräte heutzutage ja eh mit Gleichstrom laufen. Stimmt ja auch, die Geräte haben Netzteile mit Gleichspannungsausgang, nur jedes mit einer anderen Spannung, das fängt bei 5V für das Handy-Ladegerät an und hört bei 19V für den typischen Laptop auf. Dann gibts noch Fernseher und andere Jubelelektronik, mit eingebautem Netzteil, da sieht man das von aussen nicht, die Geräte arbeiten intern aber auch mit Gleichspannung verschiedenster Voltzahl. Die Leistung liegt hier so von knapp 1W bis "ein paar hundert Watt". Es gibt dann noch andere Haushaltsgeräte, die sich diesem Trend wohl eher widersetzen: Toaster, Spülmaschine, Waschmaschine etc. Derlei Geräte brauchen einfach nur ordentlich Leistung, und das funktioniert auch ziemlich gut mit Wechselstrom und macht auch meistens weniger Probleme.

Also würde ich mal zwei Systeme installieren:

  • den guten alten Wechselstrom aus der Steckdose
  • und
  • ein zusätzliches Gleichstromnetz für kleine Leistungen
  • Das würde natürlich voraussetzen, daß die Hersteller der diversen Kleingeräte sich auf einen einheitlichen Stecker und eine einheitliche Spannung einigen. Naja, mal sehen, wann das der Fall sein wird ...

    Meine Lösung:

    Ich baue es doch einfach selbst. Als Ausgangspunkt nehme ich mal ein typisches Laptop-Netzteil. Diese gibt es im gut sortierten Elektroschrotthandel für wenig Geld zu kaufen:

    Laptop-Netzteile (Power Brick)

    Da stecken immerhin 90W in einem kompakten Kunststoffgehäuse ohne Lüftung und Kühlrippen, und anfassen kann man die Dinger im Betrieb auch noch, ohne daß man sich die Finger verbrennt. Soooo schlecht kann also der Wirkungsgrad nicht sein. Das ist auch durchaus so, ich habe da Werte von 86% ... 90% gemessen.

    Einen Haken hat die Sache allerdings: Diese Netzteile haben meistens eine Ausgangsspannung von 19V, ein wenig zu viel für die 5V-betriebenen Geräte.

    Hier brauche ich also noch einen (oder mehrere) Spannungsregler von 19V auf 5V (und 12V und 9V und ...). Damit kommt auch schon das nächste Problem auf: Wenn ich an das 19V-Netzteil einen Spannungswandler von 19V auf 5V dranhänge, dann habe ich auch wieder einen schlechteren Wirkungsgrad. Also nix mit den 87% von Laptop-Netzteil. Aber besser als die 70% vom Steckernetzteil sollte ja wohl gehen.

    Das Ergebnis:

    Herausgekommen ist dann dieses kleine Kästchen hier:

    Spannungswandler (DC/DC)

    DC/DC-Wandler

    Auf der einen Seite gehen die 19V aus dem Laptop-Netzteil rein, auf der anderen Seite kommt 5V, 12V und 9V raus. Für 12V und 5V habe ich jeweils einen Abwärtschaltregler mit Synchrongleichrichter aufgebaut, die 9V sind (der Anwendung geschuldet) isoliert mit einem kleinen Übertrager aus einem der beiden Schaltreger abgegriffen.

    Der 12V-Ausgang versorgt die Fritz-Box und irgendwann auch das NAS, der 5V-Ausgang ist für einen Raspberry Pi, Ethernet-Switches und den Friendly ARM. Der 9V-Ausgang ist für ein analoges Telefon.

    Was kommt jetzt dabei rum? Nun ja, die Steckernetzteile verschwinden in der Gruschkiste, es funktioniert und ich habe die Gelegenheit, zu messen, was der ganze Aufwand bringt (also ob ich damit Strom spare).

    Um es kurz zu sagen: rein wirtschaftlich betrachtet, lohnt es sich eher nicht. Die Vorher-Nachher-Messung hat ergeben, daß der Gerätezoo vor dem Umbau in der Summe 18.9 Watt braucht, nachdem ich alles über das Laptop-Netzteil und die DC/DC-Wandler laufen lasse, sind es noch 16.7 Watt. Also ca. 11% gespart, oder 2.2W weniger Standby-Leistung für

  • ein Telefon
  • zwei Ethernet-Switches
  • eine Fritz-Box
  • einen raspi
  • und einen Friendy ARM
  • Übers Jahr gerechnet macht das 19.3kWh, oder auch 4 Euro achtzig. Das dauert dann schon ein paar Jahre, bis sich die Investition rechnet.

    Es ist aber dennoch interessant zu sehen, daß auch die modernen Steckernetzteile, die ja schon besser als die vorherige Generation sind, auch noch Potential zur Einsparung durch besseren Wirkungsgrad haben. Gerade bei den kleinen Spannungen (5V) und Leistungen der Netzteile läßt eben der Wirkungsgrad doch noch Verbesserungen zu. Für ein einzelnes Gerät lohnt der Mehraufwand nicht, aber in der Summe geht eben doch noch was.

    Wenn man die Geschichte ein bisschen weiter ausbaut, und tatsächlich ein zentrales (z.B. 24V) Netzteil für das ganze Haus installiert, dann gibt es das auch noch mit Wirkungsgraden von 90% ... 95% zu kaufen, die DC/DC-Wandler für die Geräte kann man ebenfalls mit 90% ... 95% hinkriegen, oder besser noch die Geräte gleich so bauen, daß sie mit 24V laufen, so daß der gesamte Wirkungsgrad von 81% ... 90% liegt, was besser als viele der typischen 12V- und 5V-Netzteile ist.

    Wenn man (wie ich das gemacht habe) noch ein Solarpanel mit an die zentrale Gleichstromversorgung anschließt, ist das Potential zum Stromsparen noch größer, bei Sonnenschein kann das Panel die gesamte Last der Kleingeräte übernehmen.

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