Fernspeisung in der Nachrichtentechnik

Kupferverbindungen für Daten- und Energieübertragung

Power over Ethernet (PoE) – alt wie neu

Die Kombination aus Daten- und Energieübertragungen über Kupferverbindungen, die so genannte »Fernspeisung«, ist nach DIN-VDE 800-3 definiert als »Versorgung von Einrichtungen der Informationstechnik mit elektrischer Energie über Leitungen der zugehörigen Fernmeldelinie mit Gleich- oder Wechselstrom«. Diese Technik ist so alt wie die ersten Anwendungen der Signalübermittlungen per Telegraph. Zunächst wurde über Ortsbatterien die Gleichspannung für den »Sprechstrom« bereitgestellt; durch einen Kurbelinduktor wurde die Wechselspannung für die Rufenergie erzeugt. Später wurden Batterien und Kurbelinduktoren in die Vermittlungsstellen der Netzbetreiber untergebracht. Die zentrale Energieversorgung von Telefonen der Anschlussteilnehmer hat sich nahezu bis heute gehalten und wird allmählich und flächendeckend durch die IP-Telefonie abgelöst; dann ist eine Fernspeisung grundsätzlich nicht mehr möglich. Die zentrale Energieversorgung von Telefonen, also Endgeräten, die an das öffentliche Netz angeschlossen waren, hatte den immensen Vorteil, dass bei einem Netzausfall die Anschlussteilnehmer trotzdem telefonieren konnten – ein beruhigender Umstand in Notsituationen!

Doch nicht nur Endgeräte des Telefonnetzes wurden und werden noch heute mit elektrischer Energie über Kupferleiter der Informationstechnik versorgt:

  • Bei Fernverbindungskabel über Land und Meer wurden Verstärker bei der Analogtechnik bzw. Regenerator bei der Digitaltechnik über die gleichen Kupferleiter, welche für die Signalübertragung genutzt wurden, ferngespeist. So konnten Kabeltrassen gewählt werden, die weitab einer öffentlichen Stromversorgung lagen.
  • Die Höhe der Fernspeisespannung ist dabei abhängig von der Summe der Leitungswiderstände, multipliziert mit dem Fernspeisestrom zuzüglich der Summe aller Eingangsspannungen der Verstärker [1]. Dabei wurden Fernspeisespannungen bis über 1 000 V angewandt. Da bei Fernspeisungen die Regelgröße grundsätzlich der Strom ist, spielen Leitungslänge und Leitungswiderstand eine entscheidende Rolle; ein weiterer Grund, dass sich Kupfer mit seinem hohen Leitwert als Leiterwerkstoff durchgesetzt hat. Der Vorteil der Fernspeisung liegt vor allem darin begründet, dass kein aufwändiger örtlicher Netzanschluss mit den laufenden Grundgebühren bzw. Betriebskosten für Akku-Systeme benötigt werden.

Auch in den Gebäuden ist eine zentrale Energieversorgung von Telefonen über die Kupferleitung von enormer Bedeutung; wird die entsprechende Telefonanlage über eine Unterbrechungsfreie Strom-Versorgung (USV) gespeist, kann auch bei Total- bzw. Teilausfall des öffentlichen Energienetzes weiter telefoniert werden.

Energieversorgung der Multifunktionsgehäuse

Aktuell werden zum Ausbau der Technik für IP-Telefonie bzw. DSL-Übertragungen sogenannte Multifunktionsgehäuse am Straßenrand installiert. Solche Einrichtungen sind über Lichtwellenleiter an die Vermittlungsstellen des Netzbetreibers angebunden; in den überwiegenden Fällen erfolgt die Energieversorgung aus einer Zähleranschlusssäule des Niederspannungsnetzes, wie Bild 1 unten zeigt. Ist eine Energieversorgung aus der öffentlichen Stromversorgung nicht möglich, dann wird parallel zum Lichtwellenleiter ein Kupferkabel für die Versorgungsgleichspannung 400 V verlegt.

Bild 1: Zählersäule (links) und Multifunktionsgehäuse
Bild 1: Zählersäule (links) und Multifunktionsgehäuse

Energieversorgung von Breitbandkabelsystemen

In der Netzebene 3 des Kabelfernsehnetzes, welche sich z.B. von der Vermittlungsstelle bis zum Hausübergabepunkt erstreckt, werden auch Distanzen über mehrere Kilometer überbrückt, wenn z.B. der Nachbarort angebunden werden muss. Dann müssen die Signale regelmäßig verstärkt werden. Hierzu werden Breitbandverteilergehäuse am Straßenrand oder auch an Feldwegen aufgestellt, die kaum zu unterscheiden sind von den Kabelverzweigern des Telefonnetzes. Wegen der untergebrachten aktiven Technik befinden sich Lüftungsschlitze in der Frontplatte unterhalb der Öffnungstür. Die Verstärker werden in der Regel über das Kupfer-Koaxialkabel ferngespeist; damit ist ein kostenintensiver Anschluss aus dem Niederspannungsnetz nicht erforderlich.

Bild 2: Breitbandkabelgehäuse
Bild 2: Breitbandkabelgehäuse

Satellitenempfänger für Radio und Fernsehen

Bild 3: Ferngespeistes LNB einer Satellitenempfangsanlage
Bild 3: Ferngespeistes LNB einer Satellitenempfangsanlage

Mit einem Satellitenempfänger können mittels einer Parabolantenne Fernseh- und Radioprogramme empfangen werden, welche von einem geostationären Satelliten in einer Entfernung von ca. 36 000 km von der Erde gesendet werden. Wesentliches Element dabei ist das sogenannte LNB (Low Noise Block, rauscharmer Signalumsetzer). Die dafür benötigte Fernspeisespannung wird z.B. über die Kupfer-Koaxialleitung z.B. von einem Satellitenreceiver bereitgestellt.

Bei der optischen Signalübertragung können zwar mehrere Ebenen des Satellitenempfangs über ein einziges Glasfaserkabel übertragen werden; jedoch muss das LNB mit elektrischer Energie versorgt werden; ab hier ist wieder Kupfer gefragt!

Mikrofon mit Fernspeisung

Das meist verwendete Mikrofon arbeitet nach dem Prinzip des Kondensators. Die Speisung wird dabei gleichzeitig mit der Signalübertragung über das Kupfer-Mikrofonkabel geleitet. Meist wird eine Gleichspannung zwischen 9 und 48 Volt und die sogenannte Phantomspeisung eingesetzt. Die Bezeichnung »Phantom« resultiert daraus, dass an beide Signaladern der Pluspol und an den Leitungsschirm der Minuspol angeschlossen wird, siehe unten Bild 4. Zwischen den Signaladern besteht daher kein Potentialunterschied. Durch diese Schaltung und die Verwendung symmetrischer Signaladern wird eine hohe Festigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen erreicht.

Funkmikrofone werden dort eingesetzt, wo Kabelverbindungen stören. Zwar verleihen solche Mikrofone mit integriertem Sender dem Anwender viel Freiheit in der Bewegung, jedoch steigen die Betriebskosten durch den notwendigen Einsatz von Batterien. Störend wirken sich bei drahtlosen Systemen auch die Einkopplung von z.B. Einwahlversuchen durch Mobiltelefone aus, die beinahe jeder aus Tagungen kennt.

Bild 4: Phantomschaltung und Beschaltung der XLR-Steckerverbindung
Bild 4: Phantomschaltung und Beschaltung der XLR-Steckerverbindung

Fernspeisung in der Datentechnik – Power over Ethernet (PoE)

In der »Gebäudeverkabelung« werden heute immer noch überwiegend Kupfer-Kommunikationskabel eingesetzt. Somit ist auch hier die gemeinsame Übertragung von Daten und Strom möglich. Bei den aktuellen Ethernet-Vernetzungssystemen werden sogenannte Twisted-Pair-Leitungen mit 4 Leitungspaaren verwendet. Die sehr hochwertige Ausführung S/STP-Datenleitung besteht aus vier jeweils mit Aluminiumfolie geschirmten und verdrillten Aderpaaren (PIMF: Pairs in Metal Foil). Diese 4 Aderpaare werden zusätzlich verseilt und mit einer weiteren Schirmfolie sowie Kupferadergeflecht umhüllt (S/STP: Screend Shielded Twistet Pair; Bild 5). Dieser Leitungstyp hat sich als vorteilhaft erwiesen, da durch die Energieübertragung Wärme entsteht, jedoch durch die Leitungsschirme diese gut abgeführt wird [2].

Die elektrische Energie wird entweder durch einen Power-Injector oder einen PoE fähigen Switch in die Datenleitung eingekoppelt. Während bei den alten Standards (PoE: IEEE 802.3af-2003 u. PoE Plus: IEEE 802.3at-2009) Leistungen von 12.95 u. 25,5 Watt am Endgerät bereitgestellt werden konnten, liegt ein Entwurf für »4-paar PoE (IEEE 802.3bt-Vorschlag) vor, bei dem Endgeräte mit bis zu 71 Watt Leistung versorgt werden sollen [3]. Können damit auch mobile Computer versorgt werden?

Übliche Anwendungen sind heute die Fernspeisungen über Kupfer-Datenleitungen von IP-Telefonen, IP-Kameras sowie WLAN-Access-Points (Gerät zur drahtlosen Daten-Kommunikation mit Endgeräten). Dies erspart die Installation weiterer 230-V-Steckdosen bzw. -Anschlüsse sowie den Betrieb weiterer Netzgeräte. Bei Lichtwellenleiter-Lösungen ist dies nicht möglich.

Bild 5: Ethernet-Leitung S/STP mit 4 Kupferaderpaaren (CAT 7): Jedes Kupferaderpaar ist mit einem Folienschirm versehen; das Bündel aus 4 Aderpaaren hat einen zusätzlichen Schirm aus Aluminiumfolie und Kupfergeflecht
Bild 5: Ethernet-Leitung S/STP mit 4 Kupferaderpaaren (CAT 7): Jedes Kupferaderpaar ist mit einem Folienschirm versehen; das Bündel aus 4 Aderpaaren hat einen zusätzlichen Schirm aus Aluminiumfolie und Kupfergeflecht

Zusammenfassung

Die Fernspeisung von Endgeräten oder sonstigen Komponenten in der Informationstechnik ist so »alt wie neu«. Die ersten Anwendungen der elektrischen Signalübertragungen waren nur deshalb möglich, da Kupferleiter neben der Nachrichtenübertragung auch gleichzeitig für die Energieübertragung geeignet waren; zu diesem Zeitpunkt war noch keine öffentliche Stromversorgung vorhanden.

Doch trotz des Anschlusses nahezu aller Gebäude in der zivilisierten Welt an das Niederspannungs-Versorgungsnetz ist die gleichzeitige Versorgung von Endgeräten mit Daten und Energie über eine Leitung geblieben. Geblieben sind auch die Anforderungen an den Leiterwerkstoff. Das Ausreizen maximaler Leitungslängen sowie zu übertragender elektrischer Leistung verbunden mit einer sehr komplexen Leitungs-Herstellung (PIMF, Bündelschirm, Verdrillen, Verseilen usw.) war und ist nur mit dem Leiterwerkstoff Kupfer möglich. Weltweit wird ständig an weiteren Anwendungen entwickelt und geforscht; Grund genug, vorhandene Kupfer-Datenleitungen weiter zu nutzen und bei Neubauten hochwertige Datenleitungen, mindestens CAT 7 bzw. CAT 7 A zu verlegen. Bis zur Versorgung von bewegungsfähigen IP-Kameras, Videotelefonie, Geräten für die Gebäudeautomation, Kleinsteuerungen, Aktoren, Sensoren und LED-Leuchten ist es nicht mehr weit hin.

Literatur

[1] Weinfurtner, Günter: Fernspeisung in Anlagen der Informationstechnik, VDE-Schriftenreihe 53, VDE Verlag GmbH Berlin Offenbach, ISBN 3-8007-2528-2, 2002

[2] K. Jungk, Straubenhardt: Power over Ethernet plus: Elektropraktiker, Huss-Medien GmbH, Berlin 63 / 2009 Heft 10

[3] Dold, Roland: Schlüsseltechnologie Power over Ethernet (PoE): Elektropraktiker, Huss-Medien GmbH, Berlin 71/2017 Heft 12