Telekommunikation

Vom Telegraphen zum Internet

Geschichte der Nachrichtenübertragung

Bis zu den ersten elektrischen Nachrichtenübertragungen war es ein weiter Weg; Boten zu Fuß und Pferd, Signalfeuer, Fackelpost, Rufpost und Signalhörner übermittelten simple Nachrichten wie Alarme, Siegesmeldungen oder Hilfeanforderungen. Für den Nachrichtenweitverkehr komplexer Informationen waren solche Anwendungen nicht geeignet. Problematisch bei diesen einfachen Verfahren war immer auch die »Laufzeit«, insbesondere, wenn mehrere Relaisstationen beteiligt waren. Auch Täuschungen, Irrtümer und der Umstand, dass entsprechende Signale bei den Beteiligten immer vorab vereinbart werden mussten, waren Anlass, weitere Ideen für den Informationsaustausch über weite Strecken zu entwickeln. An dieser Stelle tauchen im Zeitabschnitt 400 vor bis 400 n. Chr. die ersten Vorschläge für nicht elektrische Telegraphen auf, welche auf optischer Basis funktionieren sollten (z.B. Feuerzeichen) [1].

Die Entwicklung der ersten elektromechanischen und elektronischen Nachrichtentechniken war eng verknüpft mit den Entdeckungen der elektrischen Kräfte. Im 17. Jahrhundert wurde untersucht, dass leichte Körper von einer rotierenden Schwefelkugel angezogen bzw. abgestoßen wurden. In dieser Zeit wuchs bereits die Erkenntnis, dass durch Elektrizität Entfernungen mit großer Geschwindigkeit zu überwinden waren. War dies der Startpunkt für die elektrische Fernwirktechnik? Der wohl älteste Vorschlag für einen elektrischen Telegraphen stammt aus dem Jahr 1753 und sieht für jeden zu übertragenden Buchstaben einzelne Leitungen vor. Nur wenige Jahre später gab es Überlegungen, nur eine einzige Leitung zu verwenden und durch einen vereinbarten Code die Buchstaben des Alphabets zu übersenden. An dieser Stelle ist es interessant zu erwähnen, dass man damals davon ausging, eine elektrische Wirkung nur über einen Draht erzielen zu können; dass hierbei eine Rückleitung über die Erde notwendig ist, wurde offensichtlich noch nicht erkannt [1]. Es mussten daher noch einige Jahre vergehen, bis elektrische Telegraphenlinien tatsächlich in Betrieb gingen; derweil wurden in England und Frankreich optische (u.a. Einsatz von Fernrohren) Telegraphen-Übertragungsstrecken betrieben.

In den 30er Jahren des 18. Jahrhunderts griff schließlich Samuel Morse die Ergebnisse der Forschungen rund um den Elektromagneten auf, um einen elektrischen Telegraphen zu konstruieren. Im Jahr 1844 entstand bereits die erste Versuchslinie von Washington nach Baltimore [2].

In Europa baute Siemens 1848/1849 die erste Fern-Telegraphenlinie von Frankfurt am Main nach Berlin; von Frankfurt über Kassel nach Eisenach oberirdisch, von Eisenach nach Berlin unterirdisch, entlang einer bestehenden Eisenbahnlinie [3].

»Mein Telegraph gebraucht nur einen Draht und kann mit Tasten wie am Klavier gespielt werden«, schrieb Werner Siemens über den von ihm konstruierten Zeigertelegraphen 1847 [4]. Der Nachrichten-Rückstrom floss dabei über das Erdreich. Waren damit die ersten Probleme bezüglich der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) vorprogrammiert? Ab 1850 entschlossen sich die wirtschaftlich höher entwickelten europäischen Länder »digitale« Kommunikationsnetze einzurichten [2]. Als Übertragungsraten wurden in diesen Jahren Geschwindigkeiten von 30 bis 100 Zeichen in der Minute angegeben. Doch nicht nur über Land wurde telegraphiert; die ersten Seekabel wurden ab 1850 – zunächst mit wenig Erfolg – und ab 1858 für telegraphische Nachrichtenübertragungen genutzt.

Ferranti entwickelte in 1884 das Prinzip des Koaxialkabels, um Energieverluste und Störungen bei Fernmeldekabeln zu minimieren.

1891 wurde zur Vermittlung von Telefonverbindungen der sogenannte Hebdrehwähler erfunden. Mit der Entwicklung der Nummernwählscheibe konnte nun das erste automatische Wählsystem umgesetzt werden, welches die Telefon-Handvermittlung nach und nach ablösen konnte.

Im Jahr 1898 gelang dem Physiker Ferdinand Braun eine erste drahtlose Nachrichtenübermittlung. 1899 wurde von Guglielmo Marconi die erste drahtlose Verbindung über den Ärmelkanal realisiert und im Jahr 1901 war die erste transatlantische, drahtlose Verbindung möglich.

Durch die Erfindung des Fotophons entwickelte sich parallel zur elektrischen Telegraphie die Lichttelegraphie. Dabei werden Morsesignale als gebündelter Lichtstrahl gesendet.

Die enormen Entwicklungen auf Seiten der Energietechnik ab ca. 1870 spiegeln sich auch in immer neuen Anwendungen der elektrischen Nachrichtenübermittlung wieder. So wurden aus den geschaffenen Möglichkeiten des »Schreibens in die Ferne« auch Methoden ausgedacht, Handschriften, Zeichnungen und Bilder über die Ferne zu übertragen. So wurden erste Fotographien mittels Teleautographen in 1902 erfolgreich versandt. Die Geschwindigkeit der Übertragung von Schwarz-Weiß-Bildern, bei der für einen Bildpunkt prinzipiell zwei elektrische Signalwerte ausreichten, war damals noch sehr langsam und führte zu einer Dauer von einigen Minuten pro Bild.

Zu langsam, um auch bewegte Bilder zu versenden. Unter Berücksichtigung der Trägheit des menschlichen Auges mussten Geschwindigkeiten zur Übertragung von mindestens 10 Bildern pro Sekunde erreicht werden. Ende des 19. Jahrhunderts entstand ein Wettlauf zwischen dem »Mechanischen Fernsehen« durch die Codierungs-Erfindungen von Paul Nipkow und dem Elektronischen Fernsehen, welches durch die enormen Weiterentwicklungen im Bereich der Elektronik und Funktechnik möglich wurde. Die Fernsehübertragungen zu den Olympischen Spielen wurden noch mit beiden Verfahren durchgeführt. Das Unternehmen Telefunken stellte in den Jahren 1933 bis 1936 bereits Fernseh-Empfangsgeräte mit Kathodenstrahlröhren her. Die Entwicklungszyklen zu den Erfindungen in der Nachrichtentechnik werden in den Folgejahren immer kürzer; es werden im Folgenden einige herausgegriffen [5]:

1945 Erster elektronischer Großrechner mit 18 000 Elektronenröhren / USA

1947 Erfindung des Transistors

1949 Massenanfertigung von Schaltkreisen durch gedruckte Schaltungen

1957 Sputnik 1 / 1. Satellit / Russen

1959 Integrierter Schaltkreis

1964 Geburtsstunde elektronische Textverarbeitung

1964 Dritte Generation der Computertechnik mit integrierten Schaltungen

1969 Mikroprozessor

1971 Erster Robotereinsatz in der Automobilfertigung

1976 Entwicklung des Personalcomputers (PC)

1983 Offizielle Verabschiedung des Open Shells Interconnect-Netzwerkmodel (OSI)

1984 Vermehrter Einsatz von Lichtwellenleiter-Kabel (LWL)

1989 Entwicklung World Wide Web

1995 EN50173: Informationstechnik – Anwendungsneutrale Verkabelungssysteme

2000 Gigabit-Ethernet

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Definitionen

Die Fachgebiete der Informationsverarbeitung und der Fernmeldetechnik bzw. der Telekommunikation haben sich über viele Jahre nebeneinander entwickelt. Welche Fachgebiete sich tatsächlich hinter dem Begriff der Informationstechnik alle verbergen, ist weltweit nicht festgelegt. Ein Klärungsversuch des DIN Deutsches Institut für Normung e.V. ab 1984 führte in 1992 zur Veröffentlichung des DIN-Fachberichts 36: Gliederung der Informationstechnik – Versuch einer Klärung [6].

Der Entwurf DIN 44310:1990-02: Gliederung der Informationstechnik; Struktur nach unterschiedlichen Betrachtungsweisen wurde schließlich zurückgezogen.

Hinter dem Begriff Informationstechnik werden unterschiedlichste Bezeichnungen gesehen, z.B.:

  • Telekommunikation
  • Fernmeldetechnik
  • Nachrichtentechnik
  • Informatik
  • Bürotechnik
  • Prozessautomation
  • Datenverarbeitung
  • Informationsverarbeitung

Im Gesetz über das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI-Gesetz) wird im § 2 Begriffsbestimmung geklärt [7]:

(1) Die Informationstechnik im Sinne dieses Gesetzes umfasst alle technischen Mittel zur Verarbeitung oder Übertragung von Informationen.

Zur Informationstechnik erscheinen weitere Aufsätze.

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Telegraph und Telefon

Seltsame Zacken auf einem Papier, welches in einem dubiosen Apparat steckte.

So müssen es die Zeitgenossen des Erfinders Samuel Morse empfunden haben, als am 4. September 1837 der erste Versuch gelang, einen Text mittels elektrischen Stroms zu übertragen (Bild 3.1). Die Zacken standen für Zahlen: 214-36-2-58-112-04-01837.

Morse entwickelte nicht nur den Apparat, sondern auch ein Code-Wörterbuch, mit dem sich die Zahlenkette übersetzen ließ: »Gelungener Versuch mit Telegraph 4. September 1837«.

Bild 3.1: Morsetelegraph 1844 (idealisierte Darstellung) [2]
Bild 3.1: Morsetelegraph 1844 (idealisierte Darstellung) [2]

Telegraph

Bereits 1844 entstand mit finanzieller Unterstützung des US-Kongresses eine Telegraphenlinie entlang der 64 Kilometer langen Eisenbahnlinie von Baltimore nach Washington. Auf der Sender- bzw. Geberseite wurden durch Tastendruck kurze und lange Stromstöße erzeugt und über die lange Kupferleitung zur Empfängerseite auf eine Spule mit dünnen Kupferdrähten (Elektromagnet) übertragen. Über eine mechanische Verbindung des Waagebalkens mit einem Farbspender wurden schließlich die Morsezeichen auf einen Papierstreifen gedruckt. Schon damals erkannte man, dass Kupferdrähte 6-mal besser den Strom leiteten als Eisendrähte. Weniger erfolgreich war Morse jedoch mit der Auswahl der Isolierstoffe. Mit der Anwendung von mit Baumwolle und Gummilack überzogenen und mit Bleirohren umgegebenen Kupferdrähten waren erste Versuche einer Erdverkabelung bereits nach 14 Kilometern wegen zahlreicher »Nebenschlüsse« zum Scheitern verurteilt. Daraufhin entschied sich Morse für eine oberirdische Führung [8]. Auch in Deutschland bewährten sich unterirdisch geführte Kabel zur Telegraphie zunächst nicht. Daher wurden erste Leitungen rein oberirdisch ausgeführt: die Linie der Rheinischen Bahn bei Aachen 1843, der Taunusbahn Frankfurt (Main) – Wiesbaden 1844 usw. Das erste Flusskabel wurde 1846 für die Linie Bremen – Bremerhaven in Betrieb genommen. Es hatte drei 2,5 mm dicke Kupferleiter, welche mit Gummiband umwickelt und mit Hanfgewebe überzogen waren. Die größten »Feinde« der Flusskabel waren jedoch nicht nur das Wasser, sondern auch die Schiffsanker. So entschied man sich beim Rheinkabel zwischen Deutz und Köln zum Schutz für eine Ankerkette mit Gliedern aus 3,9 cm dickem Eisen, welche oberhalb des Flusskabels angeordnet wurde. Schon nach kurzer Zeit fanden sich darin 14 schwere Schiffsanker, die sich in die Kette eingehakt hatten und vom Schiff gekappt werden mussten [8, Seite 16].

1851 glückte die Verlegung eines Telegraphenseekabels über den Ärmelkanal, von Dover (England) nach Calais (Frankreich) mit einer Länge von 30 Kilometer.

War es auch möglich, zwei Kontinente mit einem Seekabel zu verbinden, das eine Länge von mindestens 3 000 Kilometer hatte? Erst beim dritten Versuch gelang es mit zwei umgerüsteten Kriegsschiffen, die tausende von Tonnen schweren Kabel erfolgreich in die See abzulassen. Sieben Kupferdrähte, mehrere Lagen Guttapercha, Öl, Pech, Talk und Teer sowie ein Schutzmantel aus Stahldrähten verbanden nun die Kontinente Europa und Amerika. Die Übermittlung einer Nachricht dauerte nun nicht mehr mindestens 2 Wochen, wie mit dem Schiff, sondern nur noch wenige Sekunden. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts hat bereits ein Netz aus Land-, Fluss- und Seekabel den Erdball so umspannt, dass es möglich war, eine Botschaft telegraphisch »Rund um die Erde« zu schicken [2]. Überlandleitungen wurden weitgehend noch als oberirdische Linien ausgeführt; in der Regel wurde nur ein einzelner Leiter gespannt; als Rückleiter wurde das Erdreich verwendet. Hierzu wurden Kupferplatten in die Erde eingegraben. Noch heute wird Kupfer als Erdungsmaterial verwendet, insbesondere bei Erdungsanlagen von Mittelspannungsanlagen. Der Einsatz des Materials V4A (Edelstahl), wie heute üblicherweise bei direktem Kontakt mit Erdreich verwendet, wird hier als kritisch angesehen, weil durch die 40-mal geringere elektrische Leitfähigkeit eine nicht erwünschte Erdungsstrombegrenzung herbeigeführt wird [9].

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Telefon

Der Begriff »Telefon« wurde bereits weit vor der technischen Verwirklichung benutzt. So schlug Gottfried Huth »Doktor der Weltweisheit und öffentlicher Lehrer der Mathematik und Physik« in 1796 vor, eine Sprachröhre zur akustischen Nachrichtenübertragung als »Telephon oder Fernsprecher« zu bezeichnen [10, Seite 85]. Nach einigen Versuchen in 1852 stellte J. Ph. Reis am 26.10.1861 sein Telefon im Physikalischen Verein in Frankfurt (Main) vor. A. G. Bell erhält zwei Stunden vor E. Gray in 1876 das US-Patent 174465 [11]. Bell, Professor der Physiologie der Stimme und Taubstummlehrer, entwickelte in Amerika das erste Gerät, mit dem man Stimmen und Worte verständlich übermitteln konnte. In Richtung einer Membrane wurde gesprochen und der Rhythmus der Schallwellen an einen Elektromagneten weitergegeben, der die Wellen in Stromstöße umwandelte. Diese wurden über eine Leitung transportiert, um an anderer Stelle von einem gleichen Apparat in umgekehrter Richtung in Schwingung umgewandelt zu werden [5]. Eine halbwegs funktionierende Sprachübertragung gelang ihm erst vier Wochen später mit einem sogenannten »liquid telephone transmitter«, wie ihn Konkurrent Gray zunächst benutzte.

Bild 3.2: Zweites, verbessertes Telefon von A. G. Bell 1876 [10]
Bild 3.2: Zweites, verbessertes Telefon von A. G. Bell 1876 [10]

In Deutschland entwickelte sich die Telefonanwendung rasant: 19 Telegraphenanstalten übermittelten in 1877 Telegrammtexte auch fernmündlich; der Generalpostmeister Stefan prägte hierzu den Begriff des »Fernsprechers«. Am 12.01.1881 gab es in Berlin ein Telefonnetz mit 48 »Teilnehmern« (Anschlüssen). Zu diesem Zeitpunkt wurde wie bei der Telegraphie noch eine einzelne Ader verwandt; als Rückleiter wurde die Erde genutzt. In 1883 wurde durch J. J. Carty die Doppelkupferleitung ohne Nutzung des Erdreiches als Rückleiter eingeführt; die Übertragungsqualität hatte sich erheblich gesteigert. Gespräche wurden zu diesem Zeitpunkt noch durch das »Fräulein vom Amt« oder dem »Vermittlungsbeamten« handvermittelt. Noch 1913 gab es mit 44 000 Teilnehmern das größte Handvermittlungsamt der Welt in Hamburg. Erste Erfindungen für den Selbstwählbetrieb, welches die Handvermittlung ablöste, gab es bereits ab 1889 (Hebdrehwähler von H. B. Strowger). Das Gerät funktionierte so: Der Wähler verarbeitete zwei Ziffern durch eine Heb- und anschließend durch eine Drehbewegung und kann so einzeln die entsprechenden abgehenden Leitungen gezielt ansteuern. Die erste automatische Vermittlungsstelle ging 1892 in La Porta (Indiana, USA) in Betrieb. In Deutschland wurde nach der ersten Versuchsanlage in 1900 (Berlin) die erste öffentliche Wählvermittlungsstelle am 10. Juli 1908 in Hildesheim eingeschaltet. An den zentralen Postämtern bzw. Vermittlungsstellen konnten die tausende Kupfer-Blankdrähte, die über Porzellanisolatoren gespannt waren, kaum noch sinnvoll aufgenommen werden. Die Gebäude glichen Spinnennetzen. Die oberirdischen Leitungen waren auch störanfällig für Reifbehang, Stürme, Beschädigungen durch Bäume usw. Oberirdische Leitungen verschwanden daher zunehmend als Fernmeldekabel in die Erde; erste Versuche der Mehrfachausnutzung von Kupferadern begannen. Die Idee lag darin, eine Doppelader nicht nur für ein, sondern gleichzeitig für mehrere Gespräche oder Telegramme zu nutzen, wie dies beispielsweise bei der Phantomschaltung nach W. Rihl funktioniert:

Bild 3.3: Phantomschaltung nach W. Rihl [12]: Auf 2 Doppeladern können 3 Gespräche übertragen werden
Bild 3.3: Phantomschaltung nach W. Rihl [12]: Auf 2 Doppeladern können 3 Gespräche übertragen werden
  • Die Doppelader 1a/1b bildet den I. Stammsprechkreis.
  • Die Doppelader 2a/2b bildet den II: Stammsprechkreis.
  • Der Phantomsprechkreis III wird aus der Mittelanzapfung des Übertragers gebildet.

Gegensprechbetrieb und Trägerfrequenz-Fernsprechverbindung für gleichzeitig 4 Gespräche in 1908 waren die ersten Anwendungen. 1929 wurde das erste Trägerfrequenzsystem über Koaxialkabel (Bell Laboratiories) in Betrieb genommen. In den 1920er Jahren wurden erste Trägerfrequenzverfahren erprobt und eingeführt (auch Trägerstromtelegrapie genannt). Die Telegraphiezeichen wurden einem Wechselstrom von 400 Hz, 600 Hz, 800 Hz usw. überlagert. Ab 1947 wurden neue Planungen für den Weitverkehr in Form einer großen »8« mit einem speziellen Kabel vom Typ 32c12Kx mit 12 Großtuben (Koaxialleiter) angestrengt. Jetzt zeigte sich im besonderen Maß der Vorteil einer Kupferverbindung, über die nicht nur die Information, sondern auch die Energie für ferngespeiste Verstärker übertragen werden konnte; ein Prinzip, das heute noch aktuell ist

Ein weiteres, neues Verfahren zur Mehrfachausnutzung von Leitungen sowie Energieübertragung über Fernmeldekabel war das PCM-System (Puls-Code-Modulation), welches in Deutschland ab 1960 eingeführt wurde und bei dem das Zeitschlitzverfahren zur Anwendung kommt. Für das PCM-System werden symmetrische Kupferleiter verwendet, über die gleichzeitig auch die Fernspeisung der Regeneratoren (digitale Verstärker) betrieben wird. War dies der Startpunkt für die Digitaltechnik?

In 1978 wird in Deutschland eine erste Versuchsstrecke mit Glasfaserkabel zwischen Frankfurt und Oberursel in Betrieb genommen. 1984 stellt die Deutsche Bundespost ein schnurloses Telefon vor; zwischen Tischstation und Handapparat findet eine drahtlose Übertragung bei 900 MHz statt. In den folgenden Beiträgen werden weitere Anwendungen der Nachrichtenübertragung vorgetragen.

Bild 3.4: Trägerfrequenz-Kabelnetz in Form einer »8« [10]
Bild 3.4: Trägerfrequenz-Kabelnetz in Form einer »8« [10]

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Schlussbetrachtung

Die Erfindungen der Telegraphie und Telefonie waren die bedeutendsten technischen Erfindungen der Neuzeit. Es wurde möglich, Nachrichten über größte Distanzen in Sekundenschnelle zu übermitteln. Für Privatleute war dies eine Bereicherung in der Kommunikation; in wirtschaftlicher und militärischer Hinsicht eröffnete der Zeitvorsprung entscheidende Vorteile. Schließlich waren beide Erfindungen der Startschuss für die Entwicklung eines neuen Wirtschafts- und Dienstleistungsbereiches sowie eine breite Anwendung von Kupfer. Kupfer ist nach Silber der beste Wärme- und elektrische Leiter. Er ist relativ weich, aber sehr zäh und lässt sich leicht verformen und legieren. Aufgrund dieser Eigenschaften ist Kupfer auch heute noch der Werkstoff Nummer eins in der Elektrotechnik [5]. In der Informationstechnik spielt die Anwendung von Aluminium als elektrischer Leiter eine nur geringe Rolle. Nur die Verknappung des Kupfers in 1917/1918 gegen Ende des 1. Weltkrieges und das Kupferverwendungsverbot in den dreißiger Jahren führten zu Überlegungen, trotz der technischen Probleme bei Verbindungs- und Anschlusstechnik Aluminium als Leiterwerkstoff einzusetzen. Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminiumdrähten ist im Gegensatz zu Kupfer von der mechanischen und thermischen Behandlung abhängig. Aluminiumdrähte sind umso leitfähiger, je weicher sie sind. Aber auch bei gleicher Härte schwanken die Leitfähigkeitswerte in Abhängigkeit von der mechanischen und thermischen Vorbehandlung. Bei Telekommunikationskabeln kommt es jedoch genau auf gleiche Härte an, um in Hinblick auf hochwertige elektrische Eigenschaften eine gleichförmige Verseilung zu erreichen. Weiterhin ist ein genau gleicher elektrischer Widerstand von Adergruppen notwendig [12]. Daher fand man nur hier und da ein Fernmeldekabel in der Erde, welches Aluminiumleiter – und dann wegen der schlechteren Leitfähigkeit mit vergrößertem Querschnitt – beinhaltete. Gerade bei Fernmeldekabeln ist für die Übertragung der zulässige Höchstwiderstand maßgebend – und hier ist Kupfer der unschlagbare Werkstoff.

Fernmeldenetze – Leiterarten

Bei den ersten Anwendungen der Telegraphie und Telefonie wurden die Nachrichten zunächst über oberirdische Kupferleiter übertragen. Alle Versuche, eine Isolierung anzubringen, die dauerhaft Feuchtigkeit aus dem Kabel hielt, scheiterten bislang (bis ca. 1851). Als Isolierung wurde Guttapercha gewählt: Wegen Mäuse- und Rattenverbiss wurde teilweise Schwefel zugesetzt, was allerdings zur Durchfeuchtung der Isolierung und zur Bildung von Schwefelkupfer führte [8].

Fernmeldenetze

Es wurde grundsätzlich nur ein Kupferleiter verwendet; als Rückleiter diente das Erdreich, wie u.a. das Schema Bild 3.1 zeigt.

Bild 4.1: Schema/Telegraphen-Übertragungsstrecke mit einem Leiter; Rückleiter = Erdreich
Bild 4.1: Schema/Telegraphen-Übertragungsstrecke mit einem Leiter; Rückleiter = Erdreich

Einleiter-Übertragungsstrecke

Die Qualität der Übertragung war u.a. abhängig davon, welcher Erdübergangswiderstand erzielt wurde. Hierzu wurde z.B. eine Kupferplatte eingegraben.

Die Störungsanfälligkeit für eine solche Übertragungstrecke war enorm: Austrocknung des Erdreiches um die Kupferplatte und damit Erhöhung des elektrischen Widerstandes der Übertragungsstrecke, Raureif, Beschädigungen durch Bäume, Sturm usw. an den oberirdischen Leitungen. Problematisch war neben der Überquerung von Gewässern auch die massenhafte Führung der oberirdischen Leitungen in Städten und insbesondere die Einführung der Drähte in die Post- bzw. Telegraphenämter.

In Städten und bei der Überquerung von Gewässern ging man daher zu unterirdisch verlegten Kabeln über. Solche Kabel hatten zwischen einer und sieben Kupferadern. Als Isoliermaterial wurde Guttapercha, teilweise zusätzlich mit Blei als Mantel und Stahlbänder als Schutz verwendet. Erst nach dem 1. Weltkrieg wurde Papier als Isoliermaterial eingesetzt.

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Übertragung über Fernsprechadergruppen

Mit Einführung der Wechselstromtelegraphie und bei Störungen durch Starkstromfelder, Gleichstromsignal- oder Messstromkreisen und Fernwirkanlagen wurde der Betrieb von »Einleitergruppen mit Rückleitung über Erde« problematisch [12, Seite 55]. Damit sind Überlegungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ca. 100 Jahre alt!

Fernmeldeübertragungen wurden ab diesem Zeitpunkt über 2 (Paar), 4 (Vierer), 8 (Achter) und sogar 16 (Sechzehner) Adern durchgeführt, siehe Tabelle 1.

Fernmeldekabel können mit einer höheren Anzahl einzelner Adergruppen (z.B. mehrere tausend Doppeladern) hergestellt werden. Als Mantel wurden u.a. Bleimantel, Aluminiumbalgenmantel, Stahlwellmantel mit zusätzlicher Kunststoffhülle bzw. Gummi-Isolierung verwendet. Teilweise wurden Stahlbänder als Bewehrung eingesetzt. Zum Schutz vor eindringender Feuchtigkeit, z.B. bei Undichtigkeit durch Pickelschlag, Blitzeinwirkung, sonstige Verletzung des Außenmantels wurden insbesondere Fernverbindungskabel mit Luft unter Druckbildung gefüllt. Solange Luft aus dem Beschädigungsloch austrat, konnte keine Feuchtigkeit eindringen; außerdem konnte damit verbunden eine Überwachungsanlage installiert werden. Bei abfallendem Druck wurde in den Vermittlungsstellen ein Alarm akustisch und optisch angezeigt. Währenddessen sorgte ein Kompressor für ausreichend nachströmende Luft. Bei sehr langen Übertragungskabeln waren solche Anlagen auch in kleinen Verstärkerhäuschen entlang der Linie untergebracht. Zur Verbesserung der elektrischen Parameter wurden bei Fernverbindungskabeln in regelmäßigen Abständen Kondensator- und schwere Spulenmuffen eingefügt.

Eine finanzielle und technische Herausforderung war das Weitverkehrskabel vom Typ 32c12Kx, welches bis ca. 1952 in Form einer »8« über die Bundesrepublik Deutschland ausgelegt wurde. Beim angewandten Trägerfrequenzverfahren war die Dämpfung der Tuben (Koaxialleiter) so hoch, dass alle 1,55 … 1,7 km Kabellänge ein Stahlkessel zur Aufnahme von 6 Verstärkern vorgehalten werden musste. Die Verstärker wurden über das Kabel ferngespeist; d.h. über die Koaxialleiter, wird das Signal und die elektrische Energie gleichzeitig übertragen bzw. »überlagert«. Aufgrund der hohen Bedeutung dieses Kabels für den nationalen und internationalen Fernverkehr – es konnten pro Koaxialpaar bis zu 10 800 Kanäle gleichzeitig übertragen werden – wurde dieses Kabel selbstverständlich drucküberwacht. Bei einer Störung wurde über den Rundfunk bekannt gegeben, dass »der Selbstwählferndienst gestört ist«.

Bild 4.2: Kupfer-Koaxialkabel 32c12Kx der Deutschen Post [13]
Bild 4.2: Kupfer-Koaxialkabel 32c12Kx der Deutschen Post [13]
Tabelle 4.2: Durchmesser und Anwendungsgebiete für Kupfer- und Aluminium-Leiter in Fernmeldekabeln [14]
Tabelle 4.2: Durchmesser und Anwendungsgebiete für Kupfer- und Aluminium-Leiter in Fernmeldekabeln [14]

Heute sind die allermeisten Fernverbindungskabel durch Glasfaserkabel ersetzt; der Regenerator [SF1]- bzw. Verstärkerabstand für die digitalen Lichtsignale liegt bei bis zu 80 km. Der Regenerator »frischt« die verformten Impulse wieder zu Rechteckimpulsen auf. Da über Glasfasern keine Fernspeisung möglich ist, muss entweder eine Kupferader bzw. ein Kupfermantel im Kabel mitgeführt, oder die Energie aus dem öffentlichen Netz bereitgestellt werden.

Die Fernmelde-Ortsnetze, die nach dem 2. Weltkrieg entstanden, sind ebenfalls im Umbruch, jedoch werden große Teile der Ortsanschlusskabel noch heute genutzt.

Als Leiter-Werkstoff wurde hauptsächlich Elektrolytkupfer eingesetzt. »In Notzeiten wurden zur Kupfer-Ersparnis auch Kabel mit Leitern aus Reinaluminium hergestellt. Wegen der geringen Leitfähigkeit des Aluminiums gegenüber Kupfer mussten für Aluminiumleiter größere Querschnitte gewählt werden. Die nebenstehende Tabelle gibt die zu wählenden Durchmesser im Vergleich zu Kupfer und Aluminium bei gleicher Leitfähigkeit an. Die Kabel mit Aluminiumader werden heute (Anmerkung des Autors: 1971) nicht mehr verlegt« [14].

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Bild 4.3: Beispiel für Ortsnetzplan [14]
Bild 4.3: Beispiel für Ortsnetzplan [14]

OVST: Ortsvermittlungsstelle
Hk: Hauptkabel
KVz: Kabelverzweiger (steht i.d.R. an Straßen)
Vzk: Verzweigungskabel
EVz: Endverzweiger (z.T. im Gebäude angebracht)

Wurden die Fernmelde-Ortsnetze zur Errichtungszeit noch überwiegend für den Hörbereich der Telefonie (300 Hz … 3 400 Hz), Fernschreiben (Telex), Fernkopieren (Telefax) und Bildschirmtext genutzt, werden heute DSL-Übertragungen (Digital Subscriber Line) und weitere Technologien mit bis zu 50 MBit/s betrieben. Die Verlegung hochwertiger Kupfer-Fernmeldekabel mit anspruchsvollen Verseilungen hat sich also gelohnt.

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Breitbandverteilnetze mit Kupferkoaxialkabel

Noch vor der Einführung des drahtlosen Rundfunks wurden Musikdarbietungen über Drahtleitungen zu den Hörern übertragen. In Berlin wurden noch vor 1900 Übertragungen vom Königlichen Opernhaus zu einem Saal der Anstalt für volkstümliche Naturkunde »Urania« drahtgebunden durchgeführt. In 1912 folgte eine 400 km lange Leitung von Berlin nach Danzig. In Bayern wurden ab 1924 Aufführungen der Münchener Staatsoper niederfrequent über Fernsprechleitungen verteilt. In Berlin und Hamburg konnte Ende der 1930er Jahre sogar ein Fernsehprogramm per Drahtfunk verteilt werden [10]. Nach dem Krieg und mit Einführung des UKW-Hörfunks verloren die Drahtfunknetze an Bedeutung und wurden schließlich Mitte der 1960er Jahre eingestellt.

Die Rundfunkversorgung per Kabel wurde erst wieder interessant, als die verfügbaren Frequenzen knapp wurden. Es war die Geburtsstunde der Breitbandverteilnetze. Bereits Mitte der 1970er Jahre wurden von der Deutschen Bundespost zunächst dort Breitbandverteilnetze errichtet, wo die Versorgung der Bürger mit Rundfunkprogrammen nicht gewährleistet war (Hochhausabschattung, Taleinschnitte, Verbot von Außenantennen usw.) [15]. 1985 war der Versorgungsgrad der mit Fernsehen ausgestatteten Gebäude in der Bundesrepublik Deutschland bei ca. 20 %. Die Systeme ab 1980 mit einem Frequenzbereich von 47 MHz … 300 MHz waren in der Lage, 24 UKW-Stereo-Hörfunkprogramme und 25 Fernsehprogramme zu übertragen. Der Frequenzbereich wurde auf 862 MHz erweitert. Durch Austausch diverser Komponenten können aktuell auch Rückkanäle aktiviert werden, so dass auch Internetanwendungen über das System möglich sind.

Die Übertragung geschieht über Kupferkoaxialkabel in verschiedenen Ausführungen (Durchmesser). Mit im Erdreich verlegten Abzweigern mit integrierten Dämpfungsgliedern wird der ankommende Pegel am Hausübergabepunkt so eingestellt, dass dieser in einem definierten Bereich liegt.

Heute werden Breitbandverteilnetze nur noch mit Glasfaserkabel neu errichtet.

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Schlussbetrachtung

Die Kupfer-Fernmeldenetze, die nach dem 2. Weltkrieg errichtet wurden, sind einem starken Wandel unterlegen. Die Fernverbindungen wurden nach und nach durch Glasfaserkabel ersetzt. Jedoch in der Ortsnetzebene haben sich insbesondere Kabel mit Sternvierer auch für breitbandige Anwendungen mit hohen Übertragungsraten bestens bewährt. Mit immer neuen Techniken (Vectoring / > 50 MBit/s, Supervectoring / > 250 MBit/s) übertreffen sich die Übertragungsraten. Dabei wird im Hinblick auf wirtschaftliche Lösungen eine sinnvolle Kombination aus Glasfaserkabel bis zum Multifunktionsgehäuse am Straßenrand oder bis zum Gebäude und der Nutzung vorhandener Kupferleiter angestrebt. Experten der Deutschen Telekom sprechen bereits vom Ultra-Breitbandzugang (XG-Fast), bei dem Geschwindigkeiten über 10 Gbit/s im Test erfolgreich liefen. Die »letzte Meile« – Netzebene 3, der Leitungsabschnitt vom Kabelverzweiger (KVz) bis zum Endverzweiger (EVz) im Haus und Netzebene 4, die gebäudeinterne Verkabelung – ist im Ausbau eine besonders aufwändige und kostenintensive Angelegenheit [16]. Es lohnt sich also, über weitere Übertragungstechniken für Kupferleiter nachzudenken.

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Kupfer-Gebäudeverkabelungen versus LWL und Drahtlos

In der Geschäftswelt, aber auch im Privatbereich sind die Anforderungen an die Kommunikations-Infrastruktur in den letzten drei bis vier Jahrzehnten erheblich gestiegen. Der Computer hat die Schreibmaschine abgelöst; es folgte die Vernetzung von Computern in den Gebäuden sowie mit dem World-Wide-Web.

Kupfer-Gebäudeverkabelungen

In den Anfangsjahren von etwa 1980 bis 1990 wurden in Gebäuden noch verschiedene Topologien auf der Basis von Kupfer-Koax-Leitungen angewandt (»10Base5«RG8-Systen-Koaxkabel RG8, Länge max. 500 m, Anklemmen von Arbeitsstationen mittels Dorn, auch »Vampirklemme« genannt, am Koaxkabel (Bild 5.1).

Bild 5.1: Verkabelung nach Ethernet 10Base5
Bild 5.1: Verkabelung nach Ethernet 10Base5

Eine Weiterentwicklung war das 10Base2-System – nun mit einer dünneren RG58-Kupfer-Koax-Leitung. Hierbei wurden konfektionierte T-Stücke verwendet, um die PCs / Rechner an die Koax-Leitung anzubinden.

Bild 5.2: Verkabelung nach Ethernet 10Base2
Bild 5.2: Verkabelung nach Ethernet 10Base2

Das 10Base2-System war sehr störungsanfällig, die Gebäudeverkabelungen hatten damals eine sehr kurze Lebenszeit. Der Ruf nach einer »Strukturierten Gebäudeverkabelung« mit einer Investitionssicherheit von ca. 20 Jahren wurde lauter. Seit ca. 1995 wurden neue Gebäudeinfrastrukturen mit symmetrischen Leitungen, sogenannten Twisted-Pair-Leitungen (TP) standardisiert (Tabelle 5.1).

Tabelle 5.1: Es haben sich parallel verschiedene Bezeichnungen durchgesetzt
Tabelle 5.1: Es haben sich parallel verschiedene Bezeichnungen durchgesetzt

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Heute werden bei »Strukturierten Gebäudeverkabelungen« grundsätzlich Kupfer-Datenleitungen der Kategorien 6/7 eingesetzt. Durch die Paar- und Bündelschirmung bietet diese Leitung neben hohen Übertragungsraten und einer zuverlässigen Verbindung einen hohen Schutz im Sinne der Abhörsicherheit. Meist wird an zentraler Stelle in einem Datenverteilergehäuse das sogenannte Patchfeld montiert, in dem das eine Ende der Datenleitung »aufgelegt« wird. Das andere Ende, welches z.B. zu einem Arbeitsplatz in einem Büro führt, wird in einer Datendose kontaktiert.

Bild 5.3: Kategorie 7-Datenleitung
Bild 5.3: Kategorie 7-Datenleitung
Bild 5.4: Datendose 2xRJ45
Bild 5.4: Datendose 2xRJ45
Bild 5.5: Datendose 2xTera
Bild 5.5: Datendose 2xTera

Derzeit wird als Standard-Lösung noch immer der RJ45-Stecker verwendet. Bei hohen Anforderungen an die Übertragungsrate wird das vollständig geschirmte TERA-Stecksystem eingesetzt; es unterstützt die Kategorien 7 und 7a und ist für Übertragungsgeschwindigkeiten > 10 Gbit/s geeignet. Als weitere Kategorie 7-Lösung gibt es das GG45 Stecksystem (GigaGate). Die GG45-Buchse ist nur abwärtskompatibel.

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Bild 5.6: Patchkabel mit RJ45-Stecker
Bild 5.6: Patchkabel mit RJ45-Stecker
Bild 5.7: Patchkabel mit Tera-Stecker
Bild 5.7: Patchkabel mit Tera-Stecker

Mit einer Einweisung und etwas Übung können die Kontaktierungsarbeiten an Cu-Patchpanel und Cu-Steckdosen durch Fachkräfte der Elektro- und Informationstechnik ausgeführt werden. Es sind keine aufwändigen Werkzeuge notwendig. Zur Prüfung bzw. Zertifizierung von Datenleitungsstrecken (auch LINK bzw. permanent LINK genannt) ist ein spezielles Prüfgerät notwendig. In der Regel amortisieren sich solche Prüfgeräte sehr schnell, da die einzelne Messung in der Regel bezahlt wird und oft eine hohe Anzahl von zu prüfenden LINKs vorliegt.

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Einsatz von Lichtwellenleitern im LAN

Lichtwellenleiter bzw. Glasfaserkabel werden bereits seit vielen Jahren in den Telekommunikationsnetzen, insbesondere bei Fernverbindungskabeln eingesetzt. Ihr Vorteil liegt in den enormen Übertragungsraten und in der Möglichkeit höchster Regeneratorabstände bis 40 km bzw. 80 km (Verstärkerabstände). Seit ca. 1995 wird die Lichtwellenleitertechnologie auch im LAN angewandt.

Die Faser besteht aus einem extrem transparenten Glas. Der Faseraufbau kann mit einem Kern, in dem die Lichtstrahlen sich ausbreiten, dem umgebenden Mantelglas und dem Kunststoffmantel erklärt werden. Zu unterscheiden sind sogenannte Monomode-Fasern, welche vor allem in der Fernebene eingesetzt werden. Hierbei ist der Kernbereich der Faser so klein, dass quasi nur ein Lichtstrahl geführt wird. Es werden Bandbreiten von 1 000 GHz/km und mehr erreicht. Als Faserbezeichnung wird angegeben: 9/125 µm (9 µm: Kerndurchmesser; 125 µm: Mantelglasdurchmesser).

Tabelle 5.2: Klassifizierungen für »Kabelkategorien« mit den Maximal-Übertragungsfrequenzen, den Übertragungslängen, den maximalen Datenraten und den Anwendungen
Tabelle 5.2: Klassifizierungen für »Kabelkategorien« mit den Maximal-Übertragungsfrequenzen, den Übertragungslängen, den maximalen Datenraten und den Anwendungen
Bild 5.8: Datenverteiler
Bild 5.8: Datenverteiler

Eine andere Variante ist die Multimode-Faser; hier ist der Kernbereich so groß, dass die Lichtstrahlen sich Zick-zack-förmig ausbreiten. Diese Faser ist preiswerter in der Herstellung sowie einfacher in der Verarbeitung (Spleißtechnik). Die sich gleichzeitig ausbreitenden Lichtstrahlen legen innerhalb des Kerns unterschiedliche Strecken zurück; dadurch beschränkt sich die Bandbreite erheblich.

Solche Fasern (50/125 µm u. 62,5/125 µm) können daher bis zu einer Übertragungsstrecke von 500 m bis 3 000 m in LANs eingesetzt werden.

Üblicherweise werden LWL-Kabel als Verbindungen zwischen Gebäuden, Stockwerksverteilern bzw. bei langen Übertragungsstrecken > 100 m eingesetzt. Vorteilhaft sind sie insbesondere im Hinblick auf die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) gegenüber Streuströmen und Magnetfeldern im TN-C-System. Durch die Anwendung des PEN-Leiters für Schutzzwecke (»PE«) bei gleichzeitiger Fortleitung von Betriebsströmen (»N«, »Rückströme«) entstehen unkontrollierte Streuströme im Schutz- und Potentialausgleichssystem mit der Folge von Magnetfeldern. LWL-Kabel bestehen grundsätzlich aus elektrisch nicht leitenden Materialien (Glas, Kunststoff) und sind daher bei Potentialunterschieden im Schutz- und Potentialausgleichssystem nicht störungsanfällig.

Bild 5.9: Lichtstrahlführung bei der Monomodefaser
Bild 5.9: Lichtstrahlführung bei der Monomodefaser

In der Regel werden die Glasfasern in einem LWL-Panel mit Steckersystemen (z. B. SC-Stecker) durch einen speziellen Spleißvorgang verbunden (siehe Bild 5.8). Dieser Vorgang ist aufwändig; spezielle Spleißwerkzeuge sind notwendig. Aufwändig ist auch die Prüfung der LWL-Verbindungen. Hierzu ist ein kostenintensives Optical Domain Reflektometer (OTDR) notwendig. Die Installation und Prüfung von LWL-Kabeln ist in der Regel nur spezialisierten Unternehmen vorbehalten.

Bild 5.10: Lichtstrahlführung bei der Multimodefaser
Bild 5.10: Lichtstrahlführung bei der Multimodefaser

Eine Alternative zum örtlichen Spleißen ist der Einsatz von vorkonfektionierten LWL-Kabeln. Diese werden speziell für eine festgelegte Länge und Faseranzahl mit dezidiertem Stecker beim Hersteller vorbestellt. Nach der Installation vor Ort wird dann lediglich die Dämpfung der LWL-Verbindung mit einem einfacheren Messgerät überprüft.

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Drahtlose Systeme zur Datenübertragung in Gebäuden

In Ergänzung zu leitungsgebundenen Datenübertragungssystemen bzw. als Alternative hierzu werden seit ca. 20 Jahren lokale Funknetzlösungen eingesetzt. Diese werden mit den Abkürzungen W-LAN (Wireless Local-Area-Network) WLAN oder auch Wi-Fi (möglicherweise Wireless-Fidelity) bezeichnet.

Ein WLAN-System besteht z. B. aus einem Router (Wireless Access Point), der die Koordination / Steuerung der weiteren Funk-Stationen im Empfangsbereich übernimmt.

WLANs werden in Frequenzbereichen des ISM-Bandes (Industrial, Scientific an Medical Band) übertragen, welches lizenzfrei ist. Insbesondere das 2,4-GHz-Band wird durch viele Anwendungen (z. B. Bluetooth, Mikrowellenherd, Radar-Bewegungsmelder, Videoübertragung usw.), genutzt, daher kann es zu Störungen kommen. Tabelle 5.3 zeigt einige WLAN Standards und deren Frequenzbereiche sowie Datenübertragungsraten.

Tabelle 5.3: Einige WLAN Standards und deren Frequenzbereiche sowie Datenübertragungsraten.
Tabelle 5.3: Einige WLAN Standards und deren Frequenzbereiche sowie Daten¬über¬tragungs¬raten.

Es wird die »Brutto«-Datenrate angegeben; d.h. die notwendigen »Verwaltungsdaten« sind inbegriffen. Die »Netto«-Datenrate kann bei der Hälfte der o.a. Datenraten liegen. Die Datenübertragungsrate ist u.a. auch davon abhängig, wie viele Sende- und Empfangsantennen parallel arbeiten.

Im 2,4-GHz-WLAN sind 14 Kanäle vorhanden, von denen praktisch nur 13 nutzbar sind. Der Abstand zwischen den nutzbaren Kanälen beträgt 5 MHz; die Bandbreite eines Kanals jedoch 20 MHz. Es kommt daher zwangsläufig zu Überschneidungen bzw. Störungen, wenn benachbarte Kanäle belegt werden. Es ist daher notwendig und üblich, nur jede 5. Kanalnummer zu verwenden (z.B. 1, 5, 9, 13).

Die Reichweite von WLAN-Systemen kann im Freien bis ca. 100 m angenommen werden. Innerhalb von Gebäuden ist sie stark abhängig von den verwendeten Baumaterialien in den Wänden und Decken. Bei den heute üblicherweise verwendeten Fensterverglasungen mit Silberbedampfung ist eine nahezu 100-prozentige Reflexion gegeben. Bei Baumaterialien spielt der Feuchtigkeitsgehalt eine bedeutende Rolle. Je höher die elektrische Leitfähigkeit des Materials ist, desto höher ist die Transmissionsdämpfung. Problematisch sind insbesondere Brandschutzkonstruktionen mit metallener Oberfläche bzw. Aluminium kaschierte Dampfbremsen. Es bleibt dann nichts anderes übrig, als weitere WLAN-Antennen über Kupfer-Datenkabel zu betreiben, um einen vorher nicht erreichbaren Bereich zu versorgen.

Im Hinblick auf die Gesundheitsvorsorge verwenden Bauherren teilweise auch bewusst Baustoffe mit höchster Transmissionsdämpfung in den raumumgebenden Wänden bzw. der Gebäudehülle, um die Immissionen hochfrequenter Einstreuungen zu minimieren. In solchen Gebäuden sind WLAN-Anwendungen kaum möglich. Die Anzahl von Personen mit aktiven Körperhilfsmitteln (z.B. Herzschrittmacher, Defibrillatoren) ist in den letzten Jahren stark angestiegen. Für solche Personen muss jeweils eine Individualbetrachtung zu den Immissionen elektromagnetischer Felder (EMF) durchgeführt werden, da »offizielle« Regelungen – wie z.B. die 26. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) – nicht anwendbar sind. Mobiltelefone (Empfangsgeräte auch für WLAN-Signale), die in geringem Abstand zum Implantat gehalten werden, gehören zu den Funkanwendungen, bei denen die Beeinflussung von Herzschrittmachern möglich ist. Als Alternative muss hier die Kabellösung angesehen werden.

Die angegebene Übertragungsrate bei WLAN-Systemen ist eine theoretische Größe. Wenn ein Endgerät einen Access Point für sich alleine nutzt und Sichtverbindung zur Sendeantenne besteht, können die maximal angegeben Datenraten erreicht werden. Wenn sich Endgeräte die Leistung eines Access Points teilen müssen und die elektromagnetische Welle Gebäudebauteile durchdringen muss, kann die Übertragungsrate auf ein Minimum abgesenkt werden.

WLAN-Installationen sind häufig in Mietwohnungen anzutreffen, da hier die Installation von Datenleitungen als zu aufwändig angesehen wird. Beliebt ist auch die Bewegungsfreiheit ohne »Kabelsalat«. Der zunehmende Trend bei Smartphones und Tablets, die nicht mehr über leitungsgebundene Schnittstellen verfügen, zwingt die Nutzer zur Installation von WLAN-Geräten. In Unternehmen werden WLAN-Access-Points oft als Ergänzung zu den leitungsgebundenen Infrastrukturen genutzt. Als problematisch wird bei einigen WLAN-Standards die »Abhörsicherheit« angesehen. Alte Verschlüsselungsstandards sowie fehlerhafte Einrichtungen von WLAN-Systemen können zu einem erheblichen Schaden für Unternehmen im Hinblick auf die Industriespionage führen.

Zusammenfassung

Ob Cu-Datenleitung, LWL-Datenleitung oder WLAN; alle Systeme haben ihre Vor- und Nachteile. Diese sind in Tabelle 5.4 aufgeführt.

In vielen gewerblich genutzten Gebäuden werden die Vorteile aller Systeme genutzt. LWL-Kabel verbinden Stockwerksverteiler und Gebäude miteinander; die Cu-Verkabelung ist die Grundinstallation zu den Arbeitssteckdosen und versorgt WLAN-Access-Points mit Daten und Energie. WLAN-Access-Points dienen der drahtlosen Anbindung von Smartphone und Tablet. Allerdings sollten solche Systeme im Hinblick auf mögliche Unsicherheiten in der Abhörsicherheit durch Fachleute installiert werden.

Tabelle 5.4: Gegenüberstellung der Eigenschaften von Cu, LWL und WLAN
Tabelle 5.4: Gegenüberstellung der Eigenschaften von Cu, LWL und WLAN

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Metallene Leiterwerkstoffe für Datennetze in der Gebäudeverkabelung

Seit der Übersendung der ersten Telegraphensignale und der daraus folgenden Installation von Übertragungsstrecken – ob oberirdisch oder unterirdisch – sind im Wesentlichen folgende Werkstoffe für Leiter von Kabeln und Leitungen zum Einsatz gekommen:

  • Kupfer (Metall)
  • Aluminium (Metall)
  • Glas (Glasfaser als Lichtwellenleiter)
  • Kunststoff (Polymere optische Faser als Lichtwellenleiter)

Für alle Leitermaterialien werden in den »Leitungstheorien« die physikalischen Eigenschaften bzw. Anforderungen definiert, mit dem Ziel, möglichst hohe Übertragungsraten bei möglichst großer Leitungslänge zuverlässig zu übertragen.

Im Verlaufe der letzten Jahrzehnte wurde immer wieder prognostiziert, dass sich eine Steigerung der Datenübertragungsrate über metallene Leiter dem Ende zuneigt bzw. so gut wie ausgereizt ist. Die Realität ist eine andere! Durch neue, ausgeklügelte Leitungskonstruktionen und die Herabsetzung von Fertigungstoleranzen wurden die Bandbreiten von Übertragungsstrecken ständig gesteigert.

Tabelle 5.4: Gegenüberstellung der Eigenschaften von Cu, LWL und WLAN
Tabelle 5.4: Gegenüberstellung der Eigenschaften von Cu, LWL und WLAN

Kupfer

Ausgeklügelte Leitungskonstruktionen wie z.B. das Verdrillen bzw. Verseilen von Aderpaaren und Leiterbündeln stellen höchste Anforderungen an den zu verarbeitenden Leiterwerkstoff. Grund genug, dass sich in der Informationstechnik bei den metallenen Werkstoffen Kupfer von Beginn an und bis heute durchgesetzt hat. Kupfer ist relativ weich, sehr zäh und lässt sich gut kalt und warm verformen. Nur mit diesen Eigenschaften ist es möglich, über die gesamte Leitungslänge eine homogene Beschaffenheit zu erzielen, welche Voraussetzung für hohe Datenraten ist. In der Leitungsherstellung kann eine Kupferader leicht in eine gewünschte Lage gebracht werden. Dabei kommt diesem Herstellungsschritt zugute, dass die dann herrschende Lage ohne Rückfederung beibehalten wird. Wichtige Aspekte sind auch die Kontaktierbarkeit sowie die Korrosionseigenschaften bei der Installation vor Ort. Kupfer oxidiert zwar an der Luft, jedoch behindert diese Oxidschicht die Kontaktierung in der Praxis nicht. Für den Installateur hat Kupfer den Vorteil, dass eine Leitungsader auch bei mehrmaligem Biegen in der Anschlussdose bzw. am Datenverteiler kaum bricht. Der hohe Leitwert von Kupfer macht die Anwendung der Fernspeisung (PoE: Power over Ethernet) über die Datenübertragung hinaus möglich.

Aluminium

Auf den ersten Blick besticht der Werkstoff Aluminium durch sein geringes spezifisches Gewicht und den derzeitigen geringen Preis. Trotzdem spielt Aluminium in der Informationstechnik als elektrischer Leiter eine sehr geringe Rolle. Nur die Verknappung des Kupfers in 1917/1918 gegen Ende des 1. Weltkrieges und das Kupferverwendungsverbot in den dreißiger Jahren führten zu Überlegungen, trotz der technischen Probleme bei Verbindungs- und Anschlusstechnik Aluminium als Leiterwerkstoff einzusetzen. Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminiumdrähten ist im Gegensatz zu Kupfer von der mechanischen und thermischen Behandlung abhängig. Aluminiumdrähte sind umso leitfähiger, je weicher sie sind. Aber auch bei gleicher Härte schwanken die Leitfähigkeitswerte in Abhängigkeit von der mechanischen und thermischen Vorbehandlung. Bei Telekommunikationskabeln kommt es jedoch auf genau gleiche Härte an, um in Hinblick auf hochwertige elektrische Eigenschaften eine gleichförmige Verseilung und einen homogenen Aufbau über die gesamte Leitungslänge zu erreichen. Weiterhin ist ein genau gleicher elektrischer Widerstand von Adergruppen notwendig [12]. Gegenüber Kupfer hat Aluminium einen um den Faktor 1,6 geringeren Leitwert. Diesen zu kompensieren, muss der Querschnitt um den gleichen Faktor erhöht werden. Dies macht Mehraufwendungen bei den Isolier- und Schirmungsmaterialien notwendig. Die Vorteile des geringeren Gewichtes und der Kosten werden bei Datenleitungen schnell aufgehoben. Bei der Vernetzung von Gebäuden ist oft eine hohe Anzahl von Datenleitungen zu verlegen. Bei der Anwendung von Aluminium als Leiterwerkstoff und erforderlicher Querschnittserhöhung hat diese Leitungsanlage einen höheren Raumbedarf bei Verlegesystemen, Wand- und Deckendurchbrüchen und innerhalb von Verteilungen. Auch dies führt zu Mehraufwendungen an Material und ggf. bei der Gebäudestatik. Aluminium ist nicht so gut plastisch verformbar wie Kupfer. Die Leitungsenden an Anschlussdosen mit den steifen Drähten brechen nach mehrmaligem Biegen ab. Aluminium ist zudem kerbempfindlich. Bei Abisoliervorgängen bzw. Kontaktierungsarbeiten können leicht Verletzungen entstehen, die eine weitere Bruchgefahr bedeuten. Problematisch wird dies, wenn das Drahtende im Inneren der Isolierhülle kurz vor dem Abbrechen steht und in diesem Zustand weiter betrieben wird. Der Fehler bleibt so lange unbemerkt, bis die Leitung einmal mit einem nennenswerten Strom z.B. durch PoE belastet wird. Dann schmilzt die Engstelle durch, was wiederum wegen des niedrigeren Schmelzpunktes und der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit von Aluminium wesentlich leichter vorkommen kann als bei Kupfer. Zudem überzieht sich Aluminium an der Luft sehr schnell mit einer harten, widerstandsfähigen Oxidschicht, die elektrisch nicht leitet und daher das Kontaktieren erschwert. Es können Übergangswiderstände auftreten, die die Übertragungsstrecke unbrauchbar machen. Der Werkstoff Aluminium neigt zum Langzeitfließen, was bei der Verbindungstechnik berücksichtigt werden muss, sonst lockern sich Verbindungsstellen allmählich, was zu Funktionsstörungen führt.

Feindrähtige bzw. feinstdrähtige Leiter können auf Basis von Aluminium als Leiterwerkstoff nicht hergestellt werden. Somit können Patchkabel nur auf der Basis von Kupferleitern produziert werden.

Verkupfertes Aluminium

Eine untergeordnete Rolle in der Gebäudeverkabelung für Datennetze spielen auch verkupferte Aluminiumleiter; u.a. mit der Bezeichnung CCA (Copper-Clad Aluminium) zu finden. Solche Produkte sind im Gegensatz zu reinen Kupferleitern zu niedrigen Kosten zu fertigen.

Teilweise werden CCA-Produkte als CAT 5 oder CAT 5e – Produkte ausgegeben.

Diese stimmen jedoch nicht mit den entsprechenden Standards der USA, internationalen und europäischen Normen überein. Es gibt viele Nachteile [17]:

  • Fehlende Standardtests zu den Übertragungseigenschaften
  • Schlechte Flexibilität im Hinblick auf die Verlegung und Installation
  • Erhöhte Betriebstemperaturen bei der Anwendung von PoE und PoEplus
  • Korrosion bzw. Oxidation an Verbindungsstellen reduzieren die Lebenszeit z.B. bei Vibration und anderen Bewegungen.

Für PoE-Anwendungen müsste der Querschnitt deutlich erhöht werden. Dies ist wiederum nachteilig bei räumlich beengten Verhältnissen. CCA-Leiter brechen schneller; die hochwertige Verdrillung und Verseilung ist durch den spröden Werkstoff nicht möglich.

Die EN 50173-2:2007 hat als Anwendungsbereich Verkabelungen mit symmetrischen Kupferkabeln und Lichtwellenleiterkabeln. Der Werkstoff »Aluminium« taucht überhaupt nicht auf.

Feindrähtige bzw. feinstdrähtige Leiter können auf Basis von CCA – wie bei Aluminiumleitern – nicht hergestellt werden. Somit können Patchkabel mit CCA nicht produziert werden.

In einigen Ländern wächst indes die Besorgnis, dass eine bedeutende Menge an CCA-Kommunikationskabeln als Kategorie 5e oder sogar Kategorie 6 ausgegeben werden [18]. Problematisch ist hierbei, wenn nach Abschluss der Installationsarbeiten eine messtechnische Prüfung nicht mit einem Kupferkabelzertifizierungs-Analyzer durchgeführt wird, sondern lediglich die Durchgängigkeit und PIN-Belegung getestet wird. Der Installateur bemerkt gar nicht, dass er hier ein nicht konformes Produkt eingesetzt hat, geht aber von einer normenkonformen Installation aus.

Das Abweichen von den anerkannten Regeln der Technik kann dann erhebliche Auswirkungen auf die »Werkerfüllung« haben.

Zusammenfassung

Die positiven Eigenschaften von Kupfer als Werkstoff für Leiter von Datenleitungen sind unübertroffen. Einige Eigenschaften werden in Tabelle 6.1 gegenübergestellt.

Die Normenverfasser der EN 50173 legen sich im Anwendungsbereich nur auf den Werkstoff Kupfer fest. Damit sind Gebäudeverkabelungen gemäß den anerkannten Regeln der Technik derzeit mit anderen Werkstoffen bzw. Werkstoffkombinationen nicht möglich.

Tabelle 6.1: Gegenüberstellung der Eigenschaften von Kupfer, Aluminium und Kupfer-kaschiertem Aluminium
Tabelle 6.1: Gegenüberstellung der Eigenschaften von Kupfer, Aluminium und Kupfer-kaschiertem Aluminium

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Schirm-Technologien

Vorteile geschirmter gegenüber ungeschirmten Datenleitungen

Vorteile von Schirmen aus Kupfer gegenüber Aluminium

Die äußere Schutzhülle von Fernmeldekabeln hatte in den Anfängen der Kabelherstellung zunächst die Funktion, das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Die sehr empfindlichen Seelen (Kabelbündel), u.a. mit Papierisolierung versehen, mussten zuverlässig mit einem dichten Mantel geschützt werden. Wegen seiner guten Verarbeitbarkeit wurde zunächst Blei verwendet, dann Aluminiummäntel und gewellte Stahl- und Aluminiummäntel. Alsbald wurde der Vorteil erkannt, dass ein solcher Metallmantel als statischer Schirm einen positiven Einfluss auf die Kapazitätsbedingungen der Aderpaare ausübt. Wurden Fernsprechkabel in der Nähe elektrischer Bahnen bzw. Starkstromkabel verlegt, wurden zur Minimierung der Starkstrombeeinflussung gut leitende und hochpermeable Materialien als Mantel bzw. Bandstahlbewehrung eingesetzt [19]. Solche Kabelmäntel führten im Betrieb teilweise erhebliche Induktions- und Streuströme. Bei Montagearbeiten – z.B. beim Durchtrennen der Kabelmäntel bzw. Abnehmen einer Metallmuffe – musste zuvor eine provisorische Verbindung (Bypass) geschaffen werden. Wurde dies vergessen, hat es an Berührungspunkten ordentlich gefunkt bzw. musste mit erheblichen Berührungsspannungen zwischen den Kabelmantelenden gerechnet werden.

Durch ständig steigende Ansprüche an zu übertragende Datenraten, höhere Übertragungsfrequenzen sowie teilweise extreme Anforderungen im Hinblick auf die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) war es notwendig geworden, die Hüllen um die nachrichtentechnischen Leiter immer aufwändiger zu gestalten.

Aus Hüllen wurden Schirme, die einen möglichst niedrigen Kopplungswiderstand für eine gute Schirmwirkung besitzen sollten. Der Kopplungswiderstand wird jeweils für eine bestimmte Frequenz in [mΩ/m] (Milliohm pro Meter) angegeben und ist abhängig vom Gleichstromwiderstand, dem Skineffekt und der Induktivität.

Datenleitungen mit und ohne Schirm

Die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bezeichnet die Fähigkeit eines technischen Betriebsmittels, andere Betriebsmittel nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte zu stören oder durch andere Betriebsmittel gestört zu werden. Um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern, kann demnach an »2 Schrauben gedreht werden«. Neben der Minimierung der Störaussendung kann ein Betriebsmittel so robust konstruiert werden, dass es auch in einer belasteten elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend funktioniert.

Bei symmetrischen Datenleitungen geschieht dies einerseits mit der Verdrillung von Aderpaaren sowie mit Verseilung der Aderpaare zu einem Bündel auf der einen Seite. Zusätzlich werden – je nach Qualität der Datenleitungen – die Aderpaare sowie die Bündel mit unterschiedlichen Konstruktionen und Werkstoffen geschirmt.

Folgende Abkürzungen beschreiben die verschiedenen Datenleitungstypen:

UTP Unshielded Twisted Pair – ungeschirmte, paarverseilte Datenleitung

FTP Foil Twisted Pair – foliengeschirmte paarverseilte Datenleitung

S/UTP Screened Unshielded Twisted Pair – geflechtgeschirmte, paarverseilte Datenleitung

S/FTP Screened Foil Twisted Pair – geflecht- und foliengeschirmte, paarverseilte Datenleitung

STP Shielded Twisted Pair – paargeschirmte Datenleitung

S/STP Screened Shielded Twisted Pair – geflecht- und paargeschirmte Datenleitung

Bild 7.1: FTP – Foil Twisted Pair – foliengeschirmte paarverseilte Datenleitung
Bild 7.1: FTP – Foil Twisted Pair – foliengeschirmte paarverseilte Datenleitung

Nicht nur elektrische und magnetische Felder in der Umgebung von Datenleitungen haben einen Einfluss auf die Datenübertragung. Es reicht die Anwesenheit von Metallrohren, Brüstungskanälen oder weiterer metallener Objekte in unmittelbarer Umgebung, welche Rückwirkungen auf die Kapazität, Eingangsimpedanz sowie Rückflussdämpfung haben und somit Systemstörungen verursachen können. Ein vorhandener metallener Schirm beeinflusst das elektrische Feld im Nahbereich der Aderpaare und verbessert somit die Störfestigkeit, sodass sich in der Nähe befindliche metallene Objekte kaum auf die Datenübertragung auswirken. Zu diesem Zweck reicht eine einfache Aluminiumfolie.

Bild 7.2: S/UTP – Screened Unshielded Twisted Pair – geflechtgeschirmte, paarverseilte Datenleitung
Bild 7.2: S/UTP – Screened Unshielded Twisted Pair – geflechtgeschirmte, paarverseilte Datenleitung

Auch bei kapazitiver Störbeeinflussung – hier ist die elektrische Spannung bzw. das elektrische Feld die Störgröße – reicht bei kurzen Leitungslängen ein statischer Schirm (St) mit dünner Aluminiumfolie, welcher zumindest einseitig mit dem Potentialausgleichssystem verbunden ist. Bei langen Leitungsstrecken muss entweder die Folie dicker ausgeführt oder zu einem Kupfergeflecht gegriffen werden.

Bild 7.3: S/FTP – Screened Foil Twisted Pair – geflecht- und foliengeschirmte, paarverseilte Datenleitung
Bild 7.3: S/FTP – Screened Foil Twisted Pair – geflecht- und foliengeschirmte, paarverseilte Datenleitung

Bei induktiver Störbeeinflussung ist der sich ändernde elektrische Strom bzw. das magnetische Feld die verursachende Größe. Bei Datenleitungen bilden die Hin- und Rückleitungen (Kupferadern) eine Fläche bzw. Schleife, in der bei Durchdringung durch zeitlich veränderliche magnetische Feldlinien eine Störspannung induziert wird. Durch die Verdrillung der Aderpaare wird die induzierte Störspannung bereits dadurch reduziert, dass sich die Induktionsrichtung regelmäßig umkehrt. Eine erhebliche Minimierung der Störbeeinflussung durch veränderliche Magnetfelder kann durch einen Schirm aus Kupfergeflecht erreicht werden.

Bild 7.4 zeigt, dass wendelförmig überlappend aufgebrachte Bänder einen ungünstigen Kopplungswiderstands-Verlauf aufweisen. Ein Kupferrohr würde einen beinahe idealen Kopplungswiderstand liefern; allerdings wäre eine solche Leitung kaum bzw. nicht zu verlegen. Gute Ergebnisse in Bezug auf den Kopplungswiderstand sowie die Verlegefähigkeit zeigen Schirme aus Kupfergeflecht.

Bild 7.4: Kopplungswiderstand verschiedener Schirmkonstruktionen [12]
Bild 7.4: Kopplungswiderstand verschiedener Schirmkonstruktionen [12]

1 Einfachgeflecht

2 Doppelgeflecht

3 Vollkommen geschlossener HF-dichter Mantel (Kupferrohr)

4 Rohr mit Längsspalt 0,2 mm

5 Wendelförmig überlappend aufgebrachte Bänder

Bei hohen, mit einer geringen Leistung übertragenen Datenraten über symmetrisch aufgebaute Leiter ist eine Schirmung mit einem geringen Kopplungswiderstand von großer Bedeutung; insbesondere dann, wenn die Leitungen in geringer Nähe zu Störquellen verlegt werden. Durch den Einsatz von Leistungselektronik in Niederspannungsanlagen und die Beanspruchung eines Frequenzbereiches bis einige Megahertz [MHz] muss bei nachrichtentechnischen Gebäudeverkabelungen stets mit Störquellen in der Nähe von Datenleitungen gerechnet werden.

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Einfluss des Potentialausgleiches

Einen enormen Einfluss auf die Störempfindlichkeit von Datenleitungen hat auch die Art und Weise des Einbeziehens des Schirmes in den Potentialausgleich. Die Versuchsreihe in [20] zeigt den Einfluss von Potentialausgleichsmaßnahmen an den Schirmen der Leitungsenden sowie unterschiedlichen Schirmkonstruktionen.

Bild 7.5: Messaufbau Bitfehlermessung [20]
Bild 7.5: Messaufbau Bitfehlermessung [20]

An jeweils 20 Meter langen Datenleitungen, die zusammen mit einer Niederspannungsleitung für die Versorgung eines durch Frequenzumrichter geregelten Asynchronmotors in einem Kabelkanal verlegt sind, wurden Bitfehlermessungen durchgeführt. Die Messdauer pro Versuch betrug 2 Minuten; die Übertragungsrate wurde mit 140 Mbit/s gewählt. Es wurden folgende Ergebnisse erzielt (Tabelle 7.1):

Tabelle 7.1: Wirksasmkeit von Potentialausgleichs-Maßnahmen
Tabelle 7.1: Wirksasmkeit von Potentialausgleichs-Maßnahmen

Wird keine Potentialausgleichsmaßnahme durchgeführt, hat der Schirm gegenüber elektrischen und magnetischen Feldern die geringste Wirkung; dementsprechend ist die Anzahl der Bitfehler am höchsten. Bei einseitiger Verbindung des Leitungsschirmes mit dem Potentialausgleich sinkt die Bitfehlerrate deutlich ab (Wirkung gegenüber elektrischen Feldern, kapazitive Kopplung). Bei beidseitigem Einbeziehen des Schirmes in den Potentialausgleich sind nur noch wenige bzw. keine Bitfehler zu verzeichnen; jetzt wirkt der Schirm auch gegen magnetische Felder und induktive Einkopplungen. Gemäß dem Induktionsgesetz wird in einem geschlossenen Stromkreis ein Strom eingekoppelt, welcher der Ursache (Störquelle) entgegenwirkt (Bild 7.6).

Bild 7.6: Induktiver Stromkreis
Bild 7.6: Induktiver Stromkreis

Der induktive Stromkreis schließt sich wie folgt:

Am geschirmten Patchpanel im Datenverteiler wird der Schirm(-leiter) der Datenleitung angeschlossen; das Patchpanel ist über eine Potentialausgleichsleitung mit der Potentialausgleichsschiene verbunden. Der Schirm der Datenleitung ist mit der geschirmten RJ45-Datendose verbunden. Über ein geschirmtes Patchkabel wird der PC mit der RJ45-Datendose verbunden. Im PC liegt eine galvanische Verbindung zwischen der Netzwerkkarte / RJ45-Buchse und dem Schutzleiter der Netz-Anschlussleitung vor. Über den Schutzleiter der Schuko-Steckdose, den Schutzleiter der Endstromkreisleitung und die Verbindung des Schutzleitersystems der Elektroanlage über eine Potentialausgleichsleitung mit der Potentialausgleichsschiene schließt sich der induktive Kreis.

Problematisch ist in der Praxis, dass nicht sicher gestellt ist, dass in den PCs, Laptops usw. eine galvanische Verbindung zwischen der Netzwerkkarte / RJ45-Buchse und dem Schutzleiter der Netzanschlussleitung vorliegt. So muss im Rahmen der Installation der Gebäudeverkabelung entschieden werden, ob die geschirmten RJ45-Datendosen mit einer Potentialausgleichsleitung mit dem Potentialausgleichssystem verbunden werden. Nur dann ist sicher gestellt, dass beide Enden der Datenleitungsschirme mit dem Potentialausgleichssystem verbunden sind.

Der Gesamtkopplungswiderstand des Schirmungssystems ist von folgenden Punkten abhängig:

  • Datenleitungsschirm / Geflechtaufbau
  • Qualität der Schirmauflage am Patchpanel
  • Qualität der Schirmauflage an der RJ45-Datendose
  • Impedanz des Potentialausgleichssystems

An dieser Stelle ist leicht zu erkennen, dass ein möglichst niedriger Gesamtkopplungswiderstand nur mit einem Kupfergeflecht als Datenleitungsschirm erreicht werden kann. Der o.a. Test (Tabelle 7.1) zeigt, dass hierbei die niedrigsten Bitfehlerraten erzielt werden.

Folienschirme aus Aluminium haben hier zu hohe Kopplungswiderstände. Wie bereits beschrieben, sind feinstdrähtige Anordnungen bzw. die Herstellung eines Aluminiumgeflechtes aufgrund der schlechten Biegefähigkeit von Aluminium nicht möglich.

Kupfergeflechtschirme leisten zudem bei Leitungsbündeln einen Beitrag zur Wärmeabfuhr bei Fernspeisungen (Power over Ethernet, PoE).

Die Installation einer Gebäudeverkabelung bei beidseitigem Einbeziehen der Datenleitungsschirmenden in den Potentialausgleich stellt im Hinblick auf die EMV dezidierte Anforderungen an die Elektroanlage; diese werden im nächsten Beitrag beschrieben.

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EMV-Anforderungen an elektrische Anlagen

Energietechnische Anlagen störten sich in der Vergangenheit gegenseitig nicht, wenig oder nur selten. Auch fernmeldetechnische Anlagen, die fernab jeglicher energietechnischer Anlagen installiert sind, funktionieren so gut wie ungestört. Erst das Nebeneinander energie- und nachrichtentechnischer Anlagen kann zu Störungen führen. Bereits vor über 100 Jahren musste beim Betrieb der Wechselstromtelegraphie mit Signalrückführung über die Erde festgestellt werden, dass diese durch »Starkstromfelder«, Gleichstromsignal- oder Messstromkreise und Fernwirkanlagen gestört werden [5]. Bereits vor der Gründung des VDE (1893) wurde in 1887 in Berlin ein Ausschuss zum Studium der Beeinflussungsfragen gegründet [21]. Heute existiert das EMV-Gesetz [12]; darin sind grundlegende Anforderungen an die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) festgelegt. Im Sinne des Gesetzes sind »Betriebsmittel« Geräte und ortsfeste Anlagen. Betriebsmittel müssen nach dem Stand der Technik so entworfen und hergestellt sein, dass

1. die von ihnen verursachten elektromagnetischen Störungen keinen Pegel erreichen, bei dem ein bestimmungsgemäßer Betrieb von Funk- und Telekommunikationsgeräten oder anderen Betriebsmitteln nicht möglich ist;

2. sie gegen die bei bestimmungsgemäßem Betrieb zu erwartenden elektromagnetischen Störungen hinreichend unempfindlich sind, um ohne unzumutbare Beeinträchtigung bestimmungsgemäß arbeiten zu können.

Doch wie funktioniert eine Störung?

Hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften werden bei beiden »Disziplinen« folgende Felder unterschieden:

  • Elektrische Wechselfelder (Niederfrequenz)
  • Magnetische Wechselfelder (Niederfrequenz)
  • Elektromagnetische Wellen (Hochfrequenz)
  • Elektrische Gleichfelder (Elektrostatik)
  • Magnetische Gleichfelder (Magnetostatik)

Mit dem Beeinflussungsmodel [22] wird der »Weg« von der Störquelle (Verursacher eines physikalischen Feldes) bis zur Störsenke (»Empfänger« eines physikalischen Feldes) und der Kopplungsmechanismus dargestellt (Bild 8.1).

In der EMV wird zwischen der leitungsgebundenen und der feldgebundenen Kopplung unterschieden. Bei der leitungsgebunden wird auch von galvanischer Kopplung gesprochen.

Bild 8.1: Beeinflussungsmodell
Bild 8.1: Beeinflussungsmodell

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Galvanische Kopplung

Elektrische Anlagen der Energieverteilung in Gebäuden müssen besonders unter dem Gesichtspunkt gesehen werden, dass Anlagen der Informationstechnik z.B. über Schutz- und Potentialausgleichsleiter mit ihr in galvanisch leitfähiger Verbindung stehen:

  • Telekommunikationsanlage
  • EDV-Anlage
  • Blitzschutzanlage
  • Mess-, Steuer- und Regelungstechnik
  • An der Elektroanlage angeschlossene Geräte
  • Warn- und Meldeanlage

Da zusätzlich eine galvanische Verbindung zum »öffentlichen« Energieverteilungssystem des Netzbetreibers besteht, sind auch hier die wechselseitigen Beziehungen zu berücksichtigen. Bei den feldgebundenen Kopplungen unterscheidet man zwischen:

  • Induktiver Kopplung – Ursache: magnetisches Wechselfeld
  • Kapazitiver Kopplung – Ursache: elektrisches Wechselfeld
  • Strahlungs- oder hochfrequente Kopplung – Ursache: Elektromagnetische Wellen

Induktive Kopplung

Insbesondere bei hohen Strömen, z.B. im Bereich des Transformators, der Niederspannungshauptverteilung, der Haupt- und Verteilungsleitungen sowie bei Blitzentladungen können bei ungünstigen Situationen oder Anordnungen hohe Ströme in Teile der Elektroanlage oder Anlagen der Informationstechnik induktiv eingekoppelt werden, die dann zu Datenverlusten, Fehlfunktionen oder gar zur Zerstörung von Komponenten führen können.

Kapazitive Kopplung

Kapazitive Kopplungen bereiten z.B. in der medizinischen Diagnostik große Probleme. Insbesondere dort, wo geringste Körperpotentiale wie bei EKG-Untersuchungen (Elektrokardiogramm) sicher erfasst werden müssen, ist es erforderlich, kapazitive Einkopplungen u.a. durch Maßnahmen der Potentialsteuerung zu minimieren.

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Einkopplung hochfrequenter Felder (Strahlungskopplung)

Die massenhafte Anwendung drahtloser Techniken zur Übertragung von Informationen und der damit verbundenen Allgegenwart elektromagnetischer Wellen führt beispielsweise dann zu Störungen, wenn die Abmessung eines elektrotechnischen Bauteils oder eines elektrisch leitfähigen Objekts mit der Größenordnung der Wellenlänge eines hochfrequenten Signals korreliert. Auch die Anwendung elektronischer Vorschaltgeräte (EVG) mit Arbeitsfrequenzen von ca. 25 Kilohertz [kHz] bis ca. 150 kHz führt z.B. zu Störungen des Langwellen-Rundfunks oder zu Funktionsstörungen bei Funkuhren. Neben diesen Kopplungen müssen noch die Feldeinflüsse durch

  • elektrische Gleichfelder und
  • magnetische Gleichfelder

genannt werden.

Im Prinzip sind die Ursachen für die feldgebundenen Kopplungen bzw. Beeinflussungen die bereits o.a. 5 physikalischen »Feldarten« [3].

Es sind vorwiegend wirtschaftliche Gründe, die dazu führten, dass sich Informationstechnik, Energietechnik und elektrische Bahntechnik die Erde als Rückleiter »brüderlich« teilen. Bis in die heutige Zeit haben sich diese Systeme fast unverändert gehalten. Bis auf wenige Ausnahmen hat dieses Prinzip gut funktioniert. Die zunehmende Installation von empfindlichen elektronischen Systemen, Datenübertragungen mit Nutzsignalen im Milli- bzw. Mikrovoltbereich sowie die Entwicklung und der breite Einsatz so genannter nichtlinearer Verbraucher, wie Schaltnetzteile, Frequenzumrichter usw. bereiten heute aber so große Probleme, dass Vordenker der Elektrobranche die historisch gewachsenen Energieverteilungssysteme und deren Aufbau mit einem »dicken Fragezeichen« versehen. Längst stören Streuströme, auch vagabundierende Ströme genannt, Datenübertragungen und elektronische Systeme. Durch Streuströme verursachte magnetische Wechselfelder bringen Bildschirme zum Flimmern, stören Datenübertragungen, verhindern medizinische Diagnosen mit EKG, EEG, EMG, induzieren Störströme in empfindliche Stromkreise z.B. der Sicherheitstechnik und führen zu Brummgeräuschen in Tonstudios.

In der Nachrichtentechnik hat die gute alte »Erdtaste«, welche jahrzehntelang die »Amtsholung« (Verbindung zum öffentlichen Fernmeldenetz) einleitete, bereits ausgedient. Der Rückleiter »Erde« wird hier nicht mehr verwendet.

Bei der elektrischen Energieverteilung der Netzbetreiber (NB), beim elektrischen Bahnbetrieb und in der häuslichen Elektroinstallation hält man aber weiter am Leiter »Erde« fest.

Die Erdung, insbesondere die Schutz- und Betriebserdung, spielte in der Vergangenheit die Rolle, wenn es um Sicherheits- und Errichtungsbestimmungen ging. Dass »zu viel« Erdung auch Nachteile im Hinblick auf die EMV haben kann, wurde bis vor wenigen Jahren selbst in den Errichtungsnormen für Elektroanlagen (VDE 0100) nicht behandelt.

Zwei Zitate sollen verdeutlichen, welch unterschiedliche Aufmerksamkeiten den Begriffen Schutzmaßnahme und EMV geschenkt werden:

»Den Schutzmaßnahmen wird vielfach nicht die erforderliche Aufmerksamkeit zugewendet, da die Anlagen auch ohne sie betrieben werden können; weil sie aber zum Schutz der Menschen erforderlich sind, muss ihnen sogar höchste Aufmerksamkeit geschenkt werden«

Heute gilt Ähnliches zur EMV, nur umgekehrt: »Man bekommt ohne sie keinen elektrischen Schlag, aber die Anlage funktioniert nicht. Daher muss heute der EMV nach VDE 0100 erhöhte Aufmerksamkeit gewidmet werden.« (beide Zitate aus [21]).

Bis vor einigen Jahrzehnten musste ein Planer oder Errichter kaum oder keine Kenntnisse zur EMV vorweisen. Es genügte im Wesentlichen, folgende Aspekte bei der Planung bzw. Errichtung einer Anlage zu berücksichtigen:

  • Schutz von Personen (und Tieren)
  • Schutz von Sachen
  • Schutz der Funktion

Mit der massenhaften Nutzung informationstechnischer Anlagen in Gebäuden muss jedoch auch deren Funktion sichergestellt werden. Insbesondere alte Elektroanlagen – hierauf wird noch näher eingegangen – sind für den Betrieb informationstechnischer Anlagen nicht vorbereitet und nicht geeignet. Für das Funktionieren von energietechnischen neben informationstechnischen Anlagen muss nun ein weiterer Gesichtspunkt – die Elektromagnetische Verträglichkeit – berücksichtigt werden.

In Gebäuden wurde in der Vergangenheit, insbesondere in den Haupt- und Verteilungsstromkreisen, nur 4-adrig verlegt. Neben den 3 Außenleitern vereinigte der PEN-Leiter die Funktionen N-Leiter (Rückleiter) und PE-Leiter (Schutzleiter). Da mit dem Schutzleiter das Erdungs- und Potentialausgleichssystem verbunden wurde, flossen über galvanische Verbindungen die Rückströme über alle leitfähigen Objekte (sanitäre Rohre, Gebäudekonstruktionen, Leitungsschirme usw.). Alle leitfähigen Objekte bildeten quasi einen Bypass bzw. eine Parallelschaltung zum PEN-Leiter.

Fließt ein Teil des Stromes (Streustrom) nicht im PEN-Leiter zurück, dann spricht man von sogenannten nichtausgeglichenen bzw. nichtkompensierten Systemen (Leitungen, Kabel), und es entsteht entlang der Leitungsführung ein Magnetfeld. Weitere Magnetfelder entstehen entlang den Streustrom führenden Objekten.

Wird eine hohe Anzahl an Datenleitungen mit Kupferleitungsschirmen verlegt, die an beiden Leitungsenden mit dem Potentialausgleichssystem verbunden werden, können extrem hohe Streustromstärken entstehen.

Bild 8.2: TN-C-System
Bild 8.2: TN-C-System

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Die Grundlage für einen störungsarmen Betrieb im Gebäude ist die getrennte Führung des Neutral- und Schutzleiters; das sogenannte TN-S-System mit 5 Leitern (»S« steht für »seperate« – Bild 8.3). Wenn es in den letzten Jahren auch eine »schwierige Geburt« war, diese Netzform in den Regelwerken generell zu fordern, ist das TN-S-System heute allgemein anerkannte Regel der Technik und wird in der Praxis bei Neuinstallationen grundsätzlich so angetroffen.

Bild 8.3: TN-S-System
Bild 8.3: TN-S-System

Beim TN-S-System ist das Erdungs- und Potentialausgleichssystem mit einem Schutzleiter verbunden, der möglichst (oder hoffentlich) stromlos ist. Somit ist das gesamte Erdungs- und Potentialausgleichssystem ebenfalls stromlos und erzeugt keine Magnetfelder.

Problematisch sind Gebäude, welche an die öffentliche Stromversorgung angeschlossen sind. Im TN-System, welches in Deutschland zu 85 % verbreitet ist, wenden die Netzbetreiber grundsätzlich 4-adrige Leitungssysteme mit einem PEN-Leiter an (TN-C-System – Bild 8.2). Zwar kann ab dem Hausanschlusskasten bzw. der Zählerverteilung eine Auftrennung des PEN-Leiters in separate Neutral- und Schutzleiter erfolgen, in Summe ergibt sich jedoch kein »reines« TN-S-System, sondern ein TN-C-S-System.

Durch Forderungen in diversen Regelwerken müssen bei neu gebauten Gebäuden in Deutschland Fundamenterder errichtet werden. Durch einen enormen Materialeinsatz in und außerhalb der Betonplatte entstehen dabei relativ geringe Erdungswiderstände mit der Folge, dass über die im TN-C-System geforderte Verbindung des PEN-Leiters mit der Haupterdungsschiene und der Erdungsanlage enorme Streuströme fließen können. Im Umfeld der Erdungs- und Potentialausgleichsanlagen, die sich im Keller bzw. im Erdgeschoss von Gebäuden befinden, können u.U. beachtliche magnetische Wechselfelder gemessen werden. Magnetische Wechselfelder können Störungen an Datenübertragungen, medizinische Diagnoseverfahren wie EKG, EEG, EMG, Einrichtungen der Sicherheitstechnik und bei Aufnahmen in Tonstudios verursachen.

In der Praxis können einige Störungen nur durch Abtrennen der (teuren) Erdungsanlage vom Schutzleiter minimiert werden. Alternativ kann die Versorgung über einen eigenen Transformator erfolgen; dann kann das TN-S-System realisiert werden.

Bild 8.4: Streuströme im TN-C-System über die Erdungsanlagen der Gebäude
Bild 8.4: Streuströme im TN-C-System über die Erdungsanlagen der Gebäude

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Zusammenfassung

Die zunehmenden Anwendungen empfindlicher Informationstechnik (auch Medizintechnik) führen zu notwendigen und zusätzlichen Maßnahmen im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit.

Bei Fernübertragungen hat man daher solche Techniken nahezu aufgegeben, bei denen die Signalstromrückführung über das Erdreich erfolgte.

In Gebäuden musste Zug um Zug die Energieversorgung von 4- auf 5-adrige Leitungen umgestellt werden, damit keine Streuströme in das Schutz- und Potentialausgleichssystem eingekoppelt werden.

Die öffentliche Stromversorgung im Niederspannungsnetz bleibt jedoch wohl noch auf ewige Zeiten beim 4-adrigen System. Wird nun beim TN-System der PEN-Leiter mit niederohmigen Erdungsanlagen verbunden, sind hohe Streuströme die Folge.

Die Forderung nach solchen Erdungsanlagen dürfte nicht mehr zeitgerecht und im Sinne der Elektromagnetischen Verträglichkeit sein.

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Literatur

[1] Aschoff, Volker: Geschichte der Nachrichtentechnik; Beiträge zur Geschichte der Nachrichtentechnik von ihren Anfängen bis zum Ende des 18. Jahrhunderts; korrigierter Nachdruck; Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1984

[2] Pichler, Franz: Aufsätze zur Geschichte der Informationstechnik; Telegraphie, Fernsehen, Elektronik, Signalverarbeitung; Schriftenreihe Geschichte der Naturwissenschaften und der Technik – Johannes Kepler Universität Linz, Band 20, Universitätsverlag Rudolf Trauner, 2010

[3] Rudolph, Wilhelm: Einführung in die DIN VDE, Elektrische Anlagen von Gebäuden, VDE-Schriftenreihe 39, 2. Auflage, VDE-Verlag GmbH Berlin-Offenbach, 1999

[4] Rudolph, Wilhelm; Winter, Otmar: EMV nach VDE 0100; VDE-Schriftenreihe 66, 3. Auflage, VDE-Verlag GmbH Berlin-Offenbach, 2000

[5] Lapp: Die Verteilung elektrischer Energie/Schnelle Lichtwellen übertragen informative Impulse, 2. Auflage 1998, Copyright bei Andreas Lapp in U. I. Lapp GmbH & Co.KG

Die Informationstechnik im Sinne dieses Gesetzes umfasst alle technischen Mittel zur Verarbeitung oder Übertragung von Informationen.

[6] DIN Fachbericht 36: Gliederung der Informationstechnik – der Versuch einer Klärung; Ad-hoc-Arbeitskreis Gliederung der Informationstechnik, Stand 1992, 1. Auflage; Herausgeber: DIN Deutsches Institut für Normung e.V. Berlin; Beuth Verlag GmbH Berlin Köln

[7] Gesetz über das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI-Gesetz - BSIG), Ausfertigungsdatum: 14.08.2009

[8] Craemer, P. (Herausgeber); A. Kunert in: Geschichte der deutschen Fernmeldekabel; erster Teil, Verlag von E.S. Mittler & Söhne / Berlin 1940, Seite 2.

[9] Schmidt, Friedemann u. Zimmer, Andreas: Mittelspannungsanlagen, 3. Auflage, huss-Verlag, ISBN 978-3-341-01623-9, 2016

[10] Reuter, Michael: Telekommunikation; Aus der Geschichte in die Zukunft; ISBN 3-7685-0990-7, Decker´s Verlag, G. Schenck, Heidelberg, 1990.

[11] Geschichte der Elektrotechnik 3; eine Chronologie der Entdeckungen und Erfindungen vom Bernstein zum Mikroprozessor; ISBN 3-8007-1454-X, VDE-Verlag, 1986.

[12] Ehlers, W. u. Lau, H.: Kabel-Herstellung; Kabelaufbau, Werkstoffe, Verfahrenstechnik; ISBN-13: 978-3-642-92671-6, Springer-Verlag OHG Berlin-Göttingen-Heidelberg, 1956.

[13] Jung, V. u. Warnecke, H.-J.: Handbuch für Telekommunikation; ISBN 978-3-642-97703-9; Springer, 1998.

[14] Handbuch der Fernmeldetechnik – Buchreihe AFt – Band C3 Unterirdischer Linienbau; Herausgeber: Bundesminister für das Post- und Fernmeldewesen; 10. Auflage, Deutsche Postgewerkschaft – Hauptvorstand – Verlag, 6 Frankfurt 1, 1971.

[15] Neue Medien; Kabel- und Satellitenrundfunk, Band 3, Deutscher Gemeindeverlag Verlag W. Kohlhammer, 1986

[16] Telekom und Nokia erreichen mit Kupfer Glasfaser-Geschwindigkeiten; heruntergeladen am 16.01.2018

[17] Mike Gilmore, Technical Director, FIA: FIA-IAN-002, Infrastructure Advisory Note: THE IMPACT OF COPPER CLAD ALUMINIUM (AND STEEL) CONDUCTORS WITHIN BALANCED PAIR CABLES (INTENDED FOR USE WITHIN IMPLEMENTATIONS OF GENERIC CABLING), 10/2011

[18] FLUKE networks: Anwendungshinweis: Verkupferte Aluminiumkabel (CCA); 01.10.2017. Internetaufruf am 13.02.2018: www.fluke.com

[19] Ehlers, W. u. Lau, H.: Kabel-Herstellung; Kabelaufbau, Werkstoffe, Verfahrenstechnik; ISBN-13: 978-3-642-92671-6, Springer-Verlag OHG Berlin-Göttingen-Heidelberg, 1956

[20] unilan; Handbuch der universellen Gebäudeverkabelung; Herausgeber: Dätwyler AG, Kabel + Systeme, CH-646 Altdorf; ISBN 3-9521563-0-2, 1998

[21] Rudolph, Wilhelm: Einführung in die DIN VDE, Elektrische Anlagen von Gebäuden, VDE-Schriftenreihe 39, 2. Auflage, VDE-Verlag GmbH Berlin-Offenbach, 1999

[22] Schmolke, Herbert; EMV-gerechte Errichtung von Niederspannungsanlagen; Planung und Errichtung elektrischer Anlagen nach den Normen der Gruppen 0100 und 0800 des Vorschriftenwerks; VDE-Schriftenreiche Nr. 126, VDE Verlag GmbH, ISBN 978-3-8007-2973-9, 2008