Stromversorgungen für das Smart Home

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  • Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, müssen auch Stromversorgungen für Smart-Home-Anwendungen eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen.Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, müssen auch Stromversorgungen für Smart-Home-Anwendungen eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen.

Bei mehr Komfort Energiekosten reduzieren: Das lässt sich dank intelligenter Smart-Home-Anlagen umsetzen. Entscheidend dabei sind die richtigen Stromversorgungen. Installateure sollten deshalb nicht nur auf die elektrischen Leistungswerte der Netzteile im Blick haben, sondern auch auf Platzbedarf oder Arbeitstemperaturbereich achten.

 

Ob Jalousien, Beleuchtung, die Schließ-  oder Heizungsanlage: Im Eigenheim lässt sich dank intelligenter Haus- und Gebäudesystemtechnik einiges automatisieren. Das erhöht den Komfort und die Sicherheit, und spart zudem Energie. In einer Langzeitstudie hat das Institut für Informatik und Automation der Hochschule Bremen die Einsparpotenziale ermittelt: Durch eine busgestützte Heizungsregelung lassen sich die Energiekosten um 50 Prozent senken, und durch eine tageslichtabhängige Beleuchtungssteuerung um 20 Prozent. Für seine Untersuchungen hat das Institut über mehrere Jahre den Energieverbrauch zweier nahezu identischer Seminarräume gemessen und verglichen.

Um Smart-Home-Systeme umzusetzen, braucht es zahlreiche Sensoren, Aktoren und Steuerelemente, die zuverlässig mit Strom versorgt werden müssen, um zu funktionieren. Der deutsche Hersteller Inpotron liefert hierfür leistungsfähige Netzteile.

 

Bus statt Stern

Ein Weg, die Elektroinstallation in einem Neubau flexibel zu gestalten, führt über eine durchgängige Sternverkabelung. Dabei werden alle Steckdosenkreise, Decken- und Wandauslässe und Lichtschalter mit einer separaten, am besten fünfadrigen NYM-Leitung auf eine zentrale Verteilung geführt und dort verdrahtet. Über Schütze, Schaltrelais und SPS lässt sich dann eine halbwegs intelligente Haussteuerung programmieren. Der Nachteil dieser Ausführung ist offensichtlich: Der Aufwand ist enorm, eine Erweiterung ist mit hohen Kosten verbunden.

Besser geeignet ist ein logisches Bussystem, über das angeschlossene Sensoren, Aktoren und Steuerungsinstanzen gebäudeweit Informationen austauschen und Aktionen ansteuern. Der Lichtschalter kommuniziert beispielsweise mit dem Dimmer der LED-Beleuchtung, Bewegungsmelder sorgen für Licht im Treppenhaus und Präsenzmelder für das automatische Herunterregeln der Heizung, sobald alle Personen das Haus verlassen haben.

In der professionellen Haustechnik hat sich der KNX-Feldbus durchgesetzt.

Dieser wurde speziell für die Anforderungen der Elektroinstallation entworfen. Und: KNX ist ein weltweiter Standard. Somit bildet der Feldbus die Grundlage für eine intelligente Haustechnik, die auch in vielen Jahren noch problemlos erweitert werden kann.

 

Keine Funktion ohne Strom

Grundlage für jedes Smart Home ist die Stromversorgungseinheit der aktiven Komponenten. Spezielle Netzteile erzeugen die KNX-Systemspannung. Wichtig zudem: KNX verwendet einen logischen, strukturierten Aufbau aus Linien, Bereichen und Einheiten. Eine Linie kann aus maximal 64 Teilnehmern bestehen. Ein Teilnehmer ist ein Gerät mit einem integrierten Busankoppler (BA), einem aufgabenspezifischen Busendgerät (BE) und einer Applikationssoftware.

Diese Topologie stellt sicher, dass auch beim Ausfall einer Linie das restliche System funktionsfähig bleibt. Die Nennspannung des KNX-Systems beträgt 24 V. Das Netzteil versorgt die Teilnehmer mit 28 bis 31 V Gleichspannung. Die Datenkommunikation wird mit der Datenübertragungsgeschwindigkeit von 9.600 Bit/s auf die Versorgungsspannung auf moduliert. Je nach Ausführung kann eine Linie applikationsspezifisch mit 160, 320, 640, 960 und 1.280 mA belastet werden. Spannungs- und Strombegrenzungsschaltungen sowie eine Übertemperaturabschaltung gehören zur Grundausstattung eines guten KNX-Netzteils.

Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, müssen auch KNX-Stromversorgungen eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen. In Punkto Störaussendung müssen sie die Normen EN61000-3-2:2006+A1/A2:2009 Klasse A und EN55022:2010 Klasse B erfüllen, bei der Störfestigkeit die Standards EN61000-6-1:2007 und EN61000-6-2:2005.

 

Geplante Anzahl der Teilnehmer

Die Art der angeschlossenen Teilnehmer bestimmt die Belastung des Busses. Jeder Teilnehmer entnimmt dem Bus typisch 5 mA, bei zusätzlichem Strombedarf im Endgerät bis zu 10 mA (zum Beispiel LEDs). Aus der Zahl und Funktion der Linien und der angeschlossenen Komponenten errechnet sich die Anzahl und Auslegung der benötigten Netzteile.

Bei einer Linie mit maximal 32 Teilnehmern wird ein 320-mA-Netzteil verwendet, bei maximal 16 Teilnehmern ein 160-mA-Netzteil. In der Praxis wird mit einer Reserve von 20 Prozent geplant, da in der Betriebszeit des KNX-Systems Erweiterungen hinzukommen können. Deshalb wird ab 52 Teilnehmern eine neue Linie eingeführt. Jede Linie benötigt ihre eigene Spannungsversorgung für die Teilnehmer. Bei vielen Linien und herkömmlichen KNX-Netzteilen für die Hutschienen-Montage kann es dabei schon einmal eng werden im Schaltschrank.

Selten, aber nicht ausgeschlossen sind Ausfälle des Stromversorgungsnetzes. Beispielsweise wenn ein Blitz in eine Trafostation einschlägt. Kurze Netzunterbrechungen von bis zu 100 ms puffern KNX-Netzteile eigenständig. Bei längeren Ausfällen sollte das Netzteil so konzipiert sein, dass es auf eine Notstromversorgung zurückgreift, damit sich noch Daten sichern lassen. Auch für die Funktion von Sicherheitssystemen wie Schließanlagen ist die Notstromversorgung essenziell. Zum Puffern der KNX-Spannung kann ein Bleigel-Akku zum Einsatz kommen.

Gute Netzteile stellen zudem über definierte Schnittstellen Informationen bereit, aus denen sich die abgegebene Leistung sowie ihr Betriebszustand ableiten lassen. Dazu zählen zum Beispiel die Temperatur bestimmter Bauteile, die Umgebungs- und Gehäusetemperatur, aktuelle Stromstärke und Ausgangsspannung. Aus diesen Werten lassen sich zudem Statistiken über die Leistungsaufnahme aufbauen. Diese geben einen guten Überblick darüber, über welche Leistungsreserve das Netzteil verfügt. Das ist wichtig, um beispielsweise bei Erweiterungen entscheiden zu können, ob ein zusätzliches Netzteil benötigt wird.

 

Anforderungen an die Anlagensicherheit

Smart Home-Installationen führen dazu, dass die gesamte Haustechnik inklusive elektrischer Verteilungssysteme und der angeschlossenen Verbraucher immer komplexer wird. Damit angeschlossene Geräte und zu guter Letzt Menschen nicht gefährdet werden, sind die KNX-Stromversorgungsvorschriften zu erfüllen, die in der DIN VDE 0110/EN 60664 (LF/KS)/IEC 61010-1 festgelegt sind. Von den vier definierten Überspannungskategorien CAT I bis CAT IV ist hier die OVC (Over Voltage Category) CAT III entscheidend. Sie bezieht sich auf die Gebäudeinstallation und schließt stationäre Verbraucher mit nicht steckbarem Anschluss, Verteileranschlüsse, fest eingebaute Geräte im Verteiler, Unterverteilungen und mehr ein.

Der deutsche Hersteller Inpotron hat es geschafft, das Platzproblem in Schaltschränken zu lösen und gleichzeitig die Bedingungen für OVC III zu erfüllen. Die Entwickler konnten die Gehäuse der KNX-Stromversorgungen für die Hutschienen-Montage deutlich kompakter gestalten: Statt 6 TE (Teilungseinheiten, TE) belegt das neue 640-mA-Netzteil nur 4 TE auf der Hutschiene, die 320-mA-Variante kommt mit 2 TE statt zuvor 4 TE aus. Auch das neue KNX-Produkt überzeugt: Das nur 6 TE schmale Netzteil liefert 1.280 mA. Wie von der KNX-Vorschrift gefordert bleibt der Ableitstrom unter 0,25 mA. Dadurch haben Installateure deutlich mehr Gestaltungsspielraum beim Aufbau von Verteilerschränken.

Die Netzteile von Inpotron zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Ihre hohe Temperaturbeständigkeit ermöglicht zudem einen lüfterlosen Betrieb bis zu einer Umgebungstemperatur von 60 Grad Celsius, ohne Derating. Damit liegen die Netzteile deutlich über der KNX-Vorgabe, die einen Arbeitstemperaturbereich bis 45 Grad Celsius vorsieht, was sie für den Einsatz in gewerblichen und industriellen Umgebungen prädestiniert.

 

Lange Einsatzdauer gefordert

Entwickler müssen nicht nur elektrische und thermische Leistungsmerkmale beim Design von KNX-Netzteilen beachten. Ebenso wichtig sind eine geringe Geräuschentwicklung und die Möglichkeit, den Bus über ein analoges oder digitales Signal zurücksetzen zu können.

Da eine Hausinstallation kein kurzlebiges Konsumprodukt ist, müssen die installierten Komponenten langfristig problemlos funktionieren. Das erreichen Hersteller einerseits mit einem durchdachten Schaltungsdesign, andererseits durch eine sorgfältige Auswahl der elektronischen Bauteile, die mindestens zehn Jahren problemlos funktionieren sollten. Inpotron bietet darüber hinaus die Möglichkeit, kundenspezifische Entwicklungen vorzunehmen, Schaltungen an Kundengehäuse anzupassen oder Netzteile im Kundendesign zu fertigen.

Trotz der kompakten Abmessungen der KNX-Netzteile ist es zudem möglich, spezielle Kundenelektronik auf einer separaten Leiterplatte über der eigentlichen Netzteilplatine in die Gehäuse zu integrieren. Dafür steht ein separater Anschluss bereit, der auch im Fehlerfall Spannung führt, so dass Fehlermeldungen sicher ausgegeben werden können.

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