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Gelernt« senden Sie uns bitte
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Christiane Decker
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Die Themen
97
1-2 / 2008
GRUNDLAGEN
Elektrizität und Wärme
101 INFORMATIONSTECHNIK
Die Technik hinter Powerline
[2]
104 TECHNISCHES ENGLISCH
The green supercomputer
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Elektrizität und Wärme
Fließt in einem Leiter elektrischer Strom, erwärmt sich der Leiter. Diese Erwärmung kann zu Heizzwecken
erwünscht sein, sie kann aber auch in Form von Verlustwärme störend wirken und geeignete Maßnahmen
bezüglich Auslegung und Kühlung einer elektrischen Schaltung oder Anlage erforderlich machen. Dieser
Beitrag erläutert die entsprechenden physikalisch-technischen Zusammenhänge und führt in die grundlegenden Berechnungsmethoden ein.
Elektronische Bauelemente, aber auch Wicklungen in elektrischen Maschinen sowie Leitungen zur Energieübertragung
erwärmen sich, wenn sie von elektrischem Strom durchflossen
werden. Es gilt: Je größer der Strom und je kleiner der Querschnitt eines Leiters, desto größer die Wärmeentwicklung.
Zum genaueren Verstehen der Verhältnisse und zum
Durchführen einfacher Berechnungen werden hierzu einige
Begriffe der Wärmelehre eingeführt und erläutert sowie
bestimmte physikalische Gesetze vermittelt.
Die Elektrowärmegeräte
Elektrowärmegeräte nutzen gezielt die thermische (= Wärme
erzeugende) Wirkung des Stromes. Beispiele hierfür sind
Tauchsieder, Herdplatten, Haartrockner, Heizstrahler, Lötkolben, Bügeleisen, Heißwasserbereiter, Schmelzöfen. Der große
Vorteil der elektrischen Wärmeerzeugung ist die in der Regel
geräuschlose und abgasfreie Betriebsweise am Aufstellort.
Darüber hinaus lässt sich die Wärme technisch einfach durch
Heizspiralen realisieren.
Vor allem früher hörte man häufig das Argument, dass der
Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung von Strom in
Wärme nahezu 100 % beträgt (die den Wirkungsgrad am Ort
der gewünschten Wärmeerzeugung schmälernden Wärmeverluste in den Zuleitungen sind tatsächlich gering). Dabei
sollte man allerdings berücksichtigen, dass elektrische Energie erst in Kraftwerken erzeugt werden muss. Zur großtechnischen Stromerzeugung dienen in erster Linie Wasserkraftwerke und Wärmekraftwerke. Wärmekraftwerke lassen sich
wiederum unterteilen in Kernkraftwerke und in konventionelle thermische Kraftwerke (so genannte Verbrennungskraftwerke, vor allem Öl-, Gas-, Kohle- und Müllkraftwerke).
Je nach Vorkommen der Primärenergieträger in einem Land
variiert die Zusammensetzung des Kraftwerksparks. In Norde 1 – 2 / 2008
wegen beispielsweise dienen fast ausschließlich Wasserkraftwerke zur Stromerzeugung. Andere Länder wiederum erzeugen ihre elektrische Energie als Energiemix, das heißt,
verschiedene Kraftwerkstypen beteiligen sich an der Energieerzeugung. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil Verbrennungskraftwerke nur mit verhältnismäßig geringem Wirkungsgrad arbeiten. Dieser liegt, je nach Alter und Prinzip,
zwischen 30 % und 50 %. Dieser Sachverhalt ist unbedingt zu
beachten, wenn bei der gezielten Wärmeerzeugung vom
Wirkungsgrad gesprochen wird. Der Gesamtwirkungsgrad ist
deutlich kleiner als der Wirkungsgrad »vor Ort«.
Die unerwünschte Wärmeentwicklung
Außer der beabsichtigten Wärmeerzeugung zu Heizzwecken
gibt es auch die unerwünschte Wärmeentwicklung in Leitungen, Bauelementen und in Wicklungen von Maschinen. Da
Werkstoffe – z. B. Halbleiter wie Silizium oder auch Isolierstoffe wie Kunststoff – eine bestimmte maximale Temperatur
nicht überschreiten dürfen (sonst verlieren sie ihre gewünschten Eigenschaften), muss bei der Entwicklung bzw. Planung
elektrotechnischer Geräte, Anlagen oder Systeme immer
auch auf die thermodynamischen Probleme geachtet werden. Das geschieht durch ausreichende Leiterquerschnitte,
Bauelement- bzw. Betriebsmittelleistungen und Kühlsysteme
(Kühlkörper, Lüfter, Flüssigkeitskühlung, Wärmetauscher
usw.). Zum Beispiel nehmen bei der Entwicklung von Großgeneratoren die Gebiete Mechanik, Elektrotechnik und Thermodynamik etwa gleich viel Zeit in Anspruch.
Die technisch-physikalischen Zusammenhänge
Wärme als eine der verschiedenen Energieformen wird verursacht durch relative Bewegungen der Atome und Moleküle,
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aus denen die Materie aufgebaut ist. Je höher die Temperatur eines Körpers, desto ausgeprägter sind die Schwingungen
in Festkörpern und Flüssigkeiten. Bei Gasen bewegen sich die
Atome bzw. Moleküle mit einer bestimmten mittleren
Geschwindigkeit, die vom Druck und der Temperatur des
Gases abhängt. Je stärker sich die Atome bzw. Moleküle
bewegen, desto höher die Temperatur und desto höher die
gespeicherte Wärmemenge (= Wärmeenergie).
Bei einer Temperatur von 0 °C geht das Wasser vom flüssigen in den festen Aggregatzustand über und umgekehrt (die
Einheit Celsius wurde benannt nach dem schwedischen
Naturforscher Anders Celsius, der von 1701 bis 1744 lebte).
Bei einer Temperatur von –273 °C befinden sich alle Atome
bzw. Moleküle in Ruhe. Es handelt sich somit um die kleinste
Temperatur, die überhaupt auftreten kann. Man spricht vom
absoluten Nullpunkt.
Die größte auftretende Temperatur liegt bei über
100 Mio. °C. Sie entsteht bei der Kernverschmelzung auf der
Sonne oder bei der technischen Kernfusion. Eine obere physikalische Grenze für die Temperatur ist nicht bekannt.
Weil die Temperatur an die Bewegung von Atomen und
Molekülen gekoppelt ist, gibt es keine Temperatur im
Vakuum. Die Frage nach der Temperatur im Vakuum gilt
somit als nicht zulässig.
Neben Celsius gibt es auch
noch andere Einheiten für
die Temperatur:
• das Fahrenheit, welches
z. B. in den Vereinigten
Staaten üblich ist,
• die internationale physikalische Einheit Kelvin (benannt nach dem britischen
Physiker Lord Kelvin, 1824
bis 1907, Bild 1).
Die Einheit Kelvin (Abkürzung: K) wird für die absolute Temperatur verwendet. Bild 1: William Thomson
Dabei gilt (Bild 2):
(Lord Kelvin)
0 K = –273 °C oder 0 °C = 273 K
Weiterhin verwendet man das Kelvin für Temperaturdifferenzen. Hat z. B. das Gehäuse eines Elektromotors eine Temperatur von 90 °C und beträgt die Umgebungstemperatur 20 °C, so
ist die Temperaturdifferenz 70 K.
Die Temperatur in Celsius wird mit dem griechischen Buchstaben ϑ (sprich: Teta) abgekürzt, die absolute Temperatur
Grad Celsius
100 °C
Kelvin
373,15 K
0 °C
273,15 K
–100 °C
173,15 K
–200 °C
73,15 K
–273,15 °C
0
K
Siedepunkt
des Wassers
Ein 600-W-Tauchsieder erwärmt 1 Liter Wasser mit der Temperatur ϑ1 5 min lang. Parallel dazu wird die gleiche Wassermenge mit einem 300-W-Tauchsieder erhitzt. Um die Abkühlung des Wassers gering zu halten, sind beide Wasserbehälter
vollständig isoliert. Misst man nun die jeweiligen Endtemperaturen ϑ2 und berechnet die Temperaturerhöhung gemäß
Δϑ = ϑ2 – ϑ1, ergibt sich:
• 600-W-Tauchsieder: 42 K
• 300-W-Tauchsieder: 21 K
Setzt man die Erwärmung im Behälter mit dem 300-W-Tauchsieder weitere 5 min fort, beträgt die Temperaturerhöhung
das Doppelte, also ebenfalls 42 K.
Tauchsieder
zum
Netz
220 V
Heizleistung
600 W
1 L Wasser
zum
Netz
220 V
Thermometer
Heizleistung
300 W
isolierte
Abdeckung
Isolierung
1 L Wasser
Experiment zur Analyse des Zusammenhangs zwischen
zugeführter Energie und Temperaturerhöhung bei isolierten Körpern
(Kelvin-Temperatur) mit T. Differenzen kennzeichnet ein vorangestelltes Δ (sprich: Delta).
Unter Wärme oder Wärmemenge Q versteht man die beim
Erwärmen zugeführte oder beim Abkühlen entzogene Wärmeenergie. Sie hat dieselbe Einheit wie alle Energieformen,
d. h. Wattsekunde (Ws) oder Joule (J). Für große Wärmeenergien verwendet man auch die Kilowattstunde (kWh).
Erwärmt man einen Körper, so wird dem Körper Wärmeenergie zugeführt, die er speichert. Jeder Körper, z. B. eine
Kochplatte aus Metall, hat ein gewisses Speichervermögen
für Wärme. Dieses Speichervermögen hängt von der Größe
und vom verwendeten Stoff ab. Die speicherbare Wärme Q je
Kelvin Temperaturdifferenz bezeichnet man als Wärmekapazität C. Sie hat die Einheit Ws/K. Es gilt folgender Zusammenhang:
(1)
Weil die Wärmekapazität C umso größer ist, je mehr Masse
ein Körper hat, verwendet man in der Praxis noch die so
genannte spezifische Wärmekapazität c. Darunter versteht
man den Quotienten aus absoluter Wärmekapazität C und
Masse m:
Schmelzpunkt
des Wassers
(2)
Bei der spezifischen Wärmekapazität c handelt es sich um
eine Materialkonstante (Tabelle).
absoluter
Temperatur-Nullpunkt
Bild 2: Temperaturskala in Grad Celsius (°C) und Kelvin (K)
mit Fixpunkten
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WÄRMEMENGE, EIN VERSUCH
Zusammenhang zwischen
elektrischer Energie und Wärme
Wird Wärme elektrisch über eine Heizspirale erzeugt (Bild 3),
wandelt sich die gesamte von der Heizspirale aufgenommene
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SPEZIFISCHE WÄRMEKAPAZITÄT
Material
c [kJ/(kg · K)]
Blei
0,125
Zinn
0,222
Silber
0,32
Erwärmung eines Leiters bei einem Kurzschluss
Kupfer
0,38
Stahl
0,46
Glas
ca. 0,84
Steine
ca. 0,84
Aluminium
0,92
Ein einadriges, isoliertes Kupferkabel mit einem Leiterquerschnitt von 1 mm2 sei 20 m lang. Durch einen 10 s lang anstehenden Kurzschluss fließt ein Strom in Höhe von Ik = 50 A.
Nun kann man sich fragen, welche Temperatur ϑ der Kupferleiter am Ende des Kurzschlusses annimmt, wenn sie zu
Beginn 30 °C betrug. Zunächst berechnen wir den Widerstand
R (spezifische Leitfähigkeit von Kupfer: κ = 56,18m/(Ω · mm2)):
Wasser
4,19
Merke: Dieser formelmäßige Zusammenhang gilt nur dann,
wenn keine Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
Spezifische Wärmekapazität c einiger Stoffe
elektrische Energie W in Wärme um. Löst man Gl. (2) nach C
auf und setzt den Ausdruck in Gl. (1) ein, erhält man:
(3)
t = Heizdauer
U = konstante Spannung
I = konstanter Strom
Wird nun in Gl. (3) der Strom I durch den Quotienten aus
Spannung U und Widerstand R ersetzt, ergibt sich:
Jetzt lässt sich die beim Kurzschluss entstehende Wärmemenge Q ermitteln:
Q = W = I2 · R · t
Q = (50 A)2 · 0,356 Ω · 10 s = 8 900 J
Nun ist die Masse m zu berechnen, und zwar aus dem Zusammenhang Masse = Volumen · Dichte (Dichte von Kupfer: ρ =
8,9 g/cm3):
(4)
Gl. (4) lässt sich nun beliebig umstellen. Möchte man die Heizdauer bei ansonsten gegebenen Werten wissen, so erhält
man:
Beispiel: Nehmen wir an, die Spannung betrage U = 12 V und
der Heizdrahtwiderstand sei R = 10 Ω. Für die Heizdauer t, die
nötig ist, um den vollständig isolierten Aluminiumblock mit
der Masse m = 1 kg um Δϑ = 50 K zu erwärmen, erhält man:
Die Temperaturerhöhung Δϑ ergibt sich schließlich zu:
Somit beträgt die Temperatur des Kupferleiters am Ende des
Kurzschlusses:
ϑ = (30 + 131,6) °C = 161,6 °C
Die Übertragung der Wärme
Bei der Übertragung von Wärme unterscheidet man zwischen
Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Wärmeströmung.
Gl. (4) lässt sich auch nach der Temperaturdifferenz Δϑ auflösen:
Batterie
EINE AUFGABE ZUM THEMA
Wärmeisolierung
Frage: Ein 100 l fassender Warmwasserboiler soll mittels einer
elektrischen Heizung das Wasser in 45 min von 10 °C auf 60 °C
erwärmen. Welche Mindestanschlussleistung benötigt der
Boiler?
Aluminiumkern
Lösung (mit Gl. 3):
Heizwicklung
Bild 3: Isolierter Aluminiumblock mit Heizwicklung, Schalter
und Batterie
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Quelle: Philips
Unter Wärmeleitung (Bild 4) versteht man die Fortleitung
der Wärme in Körpern, vor allem in festen Körpern. Gute
Wärmeleiter sind alle Metalle, besonders jedoch diejenigen,
die auch den elektrischen Strom gut leiten (es gibt einen
theoretischen Zusammenhang zwischen der elektrischen
und der Wärmeleitfähigkeit), wie Silber, Kupfer oder Aluminium. Schlechte Wärmeleiter sind vor allem die Gase (also
auch Luft) und alle porösen Stoffe, also Stoffe mit Lufteinschlüssen wie Holz, Kork, Wolle, Neopren (wird für Taucheranzüge verwendet). Schlechte Wärmeleiter verwendet man
in der Technik gezielt zur Wärmeisolation (z. B. Glaswolle bei
Warmwasserspeichern).
Unter Wärmestrahlung
(Bild 5) versteht man eine
Form der Wärmeübertragung, bei der kein stoff-
Bild 4: Wärmeleitung bei
einem Küchenherd
Bild 5: Wärmestrahlung bei
einem Heizstrahler
licher Wärmeträger mitwirkt; sie erfolgt also auch
im luftleeren Raum, d. h.
im Vakuum. Physikalisch
gesehen handelt es sich
um
elektromagnetische
Wellen (Infrarotstrahlung)
mit einem ganz bestimmten Frequenzband. Durch
Strahlung gelangt z. B. ein
Teil der Wärmeenergie der
Sonne zur Erde.
Die auch als Konvektion
bezeichnete Wärmeströmung (Bild 6) entsteht,
wenn der erwärmte Stoff
in Bewegung gerät und so
die Wärme weitertransportiert. Dazu sind aber Bild 6: Wärmeströmung bei
nur Gase und Flüssigkeiten einem Ölradiator
in der Lage. Beispiele:
• Zimmerluft erwärmt sich am Heizkörper und steigt nach
oben, kalte Luft strömt vom Fußboden her nach.
• In einem Öltransformator bewegt sich das Öl durch Erwärmung in der unmittelbaren Nähe der Wicklungen und
Abkühlung in den Kühlrohren (Radiatoren) an der Oberfläche.
Dipl.-Ing. (FH) Christiane Decker, Redaktion »de«
KURZ UND BÜNDIG: INTERESSANTES ZUR AUS- UND WEITERBILDUNG
Ausbildungskonzept Schaltschrank
Beim Technischen Institut für Aus- und Weiterbildung, Dr.-Ing.
Paul Christiani GmbH & Co. KG, Konstanz, erschien nun das
»Basismodul Schaltschrank«, das sich für die Grundlagenausbildung in vielen Elektroberufen eignet. Das modulare »Ausbildungskonzept Schaltschrank«, das in Kooperation mit Phoenix
Contact entstand, ermöglicht es auch, den Schaltschrank für
zukünftige Lernsituationen zu verwenden. Dazu lassen sich
Erweiterungsmodule zusätzlich erwerben oder der Schaltschrank kann durch eigene Erweiterungen ergänzt werden.
Diese lassen sich dann über die Schnittstellen in der Seitenwand
an die entsprechenden Funktionsmodelle anschließen (Sensorik, Aktorik, Sicherheitskreis, Motoren). Der handliche Schaltschrank lässt sich z. B. auf einem Arbeitstisch platzieren und
kann sowohl im Stehen
als auch im Sitzen bearbeitet werden. Mit einem
enthaltenen Übungsblech
aus Aluminium und dem
zugehörigen Arbeitsauftrag eignet sich dieses
Projekt auch für Anfängerübungen in der Blechbearbeitung.
Der übergeordnete Arbeitsauftrag für den Materialsatz Basismodul lautet: Bearbeitung, Bestückung, Aufbau
und Verdrahtung des Schaltschranks mit 24-V-Gleichspannung.
Folgende Lernfelder werden mit dieser Projektarbeit abgedeckt:
100
• Elektrotechnische Systeme analysieren, Funktionen prüfen
• Elektrische Installationen planen und ausführen
• Steuerungen analysieren und anpassen
Die Lerninhalte decken von der mechanischen Bearbeitung, der
Montage und Verdrahtung bis zur Löttechnik und Inbetriebnahme fast alle Erfordernisse der Ausbildungsrahmenpläne ab.
www.christiani.de
Lernmodul zum Europäischen Installationsbus
Hager Tehalit hat in Kooperation mit dem Bundesinstitut für
Berufsbildung (BIBB) einen modularen Lernbaustein zum Europäischen Installationsbus KNX / EIB entwickelt. »Unser Ziel ist
es, Basis- und Fachwissen zum Europäischen Installationsbus
mit Hilfe von praxisnahen Lernaufträgen zu vermitteln«, sagt
Yves Peters, Leiter des Kunden Trainings Centers bei der Hager
Tehalit Vertriebs GmbH. Im Mittelpunkt stehen dabei grundsätzliche Wirkungsweisen und Begriffe. Mit Hilfe des Lernbausteins sollen die Auszubildenden und Gesellen selbstorganisiert
die einzelnen Arbeitsschritte durchführen und den dazu notwendigen Wissenserwerb eigenständig steuern.
Konkrete Inhalte des voraussichtlich ab Ende Januar unter
www.e-volution.de -> Gesellen -> E-Learning zugänglichen
Moduls sind z. B. »Topologie des Bus-Systems festlegen« oder
auch »Beleuchtungs- oder Jalousie-Steuerungen errichten«.
»Unsere Erfahrung in der Erstellung von Lernmedien hilft uns
natürlich bei der Erstellung solch eines Lernmoduls«, erklärt
Peters, der in diesem Engagement auch einen Beitrag seines
Unternehmens sieht, die Verbreitung des Bustechnik auf KNX /
EIB-Basis weiter voranzutreiben.
www.e-volution.de
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Quelle: Solac
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Die Technik hinter Powerline
[2]
Die standardisierte Homeplug-Technologie darf man nicht
mit »Access Power Line« gleichsetzen, auch wenn sehr oft
beide Verfahren als »Powerline Communication« bezeichnet
werden. In beiden Fällen dient zwar die Stromleitung als
Übertragungsmedium, doch sonst unterscheiden sich die eingesetzten Verfahren technisch sehr stark. Bei Homeplug sind
die zu überbrückenden Distanzen relativ klein, da das ausschließlich auf die Kommunikation innerhalb des Hauses ausgerichtet ist (ca. 200 m). Daher sind die Signalpegel hier sehr
niedrig. Bei »Access Power Line« müssen hingegen die Daten
von der Trafostation bis zum Haushalt über die »letzte Meile«
(mehrere km) übertragen werden. Des Weiteren müssen sich
bei »Access Power Line« mehrere hundert Benutzer die bei
der Stromleitung zur Verfügung stehende Bandbreite teilen,
während sich bei Homeplug nur wenige Benutzer die Bandbreite teilen. »Access Power Line« benötigt daher deutlich
höhere Signalpegel und gilt in Europa als gescheitert.
Homeplug 1.0
Homeplug 1.0 nutzt für die Ethernet- und Audio-Übertragung das vorhandene Stromnetz im Haus. Das hausinterne
Stromnetz bildet also die Infrastruktur des Datennetzes.
Somit stehen die Daten in jedem Zimmer zur Verfügung, wo
es eine Steckdose gibt. Die dazu erforderlichen Adapter werden wie normale Stecker in die Steckdose gesteckt (Bild 4).
Ein Netzwerkkabel verbindet den Adapter mit der Netzwerkkarte des Computers. Der Homeplug-1.0-Standard erreicht
theoretisch 14 Mbit/s. Die Reichweite innerhalb eines Stromkreises beträgt maximal 200 m. Es lassen sich also mühelos
mehrere Stockwerke überbrücken. Die beispielsweise von
Acer, Corinex, Devolo, Prevola oder Netgear angebotenen
Homeplug-Adapter verfügen entweder über eine RJ45(Ethernet) oder über eine USB-Buchse oder über eine AudioCinch-Buchsenkombination.
Wie im ersten Teil des Beitrags beschrieben, unterscheiden
sich die einzelnen Stromleitungen bzgl. der Qualität der
Datenübertragung. So kann es z. B. passieren, dass sich die
Übertragungseigenschaften zu den anderen Adaptern ändern, wenn ein Homeplug-Adapter in eine andere Steckdose
gesteckt wird – und zwar auch dann, wenn keine weiteren
Verbraucher an diesen Stromleitungen angeschlossen sind.
Jede Störung in der Übertragung führt unter Umständen
zu Fehlern in der Übertragung
der gesendeten Informationen
und damit zum Wiederholen
des Datenpaketes. Das reduziert die Menge der insgesamt
zwischen den Anwendungen
übertragbaren Daten. Es ist
also unerlässlich, dass die
Adapter schnell auf Störungen
reagieren. Daher überprüfen
sie ständig,
• welche Frequenzen sich wie
gut zur Datenübertragung
eignen und
Bild 4: An einer Steckdose
• welche Kodierungsverfahren angeschlossener Adapter
sich aufgrund der Übertra- »MicroLink dLAN Ethernet«
gungsqualität anbieten.
Weil die Übertragungsbedingungen i. d. R. nicht auf allen
Kanälen gleich sind, werden in der Praxis unterschiedliche
Kodierungsverfahren bei der Datenübertragung eingesetzt.
Bei Homeplug 1.0 gibt es vier Kodierungsstufen, die unterschiedliche Übertragungsraten ermöglichen (Tabelle). Die tatsächliche Übertragungsrate ergibt sich als Kombination aus
den verschiedenen theoretischen Übertragungswerten.
Zusätzlich zur Kodierung wird immer ein Verfahren zur Fehlerkorrektur angewendet. Mit dieser Vorwärtsfehlerkorrektur2) kann der Empfänger eines Datenpaketes aus einer mitgelieferten Prüfsumme zurückrechnen, an welcher Stelle ein
Defekt vorliegen muss und diesen ggf. selbst beheben.
Homeplug AV
Homeplug AV3), der relativ neue internationale Standard für
die Datenübertragung über das hausinterne Stromnetz, ver2) Vorwärtsfehlerkorrektur = Forward Error Correction, FEC
3) AV = Audiovision
VIER KODIERUNGSSTUFEN
Übertragungsqualität
theoretisch mögliche
Übertragungsrate [Mbit/s]
gleichzeitig auf einer Frequenz
übertragene Informationen
gut
85
3
mittel
56,6
2
gering
28,3
1
schlecht
7,08
0,25 (Die Daten werden viermal wiederholt, um Fehlerfreiheit zu garantieren)
Die theoretisch mögliche Übertragungsrate hängt von der Übertragungsqualität ab
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Quelle: Devolo
Befasste sich der erste Teil des Beitrags in »de« 23-24/2007 u. a. damit, warum »Access Power Line« nicht
funktioniert, geht es nun in diesem letzten Teil um »Homeplug«, den Standard für »Inhouse-Powerline«.
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spricht neben Datenraten von bis zu 200 Mbit/s das problemlose Streamen4) von Videos. Die Bruttobandbreite soll ausreichen, um gleichzeitig beispielsweise zwei HDTV-Signale
(66 … 84 Mbit/s), Home-Theater-Audio oder CD-Audio in zwei
Räumen (9 … 11 Mbit/s) und sechs VoIP-Telefonate (1 Mbit/s)
im Heimnetz zu verteilen, wobei die Reserven dann immer
noch ausreichen sollen, um IP-Daten mit 10 Mbit/s verschlüsselt zu übermitteln.
dLAN
dLAN
dLAN
Quelle: Devolo
dLAN
Internet-Modem
Bild 7: Grundsätzliche Vernetzungsstruktur mehrerer Rechner über Homeplug
Quelle: Devolo
Die Modelle der unterschiedlichen Hersteller (Bild 5) sind
i. d. R. nicht kompatibel, da sie meistens unterschiedliche Sende- bzw. Empfangskanäle verwenden. Außerdem unterscheidet sich häufig die Verschlüsslungstechnik der einzelnen Hersteller gravierend.
Bild 5: An einer Steckdose angeschlossener Adapter »dLAN
200 AVdesk«
Viele namhafte Unternehmen sehen in Homeplug AV eine
zukunftsträchtige Technologie. So gehören zur so genannten
»Homeplug Powerline Alliance« Firmen wie Devolo, Sony,
Intel, Motorola, Texas Instruments, Samsung.
Einsatzszenarien für PLC bzw. Homeplug
Die Einsatzbereiche und Anwendungsgebiete entsprechen
mittlerweile den Anwendungen des Triple Play. Das bedeutet:
Daten, Audio und Video-Anwendungen lassen sich über diese
Art der Vernetzung im Gebäude nutzen. Je nach Anwendung
muss der entsprechende Adapter ausgewählt werden. Bild 6
zeigt eine Kombination aus IP-Telefonie, Video und Daten/
Internet mit Integration von WLAN. Bild 7 veranschaulicht die
grundsätzliche Struktur einer Vernetzung mehrerer Rechner
über Powerline. Wie der Zugriff auf Videos aus dem Internet
4) streamen von to stream (engl.) = eigentlich strömen, hier ist der
Datenstrom gemeint, der sich über die erforderliche Datenrate definiert (z. B.: Video, MPEG-2: 50 Mbit/s)
dLAN
dLAN
Koaxial-Kabel,
z. B. von der
SAT-Anlage
Quelle: Devolo
Fernseher mit
Set-Top-Box
dLAN Highspeed
Internet-Modem
IP-Telefon
dLAN Wireless
Bild 8: Grundsätzliche Struktur zum Zugriff auf Videos aus
dem Internet
dLAN
dLAN 200 AV
erfolgt, zeigt Bild 8. Schulungsräume lassen sich mit Homeplug vernetzen (Bild 9) und bei Hotels kann auf diese Art und
Weise der Internetzugang sichergestellt werden (Bild 10).
Set-Top-Box
mit Fernseher
Die Technik und die Hindernisse
Internet-Modem
Bild 6: Kombination aus IP-Telefonie, Video und
Daten/Internet mit Integration von WLAN
102
Quelle: Devolo
dLAN 200 AV
So schön das Homeplug-Konzept in der Theorie auch klingen
mag, in der Praxis kommt es zu einigen technisch bedingten
Komplikationen, die den Einsatz einschränken. Bei Homeplug
werden hochfrequente Frequenzen auf die 50-Hz-Sinusschwingung des Stromnetzes moduliert. Einige Quellen stören oder dämpfen bzw. filtern diese hohen Frequenzen. So ist
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dLAN
dLAN
dLAN
dLAN
dLAN
dLAN
dLAN
Quelle: Devolo
dLAN
Internet-Modem
Bild 9: Konzeptbeispiel für die Vernetzung von Schulungsräumen
Hotelzimmer 1
Kennwort 1
Kennwort 1
Port 1
Hotelzimmer 2
Kennwort 2
Kennwort 2
Port 2
Hotellobby
Kennwort 3
Kennwort 3
Port 3
Internet-Modem
Bild 10: Anwendungsbeispiel für Hotels
Quelle: Devolo
Managed Switch
z. B. spätestens am Stromzähler Schluss, denn dieser filtert die
hohen Frequenzen per Entstörfilter nahezu komplett heraus.
Darüber hinaus sehen manche die Gefahr des Abhörens über
den Stromzähler hinaus, doch für normale Adapter sind diese
Restsignale viel zu schwach, als dass sie sich verwerten ließen.
Neben der normalen Dämpfung der Kabel und der Störungen durch andere elektrische Verbraucher können folgende
Aspekte die Übertragungsraten beeinflussen:
• Phasentrennung: In Häusern und Wohnungen geschieht die
Stromversorgung bekanntlich über drei verschiedene Phasen. Um die Daten über mehrere Phasen hinweg übertragen
zu können (also z. B. von einem an L1 angeschlossenen Zimmer zu einem an L3 angeschlossenen Zimmer), ist eine
Induktion (Übersprechen) von einer Phase auf eine andere
nötig. Das geschieht im Verteilerkasten, in parallel liegenden Leitungen oder auch in Haushaltsgeräten, die an allen
drei Phasen angeschlossen sind. Die je nach Lage der drei
Leitungen unterschiedlich hohe Dämpfung bewirkt unter
ungünstigen Umständen eine schlechte Übertragungsfunktion. Um diese dauerhafte Störung zu umgehen, lässt sich
ein so genannter Phasenkoppler einsetzen, der die drei Phasen des Stromnetzes ab hohen Frequenzen verbindet.
Ausgeprägt ist der Leistungsabfall, wenn man mehrere
Homeplug-Geräte im gleichen Stromnetz einsetzt. Alle
angesteckten Adapter müssen sich gemeinsam die mögliche
Übertragungsrate teilen, außerdem können Zugriffskollisionen auftreten. Deren Erkennung und Vermeidung erfordert einigen Aufwand. Denn wenn sich Zugriffe zweier
Adapter auf das Netzwerk überschneiden, gehen beide
Pakete verloren. Die besten Ergebnisse erzielen HomeplugGeräte, wenn sie alle an der gleichen Phase angeschlossen
sind.
• FI-Schutzschalter, Stromzähler: Sowohl FI-Schutzschalter als
auch Stromzähler dämpfen die hohen Frequenzen sehr. Hier
bieten sich so genannte Signalkoppler an, die für das hochfrequente Signal den FI-Schutzschalter oder den Stromzähler überbrücken.
• Überspannungsschutz: Überspannungsschutzeinrichtungen
dämpfen ebenso wie andere Geräte mit Entstörfilter oder
Überspannungsschutz die hochfrequenten Signale. Besondere Probleme machen dabei Steckdosenleisten und Kabeltrommeln – vor allem, wenn in der Steckerleiste noch
weitere Geräte eingesteckt sind wie PCs, Monitore, Mikrowellen und sonstige getaktete Geräte. Noch dazu entstehen
weitere Störeinflüsse durch das einfache Ein- und Ausschalten elektrischer Geräte.
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
Energieverteilnetze gelten im Hinblick auf elektromagnetische Felder als unzulänglich geschirmt. Das bedeutet: PLCSendesignale können andere unbeteiligte PLC-Systeme im
GESCHWINDIGKEITSREKORD BEI DATENÜBERTRAGUNG VIA STECKDOSE
Das spanische Unternehmen Design of Systems on Silicon hat in
New York seine neue Generation von Powerline-Chips vorgestellt. In einem Testnetzwerk erreichten die Ingenieure das
Rekordtempo von 400 Mbit/s und verdoppelten damit die
Geschwindigkeit der Datenübertragung via Stromkabel. Damit
eröffnen sich neue Möglichkeiten im bandbreitenintensiven
Bereich. So wären neue Multimedia-Applikationen ebenso
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denkbar wie die Nutzung von Persönlichen Videorekordern
(PVR) in mehreren Räumen eines Haushalts. Mit der neuen
Technik sei es möglich, fünf Video-Streams gleichzeitig zu übertragen.
DS2 will mit den neuen Chips rasch auf den Markt kommen,
denn der nun erreichte Geschwindigkeitssprung werde ab 2009
bereits am Markt benötigt, heißt es.
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gleichen Netzsegment über die Leitungen und zudem verschiedene Funkdienste über abgestrahlte Felder stören. EMV
bedeutet daher, sowohl das Nebeneinander unterschiedlicher
PLC-Systeme zu beachten als auch das Nebeneinander von
PLC und Funkdiensten.
Nach Aussage der Bundesnetzagentur5) gibt es für
Deutschland ein Gesamtspektrum von ungefähr 7,5 MHz im
Frequenzbereich bis 30 MHz, das prinzipiell für PLC verwendbar wäre. Eine Zuweisung ist jedoch aus unterschiedlichen
Gründen nicht möglich. Das für PLC nutzbare Spektrum wird
auf keinen Fall zusammenhängend sein, sondern aus mehreren, unterschiedlich breiten Bändern bestehen. Neben passender Frequenzwahl kann auch eine Beschränkung der Feldstärke ungewollter Abstrahlung die EMV sicherstellen.
Die Inhouse-Lösung strahlt zunächst einmal nicht so stark
wie »Access Power Line«, weil die Verteilung nur innerhalb
des Hauses erfolgt und weil die Signale nicht über den Stromzähler hinausgehen. Andererseits bilden ein paar Meter der
üblichen Hausstromverteilung bereits eine ausgezeichnete
Antenne für den Frequenzbereich bis 30 MHz.
Prinzipiell gilt Homeplug deshalb als Alternative zu Wireless LAN (WLAN), weil sich mit Homeplug dicke Betondecken
leichter überwinden lassen als mit WLAN. Andererseits ist die
Ankopplung von Notebooks per Homeplug uninteressant, da
für bewegliche Geräte die Funkübertragung immer eine sinnvolle Alternative ist, weswegen dann teils Brücken von DSL
auf Homeplug und von Homeplug auf WLAN angeboten werden, was dann endgültig die Nachteile aller Systeme kombiniert.
Dipl.-Ing. Rainer Holtz, Abteilungsleiter für den Bereich
Informationstechnik am Bundestechnologiezentrum für
Elektro- und Informationstechnik in Oldenburg (bfe-Oldenburg)
5) heute: Bundesnetzagentur, früher: Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post, RegTP
Technisches Englisch
The green supercomputer
Quelle: Fraunhofer ITWM
Herkules, der neue Höchstleistungsrechner des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern, besteht aus 272 Einzelrechnern. Er ist nicht nur der neuntschnellste
Supercomputer Deutschlands, er zählt auch zu den effizientesten.
The Herkules supercomputer is not only powerful, but also
kind to the environment. It consumes considerably less electricity than similar supercomputers. In terms of energy efficiency, it occupies a leading position worldwide. It handles
processor-intensive tasks in areas such as simulated reality or
computer-assisted engineering, processes seismic data for the
oil industry, and calculates costs for automotive, engineering
and textile companies.
Herkules »lives« in
a new, energy-saving
ITWM institute building. The building
makes optimum use
of daylight and solar
heat. Instead of airconditioning, it uses
a smart ventilation
system with integrated heat recovery. An
efficient combined heat and power unit (CHP) supplies electricity, heating and cooling.
Cooling the server rooms is another way of saving energy.
Up to a temperature of 20 degrees Celsius, the rooms are
cooled directly with outside air. If it gets too warm, the CHP
provides the necessary cooling via an absorption refrigerator.
Conversely, on cooler days, the waste heat from the computers is used directly to heat the building.
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kind to the environment (kaind tu ðə invaiərənmənt) umweltfreundlich
to consume (kənsjum) verbrauchen, auch: konsumieren
considerably (kənsidərəbli) deutlich, beträchtlich
similar (simələr) vergleichbar, ähnlich
in terms of (in tmz əv) bezüglich
energy efficiency (enədi ifiʃənsi) Energieeffizienz
leading position (,lidiŋ pəziʃən) Spitzenplatz
to handle (h
ndl) sich befassen mit, übernehmen, anfassen
processor-intensive (prəυsesərintensiv) rechenintensiv
to process (prəυses) verarbeiten, bearbeiten
energy-saving (enədiseiviŋ) energiesparend
to make optimum use (meik ɒptiməm jus) optimal nutzen
solar heat (səυlər hit) Sonnenwärme
air-conditioning (eərkəndiʃəniŋ) Klimaanlage
smart (smɑt) clever, auch: scharf, adrett, elegant
ventilation system (ventileiʃən sistim) Lüftung
heat recovery (hit rikvəri) Wärmerückgewinnung
combined heat and power unit (kəmbaind hit ənd paυər
junit) Blockheizkraftwerk
server room (svər rum) Serverraum
outside air (aυtsaid eər) Außenluft
absorption refrigerator (əbsɔpʃən rifridəreitər) Absorptionskältemaschine
conversely (kənvsli) im Gegensatz dazu
waste heat (weist hit) Abwärme
Dipl.-Ing. (FH) Christiane Decker, Redaktion »de«
de 1– 2/ 2008