KNX: Darauf kommt es an!

Das richtige Netzteil ist die Basis einer flexibel erweiterbaren Smart Home-Installation. Innovative KNX-Stromversorgungen sparen Platz im Schaltschrank und liefern zuverlässig Energie für eine intelligente Steuerung der Gebäudeautomation.

Das Smart Home ist ein Megatrend. Per intelligenter, vernetzter Haus- und Gebäudesystemtechnik lassen sich Jalousien, Beleuchtung, Schließanlagen, Heizungsanlagen und mehr automatisieren und steuern. Das erhöht nicht nur Komfort und Sicherheit, sondern spart auch Energie und schont somit die Umwelt.
In einer Langzeitstudie¹ hat beispielsweise das Institut für Informatik und Automation der Hochschule Bremen Einsparpotenziale von bis zu 50 Prozent durch eine busgestützte Heizungsregelung sowie von über 20 Prozent durch eine tageslichtabhängige Beleuchtungssteuerung ermittelt. Für seine Untersuchungen hat das Institut über mehrere Jahre den Energieverbrauch zweier nahezu identischer Seminarräume gemessen und verglichen, von denen einer mit KNX-Steuerungstechnik ausgestattet ist.

Der Schlüssel zum smarten Gebäude liegt in der Installation von Sensoren und Aktoren und deren durchdachter Vernetzung und Programmierung.
All diese Komponenten müssen zuverlässig mit Strom versorgt werden, um zu funktionieren. Der deutsche Hersteller inpotron hat sich über viele Jahre umfassende Expertise in diesem Bereich erarbeitet und liefert leistungsfähige, innovative Netzteile für Smart Home-Anwendungen.

Ein Weg, die Elektroinstallation in einem Neubau möglichst 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 Nachrüstung oder Erweiterung ist mit hohen Installations- und Programmierkosten 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 für den Aufbau von Smart Homes durchgesetzt. Nicht zuletzt, weil viele namhafte Hersteller diesen unterstützen und die Entwicklung des Standards mit vorantreiben. KNX wurde speziell für die Anforderungen der Elektroinstallation entworfen. Mittlerweile gibt es von über 370 KNX-Mitgliedsfirmen fast 7.000 zertifizierte Produktgruppen, die alle denkbaren Anwendungen abdecken. Und: KNX ist ein weltweiter Standard. Somit bildet KNX die Grundlage für eine intelligente Haustechnik, die auch in vielen Jahren noch problemlos erweitert werden kann.

Grundlage für jedes Smart Home ist die Stromversorgungseinheit (Power Supply Unit, PSU) der aktiven Komponenten. Anders ausgedrückt: Die Stromversorgung ist das Herzstück in einer KNX-Anlage. Daher erzeugen spezielle Netzteile die KNX-Systemspannung. Wichtig zudem: KNX verwendet einen logischen, strukturierten Aufbau aus Linien, Bereichen und Einheiten. Eine Linie kann bei KNX 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 KNX-System funktionsfähig bleibt. Die Nennspannung des KNX-Systems beträgt 24 V. Das KNX-Netzteil versorgt die Teilnehmer mit 28-31 V Gleichspannung, die Datenkommunikation wird dann anhand einer asynchronen Datenübertragung mit der Datenübertragungsgeschwindigkeit von 9600 Bit/s auf die Versorgungsspannung auf moduliert. Je nach Ausführung kann eine Linie applikationsspezifisch mit 160/320/640/960/1280 mA belastet werden. Spannungs- und Strombegrenzungsschaltungen – und damit Kurzschlussfestigkeit – 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.

Die Art der angeschlossenen Teilnehmer bestimmt die Belastung des Busses. Jeder Teilnehmer entnimmt dem Bus typisch 5 mA, bei zusätzlichem Strombedarf im Endgerät (z.B. LEDs) bis zu 10 mA. Aus der Zahl und Funktion der Linien und der angeschlossenen Komponenten errechnet sich die Anzahl und Auslegung der benötigten Netzteile. Bei einer Linie mit max. 32 Teilnehmern wird ein 320 mA-Netzteil verwendet, bei max. 16 Teilnehmern ein 160 mA Netzteil, wobei in der Praxis mit 20% Reserve geplant wird, da in der Betriebszeit des KNX-Systems jederzeit Erweiterungen hinzukommen. 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. Ursachen dafür gibt es viele, etwa einen Blitzeinschlag in eine Trafostation. Kurze Netzunterbrechungen von bis zu 100 ms puffern gute KNX-Netzteile eigenständig. Bei längeren Ausfällen sollte das Netzteil so konzipiert sein, dass es auf eine Notstromversorgung zurückgreift, damit sich zum Beispiel während eines Gewitters 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 den Werten lassen sich zudem Statistiken über die Leistungsaufnahme des KNX-Systems 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.

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. Technisch wird die Einhaltung der Kategorie unter anderem durch Berührungssicherheit von Steckern und Buchsen, hohe Isolationswerte, ausreichende Luft- und Kriechstrecken, Zugentlastungen und Knickschutz von Kabeln, ausreichend große Leitungsquerschnitte sowie entsprechende Dimensionierung der verwendeten Bauteile innerhalb des Netzteils sichergestellt.

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 noch 4 TE auf der Hutschiene, die 320-mA-Variante kommt mit nur 2 TE statt zuvor 4 TE aus. Besonders das neuste KNX-Produkt zeigt das Potenzial der inpotron-Entwicklung: Das nur 6 TE schmale Netzteil liefert volle 1.280 mA. Trotzdem halten alle Komponenten die für OVC III relevanten Sicherheitsabstände ein. 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 die höchsten Wirkungsgrade im Markt 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.

Doch Entwickler müssen nicht nur elektrische und thermische Leistungsmerkmale beim Design von KNX-Netzteilen beachten. Ebenso wichtig sind spezielle Anforderungen wie 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 über mindestens 10 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.

Grundlage für den Aufbau einer langlebigen, flexiblen intelligenten Haus- und Gebäudesystemsteuerung ist die richtige Stromversorgung. Installateure sollten beim Planen einer Smart Home-Anlage auf Basis von KNX neben wichtigen elektrischen Leistungswerten des Netzteils auch Faktoren wie Platzbedarf, Arbeitstemperaturbereich sowie System-/Personen- und EMV-Sicherheit im Auge behalten.

¹http://www.hs-bremen.de/internet/einrichtungen/fakultaeten/ f4/forschung/institute/iia/KNX-Energieeffizienz/aale2009-paper-energieeffizienz_mevenkamp.pdf