Montag, 12. November 2018

Smart Home Teil 4 von X - Powerline Adapter optimieren

Powerline Adapter nutzen die bestehenden Stromleitungen um auf diesen das Signal des angeschlossenen LAN-Kabels zu übertragen. Kurz gesagt kann man damit sein bestehendes Stromleitungsnetz zur Datenübertragung verwenden. Auch wenn größere Geschwindigkeiten auf den Adaptern angegeben werden, ist ein Netzwerkkabel der Powerline Technologie immer vorzuziehen. Aber das ist baulich/historisch bedingt nicht immer möglich, weshalb auch diese Technik ihre Daseinsberechtigung hat und bei mir Einzug gehalten hat..

Ich kenne sehr viele Leute, die derartige Adapter schon im Einsatz haben. Viele davon sind zufrieden, sehr viele aber auch unzufrieden damit.  In den meisten Fällen liegt es aber nicht an den Geräten selbst, sondern eher an der Unwissenheit der Anwender bzw. der gegeben Elektroinstallation und angeschlossenen Geräten.

Ich wollte meine Werkstatt mit der Powerline Technologie ans heimische Netz anschließen. Ich dachte mir schon, dass die 100m Kabel zwischen Wohnhaus und Werkstatt die Geschwindigkeit drosseln könnten. So hätte ich mich mit 200MBit zufriedengegeben. Geworden sind es schlussendlich knapp 600(!)MBit, weshalb ich auch zehr zufrieden mit dem Powerline Adaptern bin. Gestartet habe ich aber mit frustrierenden 28Mbit und permanenten Aussetzern.
Ich verwende ein Set von AVM, nämlich das Fritz!Powerline 1260E da es sich hierbei um Adapter der neuesten Generation handelt, der Empfänger WLAN besitzt und sich diese perfekt in mein Fritzbox Mesh integrieren lassen. Außerdem funktioniert so auch mein Gästenetz in der Werkstatt.


Der Powerline 1220E besitzt zwei LAN Buchsen und kann daher auch als Switch verwendet werden.
Was ich auch nicht wusste: Das Powerline Netzwerk lässt sich beliebig mit einem weiteren 1260E, 1000E oder auch Adaptern der langsamen Generation, erweitern. Ich betreibe in Summe einen 1220E und zwei 1260E und erreiche somit einen vollständige WLAN Abdeckung von unserem Grundstück.


Funktionsweise

Diese Powerline Adapter prägen modulierten hochfrequenten Strom von ca. 1-60MHz in die Stromleitung ein. Die Gegenstelle versucht dann dieses Signal wieder heraus zu filtern. Wie das Signal auf die Stromleitung gebracht wird, ist nicht schwierig und einfach zu verstehen. Hier wird über einen HF-Trafo und kleinem in Serie geschaltetem Kondensator der Datenstrom übertragen. Der Kondensator blockt die niederfrequente Wechselspannung des Netztes vom Trafo ab.
Geräte der neuesten Art, wie ich sie hier verwende, besitzen bereits die MIMO Technologie, bei der alle 3 Leitungen der Steckdose genutzt werden und nicht nur zwei wie es bei veralteten Systemen der Fall ist. Allerdings muss bei dieser Technologie auch einiges beachtet werden. Mehr dazu weiter unten.
Wie jedoch die Hochfrequenz mit den Datenstrom moduliert wird, und dass die Gegenstelle auch noch was dabei versteht, grenzt sicherlich an Hexerei und ist selbst für mich als Hardwareentwickler nicht so leicht zu verstehen.

Funk-Störungen durch Powerline Adapter

Oft wird die Angst vor Elektrosmog geäußert, da diese Technologie mit hohen Frequenzen arbeitet.
Ich halte diese Angst allerdings für unbegründet, da diese Geräte, wie auch jedes andere Gerät, das ans Stromnetz angeschlossen werden kann, die Grenzwerte der Norm EN61000-6-3 einhalten müssen. Ich habe mich berufsbedingt (Produktentwicklung HW von elektronischen Geräten) sehr viel mit der EMV (ElektroMagnetische Verträglichkeit) beschäftigt, so dass ich mich durchaus als wissend in der Thematik verstehe.
Folgende Bilder zeigen die Störaussendungen EINES typischen Schaltnetzteils wie sie in jedem Fernseher, Handy-Ladegerät, PC, Waschmaschine, Sat Receiver, DVD-Player, Entkalkungsanlagen ....usw. verbaut sind.











Die roten und schwarzen geraden Linien spiegeln das gesetzliche Limit wieder. Wobei die Größe des Gerätes absolut nichts über die ausgesendete Strahlung aussagt. Auch sehr kleine Geräte können viel aussenden...
Wenn nun ein Gerät so ausschaut, kann man sich ausrechnen was geschieht, wenn mehrere derartige Apparate im Haus betrieben werden. Man wird in Summe am Limit, wenn nicht sogar über dem Limit sein, was auch OK ist, denn die Norm hält bewusst die Grenzwerte nieder, so dass es im Großen Ganzen es zu keinen Problemen kommt.
Ebenso müssen auch die Powerline Adapter diese Grenzwerte einhalten und betrachtet man die Summe der im Haushalt befindlichen Geräte und deren Ausstrahlungen, ist der Netzwerkadapter faktisch nicht mehr nachweisbar. Wer also einen Stromanschluss zu Hause hat, ist zwangsläufig von der Strahlung umgeben - mi oder ohne diesen Powerlinern. Strom abschalten hilft auch nur bedingt.

Optimierungen

Damit die Adapter optimal arbeiten können, sollten natürlich alle anderen Störquellen wie eben diese oben angesprochenen Schaltnetzteile, Motoren mit Bürsten (Küchenmaschinen, Föhn, Bohrmaschinen, ... ) eliminiert werden. Je mehr Geräte ihre Emissionen ins Netz bringen, desto schwieriger wird es für die Powerline Converter ihre Signale zu übertragen. Neben den Aussendungen schließen die verbauten Kondensatoren  in den Netzteilen auch noch die versendeten Signale kurz. Drehstrommotoren wie der meistverwendete Käfigläufer stellen hingegen weniger ein Problem dar.

1. Integrierte Steckdose verwenden
Um den Störungen entgegen zu wirken ist im Powerline 1220E auch eine Steckdose integriert. Ein integriertes Filter sorgt dafür, dass angeschlossene Geräte die Kommunikation nicht stören. Die hier angeschlossenen Geräte werden die Kommunikation nur sehr gering beeinflussen.

2. Richtige Phase suchen
Spätestens jetzt wird es für Laien schwierig. Typischerweise wird man in Europa vom Elektrizitätswerk mit Drehstrom (400V) versorgt. Hierbei werden vom Netzbetreiber 4 Leitungen zum Hausanschluss verlegt. Das sind die 3 Phasen (L1, L2 und L3 genannt, früher auch als R, S und T bezeichnet) und der Neutralleiter (Nullleiter, Mittelleiter, N....). Im Zählerschrank kommt dann noch der Schutzleiter (Erde, PE) dazu, welcher mit den Neutralleiter verbunden wird und welcher im Normalfall keinen Stromfluss aufweist, sondern eine reine Schutzfunktion hat.
Eine 230V Schukosteckdose setzt sich aber nur aus 3 Leitern zusammen: einer Phase, dem Neutralleiter und den Schutzleiter. Welche der 3 Phasen für eine Steckdose verwendet wird ist im Prinzip egal. Der Elektriker achtet beim Anschluss darauf, dass alle 3 Phasen annähernd gleich belastet werden.
Die oben angesprochene MIMO Technologie verwendet im Gegensatz zu den älteren Technologien jedoch alle 3 Leiter und nicht nur den Neutralleiter und den Schutzleiter, welche ja für jede Steckdose gleich sind. Um die maximale Geschwindigkeit zwischen Powerline Sender und Empfänger zu ermöglichen, sollten diese daher an Steckdosen betrieben werden, die über den gleichen Phasenleiter versorgt werden. Nachstehendes Bild zeigt schemenhaft meine Hausverteilung mit den unterschiedlichen Stromkreisen. Ganz oben finden sich die 5 Leitungen, welche nach dem Stromzähler zu finden sind. Darunter werden diese Leitungen ins gesamte Haus und noch weiter verteilt.
Hier findet sich der Outdoor-, Heizung-, und Hausstromkreis, welche jeweils über einen FI (Fehlerstromschutzschalter) mit dem Zähler oder den Vorsicherungen verbunden sind. Nach dem FI werden die Leitungen über Leitungsschutzschaltern (LS) verteilt. Der PE-Leiter wird durch keine Sicherung, FI oder LS geführt und stets direkt mit der PE-Schiene verbunden.
Wofür braucht man das alles? Nun, der Fehlerstromschutzschalter rettet einem das Leben und trennt den Stromkreis, wenn doch mal in einen Stromkreis gelangt. Der durch den Körper fließende Strom wird detektiert und so wird eine Abschaltung ausgelöst.
Der Leitungsschutzschalter schaltet einfach bei zu hohem Strom ab, damit die Leitungen nicht abbrennen oder es nicht zu einem Hausbrand kommt. In der Regel ist jeder Raum mit einem eigenem LS abgesichert, wodurch davon auszugehen ist, dass in einem Raum auch die Steckdosen mit der gleichen Phase verbunden sind.
Will man nun über mehrere Räume hinweg seine Daten übertragen, wäre es optimal, wenn diese auch mit der gleichen Phase gespeist werden. Die zwischengeschalteten Leitungsschutzschalter stören dabei nur minimal.














Linkes Bild: unterschiedliche Phasen (L3 und L2)
Rechts Bild: gleiche Phase (L3)

Was kann man tun um in beiden Räumen dieselbe Phase zu haben? Da gibt es zwei Möglichkeiten:
Beide Räume auf die gleiche Phase hängen oder einen Phasenkoppler verwenden.
Natürlich sollten diese Arbeiten stets von fähigen und berechtigten Personen durchgeführt werden. Wenn ihr keine Ahnung vom Strom habt, lasst bitte die Finger davon. Im Schaltkasten rum schrauben ist sehr gefährlich - nicht nur für sich selbst.
Man kann also beide Zimmer auf die gleiche Phase hängen, was bestimmt für den Datendurchsatz am besten ist. Dadurch wird einfach der Anschluss am LS getauscht oder es werden die Abgänge zweier Sicherungen gewechselt.
Der erwähne Phasenkoppler wird das Ergebnis auch verbessern, aber nicht in dem Ausmaß wie es das Tauschen der Phase bringt. Der Koppler überträgt das ausgesendete Signal auf alle 3 Phasen, wodurch natürlich ein wesentlich größeres Leitungsnetz mit dem Datenstream versorgt werden muss, was wiederum die Dämpfung des Signals erhöht. Wenn man jedoch mehrere Empfangsstellen (zB. Powerline 1260E) in Verwendung hat, hat das durchaus seinen Reiz, weil das Signal nun auf jeder Phase vorhanden ist.

3. Signale über FI-Schutzschalter vermeiden
Ich wollte ursprünglich im Technikraum den 1220E Adapter mit dem Netzwerk verbinden. Am dort verbauten Brüstunskanal sind mehrere Steckdosen mit allen unterschiedlichen Phasen verbaut. Dadurch wäre es einfach gewesen die richtige Phase vom Empfänger zu finden. Aber das Signal war nur sehr schlecht und mit vielen Aussetzern versehen. Ca. 28Mbit kamen nur durch. Auch als ich einen, dem Schaltschrank näheren Raum, für den Powerline 1220E wählte stieg der Durchsatz nur mäßig auf etwa 70Mbit. Schon besser aber noch immer mit vielen Aussetzern. Ein Blick in den Zählerkasten machte dann mein Problem offensichtlich: Der Outdoor Stromkreis für die Werkstatt, die ich mit dem 1260E Adapter mit dem Netzwerk versorgen wollte,  hat einen separaten FI Schutzschalter. Das Schutzelement hat einen magnetischen Stromsensor verbaut, wodurch die Leitung durch den FI eine erhöhte Induktivität aufweist. Je höher die Induktivität, desto weniger Hochfrequenz wird durchgelassen... jetzt einfach gesprochen.
Nun muss das Powerline Signal durch den Haus- oder Heizraum FI und durch den Outdoor FI, was das Signal doppelt dämpft.













Bilder: Egal ob 4 poliger oder 2 Poliger FI bzw. FI-LS (FI mit integrierten Leitungsschutzschalter), die Datenrate wird verringert. Lediglich die Kürzere Leitung brachte ein etwas besseres Ergebnis (70Mbit).


Lösung: Auf unserer Terrasse wird ebenfalls der Outdoor Stromkreis benutzt, und die Leitung zur Terrasse geht durch den Keller. Also habe ich das Kabel aufgetrennt und eine Steckdose verbaut, ein Netzwerkkabel hingelegt (im Keller geht das bei mir einfach, doppelte Decke ;-) ) und konnte den 1220E Powerlan Adapter dort einstecken.



Trotz unterschiedlicher Phasen sagenhafte 280Mbit. Die Kabellänge von 100m sorgte hier für die bessere Kopplung zwischen den Phasen, warum so ein akzeptabler Durchsatz erreichbar ist. Am Ziel? Eigentlich ja, aber ich habe nicht lockergelassen. Da ich in der Werkstatt ja auch separate Steckdosen mit unterschiedlichen Phasen habe, musste ich noch die Steckdose mit der richtigen Phase finden. Siehe da: 425Mbit!
Das Ziel ums doppelte übertroffen.













Wenn es allerdings unvermeidlich ist, das Signal über einen FI zu führen, könnte man den Ein und Ausgang des FI's mit einem Kondensator überbrücken. Könnte... Es gibt aber keine gesetzliche Grundlage für ein derartiges Vorgehen. Es sollte dann schon mindestens ein Y1 Kondensator sein, welchen an auch zwischen Phase und PE-Leiter verbauen darf. Zusätzlich sollte der Kondensator so klein wie möglich sein und ich würde über 10nF nicht hinausgehen. Da man sich hier aber im gesetzlich Graubereich bewegt oder es sogar verboten ist, würde ich nach einer anderen Lösung suchen.

4. Filtern / störende Geräte finden
Jetzt gehts ans Eingemachte...
Wie schon erwähnt besitzt ein jedes elektronisches Gerät seine individuelle EMV-Signatur und in unserem Fall kann man auch Störquelle dazu sagen. Einige stören mehr, die anderen weniger, und mache sogar über den FI hinweg. Da ich die Powerline in einen separaten Stromkreis betreibe, filtert der FI bei mir ausreichend viel Störungen weg. Aber alles schaffte er dann auch nicht.
Jetzt heißt es die Störquelle(n) lokalisieren. So verringerte zB. eine Wlansteckdose den Datendurchsatz. Hier sorgte ein Klappferrit  für Abhilfe. Die Waschmaschine oder der Trockner störte hingegen (bei mir) nicht.

In den meisten Fällen genügt es diesen Ferrit über die Zuleitung der des störenden Gerätes zu geben. Dabei kommt es aber drauf an, ob die Störungen symmetrischer, asymmetrischer oder auch beider Natur sind. Symmetrische Störungen befinden sich zwischen Phase und Nullleiter und asymmetrische zwischen Phase+Nullleiter und PE. Darum kann es helfen den Ferrit nur über die Phase und oder denn Nullleiter zu klappen, oder auch alle 3 Leitungen zusammen, oder nur L und N zusammen usw. usw.. Generelles Kochrezept gibt es hier leider nicht.
Es hilf jedoch einiges, wenn man im Verteiler alle für die Powerline nicht beteiligten Stromkreise mit Ferriten beim Leitungsschutzschalter abblockt.
Bei ganz hartnäckigen Geräten wird auch das nicht zum Erfolg führen. Bei mir war das Wohnzimmerlicht dran schuld. Selbst über meine beiden FI's und unterschiedlicher Phase hinweg drückte es den Datendurchsatz um 150Mbit runter. Egal was ich mit den Klappferriten probiert habe, nichts führte zum Erfolg. Es sind zwei Schaltnetzteile unbekannter Herkunft verbaut, welche LED-Strips für eine indirekte Beleuchtung versorgen, und die strahlten in jeder Beziehung wie ein Luster.  Ich habe dann ein Filter (Kondensatoren und stromkompensierte Drossel) direkt bei den Trafos verbaut. Seitdem fällt der Datendurchsatz nur mehr um 10 Mbit ab, wenn ich das Licht einschalte, was für mich akzeptabel ist.
Ich denke nicht, dass diese Netzteile die gesetzlichen Bestimmungen, wie oben beschrieben, einhalten....
Im Haus habe ich bei ca. 30m Kabellänge in zwei unterschiedlichen Stromkreisen über 650MBit erreicht. Fernseher, Sat, 2 Laptops, LED-Licht und Handyladegeräte waren aktiv (ohne Ferrite). Top!

Mein Filter

Da ich ja einen unabhängigen Stromkreis für meine Nebengebäude und Terrasse verwende war für mich der Einbau eines Filters einfach. Dazu ist zu sagen: Es ist mein Beruf, unter anderem, derartige Filter zu entwerfen. Darum rate ich Personen ohne Vorkenntnisse davon ab, derartige Filter ebenso zu verbauen. Ich habe auch darauf geachtet mich stets innerhalb des gesetzlichen Rahmens zu bewegen.
Also ohne Kenntnisse: nicht basteln...

Ich habe nach dem FI eine 4fache stromkompensierte Drossel verbaut. Darüber laufen die 3 Phasen und der Neutralleiter. 3fach Drosseln würden nicht funktionieren da es im Haushalt oder Werkstatt auch zu unsymetrischen Belastungen kommen kann. Eine derartige "Stromkompensierte Drossel" blockiert die asymmetrischen Störungen. Für die symmetrischen Störungen habe ich noch Rohrferrite über die drei Phasen und Neutralleiter geschoben (ca. 50µH).  Diese Klappferrite funktionieren hier ebenfalls. Man kann auch mehrere Windungen durch den Ferrit schleifen, was die Induktivität erhöht. Zu viele sollten es auch nicht sein, da sich sonst der Ferrit erwärmt oder in "Sättigung" geht und unwirksam wird.

stromkompensierte Drossel:
















Rohrferrit über L1, L2, L3 und N
Bei mir zeigten diese Filter über L1, L2, L3 und N aber nur Wirkung als ich auch den PE Leiter mit einem Ferrit versah. Da durch PE normalerweise kein Strom fließt, können hier auch mehrere Windungen gemacht werden. Dabei hatte ich aber wegen der rechtlichen Lage bedenken, weil ja der PE-Leiter unberührt sein sollte. Darum hatte ich mit einigen Spezialisten unterhalten (auch mit welchen von akkreditierten Abnahmeinstituten), welche diese EMV-Maßnahme als akzeptabel ansahen. Immerhin sind es nur wenige µH und die Drossel geht schon bei geringem Strom in Sättigung.

Doch warum wirkt dieser Ferrit? PE kann doch als Bezugspotential angesehen werden...oder doch nicht?
Ca. 50m meiner 100m langen Leitung in die Werkstatt liegen unter der Erde. Diese 50m haben natürlich auch eine Kapazität zum realen Erdpotential. Dadurch werden auch Störströme, welche von Geräten in den PE-Leiter eingebracht werden, über diese Kapazität abgeleitet. Der Ferrit sorgt dafür, dass diese Störströme über die Hauserde, oder die des Netzbetreibers, abgeleitet werden.
Resultat waren 586Mbit und das über 100m Leitung. 50m weiter hat man dann noch über 450Mbit.
Ein Ergebnis was meine Erwartungen mehr als übertroffen hat.
Im Bild sieht man das Spektrum der Übertragung was im Übrigen eine sehr hilfreiche Anzeige der FritzBox ist. Mit dieser konnte ich die Filterung analysieren und optimieren. Ich versuchte den Pegel und Frequenzgang zu optimieren. Letzterer ist aber durch die Kabellänge begrenzt.

Was ist möglich?

Der Aussiedlerhof fernab jeglicher Zivilisation wird wohl die angepriesenen 1200Mbit schaffen, da dieser aufgrund der Leitungslänge ohne Einfluss seiner Nachbarn ist (lange Zuleitung - sehr wenig Störungen).  Bei mir zu Hause habe ich es mit 20m Leitung zwischen den Geräten auf erstaunlichen 1000Mbit =1Gbit geschafft, was, genau gesagt,im bewohntem Gebiet tagsüber ein erstaunliches Ergebnis ist (nach den Optimierungen).




Fazit

Ich bin von diesen Powerline Adaptern äußerst positiv überrascht. 200Mbit habe ich mir bei 100 Meter Leitungslänge erwartet und fast 600Mbit sind es nun tatsächlich geworden. Bei 20m sogar über 1000Mbit.  Hut ab, werte AVM-Entwicklerkollegen!
Ich denke daher, dass schlechte Übertragungswerte nicht dieser Technologie geschuldet sind, sondern eher an einer fehlerhaften Anwendung liegen. Die Geräte müssen zum einen den gesetzlichen Bestimmungen entsprechen, können sich aber andererseits nicht über physikalische Naturgesetze hinwegsetzen. So können zwar über einen FI Schutzschalter hinweg Daten übertagen werden, allerdings nur mit sehr geringer Geschwindigkeit. Zusätzlich sollten auch Sender und Empfänger an der gleichen Phase betrieben werden, damit die MIMU Technik ihre Vorteile ausspielen kann (Übertragung über 3 statt nur 2 Leiter). Das ist aber eine Hürde, welche man relativ leicht beheben oder realisieren (lassen) kann. Schwieriger hingegen ist das Aufsuchen und Entstören von Geräten, welche die Powerline Datenübertragung massiv einbremsen oder stören.
Ich rate daher bei einem wenig zufriedenstellenden Ergebnis, nicht den Kopf in den Sand zu stecken, sondern durch einige Experimente das Ergebnis zu verbessern. Macht Spaß, wirklich!
Das hier gezeigte Fritz!Powerline Set 1260E WLAN ist in weniger als 5 Minuten und kinderleicht ins heimische Mesh-Netz der Fritzbox integriert. WLAN-Roaming funktioniert nun perfekt am kompletten Grundstück mit anständigen Datendurchsatz und ich kann daher das Set uneingeschränkt weiter empfehlen.


Ich habe hier der Einfachheit halber den 1220E öfters als "Sender" und den 1260E als "Empfänger" bezeichnet, obwohl die Kommunikation ja bidirektional ist ;-)





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