Dieser Artikel ist Teil unserer Artikelserie zum Thema NMEA2000. In den vorherigen Teilen haben wir uns mit der Geschichte und den Möglichkeiten von NMEA und dem grundlegenden Aufbau eines NMEA2000-Netzwerks beschäftigt. Hier geht es nun um die Versorgung mit Strom.
Neben den beiden Datenleitungen sind im NMEA2000-Standard auch zwei stromführende Leiter in den Kabeln vorgesehen. Über diese Leiter können Geber und Anzeigen im Netzwerk, die einen geringen Stromverbrauch haben, mit Energie versorgt werden. Die beiden Leiter werden an das 12V-Bordnetz angeschlossen (Achtung: Bei einem 24V-Bordnetz ist ein DC/DC-Spannungswandler unbedingt notwendig!)
Power-Node zur Stromversorgung
Es ist empfehlenswert, einen vorgefertigten "Power-Node" zu verwenden, wie er z. B. bei NMEA2000-Starterkits dabei ist. Diese enthalten eine entsprechend dimensionierte Sicherung, und die Verbindung der Abschirmung mit der Masse ist ebenfalls schon vorgenommen. Der Power-Node wird einfach an einem T-Verbinder angeschlossen.
Da die Querschnitte der Leiter in den Standard-NMEA2000-Kabeln recht klein sind und insgesamt recht große Kabellängen erlaubt sind, gibt es allerdings Grenzen bei der Verwendung dieser Komponenten.
Kabeltypen: Lite, Mid und Heavy
Im NMEA2000-Standard wird zwischen drei verschiedenen Kabeltypen unterschieden: Lite, Mid (Medium) und Heavy. Bei Lite-Kabeln beträgt der Querschnitt der Versorgungsleiter mindestens 0,326mm (22 AWG), bei Mid-Kabeln 1,31 (16 AWG) und Heavy-Kabeln 1,65mm (15 AWG).
Je nach Kabelhersteller gibt es leicht unterschiedliche Empfehlungen bezüglich der maximalen Kabellängen und des erlaubten Strombedarfs der im Netzwerk angeschlossenen Komponenten. Wir beziehen uns hier auf die Empfehlungen von Navico, dem Hersteller der Marken Simrad, Lowrance und B&G.
Insgesamt dürfen nach NMEA2000-Standard die Verbraucher, die über die NMEA-Kabel mit Strom versorgt werden, gemeinsam nicht mehr als 3 Ampere verbrauchen. (Beim Einsatz von Medium-Duty-Kabeln sind 4 Ampere erlaubt). Die Spannung darf bei keinem Verbraucher unter 9,5 Volt fallen.
Absicherung des NMEA2000-Netzwerks
Aufmerksame Leser werden vielleicht bemerkt haben: Die Querschnitte in den Lite-Kabeln sind geringer, als der in DIN EN ISO 10133 geforderte Mindest-Kabelquerschnitt auf Yachten. Das sorgt auch in Fachkreisen regelmäßig für Diskussionen. Die Praxis hat aber gezeigt, dass die kleinen Querschnitte solange kein Problem darstellen, wie das Kabel nicht über 3 Ampere belastet wird. Um Kabelbrände zu vermeiden muss das NMEA-Netzwerk unbedingt mit einer 3A-Sicherung abgesichert sein (z.B. mit einer 3-Ampere Flachsicherung) in der Nähe des Power-Nodes. Haben die Zuleitungen bis zum T-Verbinder einen größeren Querschnitt, dürfen diese (z.B. am Stromverteiler) mit dem Querschnitt angepassten Schutzschaltern (siehe Kabelquerschnitts-Rechner) abgesichert werden. Die 3-Ampere-Sicherung vor dem T-Verbinder ist aber natürlich trotzdem erforderlich.
Die Power-Nodes in den NMEA2000-Starter-Kits sind bereit mit entsprechenden Sicherungen bestückt.
Bei Medium- oder Heavy-Duty Kabeln sollte mit 4-5 Ampere abgesichert werden.
Auf den meisten Sportbooten werden diese Beschränkungen wahrscheinlich kein Problem darstellen, trotzdem sollte man sie bei Planung oder Erweiterung des Netzwerks im Auge behalten.
Stromversorgung im NMEA2000 Netzwerk platzieren
Um die Berechnung des Strombedarfs zu vereinfachen, müssen alle NMEA2000-kompatiblen Geräte eine LEN (Load Equivalency Number) haben. Die ist normalerweise auf der Packung oder im Datenblatt angegeben. Eine LEN von 1 entspricht einer Leistungsaufnahme von maximal 50mA. Braucht ein Gerät z.B. 250mA, so hat es eine LEN von 5, ab einem Verbrauch von 251mA ist die LEN 6.
Um zu verhindern, dass der komplette Strombedarf für alle Komponenten im Netzwerk durch die selben Kabel im Backbone fließt wird empfohlen, die Stromversorgung möglichst "mittig" im Backbone zu platzieren. Das heißt, auf jeder Seite des "Power-Node" im Backbone sollte die Summe der LENs der angeschlossenen Geräte möglichst gleich sein.
Bei kleinen Netzwerken mit nur wenigen Verbrauchern ist aber auch eine unbalancierte Stromversorgung an einem Ende des Backbones ("End-Powered-Network") erlaubt. Diese kleinen Netzwerke funktionieren in der Regel auf Anhieb stabil.
Für größere Yachten und Schiffe der Berufsschifffahrt ist etwas mehr Planung nötig: Beträgt die Gesamtlänge aller Kabel im Netzwerk mehr als 100 Meter, so muss man auf jeden Fall Medium-Duty-Kabel im Backbone verwenden.
Spannungsabfall minimieren in größere Netzwerken
Sobald das Netzwerk mehr als nur ein paar Verbraucher umfasst, sollte man den Spannungsabfall im Netzwerk berechnen. Diesen kann man mit folgender Formel überschlagen.
Spannungsabfall (in V) = Kabelwiderstand × max. Abstand × Netzbelastung × 0,1
- Der Kabelwiderstand (in Ohm/m) hängt vom verwendeten Kabel ab. Bei Standard (Lite-)Kabeln beträgt er 0,057 Ohm/m, bei Medium-Duty Kabeln 0,015 Ohm/m und bei Heavy-Duty Kabeln 0,012 Ohm/m.
- Der maximale Abstand (in m) ist die Kabellänge zwischen Power-Node und dem am weitesten von der Batterie entfernten Verbraucher.
- Die Netzbelastung ist die Summe aller LENs (in 50mA) von Geräten, die auf der jeweiligen Seite des Backbones (aus Sicht der Spannungsversorgung) liegen.
Wer mag, kann sich die Formel mittels der Ohm'schen Gesetze (siehe Grundlagen der Bordelektrik) herleiten...
Bei Verwendung einer 12-Volt Batterie darf der Spannungsabfall nicht mehr als 1,17 Volt betragen, bei einer geregelten Gleichspannungsversorgung (z.B. mit DC/DC-Wandler) darf er die Differenz zwischen der eingestellten Spannung und 9,5 Volt nicht überschreiten.
Ist der Spannungsabfall zu groß, kann man
- zu Medium- oder Heavy-Duty-Kabeln wechseln,
- die Verbraucher oder die Stromquelle anders anordnen,
- einen DC/DC-Wandler als geregelte Stromquelle zwischenschalten
- eine zweite Stromquelle ins Netzwerk integrieren (In diesem Fall sollte man sich unbedingt mit einem Fachmann beraten!)
Nachdem wir nun über den Aufbau eines NMEA-Netzwerkes und die Stromversorgung Bescheid wissen, können wir uns im nächsten Teil der Artikelserie den Kabel- und Steckertypen widmen.