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Vor- und Nachteile diverser Techniken für zuverlässige Cloud-Verbindungen Der Stromkreisschutz per Thyristoren für G.fast

| Autor / Redakteur: Phillip Havens* / Ulrike Ostler

Die großflächige Umstellung auf Home Office in diesem Jahr macht es umso erforderlicher, dass Telekommunikationsdienstleister die Verbindung zum Internet auch remote jederzeit hochperformant sicherstellen können. Dazu benötigen sie Vorkehrungen gegen Blitzschlag und andere Ereignisse, die zu Überspannungen führen. Dies gelingt mit Thyristoren für den Stromkreisschutz.

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G.fast ist ein ITU-T-Standard der DSL-Technik und gilt als Nachfolgestandard zu VDSL2. Das Übertragungsverfahren basiert auf Supervectoring auf Vectoring. Zu sehen ist hier eine 24port DPU von Sckipio.
G.fast ist ein ITU-T-Standard der DSL-Technik und gilt als Nachfolgestandard zu VDSL2. Das Übertragungsverfahren basiert auf Supervectoring auf Vectoring. Zu sehen ist hier eine 24port DPU von Sckipio.
(Bild: CC BY 4.0 / CC BY 4.0)

Generell haben Telefondienstleister einen starken finanziellen Anreiz, ihren Kunden umfassende Service-Pakete für den schnellen und zuverlässigen Internet-Zugang bereitzustellen. Ihre Angebote können inzwischen mit den Leistungen konkurrieren, die bislang nur über Kabelnetzbetreiber erhältlich waren. Mit anderen Worten: Telekommunikationsanbieter (TK-Anbieter) wollen ihren Kunden gleichzeitig und nahtlos Sprach-, Daten-, Video- und Internet-Verbindungen zur Verfügung stellen.

Bislang laufen in Deutschland die meisten High-Speed-Verbindungen über die Netze der Kabelprovider. TK-Anbieter können diese über Glasfasernetze bereitstellen, deren Ausbau hierzulande aber nach wie vor nicht das gewünschte Maß erreicht. Daher müssen sie in der Regel die vorhandenen Kupferleitungen verwenden, um Hochgeschwindigkeitsverbindungen in die Räumlichkeiten der Kunden zu bringen.

Dazu benötigen sie die G.fast-Technologie. Durch sie erhalten Kunden glasfaserähnliche Zugangsgeschwindigkeiten, während die TK-Anbieter ihre Glasfaserinstallationen nach und nach einführen. Aufgrund des enormen Potenzials für die Erweiterung der Breitbandversorgung sagen einige Branchenexperten voraus, dass der weltweite Markt für G.fast-Chips auf jährlich 2,9 Milliarden Dollar wachsen wird (siehe etwa: „Global G.fast Chips Market 2016-2021: Industry Growth, Demands and Research Report”: 20. April 2016.)

Die schematische Darstellung eines FTTdp-Zugangsnetzes.
Die schematische Darstellung eines FTTdp-Zugangsnetzes.
(Bild: Littelfuse)

So funktioniert G.fast

G.fast ermöglicht auf folgende Weise wirtschaftliche Hochgeschwindigkeitsverbindungen: Das TK-Unternehmen installiert Glasfaser bis zu einer Vermittlungsstelle, auch Fiber to the Node oder FTTN genannt, und verzweigt die Verbindung dann über die „letzte Meile“ mit der vorhandenen Kupferdrahtinfrastruktur bis zum Kundenstandort. Die G.fast-Technologie verwendet eine große Frequenz-Bandbreite, bis zu 106 megahertz (MHz) mit der Möglichkeit bis zu 212 MHz, um die Sprach-/Daten-/Video-/Internet-Verbindung zum Teilnehmer bereitzustellen.

Multipoint-FTTN bietet für TK-Unternehmen eine weitaus wirtschaftlichere Möglichkeit, High-Speed-Verbindungen für Kunden zur Verfügung zu stellen. Denn hier ist es nicht notwendig, einen Außendienst-Techniker zu jedem neuen Teilnehmer zu schicken. Stattdessen installiert der Kunde das neue G.fast-Modem in wenigen Minuten selbst und schließt es an das eigene Stromversorgungssystem an.

Die G.fast-Technologie ist komplementär zu FTTdp, Glasfaser bis zum Verteilungspunkt, Multiport FTTdp, FTTC ,Glasfaser bis zum Verteilerkasten, und FTTH, Glasfaser bis in die Wohnung. Sie bietet den Vorteil, dass sie die verfügbare Glasfaserbandbreite nicht annähernd so stark einschränkt wie frühere xDSL-Technologien.

Zum Beispiel erreicht VDSL2 mit 100 Megabit pro Sekunde (Mb/s) den Höchstwert, erfordert aber für diese Geschwindigkeit eine Verwendung von zwei verdrillten Leitungspaaren und Vektorisierung, um das Übersprechen aufzuheben. Auf ähnliche Weise erzielt ADSL2+ eine Höchstgeschwindigkeit von 10 Mb/s. Das Maximum für ADSL2 liegt bei 5 Mb/s und ADSL ist auf 1 Mb/s begrenzt.

Schematische Darstellung der FTTdp G.fast-Architektur
Schematische Darstellung der FTTdp G.fast-Architektur
(Bild: Littelfuse)

Im Gegensatz dazu hat G.fast eine Ziel-Datenrate von 1 Gigabit pro Sekunde (Gb/s) über 100 Meter eines einzelnen Twisted-Pair-Kabels (24 AWG/0,5 Millimeter). Aufgrund laufender Verbesserungen erreicht die Technologie künftig möglicherweise höhere Datengeschwindigkeiten, wodurch sie noch vielversprechender wird. Aktuelle Forschungen bei Sckipio, dem Pionier der schnellen G.-Chipsatz-Technologie, deuten sogar darauf hin, dass Entfernungen von bis zu 500 Metern bei Geschwindigkeiten von mehreren Hundert Mb/s möglich sein könnten.

Herausforderungen beim Stromkreisschutz für G.fast

Bei Leitungen mit hoher Bandbreite wie G.fast kann die Kapazität aller Schaltungsschutzkomponenten, die auf der Leitung platziert sind, das Signal verschlechtern und damit die Rate und Reichweite verringern. Aber G.fast-Modems und Schaltungen in der Vermittlungsstelle dürfen nicht ungeschützt vor blitzschlagbedingten Überspannungen bleiben. Die Hersteller von Kundengeräten (Customer Premises Equipment, CPE) verfügen dafür über drei grundlegende Schaltungsoptionen: Gasentladungsröhren (GDTs), TVS-Diodenarrays (Transient Voltage Suppressor) und Schutzthyristoren.

GDTs, TVS-Diodenarrays und Schutzthyristoren haben jeweils eigene Vor- und Nachteile für den Schutz von G.fast-Schaltkreisen:

  • Zu den Vorteilen von GDTs gehören Stoßstromnennwerte von bis zu 20 Kiloampere (kA) und Kapazitätswerte von nur 1 Pikofarad (pF) bei einer Vorspannung von 0 Volt (V). Sie werden dank ihrer hohen Stoßstrombelastbarkeit häufig für den Primärschutz eingesetzt.
    Aber durch ihre geringe Interferenz für Hochfrequenzkomponenten können sie sich auch für Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen eignen.
    Sie besitzen jedoch einige Nachteile für G.fast-Anwendungen. Dazu gehört eine sehr hohe Anfangsspannungsschwelle. Das bedeutet, sie aktivieren sich möglicherweise nicht bei einer Schwelle, die niedrig genug für den Schutz der Schaltung ist, wenn eine Überspannung die normale Betriebsspannung des Systems überschreitet.
    Die Leistungsmerkmale von GDTs können sich auch ändern, wenn sie an dunklen Orten installiert werden. Zudem weisen sie eine relativ große Grundfläche sowie Wärmestau bei Leistungsfehlern auf.
  • TVS-Diodenarrays sind Klemmbauelemente, die eine niedrige Spannungsgrenze für die Aktivierung bieten. Aufgrund ihrer Klemmcharakteristik leiten sie jedoch höhere Leistungspegel ab und müssen daher physikalisch größer sein, um ähnliche Überspannungswerte wie Thyristor-Crowbar-Komponenten zu erreichen. Das physikalisch größere Siliziumgehäuse führt zu höheren Kapazitätswerten im Aus-Zustand, die inkompatibel mit einer Signalübertragung mit hoher Bandbreite sein könnten.
  • Ein Schutzthyristor ist ein PNPN-Bauteil, das man sich als Thyristor ohne Gate vorstellen kann. Wenn er seine Spitzen-Aus-Zustandsspannung (VDRM) überschreitet, klemmt er eine transiente Spannung auf einen Wert innerhalb der Nenn-Schaltspannung (VS) des Bauelements.
    Sobald der durch den Thyristor fließende Strom den Schaltstrom überschreitet, wird ein Kurzschlusszustand simuliert. Wenn der durch ihn fließende Strom geringer ist als sein Haltestrom (IH), wird er zurückgesetzt und kehrt zu seiner hohen Impedanz im Aus-Zustand zurück.
    Zu den Vorteilen moderner Schutzthyristoren für diese Anwendung gehören eine schnelle Ansprechzeit, stabile elektrische Eigenschaften, langfristige Zuverlässigkeit und eine niedrige Kapazität. Und da es sich um Crowbar-Geräte handelt, können sie nicht durch hohe Spannung beschädigt werden.

Aktuelle Schutzthyristoren sind so ausgelegt, dass sie Telekommunikationsgeräte funktionell nach den hohen Überspannungsanforderungen von GR-1089 schützen, solange sie korrekt im Stromkreis zwischen dem Transformator und dem DSL-Treiber angeordnet sind. Der Transformator dämpft dann die Überspannung.

Die Amplitude von G.fast-Signalen ist viel geringer als die von bestehenden xDSL-Diensten, so dass die variierende Spannung über den Schutzthyristor ebenfalls sehr niedrig ist. Das Ergebnis ist eine nicht wahrnehmbare Kapazitätsschwankung. Wenn sich das Bauelement in der Tertiärposition befindet (wie oben gezeigt), ergeben Raten- und Reichweitentests einen akzeptablen Verlust von weniger als 0,2 Dezibel (dB).
Die Amplitude von G.fast-Signalen ist viel geringer als die von bestehenden xDSL-Diensten, so dass die variierende Spannung über den Schutzthyristor ebenfalls sehr niedrig ist. Das Ergebnis ist eine nicht wahrnehmbare Kapazitätsschwankung. Wenn sich das Bauelement in der Tertiärposition befindet (wie oben gezeigt), ergeben Raten- und Reichweitentests einen akzeptablen Verlust von weniger als 0,2 Dezibel (dB).
(Bild: Littelfuse)

Das Bauelement lässt sich auch auf der Leitungsseite des Transformators platzieren, wenn eine ausreichende Impedanz zwischen ihm und dem Eingangspunkt (typischerweise ein RJ11-Steckverbinder) vorhanden ist. Dies geschieht zum Beispiel bei Hochpassfiltern, die in dieser Art von Anwendungen zum Einsatz kommen.

G.fast Design und weltweite Standards

Bei der Entwicklung von G.fast-Geräten möchten die meisten Hersteller Schaltungen entwerfen, die mit weltweiten Standards kompatibel sind. Für internationale Standorte wie Europa, Asien, Naher Osten und einige südamerikanische Länder müssen die Geräte entweder die in den Standards in Tabelle 1 angegebenen Werte für die Basis- oder die erweiterte Überspannungsfestigkeit erfüllen.


Standard

Beschreibung
   
ITU-T   K.20    

Widerstandsfähigkeit der in einem Telekommunikationszentrum installierten TK-Geräte gegenüber Überspannungen und Überströmen

ITU-T K.21

Widerstandsfähigkeit von TK-Geräten, die in einem Kundengebäude installiert sind, gegenüber Überspannungen und Überströmen
   
ITU-T   K.45    

Widerstandsfähigkeit der in den Zugangs- und Leitungsnetzen installierten TK-Geräte gegenüber Überspannungen und Überströmen

YD/T 950- 1998

(Ähnlich zu ITU-T K.20)
   
YD/T   993- 1998    
   
(Ähnlich   zu ITU-T K.21)    

YD/T 1082- 2000

(Ähnlich zu K.20 und K.45)
   
IEC   6100-4-5 (Level 5)    

Die höchste Stufe dieses Standards (Prüf- und Messverfahren) – Stoßspannungsfestigkeit (Blitzstoßwirkung), die in europäischen und asiatischen Ländern gefordert wird

Tabelle 1: Weltweite Normen für den Überspannungsschutz, die für die Konstruktion von G.fast-Geräten relevant sind


Porttyp-Nummer

Beschreibung
1 Netzwerk zwischen Gebäuden
2 Netzwerk innerhalb eines Gebäudes
3 Kundenstandorte (CP) zwischen Gebäuden und Zellstandorten
3a CP-Ports in Zellstandorten innerhalb eines Gebäudes
3b CP-Ports mit kurzer Reichweite außerhalb der Anlage (OSP)*
4 CP innerhalb eines Gebäudes
4a Kundenseitige optische Netzabschlusseinheit innerhalb eines Gebäudes
5 OSP zwischen Gebäuden
5a Intrazellulärer Standort
5b OSP-Ports mit kurzer Reichweite
6 Antennenanschlüsse
7 Wechselstromanschlüsse
8 Lokale Gleichstromanschlüsse
8a Gleichstromversorgung der Antenne
8b Intrazelluläreleichstromversorgung
* Typischerweise weniger als 150 Meter

Tabelle 2: GR-1089 enthält Prüfbedingungen der ersten und zweiten Stufe für die Blitzimmunität zwischen Gebäuden und innerhalb von Gebäuden. Die spezifische Überspannungsbedingung hängt vom Porttyp ab. Weitere Informationen zu den Anforderungen dieser Normen gibt es im „Ethernet Protection Design Guide“, der kostenlos bei Littelfuse erhältlich ist.

Vorteile aktueller Schutzthyristoren für G.fast

Die neueste Generation von Schutzthyristoren bietet Schaltungsentwicklern für G.fast Hardware zahlreiche Vorteile:

  • Bei korrekter Integration in das Leiterplatten-Layout gewährleistet sie Blitzüberspannungsschutz sowohl für G.fast-Modems, die beim Kunden installiert sind, als auch für G.fast-Treiber in der optischen Netzabschlusseinheit. Dort endet die Glasfaser und das Signal wird in analoge Signale übersetzt. (siehe: Abbildung 3 für das Leitungstreiber-Referenzdesign. Weitere Informationen zu diesem Referenzdesign gibt es im „G.fast Line Driver Tertiary Overvoltage Protection Application Brief“.)
  • Die neuesten Schutzthyristoren können auch zur Absicherung einer Vielzahl von Telekommunikationsgeräten gemäß den hohen Überspannungsschutzanforderungen der GR-1089 nützlich sein und eine Signalverschlechterung verhindern. Diese Fähigkeit basiert auf der anfänglich niedrigen Kapazität im Aus-Zustand (nur maximal 2,0 pF) und der extrem geringen Varianz der Kapazität über Spannungsschwankungen hinweg.
    Dies vermeidet Interferenzen mit den stationären Signalen (Kapazitätsschwankungen demodulieren das DSL-Signal). Die extrem niedrige Kapazität und die sehr geringe Kapazitätsschwankung ermöglichen maximale Raten- und Reichweitenfähigkeiten für G.fast-Services.
  • Durch das Angebot verschiedener Abstandsspannungen sind aktuelle Schutzthyristoren mit den PSD-Grenzwerten (Power-Spectrum-Density) für G.fast kompatibel. Sie lassen sich aber auch in G.fast-Chipsätzen nutzen, die mit VDSL2 rückwärtskompatibel sind. In diesen Fällen erhöhen viele der Leitungstreiber ihren Ausgangsspannungsbereich, um die VDSL2-PSD-Grenzwerte zu erreichen, wenn sie in einen VDSL2-Modus „zurückfallen“.
    Die höheren Ausgangsspannungen, die dieses neue Design bietet, sind mit den höheren, für VDSL2 typischen stationären Spannungen kompatibel. Die Signalverschlechterung auf der Leiterplatte ist geringer, da das SOT-23-6-Gehäuse ein Durchfluss-Design ermöglicht, das den Leiterplatten-Layout-Prozess vereinfacht. Wenn der PCB-Designer die Leiterplatte entwirft, kann er mit diesem Bauteil die Leiterbahnen parallel halten und erspart sich die Notwendigkeit einer Stichleitung. Dadurch vermeidet er zwei mögliche Ursachen für Impedanzfehler auf der Leitung.
  • Eine hohe Überspannungsfestigkeit (mindestens 30 A) bietet einen hervorragenden Schutz für das G.fast-Modem, wenn eine blitzschlagbedingte Überspannung über das Spitzen- und Ringpaar hinweg abfließt. Das Crowbar-Bauteil wirkt wie ein Kurzschluss, der den Stoßstrom vom G.fast-Leitungstreiber ableitet und damit verhindert, dass dieser beschädigt wird.
    Der Thyristor wird automatisch zurückgesetzt, sobald das Überspannungsereignis vorbei ist, und das Modem läuft normal weiter. Eine Stoßstrombelastbarkeit von 15 bis 16 Ampere erweist sich in der Regel als unzureichend für den Schutz von G.fast-Anwendungen, die einer stärkeren Belastung ausgesetzt sind, auch laut den Anforderungen von GR-1089 Issue 6 zwischen Gebäuden und der ITU K20/21/45 Erweiterte Empfehlungen für externe Leitungen.

Im Vergleich zu den Vor- und Nachteilen aktueller GDTs und TVS-Diodenarrays sind die neuesten Schutzthyristoren mit modernem Crowbar-Schaltkreisschutz am besten für die Absicherung von G.fast-Geräten geeignet. So sorgen sie für einen zuverlässigeren Zugang zur Cloud – sowohl für TK-Unternehmen als auch für deren Geschäfts- und Privatkunden.

Ergänzendes zum Thema
* Über den Autor

Phillip Havens ist leitender Ingenieur für Normen und Anwendungen bei der Littelfuse Inc. Er hat einen BSEE- und MSEE-Abschluss der Technischen Universität Louisiana und ist ein lizenzierter Berufsingenieur (PE). Er vertritt Littelfuse bei Verbänden der Elektronik-, Sicherheits-, Stromkreisschutz- und Telekommunikationsbranche wie ITU, TIA, ATIS, IEC, IEEE, PEG und UL497/60950-1/62368-1 STPs. Er hilft auch bei der Definition, Leitung und Unterstützung der siliziumbasierten Schutzprodukte des Unternehmens.

(ID:46834564)