Spezifikation PD-System
PD-Kabel
Ein PD-Kabel enthält vier Aderpaare (acht Pins128). Zum Vergleich: RJ45 (Ethernet) hat vier (acht Pins), USB-C hat 24 Pins. Ich orientiere mich stärker am Ethernet, denn mehr Aderpaare bedeuten teurere Kabel. Für USB ist das nicht so wichtig, da es für kurze Strecken gedacht ist. PD-Kabel sollen aber bis zu 50m lang sein (bei Ethernet sind es bis zu 100m).
Allerdings müssen wir mit den Pins nicht die volle Breite des PD-Steckers belegen. Schließlich bringt USB-C auf diesem Platz 24 unter! Um den Stecker später nicht ändern zu müssen, ist es besser, Platz für weitere Pins freizulassen, selbst wenn wir bisher keine Idee haben, wofür wir sie brauchen. Signale und Strom nutzen symmetrische Signalübertragung, eine separate Erde ist nicht nötig (wie PoE).
Zu Beginn, bevor zwei verbundene Geräte mittels PD-Protokoll etwas anderes vereinbart haben, sind dabei nur zwei Aderpaare des PD-Kabels in Benutzung. Auf beiden wird in dieselbe Richtung mit 12V Strom übertragen (zum Verbraucher). Für Datenübertragung kann in jede Richtung ein Aderpaar genutzt werden (Vollduplex). Im Vergleich zu USB und PoE ist das vereinfacht und eine höhere initiale Spannung, da wir immer ein Gerät mit Strom versorgen wollen.
Für Geräte, die wenig Strom brauchen und auch nicht die maximal mögliche Datenmenge ausnutzen, ist das ausreichend. Sie können die anderen beiden Aderpaare ignorieren, und ihnen können (entsprechend beschriftete!) PD-Kabel beiliegen, die nur diese beiden Aderpaare leiten.
Über diese Adern können Geräte klären, welche Protokollversion sie sprechen und sich auf den kleinsten gemeinsamen Nenner einigen. Sie können identifizierende Daten mitteilen (Hersteller, Modell, Seriennummer, Produktionsdatum), welche Signale sie verstehen und welche sie senden, Daten anderer Geräte senden und empfangen, die Versorgungsspannung von 12V auf 48V umschalten (gilt bei Gleichstrom als noch ungefährlich, ist auch bei USB und PoE das höchste genutzte Spannungslevel) und eine Nutzung der beiden anderen Aderpaare (so vorhanden) vereinbaren.
Das dritte Aderpaar ist exakt so nutzbar, wie die ersten beiden: Es kann mit 48V Strom zum Verbraucher übertragen und die Datenrate in eine der beiden Richtungen verdoppeln.
Das vierte Aderpaar ist dagegen besonders und spiegelt die Priorisierung der Stromübertragung im PD-System wieder: Es ist ein Stromaderpaar, wesentlich dicker, und kann nur Strom übertragen, keine Daten.
380V-Kabel
Normalerweise funktioniert das ganze System mit einer initialen Spannung von 12V und einer Betriebsspannung von 48V. Wenige Spannungslevel zu haben, sollte den Aufbau des Systems deutlich vereinfachen. Seltenere Spannungslevelwechsel erhöhen auch den Gesamtwirkungsgrad des Systems, und es ist problemlos möglich, 48V in den Verbrauchern in einem Schritt auf 1,5V oder weniger abzusenken.[76]
Es gibt aber Fälle, in denen die so übertragbare Strommenge nicht ausreicht. Bei der Stromzuführung zur Wohnung, einzelnen Großverbrauchern wie Herd oder Kühlschrank, oder um Basisstationen des PD-Netzes miteinander zu verbinden, die allen anderen Geräten den Gleichstrom bereitstellen. Dafür braucht es ein leistungsfähigeres Kabel.
Das 380V-Kabel verfügt über 12 statt 3 normale Aderpaare und ein noch dickeres Stromaderpaar.
Wird das Kabel mit 12V/48V betrieben, dann hat es genug Strom- und Datenkapazität, um in 4 PD-Kabel aufgespalten zu werden. Der Strom aus dem Stromaderpaar kann dabei passiv aufgeteilt werden (ganz wie ein klassisches Stromkabel an einer Verteilerleiste).
Wird das Stromaderpaar dagegen mit 380V betrieben, dann kann über dieses Kabel jede Strommenge übertragen werden, die ein Haushalt braucht. Anders als beim PD-Kabel sind sein Stecker und seine Isolierung darauf ausgelegt, 380V auf dem Stromaderpaar zu verkraften.
Versionsnummern
Auf jedem Kabel und jeder Steckdose sollte eine Versionsnummer angegeben sein. Jeder Versionsnummer sind dabei Mindestanforderungen zugeordnet, denen die Adern des Kabels genügen müssen (elektrische Eigenschaften). Neben weiteren Adern sind Verbesserungen dabei durch kürzere Kabellängen, größeren Aderquerschnitt, andere Metalle, bessere Isolierung oder anderen Kabelaufbau erreichbar. Alle Änderungen dieser Mindestanforderungen müssen abwärtskompatibel sein, so dass eine höhere Nummer stets auch alle Mindestanforderungen niedrigerer Nummern erfüllt. Maximale Signallaufzeiten dürfen dabei keine Mindestanforderung sein, so dass kürzere Kabel nie der einzige Weg sind, eine höhere Versionsnummer zu erreichen.
Leitungsverluste
Die ersten drei Aderpaare im PD-Kabel haben einen Querschnitt von je 2x0,2mm², leiten maximal je 12 Watt und haben bei einem 50m Kabel (dem erlaubten Maximum) 4,65% Verlustleistung.
Das vierte Aderpaar hat einen Querschnitt von 2x1,0mm², leitet maximal 60 Watt und hat bei einem 50m Kabel ebenfalls 4,65% Verlustleistung (fünffacher Querschnitt, fünffache Stromstärke).
In Summe kann ein PD-Kabel somit bis zu 96 Watt übertragen, bei einem Gesamtleiterquerschnitt von 3,2mm².
Die 12 Aderpaare des 380V-Kabels zur PD-Box führen die ersten 3 Aderpaare für jeden der 4 PD-Anschlüsse. Sein Stromaderpaar hat dagegen einen Querschnitt von 2x2,0mm², leitet bei 48V maximal 120 Watt und hat folglich wieder 4,65% Verlustleistung bei 50m Kabellänge. Da es keine Daten führt, kann sein Strom passiv auf die Stromadern der vier PD-Anschlüsse aufgeteilt werden.
Das 380V-Kabel kann mit 48V Spannung insgesamt bis zu 264 Watt übertragen. Aufgeteilt in 4x36=144 Watt, die PD-Anschlüssen exklusiv zugeordnet sind, und 120 Watt frei verteilbaren Stroms. Zwei der vier PD-Anschlüsse können somit gleichzeitig die maximal möglichen 96 Watt (36+60) in Anspruch nehmen.
Das 380V-Kabel hat einen Gesamtleiterquerschnitt von 8,8mm².
Wird das gleiche Kabel genutzt, um 380V zu übertragen, dann würde ich die normale Leistungsgrenze bei 4kW setzen (zum Vergleich: 16A bei 230V Wechselspannung sind 3,68kW). Dann entstehen bei 50m Kabellänge 2,5% Verlustleistung. Es werden aber auch andere Leistungsgrenzwerte in den PD-Basen einstellbar sein.
PD-Basen verbindende 380V-Kabel (ist bei der Stromverkabelung der Wohnung bekannt) enthalten ein Stromaderpaar mit Querschnitt 2x4,0mm² (Kabel insgesamt 12,8mm²). Die gleichen 2,5% Verlustleistung treten bei 50m Kabellänge dann erst bei 8kW Leistung auf.
Die maximal übertragbare Leistung ist dabei von der tatsächlichen Kabellänge abhängig. Falls die 50m Länge ausgereizt werden, kann bei Bedarf auch ein Kabel mit noch größerem Aderquerschnitt zum Einsatz kommen.
Die 50m Kabellänge werden in der Praxis in einer Wohnung natürlich sehr selten erreicht werden. Die tatsächlichen Leitungsverluste sind dann proportional geringer (Beispiel: 10m Kabellänge von PD-Basis zu einem mit 96 Watt bei 48V versorgten Gerät: 0,93%).
Signale
Von den Geräten gesendete Signale wie „Ein“, „Aus“, „Trigger“, „x%“, „+x%“, „-x%“, Modi, Messwerte und so weiter werden standardisiert sein. Der Beipackzettel der LED wird auflisten, welche Signale die LED versteht und auf welcher Nummer diese was bewirken.
Welche Signale an verbundene Geräte weiter geleitet werden, kann nach Signaltyp, Nummer und Raum129 gefiltert werden. PD-Geräte senden Signale normalerweise mit Nummer „1“. Falls sie jedoch über mehrere Taster oder Regler verfügen, nutzen sie aufsteigend weitere Nummern, um sie zu unterscheiden.
In der GUI kann für jede Verbindung angegeben werden, dass etwas zu dieser Nummer dazu addiert werden soll, bevor sie weitergeleitet wird.
Mehrere Geräte können zu einer Gruppe zusammengefasst werden, um sie einheitlich zu behandeln, und um nur eine Stelle ändern zu müssen, wenn ein neues Gerät dazukommt.
Beispiel:
Für eine LED listet der Beipackzettel folgendes auf:
• Unterstützte Signale: „Ein“, „Aus“, „x%“
• 1: schaltet das Licht ein oder aus, x% dimmt es
• 2: x% setzt Rot-Anteil des Lichts
• 3: x% setzt Grün-Anteil des Lichts
• 4: x% setzt Blau-Anteil des Lichts
Der Taster sendet „Trigger“ wann immer er gedrückt wird, der Drehregler „-1%“ oder „+1%“ wann immer er soweit nach links oder nach rechts gedreht wird.
LED und Taster sind also beide extrem simpel und halten keinerlei inneren Zustand. Aber die vom Taster gesendeten und die von der LED erwarteten Signale passen nicht zusammen.
Das macht aber nichts, denn die PD-Basen bieten Umwandlungsmöglichkeiten dafür, in Form von Zwischenstufen. Das können vorgefertigte kleine Programme sein (Verzögerung, x% Verlauf über Zeitraum, x% zu Farbkreis, ...) oder selbst erstellte wenn-dann Bedingungen (wenn x und y, tue a und b). Mithilfe einer Zwischenstufe kann „Trigger“ in „Ein“ oder „Aus“ übersetzt werden, oder „+1%“ / „-1%“ in „x%“. Wobei dann die PD-Basen den aktuellen Zustand halten.
In diesem Beispiel ist aber keine Zwischenstufe nötig: Sobald in den PD-Basen Taster und LED verbunden werden, merken sie, dass der Taster „Trigger“ sendet, die LED dagegen „Ein“ und „Aus“ erwartet. Folglich werden sich die PD-Basen den aktuellen Zustand merken und für jedes vom Taster erhaltene „Trigger“ das Signal „Ein“ oder „Aus“ an die LED schicken (gleiches gilt für „+1%“ / „-1%“ versus „x%“).
Genauso würde es mit Drehregler zur Dimmung statt einem Taster funktionieren. Soll dagegen ein einziger Drehregler die Farbe des Lichts regeln, wird man in der GUI eine Zwischenstufe einfügen, welche einen Prozentwert in RGB-Werte eines Farbkreises übersetzt und die dafür nötigen drei Prozentwerte ausgibt.
Für mehr Automatisierung können auch die PD-Basen selbst Signale generieren: Zu einer bestimmten Uhrzeit, oder wenn ein Gerät in einem bestimmten Modus und Raum im PD-Netz erscheint oder verschwindet.
Soll das PD-System auf Lautsprechern in einem Raum Musik oder Geräusche abspielen (als Alarm, oder um beim Einschlafen zu helfen), so kann diese Tonspur von einem Gerät im PD-Netz kommen, als Reaktion auf ein Signal. Oder die Datei wird von der PD-Basis selbst abgespielt (in der GUI über eine Zwischenstufe getriggert).
Werden mehrere Geräte via PD-Netz verbunden, die nur zusammen sinnvoll nutzbar sind, so kann eines davon ein Skript übertragen, welches steuert, wie es sich mit den anderen verbindet. Man schließt sämtliche Geräte an, wählt dann in der GUI „Verbinden“ beim zentralen Gerät, und die Geräte verbinden sich automatisch wie vorgesehen. Mit Optionen, dieses Skript für dieses Gerät, alle Geräte dieses Modells oder Herstellers, oder für alle Geräte automatisch auszuführen. Das jeweilige Skript läuft dann, wann immer ein Gerät ans PD-Netz angeschlossen oder entfernt wird. Falls man soviel Kontrolle abgeben möchte.
Als Spezialfälle sind im PD-Netz noch die Anbindung an das Internet und an andere PD-Netze vorgesehen.
Für die Anbindung an das Internet kann ein Gerät diese Fähigkeit bewerben, und die PD-Basen leiten entsprechende Daten zu und von diesem Gerät weiter. Für alle anderen Geräte kann es dann je nach Vorliebe entweder eine White- oder Blacklist geben: Entweder kommen nur dafür freigeschaltete Geräte ins Internet oder alle, für die es nicht verboten wurde.
Der Anschluss an andere PD-Netze erfolgt über 380V-Kabel. Neben der Stromübertragung ist dabei auch konfigurierbar, welche Geräte das Partnernetz sehen soll und mit welchen sichtbaren Geräten eigene Geräte verbunden sind. Dabei gibt es die Einstellmöglichkeit „alle sichtbaren“.130