Notstromversorgung im Shack (1)

Der Notfunk spielt bei uns längst nicht die Rolle wie beispielsweise in den USA. Trotzdem sollte ein Funkamateur ein paar einfache, preiswerte Vorbereitungen für den Fall der Fälle ergreifen. Dieser Artikel beginnt mit ganz einfachen Maßnahmen, zeigt Querverbindungen zum Portabelbetrieb und endet mit möglichen Weiterungen und Sicherheitshinweisen.

Am nächsten dran am Notfunk ist für die meisten Funkamateure ein Fieldday. Dort gibt es kaum Alternativen zum herkömmlichen Benzin-Stromaggregat. Das muss wenigstens 3 kW abgeben können. Sonst verkraftet die Stromversorgung neben Funkanlage und Beleuchtung vielleicht noch den Kühlschrank, aber auf keinen Fall mehr den Wasserkocher. Kaffee muss sein, da kennen die XYLs keine Gnade! Egal, wie exotisch das DX gerade ist...

Aber sehen wir mal, ob man auch kleinere Brötchen backen kann!

Ist Notfunk in Deutschland nötig?

Ich sehe in Deutschland weniger den Bedarf, eng mit dem Katastrophendiensten zusammen zu arbeiten, auch wenn es dafür Beispiele gibt [1]. Die Katastrophendienste sind wohl ganz gut ausgerüstet und unsere Infrastruktur ist auch viel stabiler als die der meisten anderen Länder. Aber der Stromausfall in Berlin-Köpenick im Jahr 2018 zeigte ganz andere Lücken: Die Bevölkerung ist plötzlich von allen Kommunikationsmöglichkeiten abgeschnitten. Wer kein Radio mit frischen Batterien hat, steht ohne alle Informationen da. Wer das nachvollziehen will, sollte mal auf Youtube nach Stromausfall Köpenick suchen.

So weit die Katastrophendienste im Amateurfunk mehr die Chancen als einen Störfaktor sehen, sollte man ihnen unser Wissen natürlich zur Verfügung stellen. So geschah das beispielsweise 2016, als das THW Bayern seine Zentralen in den Regierungsbezirken per Kurzwelle verbinden wollte, um notfalls von den Telekommunikationsnetzen unabhängig zu sein. Funkamateure stellten hier nicht nur zentrales Fachwissen für den Aufbau des Netzes zur Verfügung, sondern ermöglichten auch die Präsentation des Netzes auf den Firetagen 2016 auf der Theresienwiese in München: Funkamateure an der Kurzwellenstation des THW bauten Verbindungen zu anderen Funkamateuren in ganz Bayern und darüber hinaus auf. Vergleichbares hätte das THW alleine nicht zeigen können.

Die meisten von uns sehen sich in erster Linie als Funkamateure und nicht als Mitglieder von THW usw. Das Angebot, erst mal drei Jahre die normale THW-Ausbildung machen zu dürfen, ehe wir auch nur in die Nähe eines Einsatzes kommen, werden die meisten von uns dankend ablehnen.

Deshalb sehe ich eher die Aufgabe, dass wir uns um die Bevölkerung kümmern. Zusammen mit ein paar Nachbarn ohne Lizenz versuche ich, meine Gemeindeverwaltung für einschlägige Themen zu sensibilisieren – nicht nur für Telekommunikation. Hier in der Gemeinde gibt es diverse Aushangkästen, in denen die Gemeinde Mitteilungen an die Bevölkerung veröffentlicht. Vielleicht können wir erreichen, dass die Gemeinde Notfall-Aushänge vorbereitet. Dort könnten neben den Adressen von Ersthelfern auch die Adressen von Funkamateuren stehen, die z.B. den Notarzt verständigen können. Dafür reicht oft schon eine Handfunke mit Verbindung zum nächsten Relais.

Wir könnten uns den Gemeinden auch als Kommunikationsberater zur Verfügung stellen:

Auf dem Schlauchtrockenturm der Feuerwehr könnte man Empfangsstationen für CB-Funk, PMR usw. installieren.
In den Empfang könnte man z.B. Gemeindearbeiter einweisen, die sich in der Gemeindeverwaltung auskennen und passende Fremdsprachen wie Polnisch oder Türkisch beherrschen. CB-Funk-Anlagen findet man heute fast ausschließlich in ausländischen Nutzfahrzeugen. Das wäre hier in der Gemeinde besonders wichtig, weil innerhalb der Reichweite drei Autobahnkreuze liegen.
An ein PMR-Mobilgerät könnte man einen Raspberry Pi anschließen, der regelmäßig Informationen verbreitet und ansonsten als Papagei-Relais etwas Kommunikation innerhalb der Gemeinde ermöglicht.

All das steht und fällt mit einer geeigneten Stromversorgung, womit wir wieder beim Thema wären. Ach ja: Rein zufällig kann man die folgenden Überlegungen auch für automatische Amateurfunkeinrichtungen nutzen. Dieses Fass mache ich aber erst im Teil 2 auf.

Welcher Betrieb sollte mindestens möglich sein?

Schon FM-Betrieb auf 2m oder 70cm kann ausgesprochen hilfreich sein – schon das nächste Relais kann außerhalb der Zone sein, die keinen Strom mehr hat. Jeder sollte aus eigener Erfahrung wissen, welcher Aufwand für den Betrieb auf der OV-Frequenz oder über die nächsten Relais nötig ist. Häufig genug wird dafür eine Handfunke an einer vernünftigen Antenne ausreichen. Auch wer gewöhnlich von daheim aus nicht QRV ist, sollte ein paar einfache Vorkehrungen treffen. Schon eine HB9CV vor dem Fenster bringt einige S-Stufen gegenüber einer Gummiwurst im Zimmer.

Mehr als eine 100-W-Station wird man auch auf Kurzwelle kaum benötigen. Mit einem 1-F-Kondensator kann man den mittleren Stromverbrauch einer 100-W-SSB-Station beim Senden auf 5 A drücken. So funktioniert Kurzwelle auch ohne ganz dicken Akku.

Die typische Situation beim Stromausfall

Fast täglich fällt irgendwo in Deutschland der Strom aus. Die meisten Stromausfälle dauern bei uns aber nur wenige Stunden [2]. Sie werden in aller Regel die durch technische Defekte oder höhere Gewalt wie einen umgestürzten Baum ausgelöst. Dabei stellt sich eher die Frage, wie man das Telefon funktionsfähig hält, als dass man ein Funknetz aufbaut. Für ein Handy oder Smartphone reicht eine kleine Powerbank für 10 EUR.

In Zeiten von Voice over IP (VoIP) funktioniert ohne eigenen Strom aber kein Festnetztelefon mehr. Mit einer herkömmlichen unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) aus dem PC-Bereich wird es im Festnetz knapp – schon ohne Last saugt der Wechselrichter den Akku innerhalb von 1-2 Stunden leer. Als Funkamateur sollte man aber durchaus fähig sein, den Router aus einer Batterie zu betreiben – man muss es nur vorbereiten. Ein Notebook mit geladener Batterie sollte so einen Ausfall auch durchstehen.

Den Nachbarn kann man womöglich schon helfen, wenn sie ihre Akkus an unserer Notstromversorgung laden können. Passende 12-V/USB-Adapter sind in den Autos weit verbreitet. Dann hilft schon eine 12-V-Mehrfachsteckdose weiter.

Wenn es dann ernst wird

Das alles hilft aber bestenfalls für wenige Stunden. Dann fällt die zivile Telekommunikations-Infrastruktur wegen fehlender oder zu kleiner Notstromversorgungen weitgehend aus. Was dann noch funktioniert, ist heillos überlastet. Jetzt können wir langsam über Notfunk nachdenken. Manches Dualband-FM-Gerät kann man auch als Crossband-Relais betreiben. An einem guten Standort kann es zu einem wertvollen Kommunikationsknoten werden.

Gehen wir die Frage nach der minimalen Betriebszeit mal umgekehrt an: Welche Zeiten kann man mit ganz geringem Aufwand überbrücken? Ein Mobilgerät verbraucht im reinen Empfangsbetrieb vielleicht 0,5 A bei 12 V (6 W). Ein Handfunkgerät ist deutlich sparsamer mit typisch unter 1 W.

Zwar kann man viele Handfunkgeräte auch mit 12 V betreiben, aber dann nehmen sie bedeutend mehr Leistung auf als mit ihrer niedrigeren, normalen Betriebsspannung. In einem 12-V-System sollte man hier über einen Schaltregler nachdenken. Mein FT-817 braucht im Empfangsfall bei 12 V Betriebsspannung 350 mA. Hinter dem Schaltregler sind es auf der 12-V-Schiene nur noch 250 mA.

Direkt aus Fernost gibt eine Vielzahl von Schaltreglermodulen mit recht hohem Wirkungsgrad, die kaum Kühlung brauchen. Diese Module nutzen Schaltfrequenzen bis in den MHz-Bereich, typisch aber eher 200-400 kHz. Die Briefmarke rechts kostete etwa 1,50 EUR und verursacht auch ohne weitere Maßnahmen keine Funkstörungen. Das Platinchen ist einfach mit doppelseitigem Klebeband auf das kupferkaschierte Material geklebt.

Kleiner Tipp: Dieser Schaltregler hat am Ausgang nur einen Keramikkondensator. Mittlerweile habe ich gelernt, dass bei größeren Lastströmen da noch ein Elko parallel geschaltet werden sollte. Darauf kam ich erst, als ich auf 70 cm FM gesagt bekam, dass ich ein Hintergrundgeräusch mitbrächte. Darauf hin war mir auch klar, warum mir bis dahin beim Senden immer die Betriebsspannung in die Knie ging. Das hatte ich bis dahin auf den Spannungsabfall auf dem recht dünnen Kabel zum Funkgerät geschoben. Auf 2 m konnte der FT-817 den Effekt offensichtlich noch ausgleichen.

Die billigsten Akkus im interessierenden Leistungsbereich sind immer noch Blei-Gel-Akkus mit 7-12 Ah bei 12 V. Daraus kann man 50-100 Wh entnehmen. Bei einem Mobilgerät (Crossband-Relais) reicht das noch nicht mal für 24 h Empfangsbetrieb. Eine Handfunke kann damit leicht 100 h durchlaufen – bei 15-30 EUR Akkukosten.

Mit etwas Glück bekommt man gebrauchte Akkus auch mehr oder weniger umsonst: In vielen Anwendungen, beispielsweise Alarmanlagen, werden Blei-Gel-Akkus nach drei Jahren ausgetauscht. Am Ende ihrer nutzbaren Lebensdauer sind sie dann noch lange nicht. Das sind allerdings Akkus, die vorzugsweise im geladenen Zustand vor sich hin dämmern und im Notfall begrenzte Ströme abgeben sollen. Dazu kommt unten noch mehr.

Natürlich verkürzt der Sendebetrieb die genannten Betriebszeiten. Man wird das Gerät aber kaum rund um die Uhr laufen lassen: Irgendwann muss der OM auch mal schlafen. 100 h Betriebsbereitschaft sollte schon für eine Woche reichen. Längere Stromausfälle sind bei uns extrem selten.

Nicht vergessen sollte man auch, dass die Hersteller die Kapazität für den I20 angeben, für einen 7-Ah-Blei-Gel-Akku also 350 mA. Beim I5 (Sendebetrieb) kann man vielleicht noch die halbe Kapazität nutzen. Drei Jahre alte Akkus haben weniger Kapazität. Die Lebensdauer eines Akkus hängt auch stark davon ab, wie tief man ihn entlädt. Es lohnt sich, die einschlägigen Datenblätter zu studieren. Siehe beispielsweise [4].

Wenn man einen gut gepflegten Blei-Gel-Akku bekommt, kann man es mit Nachfüllen von Wasser versuchen. Oft genug sind die Ergebnisse überraschend gut. Die zwei Blei-Gel-Akkus der USV an meinem ADSL-Router samt Versorgung einiger PoE- (Power over Ethernet) Geräte sind mittlerweile acht Jahre alt und immer noch für wenigstens 30 min Stützzeit gut.

USV als 12V-Versorgung

USV-Anlagen (unterbrechungsfreie Stromversorgung) sollen ermöglichen, den angeschlossenen Rechner geordnet herunter zu fahren – dass die vergleichsweise kleinen Akkus die geforderten mehrere 100 W nur für wenige Minuten liefern können und das auch nicht sonderlich oft können, spielt bei diesem Einsatz keine große Rolle. Die meisten USVs enthalten Blei-Gel-Akkus, in aller Regel 12 V/7 Ah. Seziert man die Funktionen einer USV, dann findet man:

Akku-Ladegerät,
Akku,
Wechselrichter 12 V= nach 230 V~ und
etwas Umschalt- und Überwachungselektronik

Die beiden ersten Baugruppen brauchen wir auch für die Notstromversorgung. Der Wechselrichter ist ganz praktisch, wenn man z.B. mal kurz ein Kabel löten muss. Das alles bekommt man samt Gehäuse zu einem Preis, der einen nachdenken lässt: 50-80 EUR samt Akku im Wert von 20 EUR. Gebraucht bekommt man für solche Beträge sogar USVs mit einem 500-W-Sinus-Wechselrichter, allerdings meist ohne brauchbaren Akku. Dazu später mehr.

Was hindert einen daran, eine USV als gepufferte 12-V-Stromversorgung zu nutzen? Hoffentlich nur der fehlende 12-V-Ausgang. In aller Regel sind die Akkus durch eine Wartungsklappe leicht zu erreichen. Vorsicht ist geboten, wenn die Wartungsklappe beim Öffnen auch die die Batterieanschlüsse trennt: Das kann auf fehlende Netztrennung im Gleichstromkreis hinweisen. Also als erstes die USV vom Netz trennen, Akku entnehmen und auf Durchgang vom Minus-Anschluss zur Schutzerde prüfen.

Wenn der Minuspol des Batterieanschlusses mit der Schutzerde verbunden ist, und nur dann, frisch ans Werk: Passende Buchse eingebaut und an die Batterie angeschlossen. Sicherung (wie am Mobilgerät) nicht vergessen! 4 mm² ist ein angemessener Querschnitt für diese Strippen. 2,5 mm² sollten es in den meisten Fällen auch tun und sind leichter zu verarbeiten.

Jede USV hat zwei Betriebsarten, die wir hier brauchen:

Man kann die USV ausschalten, d.h. sie liefert an den Ausgangsbuchsen keine Spannung mehr. Allerdings wird sie immer noch den Akku laden, sonst wäre die USV im Ernstfall nicht mehr einsatzfähig.
Wenn die USV ausgeschaltet ist und keine 230 V eingespeist werden, wird der Akku getrennt. Sonst würde er recht schnell tiefentladen und die USV würde unbrauchbar.

Laden bedeutet bei Blei-Gel-Akkus, eine feste Spannung anzulegen und bei weit entladenen Akkus den Ladestrom zu begrenzen [4]. Die Ladeeinrichtung muss den Akku innerhalb weniger Stunden wieder voll bekommen. Auch bei einem 7-Ah-Akku kann man deshalb mit mindestens 1 A Ladestrom rechnen. Das sollte problemlos für den Routinebetrieb eines FM-Gerätes reichen. Beim Senden entnimmt man halt kurzzeitig ein paar Ampere aus dem Akku. Die genaue Überwachung des Akkus kostet Aufwand, den in der Billigklasse wohl kaum ein Hersteller treibt. Sonst stieße man auf die gleichen Probleme, die man heute beim Anschluss eines Funkgerätes in einem Oberklasse-Auto hat.

Bei der Ausgangsleistung der USVs gibt es wohl immer drei Angaben, z.B. 500 VA/300 W Dauerlast, 800 VA Spitzenlast. Die Differenz zwischen VA und W ist die Blindleistung, die der Wechselrichter liefern kann. Sehr viele 230-V~-Lasten sind induktiv, beispielsweise Transformatoren und Motoren. Motoren nehmen beim Start enorme Ströme auf, bis sie auf Drehzahl gekommen sind. Schaltnetzteile haben am Eingang einen Gleichrichter, gefolgt von einem Ladekondensator. Deshalb ziehen Schaltnetzteile für die ersten Wechselspannungsperioden enorme Ströme. Nur für solche Zwecke lässt sich die Spitzenlast nutzen.

Man ersetzt das übliche Netzgerät also einfach durch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, die man wie gewohnt mit dem Hauptschalter vom Netz trennt. Das hat nur einen Nachteil: Wenn man den Hauptschalter im Shack umlegt, läuft das Funkgerät weiter. Aber dafür haben wir den ganzen Aufwand ja getrieben...

Geduld spart Geld

Mehrfach weise ich diesem Zusammenhang darauf hin, dass man mit etwas Geduld eine Menge Geld sparen kann. Ein schönes Beispiel sind die Akkus rechts, die bei mir im Keller stehen:

Die beiden großen Akkus im Hintergrund mit jeweils nominell 110 Ah fand ich eher zufällig bei Ebay Kleinanzeigen: Ein Großhandel keine 20 km entfernt betrieb sie in Kommissionierwagen, die mit Notebook und Drucker ausgestattet waren. Irgendwann hielten die Akkus keinen kompletten Arbeitstag mehr durch. Für 30 EUR bekam ich schätzungsweise immer noch 100 Ah.
Die beiden Akkus vorne links gab es mal bei einem bekannten Elektronikhändler östlich von Ingolstadt für 25 EUR pro Stück; macht 50 Ah für 50 EUR.
Die beiden Akkus vorne rechts kosteten mich ein Danke und eine Fahrt nach Mindelheim. Aber da wäre ich auch ohne die Akkus hin gefahren.
Einen 30-Ah-Akku zog ich mir für 30 EUR in Attaching an Land. Wem Attaching nichts sagt: Da veranstaltet der OV Freising jedes Jahr seinen Flohmarkt. Dieser Akku steht im Shack.

Auf das Thema Sicherheit komme ich noch später. Aber auf ein Detail möchte ich schon hier hinweisen: Jeder Akku ist einzeln abgesichert, jeder mit 5 A! Es erscheint erst mal widersinning, einen 110-Ah-Akku mit 5 A abzusichern. Aber 6 * 5 A sind auch 30 A! Die Akkus sind alle parallel geschaltet und sowohl die Lade-, als auch die Entladeströme teilen sich sehr schön auf. Hier kann man wirklich nur mit einem Zangen-Amperemeter messen.

Solarregler auch ohne Solarmodul

Eine wichtige Funktion fehlt allerdings noch: Ein Tiefentladeschutz für den Akku. Viele Schaltregler kann man leicht so erweitern, dass er bei Unterspannung abschaltet. Beispielsweise das Datenblatt des LM2596 enthält dafür eine Schaltung [5].

Batteriewächter für 10 A Schaltstrom gibt es für unter 20 EUR zu kaufen, auch als Bausatz. Eine 30-A-Ausführung, wie man sie für eine 100-W-Kurzwellenstation braucht, ist schon deutlich teuerer. Für praktisch das gleiche Geld bekommt man auch einfache Solar-Laderegler, die den Tiefentladeschutz gleich mit enthalten. Fast umsonst bekommt man so die Möglichkeit, ein Solarmodul nachzurüsten.

Solar-Laderegler gibt es in reicher Auswahl zu überraschend niedrigen Preisen. Sie bieten oft diverse Zusatzfunktionen. Man merkt deutlich, dass sich viele Besitzer von Wohnmobilen oder Kleingärten Solarmodule auf das Dach setzen. Selbst die Steuerung für eine Straßenbeleuchtung gibt es hier schon fertig eingebaut – kostet schließlich nur etwas Software: Als Lichtsensor benutzt man die Solarmodule und der Schalter ist schon für den Tiefentladeschutz vorhanden.

An dieser Stelle kommt unweigerlich die Frage nach einer Portabelstation auf. Die USV wird man wohl kaum für eine SOTA-Aktion in den Rucksack packen, einen kleinen Blei-Gel-Akku schon eher. Portabelbetrieb wird man meist bei schönem Wetter machen, also liegt der Einsatz eines kleinen Solarmoduls zur Verlängerung der Betriebszeit nahe. Den Laderegler haben wir schon, ein kleiner Akku kostet nicht die Welt.

Wenn man beim Portabelbetrieb einen Blei-Gel-Akku benutzt, kann man den gut mit dem Akku in der USV parallel schalten. Er ist dann jederzeit einsatzbereit. Man muss nur aufpassen, dass beim Zusammenschalten die Ladezustände (Klemmenspannungen) nicht zu unterschiedlich sind. Notfalls hängt man den entladenen Portabel-Akku erst mal zwei Stunden an das Experimentiernetzteil oder baut für diesen Zweck einen zuschaltbaren Vorwiderstand ein.

Wer seine Portabelstation als Teil seiner stationären Notfallausrüstung begreift, kann sich den Buddipole Powermini als Solar-Laderegler ansehen. Der hat ringsrum Powerpole-Anschlüsse und ist für kleinere Leistungen ausgelegt, was man z.B. an den Strommessbereichen merkt. In allen anderen Fällen gibt es auf dem allgemeinen Markt deutlich preiswertere Alternativen, die viel mehr können.

Speziell für den Batteriekreis komme ich allerdings von den Powerpoles ab: Verriegelungen sind relativ schwer erhältlich und riechen heftig danach, dass sie nachträglich ins Konzept aufgenommen wurden. Ohne Verriegelung merkt man bei der Parallelschaltung mehrerer Akkus eine Unterbrechung zum einen Akku lange nicht. Zudem sind sie für amerikanische Drahtquerschnitte ausgelegt, so dass man 4 mm²-Kabel nur mit Mühe verwenden kann. Der nächst dünnere, bei uns gebräuchliche, Querschnitt sind 2,5 mm². Das ist mir oft genug zu wenig.

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Literatur

[1] Kuhl, H., DL1ABJ: DK0ASB im Einsatz: Notfunk in der Praxis: In: Funkamateur 8/1014, S. 824ff
[2] Übersicht über Stromausfälle in Deutchland: https://www.wa-stromerzeuger.de/stromausfaelle-in-deutschland
[3] Kolonary, Jeremy, KF7IJZ: 12V Battery Performance Comparison – Sealed Lead Acid vs A123 and Bioenno LiFePO4.: https://www.youtube.com/watch?v=psjQ-FT6KY0 [Die wesentlichen Aussagen sind auch ohne Englisch-Kenntnisse nachzuvollziehen. Quintessenz: In Ah/EUR gerechnet sind Blei-Gel-Akkus nach wie vor konkurrenzfähig. Wer allerdings regelmäßig möglichst viel der Ladung nutzen möchte, sollte über die vielfach teuereren Alternativen nachdenken.]
[4] Yuasa Battery (Europe) GmbH: Gebrauchsanweisung ventilgesteuerte Bleibatterien (VRLA): http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/250000-274999/250831-an-01-de-YUASA_BLEIAKKU_RE7_12.pdf
[5] Textas Instruments: LM2596 Simple Switcher Power Converter 150-kHz 3-A Step-Down Voltage Regulator: http://www.ti.com/opa333.pdf, p. 11.
[6] Sielaff, Jens, DJ2GMS: Flexible Stromversorgung nicht nur für Portabelfunk: In: Funkamateur 4/2018, S. 333

Diese Seite beruht auf meinem Manuskript, das in der Zeitschrift "Funkamateur", Heft 2/2019, S. 130ff erschien. Ich habe den Text aktualisiert und erweitert. Der Abschnitt "Ist Notfunk in Deutschland nötig?" ist komplett neu, ausgelöst vom beschriebenen Stromausfall und diversen Gesprächen, die ich seit dem Erscheinen des Artikels führte.