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Energie und Daten über die strukturierte Verkabelung
Schlüsseltechnologie Power over Ethernet (PoE)

Netzwerke in Unternehmen wachsen weiter, werden vielseitiger und komplexer. Wireless Access Points (WAPs), Sicherheitsnetzwerkkameras, Gebäudeautomation und Leitsysteme sowie Voice-over-IP-Telefone (VoIP) sind jetzt wichtige Netzwerkbestandteile.

(Foto: Vladimir Zhupanenko/stock.adobe.com)

Umso mehr Netzwerkgeräte hinzugefügt werden, desto mehr muss die Verkabelungsinfrastruktur auf dieses Wachstum ausgelegt sein. Dabei wird die Option der Fernversorgung der Endgeräte immer attraktiver.

In den letzten zehn Jahren hat sich Power over Ethernet (PoE) als die Schlüsseltechnologie etabliert, die den Netzwerkverantwortlichen, Installateuren und Systemintegratoren, die integrierte Versorgung von Endgeräten mit Energie und Daten über die strukturierte Verkabelung ermöglicht. Der seit 2003 in IEEE 802.3af geschaffene erste PoE-Standard war bereits für die Versorgung von Endgeräten mit bis zu 12,95 W ausgelegt. Der schnell wachsende Bedarf an PoE-Anwendungen mit höherer Leistung schaffte die Notwendigkeit, diese Standards zu erneuern. Im Jahr 2009 wurde der Standard IEEE 802.3at, auch als PoE Plus oder PoE+ bekannt, mit bis zu 25,5 W Leistung am Endgerät verabschiedet. Seither wächst der Bedarf der Industrie an der Fernversorgung mit noch höheren Leistungen stetig.

Der aktuell neue Standard IEEE 802.3bt [1] trägt dem Rechnung und ermöglicht nun eine Versorgung der Endgeräte mit bis zu 90 W. Wie zu erwarten, bieten die Hersteller von Endgeräten und PoE-Versorgungseinheiten bereits nicht standardisierte Lösungen, die noch deutlich mehr Leistung (bis zu 100 W) liefern.

PoE-Grundlagen

PoE beschreibt ein System zur sicheren Übertragung von elektrischer Energie zusammen mit Daten zu Endgeräten über die strukturierte Klasse-C-, -D-, -E-, -EA-und -FA-Verkabelung. PoE ist so ausgelegt, dass sich die Energie- und Datenübertragung nicht gegenseitig beeinflussen. Dabei wandelt PoE die Netzspannung (AC 230 V) in eine sichere Kleinspannung und überträgt diese über die strukturierte Verkabelung zu den PoE-geeigneten Endgeräten. Etwas Energie geht dabei durch Verluste auf den Leitungen verloren. Nach IEEE 802.3af Standard werden bis 15,4 W eingespeist, damit ein Endgerät mit bis zu 12,95 W versorgt werden kann. Das sind bis zu 16 % Verlust auf der Übertragungsstrecke.

Zur PSE-Versorgung der Endgeräte lassen sich die Versorgungseinheiten (PSE; power sourcing equipment) sowohl als Endspan-Lösung in den Datenverteilern (Switches) integrieren (Bild 1) als auch mit sogenannten Midspan-Lösungen hinzuschalten (Bild 2).

Midspan-Geräte werden allgemein als PoE-Injektoren bezeichnet und zwischen Datenverteiler (Switch) und Endgerät geschaltet. Sie versorgen die Endgeräte ohne Unterbrechung der Datensignale.

Die Endgeräte sind die Verbraucher im PoE-System und werden mit Gleichstrom versorgt. Viele Endgeräte sind mit PoE-Splittern ausgestattet, die die Trennung von Versorgung und Datenleitung ermöglichen und somit z. B. die Weiterleitung der Daten zu anderen Geräten realisieren. In VoIP-Telefonanwendungen, WIFI Wireless LAN-Anwendungen oder in IP-Kamera-Anwendungen können mit PoE-Systemen bis zu 50 % der Verkabelungskosten eingespart werden, da die separate Verlegung von Versorgungsleitungen entfallen kann. Durch die in vielen Netzwerken üblichen unterbrechungsfreien Stromversorgungen kann mittels PoE-Systemen die dauerhafte Versorgung der Endgeräte bei Stromausfällen ermöglicht werden.

Verkabelung und Anschlusstechnik

Bei der Übertragung von Strom über Datenleitungen und Anschlusstechnik muss auch die Wirkung auf die Steckverbindungen betrachtet werden. Nach Steckverbindernorm IEC 60603-7 sind die Kontakte für Ströme bis 1 500 mA bei 20 °C ausgelegt. Bei einer Umgebungstemperatur von 60 °C reduziert sich dies nach Norm auf 1 000 mA pro Kontakt. IEEE 802.3bt sieht eine Strombelastung von 925 mA pro Aderpaar vor. Bei symmetrischer Auslegung der Aderpaare verteilt sich der Strom gleichmäßig auf beide Adern zu je 462,5 mA. Alle Kontakte im RJ45-Stecker (nach IEC 60603-7) werden bei 4PPoE mit 90 W PSE-Leistung und somit mit je 462,5 mA belastet. Bei Umgebungstemperaturen bis 60 °C haben die Steckverbinder diesbezüglich genügend Reserve. Im Fall einer Unterbrechung eines einzelnen Leiters steigt allerdings der Strom im verbleibenden zweiten Leiter eines Aderpaares auf das doppelte (925 mA) an. Auch dieser Belastung müssen die Steckverbinder gerecht werden.

Neben der Strombelastung im ruhenden/gesteckten Zustand der Steckverbinder ist aber auch ein Blick auf die Belastung beim Ein- und Ausstecken der Stecker zu werfen.

Die IEEE 802.3 Standards für PoE, PoE Plus und 4PPoE sehen hierfür bereits Lösungen vor. Werden PDs (PoE-Endgeräte) eingesteckt, so erfolgt dies im spannungsfreien Zustand, da die PSE beim Trennen der Verbindung zum PD die Spannung sofort ausschaltet. Der Einsteckvorgang ist somit stromfrei und belastet die Steckverbindung nicht.

Beim Ausstecken der Endgeräte fließt allerdings der Betriebsstrom von bis zu 462,5 mA pro Kontakt. Bedingt durch den auch induktiven Charakter einer Leitungsstrecke kann es beim Ausstecken zu einer Lichtbogenbildung in der Kontaktzone der Steckverbinder kommen, die zu einem Verschleiß der Steckverbinder führt. Abhängig von der Konstruktion der Kontakte befindet sich diese Verschleißzone in dem Bereich, in dem die Steckverbindung im gesteckten Zustand ihre einwandfreie Funktion erfüllen sollte.

Ausblick und Fazit

Aktuell liegt von der IEEE 802.3bt der Entwurf 3.1 vor. Hierin werden die PoE-Versorgungen (PSE) und- Endgeräte (PDs) nun in neun Klassen und vier Typen eingeordnet. Geräte vom Typ 1 entsprechen mindestens dem PoE-Standard IEEE 802.3af. Typ-2-Geräte unterstützen PoE Plus. Zukünftige Typ-3 und -4-Geräte sind nach IEEE 802.3bt für 4PPoE ausgelegt, versorgen aber auch Typ-1- und -2-Geräte.

Die Übertragung der Energie erfolgt bei Geräten des Typs 1 und 2 über zwei Aderpaare. PoE-Geräte des Typs 3 und 4 werden über vier Aderpaare versorgt.

Der neue 4PPoE-Standard versorgt Endgeräte mit bis zu 90 W Leistung bei Datenraten von bis zu 10 GBit Ethernet über vierpaarige Verkabelung.

Die Anforderungen der EN 60950 für Schutzkleinspannung (SELV) werden erfüllt.

Für den Betrieb mit strukturierter Verkabelung nach ISO/IEC 11801 wird mindestens Klasse D gefordert.

Aufgrund der Kabelerwärmung bei hoher PoE-Leistung werden Kabel der Kategorie 7 oder 7A empfohlen.

Die Kombination von PoE-Versorgung mit unterbrechungsfreier Stromversorgung ermöglicht den weitgehend unterbrechungsfreien Betrieb der PoE-Endgeräte.

Da das Ausstecken der Steckverbindungen unter Last zu vorzeitigem Verschleiß führen kann, wird empfohlen, nur für PoE/4PPoE qualifizierte Anschlusstechnik (geprüft nach IEC 60512-99-001) zu verwenden.

Die weitere Arbeit am 4PPoE-Standard IEEE 802.3bt wird wesentlich durch die weitere wachsende Zahl von Anwendungen angetrieben, die neben der Datenversorgung auch zunehmend mit Energie mitversorgt werden.

Autor: R. Dold

Literatur:

[1] IEEE P802.3bt, Oct 2017 IEEE Draft Standard for Ethernet Amendment: Physical Layer and Management Parameters for DTE Power via MDI over 4-Pair.

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

Bild oben rechts (Bild 1): PoE-Versorgung mit in den Datenverteilern integrierter PSE (Quelle: Dold/ep)
Bild mitte (Bild 2): PoE-Versorgung mit separater Midspan-PSE (Quelle: Dold/ep)

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