Stromversorgung Power-over-Ethernet – was Sie wissen sollten
Von Bernd Rosenbaum*
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PHOENIX CONTACT Deutschland GmbH
Die PoE-Technologie ist seit 2003 standardisiert. Danach hat sich viel verändert, die zunehmende Digitalisierung führt zu deutlich höheren Anforderungen an die Netzwerkinfrastruktur. Ende 2018 wurde dann der neue PoE-Standard IEEE 802.3 bt verabschiedet, der die maximale Leistung auf bis zu 90 Watt verdreifacht. Das erhöht die Ansprüche an die gesamte Infrastruktur nochmals.
Mit Power-over-Ethernet (PoE) werden PoE-fähige Geräte über ein Kabel mit Daten und Spannung versorgt. Auf diese Weise lässt sich der Verdrahtungsaufwand reduzieren, die Vernetzung gestaltet sich flexibler und aufgrund der schlanken PoE-Verkabelung werden Installationskosten eingespart. Auch in Industrieapplikationen kommt PoE mittlerweile zum Einsatz. Beispielsweise werden Monitore, abgesetzte PCs, HMIs oder Thin Clients über PoE gespeist.
In der industriellen Automation wachsen die Anforderungen an performante Kommunikationsnetzwerke zunehmend. Die Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit der Applikation rücken immer mehr in den Vordergrund. Um den Ansprüchen gerecht zu werden, ist eine hohe Robustheit der Geräte gefordert.
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Zur Absicherung vor Gefahren, die sich aus Überspannungen, unterschiedlichen Potenzialen und EMV-Einflüssen ergeben, bedingen insbesondere Ethernet-Installationen ausfallsichere Schutzmechanismen. Wird eine PoE-Versorgung unter industriellen Aspekten verlangt, sollten die Komponenten den üblichen Voraussetzungen für eine robuste Nutzung entsprechen. Ergänzend zu einem hohen Temperaturbereich sowie Schock- und Vibrationsfestigkeit muss eine EMV-Festigkeit vorhanden sein. Die Erdung der Geräte erfolgt über die DIN-Rail-Montage.
Galvanisch getrennt!
PoE-Komponenten, die den Standard IEEE 802.3 bt erfüllen, können bis zu 90 Watt Leistung an Endgeräte abgeben. Dabei fließen bis zu 960 Milliampere auf einem Adernpaar. Folglich kann ein Kurzschluss zwischen den PoE-führenden Datenleitungen gegen den Kabelschirm zur Zerstörung der Komponente führen. Schlimmer ist die Gefahr, dass vorgeschaltete Netzteile und andere Geräte im Versorgungssegment nicht mehr funktionieren. Daher umfassen die PoE-Injektoren von Phoenix Contact optional eine galvanische Trennung des internen Netzteils. So lassen sich die erheblichen, aus einem Anlagenausfall resultierenden Kosten vermeiden.
Lange vor Veröffentlichung des bt-Standards wurden bereits höhere Leistungen als die maximal 30 Watt des at-Standards gefordert. Deshalb entwickelten Anbieter proprietäre Lösungen, die technologisch auf dem at-Standard aufbauen. Bei entsprechender Anschaltung des PoE-Chips stellen die Geräte bis zu 60 Watt, vereinzelt sogar maximal 90 Watt über vier Adernpaare zur Verfügung.
Das kann jedoch zur Folge haben, dass PSE und PD die PoE-Fähigkeit und nötige PoE-Klasse nicht miteinander aushandeln können, da in ihnen unterschiedliche PoE-Chips verbaut sind. Der neue bt-Standard schließt die Gefahr einer Inkompatibilität nun aus. Gemäß IEEE 802.3 bt konzipierte PDs sollten stets herstellerübergreifend kompatibel zu jedem PSE sein.
Der neue Standard IEEE 802.3 bt
… wurde im September 2018 verabschiedet. Als Weiterentwicklung des Standards PoE+ (IEEE 802.3 at) bietet er die erwähnten höheren Leistungen bis 90 Watt. IEEE 802.3 bt wird auch als 4PPoE (Four Pair PoE) oder PoE++ bezeichnet, definiert die weiteren Leistungsklassen fünf bis acht und verwendet bis zu vier Adernpaare des LAN-Kabels für die Spannungsübertragung. Bei voller Leistung von 90 Watt müssen am PD 71 Watt ankommen. Der Rest verbleibt als Verlust auf der Leitung, die maximal 100 Meter lang sein kann. Im Vergleich zu den PD bei PoE+ mit 30 Watt Ausgangs- und 25,5 Watt ankommender Leistung ist dies somit ein deutlicher Zuwachs. Das eröffnet zusätzliche Anwendungsbereiche für PoE.
PoE-tauglich?
Immer wieder stellen Anwender die Frage, ob bestimmte Ethernet-Kabel, RJ45-Stecker oder passive Komponenten – wie Ethernet-Patch-Panel – PoE-fähig sind. Dieser Hinweis fehlt leider in vielen Datenblättern oder technischen Informationen der Hersteller. Die Tauglichkeit lässt sich allerdings über die Angaben zu Nennstrom und -spannung herausfinden. Je nach PoE-Standard liegt der Gleichspannungsanteil auf der PoE-führenden Verbindung stets unter 60 V DC, in der Regel bei etwa 54 V DC.
Als interessanter erweist sich der Strom, der dabei abhängig von der PoE-Leistung über die Adernpaare fließt. In der maximalen Versorgungsklasse von 90 Watt beläuft sich der Strom auf bis zu 960 Milliampere. Dieser Wert sollte mit den Nennstromangaben des Kabels oder Steckers abgeglichen werden. Die Kabelkategorie ist also nicht unbedingt ausschlaggebend. Generell gilt: Je höher der Leiterquerschnitt, desto geringer der Leitungswiderstand und die Erwärmung des Kabels bei höheren Leistungen.
Kabelbündel vermeiden
Das Kabel sollte einen Schirm aufweisen. Daher empfiehlt es sich, dass keine älteren UTP-Kabel genutzt werden, sondern ab Cat5 aufwärts. Hohe Kategorien erzielen eine bessere Effizienz, insbesondere je größer die Leistung ist. Der Kabelschirm fungiert in diesem Fall nicht nur als Schutz vor einer EMV-Belastung, sondern auch zum Abführen der im Kabel entstehenden Wärme nach außen. Aufgrund der Wärmeableitung ist eine enge Bündelverlegung von mehreren PoE-führenden Leitungen generell zu vermeiden, denn sie werden sich gegenseitig thermisch beeinflussen. Eine offene Verlegung ist folglich der in geschlossenen Kanälen vorzuziehen. Steigt die Wärme eines Kabels zu stark, nimmt der Leitungswiderstand zu und die maximale Reichweite von 100 Metern reduziert sich. Zudem kann das Isolationsmaterial aufweichen und Symmetrieverluste führen zu Übertragungsstörungen.
Um die sensiblen Kontaktoberflächen der RJ45-Stecker und Buchsen nicht zu beschädigen, sollte der Stecker nicht bei aktiver PoE-Versorgung gezogen werden. Unter Last kann es zu einem Abreißfunken kommen, der sich auf die dünnen, goldbeschichteten Oberflächen einbrennt und damit ungewollte Übergangswiderstände schafft.
Einfachere Datenintegration
In einer immer vernetzteren Welt gewinnt der durchgängige Zugriff auf die Daten aller Prozesse weiter an Bedeutung. Das PoE-Verfahren unterstützt bei der einfachen Integration dieser Daten in bestehende Netze. PoE-Injektoren von Phoenix Contact erfüllen hier die hohen industriellen Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich galvanischer Trennung, Überspannungsschutz und Schirmstromerkennung. Somit lassen sich hohe Reparatur- und Stillstandkosten verhindern sowie die Anlagenverfügbarkeit erhöhen. Nicht vorkonfektionierte Kabel können selbst ohne RJ45-Stecker einfach über die Patch-Panel-Funktion angebunden werden. Im mit einem Deckel verschlossenen Anschlussraum vereinfachen IDC-, Push-in- oder Schraubanschluss die Installation des Feldkabels erheblich.
* Der Autor ist Produktmanager im Bereich Communication Interfaces, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont.
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