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Power over Ethernet (PoE) wird die Art und Weise verändern, in der viele elektrische Geräte mit Energie versorgt werden. Denn mit PoE lassen sich nicht nur Entwicklungskosten verringern

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Power over Ethernet (PoE) wird die Art und Weise verändern, in der viele elektrische Geräte mit Energie versorgt werden. Denn mit PoE lassen sich nicht nur Entwicklungskosten verringern und die Flexibilität und Sicherheit einer Stromversorgung steigern. Mit dieser Form der Energiezufuhr können Systementwickler auch jene Hürden überwinden, denen sie sich beim Geräte-Design größtenteils ausgesetzt sehen: Instrumente, die mit Netzstrom versorgt werden, müssen nämlich in unmittelbarer Nähe zu Wechselstromsteckdosen stehen.

Paul Lee*

Bei PoE-Anwendungen werden sowohl Daten als auch der Versorgungsstrom mit der sicheren Nennspannung von 48 V– über das gleiche Ethernetkabel übertragen. Wenn die Netzwerkgeräte sich so konfigurieren lassen, dass sie mit 48 V arbeiten, kann der Anwender auf Geräte im Netz verzichten, die mit einem von Haus aus unsicheren Wechselstrom aus einem separaten Stromversorgungskabel versorgt werden.

Ein Beispiel hierfür sind vernetzte Sicherheitskameras. Im Normalfall werden diese Instrumente oben an den Wänden oder direkt unter der Decke – und damit weit weg von einer Wechselstromsteckdose – angebracht. Weil auch solche Systeme wie VoIP-Telefone oder WiFi-Zugangspunkte im Hinblick auf das 48-V-Ethernet umdesigned werden müssen, sollte sich der Entwickler vergegenwärtigen, wie sich ein PoE-Netzwerk zusammensetzt – im Wesentlichen nämlich aus drei Hauptelementen.

Die Anlage zur Stromversorgung (Power Sourcing Equipment, PSE) ist mit einem Ethernet-Switch verbunden und wird häufig selbst durch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) gespeist, die ihrerseits 48 V abgibt. Sie versorgt alle Geräte im Netz mit Daten sowie alle PoE-kompatiblen Geräte mit Daten plus Energie. Obgleich die Nennausgangsspannung 48 V– beträgt, reicht der zulässige Bereich von 44 bis 57 V–.

Signatur zeigt PoE-Fähigkeit und Leistungsbedarf an

Gespeistes Gerät (Powered Device, PD): Zu den PoE-fähigen Geräten, die gegenwärtig am Markt erhältlich sind, zählen die bereits erwähnten VoIP-Telefone, EPOS-Systeme und WiFi-Zugangspunkte. Das PD übermittelt an die PSE eine „Sig-natur“, die anzeigt, dass es PoE-fähig ist und wie viel Leistung es benötigt. Verwaltung und Umwandlung der ankommenden Leistung werden normalerweise durch einen DC/DC-Wandler im PD verarbeitet.

Kabel: Weil CAT5-Ethernet-Kabel zur Datenübertragung genutzt werden, können die frei verfügbaren Leiter dazu verwendet werden, zusätzlich Leistung ans andere Kabelende zu übertragen. Der PoE-Standard IEEE802.3 definiert im Detail, wie dies zu geschehen hat, und bietet die Plattform für die Branche, nämlich nur einen einzigen Lösungsansatz für die Entwicklung und Implementierung von PoE-Systemen anzuwenden.

Ein herkömmliches CAT5-Kabel enthält vier verdrillte Leiterpaare, von denen lediglich zwei nötig sind, um Daten zu übertragen. Ein PoE-Design bietet ein hohes Maß an Flexibilität, weil die Norm IEEE802.3af die Übertragung von DC-Leistung beider Polaritäten erlaubt – dies entweder durch Verwendung der beiden unbenutzten Paare (Bild 1) oder durch Überlagerung der beiden Datenpaare (Bild 2). Voll konforme PoE-Geräte müssen in der Lage sein, ihren Strom von jeder der beiden Optionen zu akzeptieren.

IEEE gewährleistet derzeit die Übertragung von 15 W

Derzeit gewährleistet der IEEE-Standard die Übertragung von nominal 48 V und ungefähr 15 W Leistung über ein einziges Ethernet-Kabel, wobei für das gespeiste Gerät mindestens ungefähr 13 W zur Verfügung stehen müssen. Die begrenzt verfügbare Leistung schränkt zwar die Arten von Peripheriegeräten ein, die mit PoE arbeiten. Allerdings liegen bereits Änderungsvorschläge für den Standard vor, die wesentlich höhere Leistungspegel ermöglichen und damit folglich eine größere Vielfalt an Geräten erlauben, die sich über CAT5-Kabel im Ethernet betreiben lassen. Dadurch ließen sich beispielsweise PoE-fähige Laptops künftig direkt über Netzwerkverbindungen laden, ohne dass der Entwickler auf Wechselstromadapter zurückgreifen müsste.

Um eine Beschädigung bereits vorhandener Ethernetgeräte zu vermeiden, die womöglich nicht kompatibel sind, schreibt der IEEE802.3af-Standard vor, dass durch die PSE ein „Entdeckungsvorgang“ initiiert wird. Dieser Vorgang untersucht die Kabel, die nach PoE-fähigen Geräten „Ausschau halten“. Er prüft die Anwesenheit eines Parallelwiderstands von 25 k? in den entfernten Geräten. Erst wenn dieser gefunden ist, werden die vollen 48 V angelegt. Die Versorgung ist strombegrenzt, um bei einer Fehlerbedingung eine Beschädigung des Geräts oder der Kabel zu verhindern. Noch ehe verbunden wird, meldet das PD außerdem an die PSE zurück, welchen Strom es voraussichtlich ziehen wird. Zieht das gespeiste Gerät nicht einen Mindeststrom – was beispielsweise geschehen kann, wenn das Gerät aus dem Netzwerk ausgesteckt ist – ,schaltet die PSE die Leistung aus dem betreffenden Kabel ab. Außerdem überprüft sie, ob alle anderen Geräte mit Energie versorgt sind. Die PSE kann die Stromversorgung auch bei einem Stromausfall von ausgewählten, nicht kritischen Geräten abschalten, um die Laufzeit einer USV zu verlängern und wiederum kritische Sicherheitsgeräte zu erhalten.

Üblicherweise benötigen PoE-fähige Geräte isolierte DC/DC-Wandler, um die 48-V-Versorgung auf eine niedrigere Spannung umzuwandeln, die für das PD geeignet ist. Der Standard IEEE802.3af verlangt strenge Auflagen im Hinblick auf Rauscharmut, Einschaltung und Isolierung für Wandler, die in PoE-Anwendungen eingesetzt werden. Konverter, die diesen Anforderungen entsprechen, sind beispielsweise die Modelle der Familie NPH10 des amerikanischen Stromversorgungsexperten C&D Technologies. Für diese Module bietet der Hersteller eine vollständige Schnittstellenlösung, die die Transformatoren zur Datenisolierung, das so genannte „PoE-Handshaking“ (eine Funktion, mit dessen Hilfe der Netzwerk-Hub ein Gerät als PoE-fähig erkennt und dessen spezifische Leistungsanforderungen verstehen und verwalten kann) sowie die DC/DC-Umwandlung mit einer kundenspezifizierten Ausgangsspannung integriert.

PoE-Standard erlaubt eine Mindestspannung von 30 V

Die 48-V-Ethernet-Stromquelle wird ebenfalls durch den IEEE-Standard (in Wirklichkeit 44 bis 57 V–) am Hub definiert. Allerdings erlaubt der PoE-Standard mit Blick auf Spannungsabfälle entlang der Ethernet-Kabel, dass die Mindestspannung an versorgten Geräten lediglich 30 V betragen kann. Die Nennspannung von 48 V kann sowohl einem AC/DC-Wandler als auch von einem bereits vorhandenen 48-V-System entstammen. In diesem Fall benötigt die PSE einen weiteren isolierten Hochleistungs-DC/DC-Wandler. Dieser Wandler ist zwar nicht durch die PoE-Standards definiert, doch sollte er zum Einbau in die PSE im Idealfall eine Reihe spezieller Kennwerte und Eigenschaften aufweisen, um dieser Aufgabe gewachsen zu sein. Ein Beispiel dafür ist das Modul HHS04-520 von C&D Technologies. Dieser DC/DC-Wandler entspricht nicht nur den Anforderungen des Standards, er zeichnet sich zudem durch eine hohe Leistungsdichte aus, um beispielsweise 200 W in einem sehr kleinen Gehäuse zu liefern und zu verwalten. Eine Eigenschaft, die vor allem im Hinblick darauf wichtig ist, dass viele Nicht-PoE-Hubs möglicherweise umkonstruiert werden, damit sie sich in ein PoE-gespeistes Netz einbinden lassen.

Dieses Modell arbeitet an einem Nenneingang von 48 V und liefert ausgangsseitig eine isolierte Spannung von 52,5 V sowie eine Leistung von, wie erwähnt, 200 W bei einem Wirkungsgrad von 92% unter Volllast. Die Norm IEEE802.3af spezifiziert ein Open-Frame-Design, das bei Einbau in das Endsystem ein besseres Wärmemanagement des Produkts erlaubt. Dieses Design soll die Belastungspegel der Komponenten senken und dadurch eine höhere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer des Moduls gewährleisten. Weitere wichtige Merkmale eines DC/DC-Wandlers, die Techniker bei der Entwicklung PoE-fähiger Geräte in Erwägung ziehen sollten, sind Parameter wie den Schutz gegen Übertemperatur, Fernmessung, ferngesteuertes Ein-/Ausschalten oder der Abgleich am Ausgang.

DC/DC-Wandler der nächsten Generation für PoE-fähige Netzwerkgeräte werden zudem voraussichtlich Funktionen wie das Handshaking zwischen Gerät und PSE sowie eine Isolierung der Ethernet-Daten in höher integrierten Gehäusen berücksichtigen. Dies alles kann dazu beitragen, die Entwicklung von PoE-Geräten zu vereinfachen – zum einen durch einen verringerten Arbeitsaufwand beim Elektronikentwurf, zum anderen durch eine kleinere Leiterplatte, weil die Funktionen, die für PoE-Systeme notwendig sind, mit weniger Platz auf der Leiterplatte auskommen.

C&D Technologies (DATEL), Tel. +49(0)89 5443340

*Paul Lee ist Technischer Leiter bei C&D Technologies in Milton Keynes, UK. Er arbeitet dort im Geschäftsbereich Power Electronics.

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