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Power over Ethernet

Stromversorgung über Ethernet
PoE-Beispielanwendung: Ein einziges Ethernet-Kabel geht in den PoE-Splitter, welcher die Signale aufteilt in Datenleitung (graues Kabel) und Stromversorgung (schwarzes Kabel) für den Wireless Access-Point.

Die Stromversorgung über Ethernet, englisch Power over Ethernet (PoE), bezeichnet ein Verfahren, mit dem netzwerkfähige Geräte über das achtadrige Ethernet-Kabel mit Strom versorgt werden können.

Inhaltsverzeichnis

AnwendungsgebieteBearbeiten

Hauptvorteil von PoE ist, dass man ein Stromversorgungskabel einsparen kann und so auch an schwer zugänglichen Stellen oder in Bereichen, in denen viele Kabel stören würden, Ethernet-angebundene Geräte installieren kann. Die Stromversorgung zum Gerät muss nicht separat mit einem Stromkabel und Netzgerät zugeführt oder mit einer Batterie gelöst werden. Das Gerät bezieht die Energie stattdessen über das Datennetz. Dazu muss – meist an zentraler Stelle, im Netzwerkverteiler – neben den Datensignalen zusätzlich Strom in die Datenleitung eingespeist werden. Somit lassen sich einerseits zum Teil Installationskosten einsparen, andererseits kann der damit einfach zu realisierende Einsatz einer zentralen unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) die Ausfallsicherheit der angeschlossenen Geräte erhöhen.

PoE wird von Netzwerkgeräten genutzt, die wenig Leistung benötigen. Es wird typischerweise in IP-Telefonen, kleinen Hubs, Kameras, kleinen Servern oder in schnurlosen Übertragungsgeräten, wie WLAN-Zugangspunkten oder Bluetooth-Geräten eingesetzt.

HerausforderungenBearbeiten

Die höhere Stromstärke stellt die Datenverkabelung vor neue Herausforderungen: Wo mehr Strom fließt, wird durch den Widerstand mehr Wärme erzeugt. Wärmere Kabel dämpfen die Datenübertragung mehr als zuvor. Das kann dazu führen, dass nicht mehr genug Signal zum Empfänger gelangt und die Datenübertragung unmöglich wird. Bei der Planung einer neuen, PoE-tauglichen LAN-Verkabelung muss dieser Effekt berücksichtigt werden. Die maximale Übertragungslänge muss den Temperaturbedingungen angepasst und verkürzt werden.

Die relevanten Normentwürfe ISO/IEC TR 29125 und Cenelec EN 50174-99-1 beschreiben, mit welchem Temperaturanstieg im Kabelbündel bei Anwendung von 4PPoE zu rechnen ist. Dabei wird zwischen zwei Anteilen unterschieden:

  1. Erwärmung vom Inneren eines Bündels bis zur Außenseite
  2. Erwärmung des gesamten Kabelbündels von der Außenseite bis zur Umgebungstemperatur.

Der zweite Anteil hängt vor allem von den Einbaubedingungen des Kabelbündels ab. Der Temperaturanstieg innerhalb des Kabelbündels hängt dagegen ausschließlich von der Kabelkonstruktion ab. Bei geschirmten Kabeln hilft das Metall des Schirms, die Wärme aus dem Bündelinneren nach außen zu transportieren. Bei einem typischen U/UTP-Kabel steigt die PoE-bedingte Erwärmung um den Faktor 5, während ein geschirmtes Kabel konstruktionsabhängig einen Faktor von 2,5 bis 3 aufweist. In einem Bündel mit U/UTP-Kabeln entsteht eine zweimal größere Temperaturerhöhung als bei einem vergleichbaren Bündel mit S/FTP-Kabeln.

Bei der Auslegung von Netzwerken für PoE-Anwendungen ist daher der von der Länge der Twisted-Pair-Kabel abhängige Spannungsabfall (auch als Spannungsfall bezeichnet) zu berücksichtigen. Kabel mit größerem Leitungsquerschnitt sind aufgrund der kleineren Widerstände von Vorteil. Die Kodierung der Leiterquerschnitte erfolgt i. d. R. durch eine Bezeichnung gemäß American Wire Gauge auf den Netzwerkkabeln. Übliche Werte sind – je nach Kategorie:

  • Cat 5/5e: AWG 24 (das entspricht Ø 0,51 mm bzw. einer Querschnittsfläche von 0,21 mm²)
  • Cat 6A/6A: AWG 23 (das entspricht Ø 0,57 mm bzw. einer Querschnittsfläche von 0,26 mm²)
  • Cat 7/7A: AWG 22 (das entspricht Ø 0,64 mm bzw. einer Querschnittsfläche von 0,33 mm²)

Hieraus lässt sich der Spannungsabfall berechnen (Hin- und Rückleitung berücksichtigen), gegebenenfalls unter Verwendung von Online-Tools.[1] Bei Überlegungen zur zulässigen Höhe des Spannungsabfalls kann man sich an den Vorgaben für den Spannungsfall in Kleinspannungs-Beleuchtungsanlagen orientieren. Nach DIN VDE 0100‐715 darf der Spannungsfall zwischen dem Transformator und der in der größten Entfernung installierten Leuchte bislang 5 % der Nennspannung der Kleinspannungsanlage nicht überschreiten. Das ist vergleichsweise wenig (bei 48 V lediglich 2,4 V). Gedacht war bei der Norm jedoch an Kleinspannungs-Halogenglühlampen (die bei 95 % der Nennspannung schon nur noch 85 % der Helligkeit erbringen).

Die Leitungsverluste spielen insbesondere im Hinblick auf eine effiziente Stromversorgung der angeschlossenen Kleingeräte eine Rolle. Eine Schweizer Studie kam 2005 zu dem Schluss, dass PoE bei Leistungen bis etwa 8 bis 9 Watt die energetisch günstigere Lösung im Vergleich zu hocheffizienten dezentralen Schaltnetzteilen darstellt. Je kürzer die Übertragungslänge ist, desto effizienter ist die PoE-Lösung, denn die Kabelverluste dominieren.[2]

SpezifikationBearbeiten

Im engeren Sinne wird heute mit PoE meist der IEEE-Standard 802.3 Clause 33 „DTE Power over MDI gemeint, der zuerst im Juni 2003 als IEEE 802.3af-2003 verabschiedet wurde. Außerdem gibt es einen neueren Standard IEEE 802.3at-2009[3] – vor der Standardisierung auch als PoE+ oder PoE plus bekannt –, der die maximale Leistungsabgabe von 15,4 W auf 25,5 W erhöht. Vorher gab es bereits einige herstellerspezifische Implementierungen, die ebenfalls unter der Bezeichnung Power over Ethernet gehandelt wurden. Außerdem gibt es weiterhin proprietäre Varianten.

Der Standard unterteilt die beteiligten Geräte in Energieversorger (Power Sourcing Equipment, PSE) und -verbraucher (Powered Devices, PD). Die Versorgungsspannung beträgt 48 V, die maximale Stromaufnahme der Endgeräte 350 mA (802.3af, Typ 1) bzw. 600 mA (802.3at, Typ 2) im Dauerbetrieb (kurzzeitig sind beim Einschalten 400 mA erlaubt). Die maximale Leistungsabgabe beträgt 15,4 Watt. Der af-Standard geht davon aus, dass nach Leitungsverlusten 12,95 Watt nutzbare Leistung übrig bleiben bzw. aufgenommen werden dürfen, um die maximale Leistungsabgabe nicht zu überschreiten.[4] Zur Energieübertragung werden häufig die bei 10BASE-T und 100BASE-TX freien Aderpaare im Ethernetkabel verwendet. Wenn dies nicht möglich ist (weil z. B. ISDN über die Leitung geführt ist oder bei Gigabit Ethernet), können auch die signalführenden Adern genutzt werden. Die mittels Übertragern entkoppelten Datenleitungen sind ohne PoE gleichspannungsfrei, so dass die Gleichspannung ein- und ausgekoppelt („unter das Signal gelegt“) werden kann, ohne die Datenübertragung zu stören. Der jeweilige Modus wird vom PSE festgelegt, die Verbraucher müssen beide Betriebsarten unterstützen, Verbraucher die nur eine Betriebsart unterstützen, sind nicht erlaubt.

Die Normenorganisation IEEE hat die übertragbare Versorgungsleistung weiter gesteigert und unterstützt nun auch 10GBASE-T. Der Standard IEEE 802.3bt-2018 (auch 4PPoE) stellt fünf neue Leistungsstufen zur Verfügung von 40 W (Class 5) über zwei Leitungspaare bis zu 100 W (Class 8+) über alle vier Leitungspaare. Über jedes Adernpaar fließen bis zu 960 Milliampere.[5] Damit werden neue Anwendungen ermöglicht, zum Beispiel der Betrieb leistungsstarker WLAN-Antennen und Überwachungskameras.

Die Herausforderung für die Hersteller proprietärer PoE-Lösungen bestand früher darin, Schäden an nicht PoE-fähigen Endgeräten zu vermeiden. Obwohl die Adern 4, 5, 7 und 8 bei 10BASE-T und 100BASE-TX nicht verwendet werden, bedeutet das nicht, dass es nicht doch Netzwerkkarten o. ä. gibt, bei denen die entsprechenden Pins nach irgendwohin durchgeschleift sind. Wenn dort versehentlich Power over Ethernet anliegen sollte, kann dies zu irreparablen Schäden am Gerät führen. 802.3af löst dieses Problem durch ein als Resistive Power Discovery bezeichnetes Verfahren. Hierbei legt der Energieversorger zunächst mehrfach eine nur minimale Spannung auf die Adern, mit der sich im Normalfall kein Gerät beschädigen lässt. Er erkennt dabei, ob und wo der Energieverbraucher einen 25-kΩ-Abschlusswiderstand besitzt und damit PoE-fähig ist. Daraufhin wird der Verbraucher mit einer geringen Leistung versorgt und muss nun signalisieren, zu welcher von vier im Standard definierten Leistungsklassen er gehört. Erst dann erhält das Gerät die volle Leistung und kann den Betrieb aufnehmen.

Vergleich der PoE-Standards[6]
IEEE-Standard PoE (802.3af-2003) PoE Plus (802.3at-2009) 4-paar PoE (802.3bt-2018)
Ausgangsspannung in V (DC) 36–57 42,5–57 42,5–57
Ausgangsstrom Betrieb in mA (DC) 350 600 2× 960
Ausgangsstrom Startmodus in mA (DC) 400 400 ?
Leistung der (PSE)-Versorgung in W max. 15,4 max. 30 45; 60; 75; 90
Leistung am Endgerät (PD) in W max. 12,95 max. 25,5 40; 51; 62; 71
PSE-Klasse 1; 2; 3 4 5; 6; 7; 8
unterstützte Endgeräte (PD-Type) 1 1 und 2 1; 2; 3; 4
Benutzte Adernpaare 2 2 2 und 4

LeistungseinspeisungBearbeiten

Die Einspeisung der Leistung für die zu versorgenden Geräte (PD) kann dabei durch sogenannte Endspan-Devices (z. B. Switches) oder Midspan-Devices (Einheiten zwischen Switch und Endgerät) erfolgen.

Als Midspan-Devices werden zumeist Hubs oder sogenannte PoE-Injektoren eingesetzt, die Strom auf die jeweiligen Drähte liefern. Aufgrund des zusätzlichen Platzbedarfs und der zusätzlich notwendigen Patchkabel in Verteilerschränken sind auch Patchpanels (Verteilerfelder, PoE-Patchpanel) verfügbar, die den Strom liefern. Diese ersetzen die herkömmlichen Patchpanels und belegen somit keinen zusätzlichen Platz in den Verteilerschränken. Durch entsprechende Managementsoftware können bei diesen Verteilerfeldern die einzelnen Ports stromfrei oder stromführend definiert werden.

Aktivierungsschritte bei PoEBearbeiten

Schritt Aktion Zulässiger Spannungsbereich
nach 802.3af
Detektion Feststellung ob Endgerät einen Widerstand im Bereich von 19–26,5 kΩ aufweist 02,7–10,1 V
Klassifikation Messung des genauen Widerstandwertes um Leistungsklasse festzustellen 14,5–20,5 V
Startup Eigentliche Stromversorgung aktivieren 0,00>42,0 V
Normaler Betrieb Stromversorgung im Versorgungsmodus 36,0–57,0 V
 
PoE-PCI-Netzwerkkarte mit aktivem
4/5-Port-Switch. Die 48 V werden
mit einem Aufwärtswandler aus den 12 V vom PC-Netzteil erzeugt.

Verfügbare Leistungsklassen und KlassifizierungssignaturBearbeiten

Klasse Verfügbare Leistung am versorgten Gerät Klassifizierungssignatur
0 00,44–12,96 W 00 bis 04 mA
1 00,44–03,84 W 09 bis 12 mA
2 03,84–06,49 W 17 bis 20 mA
3 06,49–12,95 W 26 bis 30 mA
4 12,95–25,50 W (nur 802.3at/Typ 2)[7] 36 bis 44 mA

Allgemeine MerkmaleBearbeiten

Standards
  • 802.3 af: Twisted-Pair-Kabel ab Cat-3 (auch UTP-Kabel), max. 20 Ω pro Leitungspaar[8]
  • 802.3 at: Twisted-Pair-Kabel ab Cat-5 (auch UTP), max. 12,5 Ω pro Leitungspaar
  • 802.3 bt: Twisted-Pair-Kabel ab Cat-5, max. 12,5 Ω pro Leitungspaar oder 6,25 Ω für zwei Paare bei 4PPoE
Leistung
Die abgegebene Spannung liegt zwischen 44 V und 54 V (in der Regel 48 V), die Leistung bis zu 15,4 W (eingeteilt in 4 Klassen, 802.3af) bzw. 25,50 W (5 Klassen, 802.3at) bzw. 71 W (eingeteilt in drei Klassen, 802.3bt) bei Kabellänge bis zu 100 m.
Wirkungsgrad/Effizienz
Durch die geringen Leiterquerschnitte, die großen Leitungslängen und die geringe Systemspannung entsteht eine nennenswerte Verlustleistung in der Leitung, was v. a. bei Klasse-4-PD zu schlechten Systemwirkungsgraden führt.
Beispiel: bei Klasse 4 können 25,5 W am PD entnommen werden, die Leitung kann bei 100 m Länge bis zu 12 Ohm Schleifenwiderstand aufweisen, und es ist ein maximaler Strom von 0,6 A zulässig. Somit entstehen im Kabel bis zu 4,32 W Verlustleistung, was einem Wirkungsgrad von ca. 86 % entspricht. Hinzu kommen die Verluste in den Netzteilen von PSE und PD.
In Summe sind Wirkungsgrade von unter 70 % nicht ungewöhnlich.
Varianten der Energieübertragung
  • Mode A, auch Phantomspeisung genannt: der Strom wird über die von 10BASE-T und 100BASE-TX verwendeten Datenpaare übertragen. Bei den Übertragern wird der Mittelpunktabgriff benötigt, da über diesen die Gleichspannung vergleichbar der Phantomschaltung eingespeist wird, wodurch die differenziell übertragenen Daten von der Gleichspannung und sich ändernden Strömen entkoppelt werden.
  • Mode B: der Strom wird über die von 10BASE-T und 100BASE-TX nicht verwendeten Datenpaare übertragen, deshalb wird dies auch als Spare-Pair-Speisung bezeichnet. Bei vorhandenen Übertragern wird der Mittelabgriff benötigt (dies ist bei 1000BASE-T und schneller immer der Fall) oder die Leitungen werden direkt verwendet (nicht bei 1000BASE-T und schneller).
  • 4-pair Mode: der Strom wird gleichzeitig über die bei Mode A und Mode B verwendeten Paare übertragen.
Varianten der Energieversorgung
  • Endspan (direkte Versorgung durch PoE-Switch)
  • Midspan (Versorgung über zwischengeschaltete Quellen, Beispiel: PoE-Injektor)

SteckerbelegungBearbeiten

Standard 802.3af A und B betrachtet vom versorgenden Gerät aus
Pins am
Hub oder
Switch
Farben nach T568A Farben nach T568B 10/100
Modus B,
DC auf unbenutzten Leitungen
10/100
Modus A,
DC und Daten kombiniert
1000 (=1 Gbit)
Modus B,
DC & Bidirektionale Daten
1000 (=1 Gbit)
Modus A,
DC & Bidirektionale Daten
Pin 1  
weiß/grün
 
weiß/orange
Rx + Rx + DC + TxRx A + TxRx A + DC +
Pin 2  
grün
 
orange
Rx − Rx − DC + TxRx A − TxRx A − DC +
Pin 3  
weiß/orange
 
weiß/grün
Tx + Tx + DC − TxRx B + TxRx B + DC −
Pin 4  
blau
 
blau
DC + unbenutzt TxRx C + DC + TxRx C +
Pin 5  
weiß/blau
 
weiß/blau
DC + unbenutzt TxRx C − DC + TxRx C −
Pin 6  
orange
 
grün
Tx − Tx − DC − TxRx B − TxRx B − DC −
Pin 7  
weiß/braun
 
weiß/braun
DC − unbenutzt TxRx D + DC − TxRx D +
Pin 8  
braun
 
braun
DC − unbenutzt TxRx D − DC − TxRx D −

Abkürzungen: DC = Gleichspannung, Tx = Sender, Rx = Empfänger von Daten

ReferenzenBearbeiten

  1. Die Leitungsberechnung: Spannungsfall Online, abgerufen am 29. Oktober 2018
  2. Alois Huser: Effiziente Stromversorgung mittels Power over Ethernet (PoE). März 2005 (http://www.bfe.admin.ch/php/modules/enet/streamfile.php?file=000000008981.pdf&name=000000250056.pdf bfe.admin.ch [PDF; 3,4 MB; abgerufen am 29. Oktober 2018] im Auftrag des Bundesamtes für Energie (CH)).
  3. https://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssue.jsp?punumber=7428774, IEEE 802.3at-2009 Clause 33, Information technology -- Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Access Method and Physical Layer Specifications -- Amendment 3: Data Terminal Power via the Media Dependent Interface Enhancement.
  4. Bei Typ 1 darf das Kabel nicht mehr als 20 Ω Widerstand bieten, bei Typ 2 maximal 12 Ω.
  5. IEEE P802.3bt DTE Power via MDI over 4-Pair Task Force. 29. März 2016. Abgerufen am 3. August 2016.
  6. Roland Dold: Schlüsseltechnologie Power over Ethernet (PoE). In: Elektropraktiker. Band 71, Nr. 12. Berlin Dezember 2017, S. 996–999 (elektropraktiker.de [PDF; 1,1 MB; abgerufen am 31. Oktober 2018] (teilweise frei verfügbar)).
  7. IEEE 802.3at, Table 33-18 PD power supply limits
  8. IEEE 802.3 Clause 33.1.4 Type1 and Type2 system parameters

WeblinksBearbeiten