Power over Ethernet – PoE

Power over Ethernet, PoE. 
Spannungen, Klassen, Wärmeentwicklung

Mit „Power over Ethernet“ (PoE) werden die an das Ethernet-Netzwerk angeschlossenen Geräte über das gleiche Kabel mit Strom versorgt, welches auch für die Datenübertragung verwendet wird.
Damit steht eine Technik zur Verfügung, die es ermöglicht, Energie über symmetrische Datenkabel zu übertragen und wird überwiegend für die Stromversorgung von WLAN-Access-Points und Netzwerk-Kameras und vor allem IP-Telefonen verwendet. Aus diesem Grund wird PoE häufig mit VoIP (Voice over Internet Protokoll) in Zusammenhang gebracht wird. Aber auch ein WLAN-Access-Point (Wireless Local Area Network) benötigt mit PoE nur noch ein Datenkabel.

Wie wird PoE in ein Netzwerk eingebunden?

Das Einbinden von Technologien wie z.B. IP-Telefonie (VoIP) erfordert, das die Endgeräte PoE fähige Netzwerkschnittstellen besitzen. Damit vorhandene zentrale Switches weiterverwendet werden können, werden häufig PoE-Injektoren zur Stromeinspeisung genutzt. Aber auch kleine Installationsswitche mit PoE Funktion welche im Kabelkanal verbaut werden  sind möglich.
Die Stromversorgung der Switche sowie der PoE-Injektoren erfolgt über ein externes Netzteil.

Ein Vorteil dieser Technik ist, dass für die Stromversorgung eines Endgeräts kein zusätzliches Energiekabel mehr benötigt wird. Lediglich ein Datenkabel mit RJ45-Anschluss ist für den Betrieb des Endgerätes erforderlich.
Das spart Kosten.  PoE ermöglicht es, den Standort eines Endgerätes wie z.B. einer Kamera flexibel einzurichten und zu betreiben. Dies ist insbesondere in schwer zugänglichen Bereichen von Vorteil, da nur ein Kabel verlegt werden muss.

In der Regel wird mit PoE versorgtes System von einem  Serverraum aus mit Strom versorgt. Serverräume werden häufig mit einer USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) abgesichert. Dadurch bleibt das Netzwerk auch bei einem Stromausfall funktionsfähig.
Aufgrund seiner Vorteile wird die Verwendung von PoE bei möglichst vielen Geräten empfohlen. Der vom PoE-fähigen Switch gelieferte Strom, muss für die angeschlossenen Geräte ausreichen und die Geräte müssen die standardisierte Spannungsklassifizierung unterstützen.

Der Standart nach IEEE802.3af

Der Internationale Standart nach IEEE802.3af  definiert eine Stromversorgung von Netzwerkkomponenten und Daten-Endgeräten über die RJ-45-Schnittstelle.
Die Stromversorgung erfolgt dabei gleichzeitig zu den Daten über das Netzwerkkabel. Die meisten Endgeräte erfüllen diese Norm.
Unter Berücksichtigung der elektrischen Grenzen einer RJ-45-Schnittstelle und des geringen Aderquerschnitts von Datenkabeln ist eine Nennspannung von 48V (44V-57V) bei einer maximalen Leistung von 15,4W festgelegt.
Durch die, für ein Netzwerkkabel, relativ hohe Spannung bleiben Verlustleistung und die damit verbundene Wärmeentwicklung in den Datenkabeln und Steckverbindungen gering.

Erst nach einer Prüfung des angeschlossenen Endgerätes wird der Strom zur Versorgung des Engerätes aufgeschaltet. Dabei wird der entnommene Strom  während des Betriebes  ständig überwacht.  Bei Überschreitung der zulässigen Grenzwerte wird die Stromversorgung automatisch unterbrochen.

Im Sprachgebrauch von Power over Ethernet werden stromliefernde Geräte als „Power Sourcing Equipment“ (PSE) bezeichnet. Hierbei kann es sich um einen PoE-fähigen Switch, ein PoE-Injektor oder ein Midspan handeln.

Ein Midspan-Controller ist ein Gerät, dass einem Patchpanel ähnelt und zwischen einen Ethernet-Switch und zugehörigen Endgeräten geschaltet ist. Der Midspan-Controller führt dem Ethernet-Kabel Strom zu, ohne den laufenden Datenverkehr zu behindern. Die vorhandenen Ethernet-Switches können weiterhin betrieben werden.

Das Endgerät, welches mit Strom versorgt wird, wird als „Powered Device“ (PD) bezeichnet. Dabei wird die PoE-Funktion normalerweise in dem Netzwerkanschluss des Endgerätes integriert.

PoE prüft eigenständig, ob ein Gerät eine Spannungsversorgung über Netzwerkkabel unterstützt oder nicht. Nur wenn ein Endgerät die Methoden von PoE unterstützt, wird es mit Strom versorgt. Dies bedeutet auch, dass ein an einen PoE-Switch angeschlossene Netzwerkkabel nur zur Stromversorgung verwendet werden kann, wenn es an einem ethernetfähigen Gerät angeschlossen wird. Da Netzwerkkabel auch zu anderen Kommunikationszwecken, wie z.B. analoge Telefonie genutzt werden, wird dadurch bei der Installation oder Neuverkabelung eines Netzwerks die Gefahr eines Stromschlags vermieden.

Mögliche Einspeiseverfahren bei Power over Eternet

Spare-Pair-Verfahren

Im Spare-Pair-Verfahren werden zur Stromversorgung die beiden unbenutzten Adernpaare (4/5 und 7/8) genutzt.

Phantom Speisung

Die  Phantom-Speisung nutzt die Adernpaare (1/2 und 3/6). Hierbei muss beachtet werden, dass die Polarität nicht festgelegt ist und bei einem Crossover-Kabel vertauscht ist. Das Endgerät muss die Polarität erkennen und entsprechend anpassen.

Bei der Phantom Speisung wird die Gleichspannung mit Hilfe einer speziellen Spule auf das signalführende Aderpaar eingekoppelt. Damit der Gleichstromanteil das Nachrichtensignal nicht verfälscht, erfolgt die Einspeisung "zentriert" auf das Adernpaar.
Power-over-Ethernet-Endgeräte beherrschen beide Verfahren zur Stromaufnahme. Das Einspeisende Gerät (PSE) entscheidet, welches Verfahren angewendet wird. Die gleichzeitige Nutzung beider Verfahren ist nicht erlaubt.

Moderne Ethernet-Netzwerke  haben keine unbenutzten Adernpaare mehr.
Datensignale und Gleichstromversorgung werden mit der Phantomspeisung gleichzeitig realisiert.

Gemäß IEEE 802.3af liefert ein PSE pro Anschluss bei einer Spannung von 48V DC eine Leistung von 15,4W. Unter Belastung können noch 12.95W garantiert werden. Voraussetzung ist die Einhaltung der normativen Installationen der Verkabelung. Die Werte werden in Leistungskategorien nach IEEE 802.3 angegeben.
In der Regel liefern Switches 300-500W Anschlußleistung. Bei fehlender Stromklassifizierung der Endgeräte werden am Switch die vollen 15,4W am Port reserviert.
Bei einer Ausgangsleistung von 300 W am Switch können demzufolge max. 20 der 
48 Ports eine entsprechende Versorgung bereitstellen.
Werden am Teilnehmeranschluss Geräte der Klasse 1 erkannt, kann der Switch im günstigsten Fall alle 48 Ports mit Spannung versorgen.

Tabelle: Stromklassifizierung IEEE802.3af

Klasse

Typ

Klassifikationsstrom

Speiseleistung 

Entnahmeleistung 

0

Default

0-5 mA

15,4 W

0,44 W bis 12,95 W

1

Optional

8-13 mA

4,0 W

0,44 W bis 3,84 W

2

Optional

16-21 mA

7,0 W

3,84 W bis 6,49 W

3

Optional

25-31 mA

15,4 W

6,49 W bis 12,95

4

Reserviert

35-45 mA

15,4 W

12,95 W bis 25,5 W


PoE-Erkennung

Um PoE-taugliche Endgeräte von nicht geeigneten Endgeräten unterscheiden zu können, wird ein Verfahren Namens Resistive Power Directory genutzt.

Die Stromquelle prüft den Innenwiderstand des Verbrauchers. Liegt dieser im Toleranzbereich zwischen 19 und 26,5kΩ, bei einer Kapazität von maximal 10μF, wird die Energieversorgung zugeschaltet.
Ist ein entsprechender Widerstand vorhanden, wird die volle 48-V-Spannung angelegt. Um Beschädigungen im Fehlerfall zu vermeiden wird eine Strombegrenzung aktiviert.
In das angeschlossenen Endgerät fließt ein stetiger Mindeststrom. Im Fehlerfall oder falls das Gerät z.B. nicht angeschlossen ist, wird die Versorgung durch das PSE unterbrochen und der Discovery-Prozess neu gestartet.
In einer zweiten Erkennungsphase wird dann die Leistungsklasse ermittelt.

Kabelerwärmung im PoE Betrieb

Bei der Auslegung der Netzinfrastruktur ist darauf zu achten, dass zulässige Höchsttemperaturen nicht überschritten werden. Durch den Transport von relativ großen Strömen durch die Datenkabel kann es unter ungünstigen Umständen zu schädlichen Erwärmungen kommen. Um die Zuverlässigkeit der Netzwerkinfrastruktur zu gewährleisten wird empfohlen, beim Einsatz von Power over Ethernet,  Datenkabel mit einem großen Querschnitt zu verwenden (z.B. AWG 22). Bei größerem Leiterquerschnitt wird der Gleichstromwiderstand kleiner, woraufhin sich die ohmschen Verluste reduzieren und die Erwärmung der Kabel abnimmt.

Nach dem physikalischen Trennen einer PoE-Verbindung wird die Spannung abgeschaltet. Dabei kommt es beim Abziehen des RJ45-Steckers zu einer Lichtbogenbildung an den Kontakten des RJ45 Steckers. Dies führt zu einer thermischen Beschädigung der Kontakte und reduziert die die Lebensdauer der Komponenten.  Dadurch stellt Power over Ethernet wesentlich höhere Anforderungen an die Komponenten der Verkabelung. 
Werkstoff, Dicke der Beschichtung, Anpresskraft und Abbrandverhalten der Kontakte sind entscheidende Qualitätsmerkmale und bestimmen die Lebensdauer der Steckverbindung.

Wärmeentwicklung im Netzwerkkabel

Grundsätzlich gilt, je mehr Strom durch ein Kabel fließt, umso mehr Wärme wird erzeugt. Energietechniker kennen das Phänomen zu genüge. Bei Datentechnikern wird dieser Umstand immer noch in den Hintergrund gerückt. Dennoch gelten die physikalischen Eigenschaften der Erwärmung durch Strom im Datenkabel genauso wie im Energiekabel. Darüber hinaus beeinträchtigt die Wärmeentwicklung im Datenkabel auch die Datenübertragung. 

Es gilt das Ohmsche Gesetz. Wobei die Länge des Datenkabels und der Durchmesser des Kupferdrahtes im Kabel maßgeblich den Widerstand bestimmen. Die Länge des Datenkabels bestimmt also den Spannugsabfall am Kabel.

Bereits bei der Planung und beim Kauf des Kabels sollte der Aderquerschnitt unbedingt berücksichtigt werden. Der  AWG-Wert von 24 wie bei Datenkabel der Kategorie 5  (CAT5) sollte nicht überschritten werden.

Tabelle: AWG (American Wire Gauge) 
Kabelquerschnitt in mm² & Leiterwiderstand (Auszug)


AWG Nummer

Kabel-Querschnitt in mm²

Außendurchmesser in mm

Leiterwiderstand in Ohm/km

23

0,2590

0,5730

70,1

24

0,2050

0,5110

89,2

25

0,1630

0,4550

111,1

26

0,1280

0,4050

146,0

27

0,1020

0,3610

176,0

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