Schutzbausteine für Power-over-Ethernet

Ethernet gewinnt immer weiter an Verbreitung, und auch Power-over-Ethernet wird ständig attraktiver. Allerdings sind die VoIP-Technik und viele weitere Anwendungen, die eine PoE-Architektur nutzen, auf die sorgfältige Auswahl von Bauelementen zum Stromkreisschutz angewiesen...

Trotz großer Anstrengungen der Hersteller reicht die Lebensdauer der Organischen Leuchtdioden (OLED) heute noch nicht aus für alle Display-Anwendungen in den Consumer-Märkten. Eine Bestandsaufnahme ergibt: Der Markteintritt geht nicht ganz so stürmisch voran, wie noch vor ein paar Jahren geglaubt. Bei den Flachdisplays entwickeln sich auch die LCDs weiter. Aber die Beteiligten lassen keinen Zweifel: Die Zukunft gehört den OLED-Displays.

Ethernet gewinnt immer weiter an Verbreitung, und auch Power-over-Ethernet wird ständig attraktiver. Allerdings sind die VoIP-Technik und viele weitere Anwendungen, die eine PoE-Architektur nutzen, auf die sorgfältige Auswahl von Bauelementen zum Stromkreisschutz angewiesen, um zuverlässig zu arbeiten und eine Beeinträchtigung der Kommunikation auszuschließen.

Die Euphorie war groß, als 1997 das erste, auf OLEDs basierende Display in einem Produkt sein Debüt hatte. Alles, was in der Display-Industrie einen Namen hatte, warf sich auf das neue Objekt. Riesige Märkte wurden prognostiziert, Ablösestrategien für existierende Displays wurden entworfen. Das OLED-Display ist eigentlich ein „ideales“ Display. Es ist flexibel und extrem flach, verspricht außerordentliche Helligkeit und ist technologiebedingt auch preiswert. So etwas liebt die Industrie – und darum sind wir der Frage nachgegangen, warum diese Erwartungen noch nicht erfüllt wurden.

Für unsere Analyse haben wir zwei Referenzen eingeholt: Wir besuchten das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS [1] in Dresden und Osram Opto Semiconductors [2] in Regensburg.

Wie der Name schon andeutet, handelt es sich bei Power-over-Ethernet (PoE) um eine Technik, Ethernet-Geräten über die existierende Ethernet-Verkabelung mit Strom zu versorgen. Über die Leitungen des Kabels fließt also neben den Daten auch ein Gleichstrom. Zu den potenziellen Vorteilen dieser Technik gehören die größere Mobilität des Ethernet-Equipments, niedrigere Installationskosten und die Möglichkeit, vorhandene Ressourcen besser zu nutzen. Geräte an einem PoE-Netzwerk können praktisch beliebig platziert werden, da sie weder eine Netzsteckdose noch ein separates Stromversorgungskabel benötigen.

PoE-Kabel und -Equipment sind auf einen robusten Schutz gegen zu hohe Spannungen und Ströme angewiesen, der außerdem keinen Einfluss auf die Datensignale hat. Von besonderer Bedeutung ist dies, wenn Ethernet-Leitungen in widrige Umgebungsbedingungen außerhalb von Gebäuden geführt werden, wie es bei »Last Mile«-Verbindungen für Metro-Ethernet-Dienste und »First Mile«-Verbindungen in Häuser hinein (Achtung Missverständnis möglich: Dies heißt im Deutschen »letzte Meile«) der Fall ist.

Zwischen Euphorie und Ernüchterung

Alle frühen Prognosen über die Marktentwicklung der OLED-Displays sind nicht eingetreten. Kodak arbeitete schon seit den 80er Jahren an dem Thema. Doch es zeigte sich, dass der Übergang vom Labor auf eine Produktion schwierig ist. Das Hochfahren der Fertigungslinien verzögerte sich, es gab Probleme mit den Schichtdicken, der Materialreinheit, mit der großtechnischen Verarbeitung, aber auch mit der Ausbeute. Und es gab auch Probleme bei den Marktauguren. Anfangs waren nur wenige Produkte greifbar. Die Veröffentlichung immer neuer Zahlen beruhte oft auf Ankündigungen für neue OLED-Displays. Kommen diese dann etwas verzögert auf den Markt, dann sind diese Zahlen sofort obsolet. Dies erklärt das heftige Auf und Ab der frühen Marktzahlen.

Ein Ethernet-Gerät, das Leistung aufnimmt, wird als »Powered Device« (PD) bezeichnet, während das versorgende Gerät »Power Sourcing Equipment« (PSE) heißt (Bild 1). Die nominell 48 V hohe PoE-Spannung darf bis zu 57 V betragen, um Leitungsverluste und die maximale Schleifenlänge von 100 m zu berücksichtigen. Die Leistungsaufnahme eines PD ist auf 12,95 W beschränkt, während ein PSE je RJ-45-Port eine Leistung bis zu 15,4 W abgeben darf. Weitere Vorgaben sind: 350 mA je Geräteanschluss, 500 mA maximaler Laststrom, Schutz gegen Leitungsunterbrechungen sowie gegen Überlastung und Kurzschluss.

Nomenklatur

Die Stromversorgung kann über jedes der Daten-Leiterpaare oder über das Reservepaar erfolgen und durch ein Endpunkt- oder »Mid-Span«-PSE vorgenommen werden. (Eine umfassendere Beschreibung des Mid-Span-PSE enthält die IEEE-Norm 802.3af.) Eine gleichzeitige Stromversorgung über ein Daten- und ein Reservepaar ist nicht möglich.

Die Konkurrenten unter dem OLED-Dach

Die organischen Displays machen sich untereinander Konkurrenz mit zwei Arten von organischen Materialien, den „Small Molecules“ und den „Polymers“. Noch immer herrschen die „Small Molecules“ bei den heutigen Produkten vor; sie weisen aus der Historie heraus einen Entwicklungsvorsprung auf. Mehr als 90 % der 2005 am Markt befindlichen OLED sind auf „Small Molecules“ aufgebaut. OLED-Farbdisplays aus den „kleinen Molekülen“ erreichen heute bis zu 7000 Stunden Betriebsdauer (im Videobetrieb bei Raumtemperatur). Die Entwicklungskurve der Polymer-Displays liegt im Vergleich etwa zweieinhalb Jahre zurück.

So pendelt nun die Meinung noch immer zwischen den zwei Alternativen hin und her. Noch scheint das Pendel zugunsten der „Small Molecules“ auszuschlagen, weil sie schon am Markt sind. Das kann sich jedoch sehr schnell ändern, zumal in jüngster Zeit die „Polymers“ große Fortschritte bei Stabilität und Alterung gemacht haben. Und weil eine abgesicherte Entscheidung im Augenblick noch nicht möglich ist, setzen einige Unternehmen – wie z.B. Samsung – zum Zeitpunkt der Recherche auf beide Techniken und entwickeln sie mit einigem Aufwand weiter. Der Grund dafür ist strategisch: Was immer sich durchsetzen wird, die Unternehmen wollen auf jeden Fall ganz vorne mit dabei sein.

Vielleicht gibt es auch noch einen weiteren Weg, um farbige organische Displays herzustellen: durch den Bau eines „weißen“ Displays. Das Bild wird anschließend mit Hilfe von Farbfiltern zerlegt. Das ginge sowohl mit „Small Molecules“ als auch mit „Polymers“. Technisch bietet das viele Vorteile für die Prozessierung, allerdings sinkt bei der Filterung die Helligkeit etwa um den Faktor 2 bis 3.

Die Ausgangsmaterialien sind nur ein Unterscheidungsmerkmal, die Architektur der Displays ein anderes. Hier konkurrieren „Active Matrix“-Displays (AMD) und „Passive Matrix“-Displays (PMD) miteinander. Letztere sind relativ einfach herzustellen. Die Katode und die transparente Anode stellen eine gekreuzte Matrix dar, der Licht emittierende Kunststoff liegt dazwischen (Bild 1). Aufgrund der Verluste in den elektrischen Leitungen ist die Leitungslänge eingeschränkt und es können nur kleine Displays realisiert werden. Diese kleinen Displays werden aber heute bereits in großen Stückzahlen nachgefragt. Ein fernsehfähiger OLED-Bildschirm dürfte erst um 2009 herum auf den Markt kommen, auch wenn Prototypen schon gezeigt wurden (Bild 2).

PoE unter Verwendung eines Datenpaars kombiniert die DC-Versorgungsspannung mit dem Signal auf den Sende- (TX) und Empfangsleitungen (RX) eines CAT5e-, CAT6- oder CAT7-Kabels. In Bild 1 fällt auf, dass an den Paaren 1-2 und 3-6 separate Isolationsübertrager mit jeweils einem Mittenabgriff liegen. Die PD-Spannung liegt als Differenz zwischen den Spannungen an den beiden Datenpaaren an. Diese Phantombeschaltung sorgt dafür, dass die Potenzialdifferenz zwischen den Adern eines Datenpaares Null ist.

Die PoE-Technik unter Verwendung eines Reservepaares ist in Bild 2 gezeigt (in diesem Fall für ein Endpunkt-PSE). Da 10BaseT- und 100BaseT-Systeme zwei Paare für die Datenübertragung nutzen (1-2 und 3-6), stehen zwei Reservepaare (4-5 und 7-8) für die Stromversorgung zur Verfügung. Ein 1000BaseT-System verwendet dagegen alle vier Paare des Twisted-Pair-Kabels für die Datenübertragung und kommt deshalb für die Verwendung eines Reservepaares nicht in Frage.

Die OLED-Einheit ist noch nicht das ganze Display

Das Display für sich funktioniert ja noch nicht. Es werden dazu Treiberchips und etwas Peripherie benötigt. An die Treiber werden dabei besondere Ansprüche gestellt: OLEDs arbeiten im Gegensatz zum LCD stromgesteuert und benötigen daher relativ hohe Vorspannungen mit hoher Präzision und kurzen Ansprechzeiten. Das setzt sehr präzise analoge Ansteuerchips voraus. Vor drei Jahren haben die Produzenten von OLED-Displays und Chip-Hersteller oft noch an einem Tisch gesessen, um gemeinsam über solche Chips zu brüten. Heute hat sich die Lage entspannt: Zwei Dutzend Firmen auf der Welt befassen sich mit Treiber-Chips für organische Displays und der notwendigen Peripherie. Der Markt ist schon da: ca. 28 Mio. OLED-Displays wurden 2004 weltweit verkauft. Da bis auf weiteres von einem zweistelligen Wachstum pro Jahr ausgegangen wird, wächst dieser Markt auch entsprechend.

Das wirtschaftliche Kernproblem bleibt aber die Überführung der im Labor erprobten Verfahren in eine Produktion mit brauchbaren Ausbeuten, hoher Zuverlässigkeit und guter Langzeitstabilität. Bei den „Polymer“-Displays ist das Potential mit Sicherheit noch nicht ausgeschöpft, zumal sich bei den Ausgangsmaterialien immer wieder Neues tut. Und deswegen setzen viele Hersteller – trotz einer Durststrecke – auf die „Polymers“.

Die Grundfakten für OLED-Displays sind bei beiden Prinzipien die gleichen:

  • Bei einem effizienten Display ist die Anzahl der Ladungsträger ausgeglichen. Nur dann ist die Wahrscheinlichkeit der Rekombination von Elektronen und Löchern genügend groß. Die Mechanismen dafür sind geklärt, sie werden heute beherrscht.
  • Die Quanteneffizienz der Photonenerzeugung beträgt heute fast 100 % – da lässt sich kaum mehr was verbessern.
  • Die optische Auskopplung hat noch großes Potential. Möglich sind hier theoretisch etwa 60 % Wirkungsgrad, realisiert wurden aber erst 20 %.

Gigabit-Ethernet-Systeme müssen deshalb in jedem Fall Endpunkt-PSEs nutzen und die Stromversorgung über die Datenpaare implementieren. Um die Kompatibilität sicherzustellen, nutzt PoE eine Handshake-Routine zwischen PSE und PD, in deren Verlauf eine gültige PD-Signatur erkannt werden muss. Die für eine gültige Signatur erforderlichen Werte sind in Tabelle 1 dargestellt.

Eine zweite Signatur, welche die Leistungsklasse des PD festlegt, dient dazu, eine übermäßige Leistungsentnahme aus dem PSE zu unterbinden.

Überspannungs- und Überstromschutz

Die in der PoE-Technik verwendeten Signaturen legen die Einschalt-Spannungsschwelle für jegliche Schutzbausteine fest, mit denen ein Leiterpaar versehen wird. Klemm- oder Crowbar-Bauelemente an einem für die Stromversorgung genutzten Leiterpaar dürfen nicht auf die Handshake-Routinen reagieren oder diese beeinflussen.

Die Redaktion ist nach Dresden gefahren an das Fraunhofer-Institut Photonische Mikrosysteme (FhG IPMS). Es verfügt über die seinerzeit erste vertikale „In Line“-Prozessanlage zur Herstellung von OLED-Displays (Bild 3). „Vertikal“ deshalb, weil hierbei das Trägersubstrat senkrecht durch die Anlage transportiert wird. So kann eine Fertigungslinie aufgebaut werden, die vom Einführen des Substrats bis zur Ausgabe des fertigen OLED-Displays nicht unterbrochen ist. Das Institut ist einer der wenigen Lieferanten, die Displays von der Konzeption bis zum Systemmodul anbieten können (Bild 4).

Wir haben uns am FhG IPMS mit Professor Karl Leo über die technischen Entwicklungen und die Display-Konkurrenz zum LCD unterhalten:

Die ersten Beobachtungen von Elektrolumineszenz in organischen Halbleitern liegen ja schon 40 Jahre zurück. Doch erst nach der Jahrtausendwende kamen die ersten Displays auf den Markt. Können Sie kurz skizzieren, was sie besser können als LCDs und wo sie noch weiterer Verbesserung bedürfen?