Maxim Integrated PoE und LED – ein perfektes Paar

Bild 1: Verwendete Adernpaare bei einer PoE-Midspan-Einspeisung für Ethernet mit 10/100 Mbit/s

LED-Beleuchtungen und PoE-Netzwerke ergänzen sich in idealer Weise. Davon sind Alec Makdessian und Thong Huynh von Maxim Integrated überzeugt. Warum das so ist, erklären sie im folgenden Artikel.

Von: Alec Makdessian und Thong Huynh, Maxim Integrated

Power-over-Ethernet (PoE) bezeichnet eine in Ethernet-LANs verwendete Technik, mit der die Stromversorgung angeschlossener Geräte über dasselbe Kabel erfolgt, mit dem auch die Ethernet-Daten übertragen werden. Ursprünglich wurde der PoE-Standard gemäß den Anforderungen von IT-Services entwickelt. Er eignet sich für eine breite Palette vernetzter Geräte wie etwa IP-Telefone und -Überwachungskameras, WLAN Access Points, Modems, Switches, etc. Darüber hinaus entdecken Designer inzwischen jedoch immer neue Möglichkeiten, die Vorteile der PoE-Technik zu nutzen. Dazu werden unter anderem Geräte angeschlossen, die man früher nie mit Netzwerken in Verbindung gebracht hätte. Ein Beispiel sind LED-Beleuchtungen. Um zu verstehen, warum PoE und LED-Beleuchtungen ein so perfektes Paar bilden, muss man zunächst einige Grundlagen der PoE-Netzwerkinstallation verstehen.

Die PoE-Technik

Die PoE-Technik wird von der Norm IEEE 802.3 geregelt. Sie legt fest, wie die Stromversorgung und Datenübertragung auf ein- und demselben standardisierten Netzwerkkabel direkt an die RJ45-Netzwerk-Ports der angeschlossenen Geräte erfolgt. PoE unterstützt 10BASE-T-, 100BASE-TX- und 1000BASE-T-Netzwerke. Das Power Sourcing Equipment (PSE), das sich in einem Endspan im Switch/Hub oder in einem Midspan befindet, versorgt ein an das Netzwerk angeschlossenes Gerät (Powered Device – PD) mit Strom.

Unter einem Endspan-PSE versteht man einen Ethernet Switch, der eine Versorgungsspannung auf das Netzwerkkabel gibt. Ein Midspan-PSE ist dagegen eine Einspeisung, die zwischen einen normalen Ethernet Switch und ein PD eingefügt wird und die Versorgungsspannung in das Netzwerkkabel einspeist, ohne die Daten zu beeinflussen.

Die Möglichkeit, PSEs als Endspan- oder Midspan-Konfiguration zu installieren, ermöglicht die Nachrüstung bestehender Netzwerke und gestattet außerdem eine bessere Kontrolle darüber, welche Netzwerksegmente mit Strom versorgt werden. In einer PoE-Midspan-Implementierung nutzt das PSE die Adernpaare 4-5 und 7-8 für die Stromversorgung. Die Stromverteilung erfolgt direkt über die ungenutzten Adernpaare in einer Midspan-Konfiguration für 10/100 Mbit/s (Bild 1). Während der positive PSE-Ausgang (V+) an die Adern 4 und 5 angeschlossen wird, verbindet man den negativen PSE-Ausgang (V-) mit den Adern 7 und 8. Bei dieser Konfiguration sind die Stromversorgungs-Adernpaare von den ursprünglichen Signalpaaren, die die PoE-Midspan-Einspeisung durchlaufen, getrennt.

Die Midspan-Einspeisung ist für Installationen sinnvoll, in denen bereits eine Internet-Anbindung existiert und es zu teuer wäre, den Internet-Switch/Router zur Unterstützung der PoE-Technik auszuwechseln oder aufzurüsten. In einer PoE-Endpoint-Konfiguration verwendet das PSE die Adernpaare 1-2 und 3-6 für die Stromverteilung (Bild 2). Die Versorgungsspannung wird bei Endpoint-Konfigurationen als Gleichtakt-Bias-Spannung (DC) auf die Adernpaare gelegt, während die Ethernet-Daten mit Übertragern gekoppelt und rein differenziell übertragen werden. Bei dieser Konfiguration verwendet man für Stromversorgung und Daten dieselben Adernpaare. Die Polarität der PSE-Ausgänge ist bei Endpoint-Konfigurationen nicht festgelegt. Hier sind die magnetischen Ethernet-Bauteile speziell so ausgelegt, dass sie die zur Stromversorgung dienende DC-Vorspannung verkraften.

Um bestehende Installation zu unterstützen, kann das PSE die Versorgungsspannung über zwei Adernpaare bereitstellen, mit einer maximalen Leistung von 15,4 W in einem Spannungsbereich von 44 bis 57 V DC mit Kabel der Kategorie 3 oder höher. Der Standard legt ferner fest, dass das PSE mit Kabeln der Kategorie 5 oder höher eine Leistung von bis zu 30 W (mit zwei Adernpaaren) oder 60 W (mit vier Adernpaaren) in einem Spannungsbereich von 50 bis 57 V DC bereitstellen kann. Bei diesen drei Stromversorgungs-Szenarien ist die Leistungsaufnahme des PD auf maximal 12,95 W, 25,5 W oder 51 W begrenzt. Dies gilt jeweils für einen Spannungsbereich von 37 bis 57 V DC.

Der PoE-Standard ist so angelegt, dass Beeinträchtigungen der Datenübertragungs-Eigenschaften vermieden werden und das Netzwerk-Equipment vor Überlastung geschützt wird. Hierzu wird die Leistungsaufnahme vorab zwischen PSE und PD ausgehandelt. Der Standard legt fest, wie ein PSE ein PD erkennt, wenn es an das Netzwerk angeschlossen oder wieder entfernt wird. Auch die Skalierung des Speisestroms seitens des PSE ist in der Norm geregelt.

Das PD handelt mit dem PSE eine Leistungsklasse aus, wenn es erstmals angeschlossen wird. In allen PDs sind die Versorgungsanschlüsse mit einem 25-kΩ-Abschlusswiderstand verbunden, damit das Anschließen eines PD an das Netzwerk und das Abziehen für das PSE erkennbar ist. Zur Unterstützung bestehender Installationen müssen neuere PSEs in der Lage sein, PDs sowohl an Cat-3- als auch an Cat-5-Kabel korrekt zu versorgen. Umgekehrt muss das PD erkennen können, welche Versorgungs-Schemata das PSE ihm bieten kann. Ausgewählt wird das Versorgungs-Schema mit der höchsten Kompatibilität zwischen PSE und PD. Die Stromversorgung wird nur bei kompatiblen Geräten aktiviert, während sie bei inkompatiblen, älteren Geräten blockiert bleibt. Anwender können deshalb Geräte mit und ohne PoE-Fähigkeit beliebig in ihren Netzwerken kombinieren.