Power over Ethernet

Viele PoE-Ports sicher versorgen

18. Mai 2022, 8:30 Uhr | Sebastian Schriek und Nadine Schneider, Phoenix Contact Power Supplies
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Mit Power over Ethernet (PoE) lassen sich nicht nur Einzelgeräte, sondern auch komplexere Anwendungen, wie ein komplettes Überwachungssystem, mit Energie und Daten versorgen. Gerade wenn mehrere aktive PoE-Teilnehmer zu versorgen sind, stellen sich spezifische Anforderungen an die Stromversorgung.

Normalerweise wird bei Elektroinstallationen versucht, die Stromversorgungsleitungen möglichst von allen Kommunikationskabeln zu trennen. Bei Power over Ethernet (PoE) passiert genau das Gegenteil: Zwei Kabel werden zu einem zusammengefasst; ein Ethernet-Kommunikationskabel und eine Gleichspannung von 52 V werden in einem Switch oder Injektor kombiniert und als PoE wieder ausgegeben. Die Kommunikation wird auf die Versorgungsspannung moduliert.

Der Vorteil liegt auf der Hand: Endgeräte wie Kameras oder Accesspoints lassen sich über die gleiche Leitung versorgen und können darüber Daten austauschen. Daraus ergeben sich allerdings einige besondere Herausforderungen für Anwender und Hersteller.

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Die Abbildung zeigt den typischen Aufbau einer Multiport PoE-Anwendung
Bild 1: Die Abbildung zeigt den typischen Aufbau einer Multiport PoE-Anwendung.
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Zunächst einmal müssen sich Anwender grundsätzliche Fragen beantworten: Welche Komponenten bzw. Systemspannungen sind bereits vorhanden? Soll es eher eine hochintegrierte Anwendung sein oder soll sie aus Einzelgeräten bestehen? Grundsätzlich können Lösungen von Phoenix Contact in jede Richtung unterstützen. So bietet das Unternehmen zum Beispiel die Smart Camera Box inklusive Stromversorgung und Switch komplett als ein Gerät an (Bild 1).

Elektromagnetische Verträglichkeit

Wichtig sind auch die Rahmenbedingungen, wenn Stromversorgung und Switch separate Einheiten in der Anwendung darstellen. In nahezu jeder Applikation spielt die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine wichtige Rolle. Sowohl entwicklungs-begleitend als auch vor Markteinführung führt Phoenix Contact daher entsprechende Messungen durch. Welchen Einfluss hat die EMV-Performance einer Stromversorgung auf eine PoE-Anwendung und welche Konsequenzen hat das für das Gerätedesign? Zunächst muss dabei unterschieden werden zwischen leitungsgebundener und abgestrahlter Störaussendung.

Im hauseigenen EMV-Labor überprüft Phoenix Contact Power Supplies die abgestrahlte Störaussendung von Geräten. Im PoE-Kontext sind noch weitere EMV-Prüfungen essenziell
Bild 2: Im hauseigenen EMV-Labor überprüft Phoenix Contact Power Supplies die abgestrahlte Störaussendung von Geräten. Im PoE-Kontext sind noch weitere EMV-Prüfungen essenziell.
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Bezüglich der abgestrahlten Störaussendung sind alle Stromversorgungen, die das Unternehmen verlassen, grundsätzlich so konzipiert, dass sie nicht nur die Anforderungen für den Industriebereich, sondern auch die strengeren Anforderungen für den Haushaltsbereich erfüllen (Bild 2). Das kann einen zuverlässigen Betrieb aller benachbarten Komponenten fördern und damit auch die Datenverfügbarkeit der PoE-Applikation steigern.

Gleichzeitig werden diese Stromversorgungen nicht durch Störstrahlungen, die von außen auf sie einwirken, negativ beeinflusst. Ihre Störfestigkeit entsprechend der Norm EN 61000-6-2 wird immer auf industrielle Umgebungen ausgelegt, um im Hinblick auf PoE-Anwendungen einen reibungslosen Betrieb sicherzustellen. Damit lässt sich festhalten, dass beispielsweise die PoE-Stromversorgung Uno Power recht geringe Störaussendungen produziert und gleichzeitig robust ist gegenüber Störeinstrahlung von außen.

Mindestens genauso relevant wie abgestrahlte Störungen sind die leitungsgebundenen Störeinflüsse. Typischerweise fokussieren sich Akteure im industriellen Umfeld bei AC/DC-Stromversorgungen ausschließlich auf die geleiteten Störungen durch die AC-Eingangsseite. Natürlich erfüllt Uno Power diese Anforderung. Deutlich seltener achten Anwender allerdings darauf, dass die DC-Ausgangsseite geringe Störaussendung aufweist.

In Bild 1 ist zu sehen, dass die Stromversorgung in Multiport-PoE-Anwendungen typischerweise einen Ethernet-Switch versorgt. Der Ethernet-Switch nutzt die eingangsseitige Gleichspannung als »saubere Grundlage« und moduliert die Kommunikation auf diese Spannung. Damit können leitungsgebundene Störung, die in den Switch gelangt, die Qualität der Datenübertragung in der Anwendung möglicherweise beeinträchtigen. Uno Power wurde entsprechend der EN 61204 so entwickelt, dass die Störaussendung auf der Spannungsebene 48 V bis 56 V gering ist, um einen sicheren und vor allem ausfallfreien Betrieb von PoE-Verbrauchern sicherzustellen. Je »sauberer« die Spannung der Stromversorgung, desto besser kann das versorgte Gerät im Feld die Kommunikationsinformationen von der Versorgung unterscheiden.

Sicherheit durch Isolationsfestigkeit

Neben einer zuverlässigen Kommunikation ist selbstverständlich die Sicherheit von Leib und Leben in allen Anwendungen von AC/DC-Stromversorgungen besonders wichtig. Um diese sicherzustellen, wird im Rahmen der Zulassung (z. B. IEC EN 61010) die Isolationsfestigkeit verschiedener Strecken innerhalb der Stromversorgung überprüft. Darüber hinaus durchläuft jedes Gerät im Fertigungsendtest eine Isolationsprüfung. So erhält jeder Anwender eine sichere Gleichspannung, die gut von der AC-Seite getrennt ist.

Typische Isolationsstrecken in einer AC/DC-Stromversorgung. Im PoE-Kontext sollte nicht nur die Strecke zwischen Ein- und Ausgang betrachtet werden
Bild 3: Typische Isolationsstrecken in einer AC/DC-Stromversorgung. Im PoE-Kontext sollte nicht nur die Strecke zwischen Ein- und Ausgang betrachtet werden.
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Besonders relevant in diesem Kontext sind die Isolationsstrecken »A« und »B« aus Bild 3. Die Testspannungen liegen hier typischerweise oberhalb von 2000 V (AC). Die Isolationsstrecken »C« und »D« liegen eher im Bereich von 500 V (DC). Für den Großteil aller Anwendungen würde an dieser Stelle eine Stromversorgung gebaut werden, die die Isolationsanforderungen erfüllt. Allerdings gibt es bei PoE-Anwendungen eine Besonderheit: Die PoE-Norm IEEE 802.3bt fordert für die Isolationsstrecke »D« also die Strecke zwischen DC-Ausgangsseite und Gehäuse für alle Power Sourcing Equipments (PSE) eine Isolationsfestigkeit von 1500 V (AC). Diese Isolation wurde in das 48-V-Gerät der Uno-Power-Familie implementiert. Damit eignet sich das Gerät für PoE-Anwendungen und ist besonders robust gegen Störeinflüsse, die zwischen der Schirmung und den Datenleitungen eines Ethernet-Kabels auftreten können. Gerade bei Kabellängen von bis zu 90 m und wegen des geringen Abstands zwischen Schirmung und Kommunikationskabeln ist dieser Vorteil besonders relevant.

Blick nach vorne

Aufgrund der aufgezeigten Vorteile werden PoE-Anwendungen einen immer größeren Stellenwert einnehmen. Das betrifft sowohl das private wie auch das industrielle Umfeld. Neben Accesspoints, Kameras und weiteren im Überwachungskontext relevanten Verbrauchern gewinnen auch neue Bereiche an Bedeutung. Dazu zählen beleuchtete Anzeigetafeln sowie jegliche Art von Beleuchtungsanwendungen, in denen eine Platzersparnis durch Kommunikation und Versorgung dem Endanwender einen Vorteil bringt.

Für genau diese Anwendungen eignen sich Stromversorgungen wie Uno Power von Phoenix Contact. Die beiden relevantesten Punkte bei der Auswahl einer Stromversorgung, neben der reinen Ausgangsleistung, sind die ausgangsseitige EMV-Performance sowie die Isolationsstrecke zwischen dem Ausgang und dem Gehäuse (PE).  Aufgrund der immer weiter steigenden Datenraten sowie der Leistung in PoE-Anwendungen bleibt es spannend, welche weiteren Herausforderungen und Möglichkeiten sich über die nächsten Jahre ergeben werden.


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