Power over Ethernet Zwei Fliegen mit einer Klappe

Analysten prophezeien Power over Ethernet ein hohes Wachstum. Demnach wird die Marktgröße in den kommenden Jahren an neuen Produkten und technologischen Fortschritten ansteigen. Netzwerkkabel, die immer mehr Stromleistung übertragen können, begünstigen den Trend.

Ursprünglich dafür entwickelt, klassische Telefone mit Strom zu versorgen, gewinnt Power over Ethernet (PoE) auch in anderen Bereichen zunehmend an Bedeutung. Internet of Things (IoT), smarte Büro- und Wohngebäudeverkabelung und viele netzwerkfähige Endgeräte in Büros, Lager- und Produktionsstätten benötigen sowohl Daten als auch Strom. Über Ethernet-Schnittstellen können sie unabhängig vom Stromnetz mit Energie versorgt werden. Unternehmen profitieren von vielen Vorteilen.

Da PoE Strom und Daten über ein einziges Kabel überträgt, sparen sie vor allem Kosten für die Anschaffung und den Betrieb zusätzlicher Verkabelung. Als Stromquelle dienen PoE-Injektoren oder Switches/Hubs. Die meisten Geräte am Markt verfügen mittlerweile über Ethernet Switches. So ist es möglich, Geräte unabhängig vom Stromnetz zu installieren. Besonders an Installationsorten, an denen sich Stromleitungen nur schwer oder überhaupt nicht verlegen lassen, ist ein solches Verfahren vorteilhaft. Dank PoE können separate Stromanschlüsse entfallen und der Aufwand für die Installation von Netzwerkgeräten sinkt. Unternehmen setzen die Technik häufig zur Versorgung von abgesetzten Devices wie Webcams, Überwachungskameras oder WLAN Access Points ein, die oft an unzugänglichen Stellen zu installieren sind. Ein weiterer Vorteil von PoE liegt in der gesteigerten Ausfallsicherheit der verbundenen Geräte über eine zentrale und unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Bei Stromausfall ist ein kontinuierlicher Betrieb möglich. PoE funktioniert mit Gleichstrom. AC/DC-Konvertierungsadapter sind nicht erforderlich, woraus Energie- und Kosteneinsparungen resultieren.

 

 

Bis zu 90 Watt Leistung über Datenkabel

Für die Übertragung der Energie zwischen dem Energieversorger (Power Supply Equipment, PSE) und dem Energieverbraucher (Powered Device, PD) stehen zwei Varianten zur Verfügung. Das Spare-Pair-Verfahren nutzt für die Stromversorgung zwischen PSE und PD nur die freien Adernpaare 4/5 und 7/8. Bei der Phantomspeisung findet die Spannungsversorgung über alle Adernpaare statt, über die auch die Datenübertragung erfolgt. Das heißt, die Spannung wird über die Datenleitung aufmoduliert. Bei der PoE-Topologie haben Anwender die Wahl zwischen Mid-Span- und End-Span-Netzwerken.

PoE ist in mehreren Standards definiert und ermöglicht je nach Standard unterschiedliche maximale Leistungen. Künftig wird neben PoE die Begrifflichkeit Remote Powering die Runde machen. Die Normierungsgruppe rund um PoE hat diesen neuen Begriff vor kurzem eingeführt.

 

Tabelle 1 gibt einen Überblick. Elektriker und Planer finden darin alle Details für eine erfolgreiche PoE-Installation. Nach den Standards IEEE 802.3af im Jahr 2003 und IEEE 802.3at im Jahr 2009 verabschiedete die IEEE im dritten Quartal 2018 den Standard IEEE 802.3bt. Der jüngste, auch Four-Pair PoE genannte Standard nutzt alle Adern des Netzwerkkabels für die Energieübertragung. Maximal erzielbare Leistungen liegen zwischen 72 und 90 W. Dank der hohen übertragbaren Leistungen lassen sich auch größere Endgeräte beispielsweise IPTV-Geräte in Full HD oder Thin Clients über das Datenkabel mit Energie versorgen. Kabelhersteller arbeiten kontinuierlich daran, die PoE-Leistungsfähigkeit der Netzwerkdatenkabel weiterzuentwickeln, denn die limitierte Leistungsabgabe, die das PoE-Verfahren mit sich bringt, stellt nach wie vor das größte Manko dar.

Einflussfaktoren auf PoE-Leistungsfähigkeit

Wie schon der Name erahnen lässt, sind Datenkabel vorrangig darauf ausgelegt, digitale Signale zu übermitteln, und nicht für die Stromübertragung bestimmt. Die Versorgung mit Strom bedeutet für das Kabel eine zusätzliche Belastung, die meist einen Temperaturanstieg im Kabelbündel zur Folge hat. Je mehr Strom ein Datenkabel überträgt, desto mehr Wärme entsteht im Kabel.

PoE erzeugt durch den Leitwiderstand des Kabels Wärme. Außerdem haben Bündelgröße und Installationsumgebung einen direkten Einfluss auf die Erwärmung des Kabels und können zu einer signifikanten Temperaturerhöhung führen. Maßgeblich ist hier beispielsweise die Art der eingesetzten Kabelkanäle: Gitterkabelkanal, perforiertes Lochkabelsystem oder komplett geschlossener Kanal aus Kunststoff. Die Kabel im offenen Gitter erfahren mehr Kühleffekt durch die Luft als die Kabel im geschlossenen Kanal. Hier ist die Erwärmung höher. Die Norm EN 50174-2 besagt unter 4.5.4.2, dass der Füllgrad 40 Prozent nicht überschreiten sollte. Denn mit steigender Anzahl der Kabel im geschlossenen Kabelkanal steigt die Erwärmung. Befinden sich die Kabelkanäle über einer Heizung, wirkt sich die abstrahlende Wärme ebenfalls auf die Performance aus. Planung und Ausführung der Installation haben direkten Einfluss auf die PoE-Fähigkeit eines Kabels.

Höhere Kabeltemperaturen erhöhen Widerstand und Transmissionsdämpfung. Die Folge ist eine Linklängenreduzierung des Kabels. Durch die zusätzliche Dämpfung werden Signale möglicherweise nicht mehr richtig oder gar nicht mehr zum Empfänger übertragen, und der Datenstrom reißt ab. Neben der Heiz- und Kühlwirkung haben kabelspezifische Eigenschaften wie Symmetrie und Kabelaufbau Einfluss auf die PoE-Leistungsfähigkeit eines Kabels. Der Einfluss von PoE auf die Stecksysteme kann bei hoher Überlastung sogar zu starker Beschädigung der Stecksysteme führen. Beim Ausstecken unter Last wird ein Abreißfunken erzeugt, der die Kontakte zerstören kann. Wie stark die Beschädigung der Komponenten ausfällt, hängt von der Kontaktkonstruktion und Leistungshöhe beim Ausstecken ab.

 

Temperaturobergrenze einhalten

Damit die Kabel PoE-funktionsfähig bleiben und die bestmögliche übertragungstechnische Effizienz erreichen, darf die maximale Kabelbetriebstemperatur 60 °C nicht überschreiten. Übersteigt die Temperatur diese Grenze, verlieren die übertragungstechnischen Eigenschaften an Genauigkeit und die Kabel leisten nicht mehr die erwartete Performance. Der Grund liegt im Aufweichen des Isolationsmaterials und dem damit verbundenen Symmetrieverlust des Kabeldesigns. Die Erwärmungsgrenze von 60 °C setzt sich aus den Komponenten 50 °C maximale Umgebungstemperatur, Verlustleistung und Wärmeableitung zusammen. Daraus ergibt sich folgende Rechnung:

50 °C maximale Umgebungstemperatur + Verlustleistung – Wärmeableitung      < 60 °C Erwärmungsgrenze

Die Gesamterwärmung aus Verlustleistung und Wärmeableitung darf demzufolge 10 °C nicht überschreiten.

Verlustleistung – Wärmeableitung < 10 °C Erwärmung

 

 

 

Um die Obergrenze von 10 °C einzuhalten, gilt es, die Verlustleistung zu reduzieren oder die Wärmeableitung zu steigern (Bild 1). Je mehr das technisch gelingt, desto größer wird die Effizienzsteigerung bei Power over Ethernet. Die Höhe der Verlustleistung hängt vom Strom, Widerstand und den eingesetzten PoE-Paaren (2 oder 4 Paare) ab. Einfluss auf die Wärmeableitung haben die Faktoren Bündelgröße, Schirmung und Luftstrom (Bild 2).

Reduzieren der Verlustleistung

Die PoE-Reichweite ist auf den Gleichstrom-Schleifenwiderstand (DC-LR) zurückzuführen. Je höher dieser ist, desto mehr verringert sich die Reichweite. Tabelle 2 zeigt, dass das AWG-24-Kabel mit einem DC-LR von 173,86 Ω/km und äußeren Leiterdurchmesser D von 0,515 mm eine Reichweite von 100 Prozent besitzt. AWG 24 steht in der Regel für Cat.5e-Kabel und ist die weltweit am meisten verbreitete Kabelinfrastruktur. AWG 22 entspricht der Cat.7A- oder Cat.8.2-Verkabelung. Der äußere Leiterdurchmesser beträgt 0,645 mm und der DC-LR 108,70 Ω/km.

Die Reichweite beim AWG 22 liegt um 60 Prozent höher als beim AWG 24. Der dickste Leiter hat folglich die höchste Reichweite. Größere Leiterdurchmesser verbessern die PoE-Reichweite quadratisch. Der Vergleich von Cat.7A S/FPT mit Cat.6A U/FTP und Cat.5e in Tabelle 3 zeigt, dass die Leistung zwischen Power Supply Equipment (PSE)und Powered Device (PD) bei Cat.7A am wenigsten abnimmt.

Beim Cat.7A S/FTP-Kabel kommt bei 720 mA pro Paar gemäß der neuesten Norm IEEE 803.3bt insgesamt 4,4 Prozent mehr Leistung am Leistungsempfänger (PD) an als beim Cat.6A U/FTP, gegenüber Cat.5e U/UTP sogar 5,5 Prozent.

Die Verlustleistung ist insgesamt am geringsten, wenn der Leiterdurchmesser am größten ist. Das bestätigt Bild 3: Cat.7A hat im Vergleich zu Cat.6A U/FTP eine um 58 Prozent geringere Verlustleistung, gegenüber Cat.5e U/UTP sind es sogar 71 Prozent. Daraus lässt sich ableiten, dass dickere Leiter die geringere Verlustleistung zwischen PD und PSE haben und Kabel mit großen Leiterdurchmessern mehr Energie einsparen.