Strom aus dem Netzwerk
Energieversorgung mit Power over Ethernet
Um Ressourcen und Kosten zu reduzieren, bietet sich für bestimmte Einsatzbereiche eine praktische Stromversorgung via Power over Ethernet an. Dabei gilt es allerdings, einige grundlegende technische Voraussetzungen zu berücksichtigen sowie die passende Kabelqualität auszuwählen.
In einem Unternehmensnetzwerk benötigt nicht jedes netzwerkfähige Gerät eine Spannung von 230 Volt. Mit Power over Ethernet (PoE) lassen sich kompatible Geräte wie VoIP-Telefone oder aktive Netzwerkkomponenten direkt über das Netzwerkkabel mit Strom versorgen. Somit muss keine dedizierte Stromleitung bis in den entlegensten Winkel des Betriebsgeländes führen, nur um beispielsweise Energie für eine Überwachungskamera bereitzustellen.
Aufbau und Funktionsweise
Bei Power over Ethernet findet die Stromübertragung im gleichen Kabel wie die Netzwerkdaten statt. Die Versorgung erfolgt dabei entweder durch einen PoE-Switch (Endspan) oder über einen zwischengeschalteten PoE-Injektor (Midspan). Die Stromeinspeisung kann über die sogenannte Phantomspeisung ablaufen, bei der die datenführenden Adernpaare des Netzwerkkabels den Strom übertragen. Dabei überlagert der zu übertragende Strom die Netzwerkdaten. Eine andere Variante stellt das Spare-Pairs-Verfahren dar, das bei 10Base-T und 100Base-T die beiden jeweils ungenutzten Adernpaare (4/5 und 7/8) zur Stromübertragung verwendet.
PoE-Standards
Stand 2019 gibt es drei Versionen der PoE-Spezifikation: Die „IEEE 802.3af“-Norm (PoE) verwendet ausschließlich die Übertragungsstandards 10Base-T und 100Base-TX. Der Standard stellt theoretisch eine maximale Speiseleistung von bis zu 15,4 Watt pro Switch-Port bei einer Spannung zwischen mindestens 44 bis maximal 57 Volt sowie einer Stromstärke von 350 Milliampere bereit. Wenn eine Kabelstrecke von 100 Metern zugrunde liegt, bleibt in der Praxis noch eine maximale Entnahmeleistung von circa 12,95 Watt übrig. Bei Energieeinspeisung durch Phantomspeisung erfolgen Strom- und Datentransfer über die Adernpaare 1/2 sowie 3/6. Kommt dagegen das Spare-Pairs-Verfahren zum Einsatz, läuft der Datenverkehr über die Adern 1/2 und 3/6 ab, während der Strom durch die ungenutzten Adern 4/5 sowie 7/8 fließt. Für Power over Ethernet nach IEEE 802.3af sollte mindestens ein Kabel vom Typ Cat. 3 in Verwendung sein.
Um die Zahl der durch PoE mit Energie versorgten Geräte zu erhöhen und den Leistungsanforderungen der Geräte gerecht werden zu können, wie beispielsweise bei Kameraheizungen oder Reichweiten von Access Points, erfolgte beim Nachfolger IEEE 802.3at (PoE+) eine Anhebung der maximalen Speiseleistung auf 25,5 Watt pro Switch-Port. Nach Abzug der im praktischen Einsatz auftretenden Verluste verbleiben davon noch zirka 21,9 Watt als maximale Entnahmeleistung. Zudem beträgt die minimal anliegende Spannung im Vergleich zum Vorgänger nun 50 Volt und die Stromstärke 600 Milliampere. PoE nach IEEE 802.3at-Norm eignet sich auch für 1000Base-T, wobei zu beachten ist, dass bei Gigabit Ethernet die Verwendung des Spare-Pairs-Verfahren nicht erfolgen kann, da auf allen zur Verfügung stehenden Adernpaaren eine Datenübertragung stattfindet. Voraussetzung für den Betrieb von PoE+ ist ein Kabel nach Kategorie-5-Standard.
Mit der aktuellen Iteration des PoE-Standards IEEE 802.3bt (4PPoE/PoE++) erreichte die Leistung einen weiteren deutlichen Anstieg auf bis zu 100 Watt. Dabei erfolgt eine Unterteilung in vier Typen.
Nachdem bei vorherigen Versionen immer nur zwei Adernpaare für die Stromversorgung in Gebrauch waren, kommen bei 4PPoE abgesehen von Typ 1 nun alle vier Adernpaare zum Einsatz. Dementsprechend findet für die Energieeinspeisung auch ausschließlich das Verfahren der Phantomspeisung Verwendung.
PoE im Praxiseinsatz
Die Anwendungsbereiche für Power over Ethernet sind vielfältig. So verwenden viele Banken die Technik beispielsweise für ihre Geldautomaten. Mit einem typischen Leistungsbedarf von zirka 45 Watt eignet sich 4PPoE dafür hervorragend. Auch in der Gebäudetechnik kann der Einsatz von Power over Ethernet bei der Energieversorgung der Zugangskontrolle oder auch bei der Steuerung von Belüftungsklappen sinnvoll sein. Heutzutage spielt in Gebäuden und industriellen Prozessen überdies die Kommunikation zwischen Steuerungen und Sensoren eine wichtige Rolle – auch deren Energieversorgung lässt sich dank der leis- tungsfähigen vierpaarigen Fernspeisung realisieren. In Büroumgebungen ist selbst die komplette Stromversorgung eines Arbeitsplatzes, bestehend aus VoIP-Telefon und Thin-Client-Rechner, mittels 4PPoE denkbar. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind Info-Displays an Bahnhöfen und Flughäfen oder auch sparsame Elektromotoren im Industrieumfeld. Zu beachten ist in jedem Fall, dass auf einem Netzwerkkabel nur eine Spannung geschaltet sein sollte, wenn die angeschlossenen Geräte auch sicher PoE-tauglich sind. Bei Verwendung von passivem PoE sind andernfalls irreversible Schäden die mögliche Folge. Bei Einsatz von aktivem PoE prüfen diese Geräte vorher, ob sie untereinander kompatibel sind.
Vorteile von PoE
In vielen Fällen lässt sich durch den Einsatz von Power over Ethernet eine separate Stromleitung einsparen. Das Verlegen eines dedizierten Stromkabels zu einer im entlegensten Winkel des Betriebsgeländes installierten Überwachungskamera ist nicht notwendig. Zudem werden durch die zentralisierte Energieversorgung über das Netzwerk viele externe Netzteile, wie zum Beispiel bei IP-Telefonen, überflüssig.
Dass mit PoE auch eine Kosteneinsparung erfolgen kann, veranschaulicht das folgende Beispiel: Bei der Installation von fünf IP-Überwachungskameras ergibt sich bereits eine Ersparnis von 500 Euro. Zwar sind die IP-Kameras mit PoE etwa doppelt so teuer wie die konventionelle Version, dafür entfallen die Kosten für Stromanschlüsse. Darüber hinaus verringert sich die benötigte Arbeitszeit um rund 50 Prozent, was sich schließlich in einem Einsparpotenzial von 500 Euro zugunsten der PoE-Lösung niederschlägt.
Das Problem der Erwärmung
Da die Verlegung von Netzwerkkabeln gewöhnlich nicht einzeln, sondern in Bündeln erfolgt, ist ein Anstieg der Kabeltemperatur bei Nutzung von PoE ein nicht zu unterschätzender Faktor. Dabei gilt der Grundsatz: Je höher die Stromübertragung, desto höher fällt auch die Erwärmung aus. Zusätzlich weisen erwärmte Kabel eine höhere Dämpfung auf, die sich negativ auf die Signalübertragung auswirkt. Dabei kommt dem Querschnitt des Kabelleiters eine wichtige Bedeutung zu, da er unter anderem den Gleichstromwiderstand beeinflusst. Bei zunehmender elektrischer Leistung in Abhängigkeit vom Strom sorgt dieser Leitungswiderstand für eine Verlustleistung – umgewandelt in Wärme.
ISO/IEC 11801
Die ISO/IEC 11801 definiert für eine Verkabelungsstrecke (Permanent Link) einen maximalen DC-Schleifenwiderstand (= 2x Leitungswiderstand) von 21 Ohm. Deshalb sind bereits bei der Planung der Gebäudeverkabelung Vorgaben hinsichtlich eines geeigneten Leiterdurchmessers erforderlich. So erwärmt sich eine im Bündel verlegte Leitung bei einem Leiterquerschnitt von 0,4 Millimetern (AWG 26) deutlich stärker als ein Kabel mit einem 0,63-Millimeter-Leiter (AWG 22).
Ebenfalls nicht zu vernachlässigen ist neben dem Leiterquerschnitt auch der Aufbau des Kabels. Ein einfaches Unshielded-Twisted-Pair-Kabel (UTP) ohne zusätzliche Abschirmung erwärmt sich dabei deutlich stärker als ein Shielded-Twisted-Pair-Kabel (STP). Das Metall in der Abschirmung führt die Abwärme im Vergleich zu einem UTP-Kabel effektiver ab, was letztlich eine verringerte Temperatur im Kabel bewirkt. Darüber hinaus beeinflusst die Art, wie das Kabel verlegt ist, die thermische Belastung. Als vorteilhaft haben sich offene oder halboffene Kabelkanäle erwiesen. Geschlossene Kanäle sowie Rohre eignen sich hingegen weniger. Neben den Kabeln selbst ist die in Spannungsquellen auftretende Verlustwärme nicht zu vernachlässigen. Gerade bei der Versorgung mehrerer Geräte summiert sich die Abwärme, beipielsweise bei Midspan-Hub-Einsatz im Datenschrank.
Fazit
Power over Ethernet bietet großes Potenzial, um beispielsweise das Internet of Things zu fördern. Zwar wird der PoE-Standard die konventionelle Stromverkabelung auch auf absehbare Zeit nicht verdrängen, eine effiziente Ergänzung stellt er aber bereits jetzt dar. Durch die Weiterentwicklung von Power over Ethernet hin zum leistungsfähigen 4PPoE sind die denkbaren Anwendungsmöglichkeiten gestiegen. So kann das Netzwerkkabel von Überwachungskameras bis hin zum kompletten Büroarbeitsplatz eine stabile Stromversorgung gewährleisten. Eine konsequente Nutzung von PoE macht so eine Vielzahl von zusätzlichen Netzteilen überflüssig, und außerdem lässt sich die Verkabelung in Gebäuden deutlich vereinfachen. Das Problem der entstehenden Abwärme sollte dabei nicht in den Hintergrund treten. Im Idealfall bietet es sich an, bereits während der Planungsphase wirksame Vorkehrungen für einen stabilen Betrieb zu treffen. Dabei spielt die Wahl qualitativ hochwertiger Patch-Kabel mit ausreichendem Adernquerschnitt eine wichtige Rolle.
An dieser Stelle führt Sparen am falschen Ende zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis. Power over Ethernet bietet also sicher einige Vorteile, kann aber bedingt durch das Übertragungsmedium Kupfer nicht in allen Punkten mit LWL oder WLAN mithalten. Wo die Rahmenbedingungen passen, ist es jedoch durchaus eine sehr gute Alternative und kann die Vorteile dieses Standards voll ausspielen.
Norbert Möller fungiert im Projekt-Management Vertrieb bei EFB-Elektronik,
www.efb-elektronik.de.
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