Power over Ethernet (PoE): Strom aus dem Netzwerk

Zwei Fliegen mit einer Klappe

28. Januar 2020, 07:00 Uhr   |  Zoran Borcic

Zwei Fliegen mit einer Klappe

PoE schreitet weiter voran. Laut Studien hat sich die Zahl der PoE-fähigen Ports innerhalb der letzten fünf Jahre verdreifacht. Netzwerkkabel, die immer mehr Stromleistung übertragen können, begünstigen den Trend.

Analysten prophezeien PoE ein hohes Wachstum. Nach einem aktuellen Bericht von Grand View Research wächst der Markt der globalen PoE-Chipsätze bis 2025 auf 1,22 Milliarden Dollar, was im Prognosezeitraum einer durchschnittlichen Wachstumsrate von 12,6 Prozent entspricht. Dell?Oro bestätigt den Trend. Das Analystenhaus rechnet bis 2020 mit der Implementierung von über 750 Millionen PoE-fähigen PSE-Switch-Ports.

Ursprünglich dazu entwickelt, klassische Telefone mit Strom zu versorgen, gewinnt PoE auch in anderen Bereichen zunehmend an Bedeutung. Das 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 lassen sie sich unabhängig vom Stromnetz mit Energie versorgen. 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 und Hubs. Die meisten Geräte auf dem Markt verfügen mittlerweile über Ethernet-Switches. Damit 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 sehr 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 sich außerdem Energie- und Kosteneinsparungen ergeben.

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Die Struktur der PoE-Varianten.

PoE-Standards: Aller guten Dinge sind drei

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 erfolgt die Spannungsversorgung über alle Adernpaare, über die auch die Datenübertragung erfolgt. Das heißt, die Spannung ist auf 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 der Begriff Remote Powering die Runde machen. Die Normierungsgruppe rund um PoE hat diesen neuen Begriff vor Kurzem eingeführt. Die Tabelle unten gibt einen Überblick. Elektriker und Planer finden darin alle Details für eine erfolgreiche PoE-Installation.

Nach den Standards IEEE 802.3af aus dem Jahr 2003 und IEEE 802.3at aus dem Jahr 2009 verabschiedete die IEEE im dritten Quartal 2018 den Standard IEEE 802.3bt. Der jüngste, auch 4-Pair-PoE genannte Standard nutzt alle Adern des Netzwerkkabels für die Energieübertragung. Maximal erzielbare Leistungen liegen zwischen 72 und 90 Watt. Dank der hohen übertragbaren Leistungen lassen sich auch größere Endgeräte beispielsweise IP-TV-Geräte in Full HD oder Thin Clients über das Datenkabel mit Energie versorgen. Auch die 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.

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Die PoE-Reichweite ist auf den Gleichstrom-Schleifenwiderstand (DC-LR) zurückzuführen.

Einfluss von PoE auf die Verkabelung

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. Im Allgmeinen gilt: Je mehr Strom ein Datenkabel überträgt, desto mehr Wärme entsteht dadurch 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 dabei unter anderem 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. Dort ist die Erwärmung höher. Die Norm EN-50174-2 besagt unter dem Punkt 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 Leistung aus. Planung und Ausführung der Installation haben also direkten Einfluss auf die PoE-Fähigkeit eines Kabels.

Höhere Kabeltemperaturen erhöhen Widerstand und Transmissionsdämpfung. Die Folge ist eine Link-Längen-Reduzierung des Kabels. Durch die zusätzliche Dämpfung gelangen Signale möglicherweise nicht mehr richtig oder gar nicht mehr zum Empfänger, 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 entsteht ein Abreißfunken, der die Kontakte zerstören kann. Wie stark die Beschädigung der Komponenten ausfällt, hängt von der Kontaktkonstruktion und Leistungshöhe beim Ausstecken ab.

PoE-Effizienz steigern

Damit die Kabel PoE-funktionsfähig bleiben und höchste übertragungstechnische-Effizienz ensteht, darf die maximale Kabelbetriebstemperatur 60?°C nicht überschreiten. Übersteigt die Temperatur diese Grenze, schwanken die übertragungstechnischen Eigenschaften, und die Kabel erreichen nicht mehr die erwartete Leistung. Der Grund liegt im Aufweichen des Iso­lationsmaterials und dem damit verbundenen Symmetrieverlust. Die Erwärmungsgrenze von 60?°C setzt sich aus den Komponenten 50?°C maximale Um­gebungstemperatur, Verlustleistung und Wärmeableitung zusammen. Daraus ergibt sich die Rechnung: 50?°C max. Umgebungstemperatur + Verlustleistung - Wärmeableitung < 60?°C Erwärmungsgrenze.

Die Gesamterwärmung aus Verlustleistung und Wärmeableitung darf demzufolge 10 °C nicht überschreiten. Um die Obergrenze von 10?°C einzuhalten, gilt es, die Verlustleistung zu reduzieren oder die Wärmeableitung zu steigern. Je mehr dies technisch gelingt, desto größer wird die Effizienzsteigerung bei PoE. Die Höhe der Verlustleistung hängt vom Strom, Widerstand und den eingesetzten PoE-Paaren (zwei oder vier Paare) ab. Einfluss auf die Wärmeableitung haben die Faktoren Bündelgröße, Schirmung und Luftstrom. Die PoE-Reichweite ist auf den Gleichstrom-Schleifenwiderstand (DC-LR) zurückzuführen. Je höher dieser ist, desto mehr verringert sich die Reichweite. Die Tabelle links ist so gewählt, dass das AWG-24-Kabel mit einem DC-LR von 173,86 ?/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 dominierende Kabelinfrastruktur. AWG 22 entspricht der Katagorie-7A- oder Kategorie-8.2-Verkableung. Der äußere Leiterdurchmesser beträgt 0,645 mm und der DC-LR 108,70 ?/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.

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Die Leistung zwischen PSE (Power Supply Equipment) und PD (Powered Device) nimmt bei Kategorie 7A am wenigsten ab.

Der Vergleich von Kategorie 7A S/FPT mit Kategorie 6A U/FTP und Cat.5e zeigt, dass die Leistung zwischen PSE und PD bei Kategorie 7A am wenigsten abnimmt. Beim Kategorie 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 Kategorie 6A U/FTP, gegenüber Cat.5e U/UTP sogar 5,5 Prozent.

Die Verlustleistung ist insgesamt am geringsten, wenn der Leiterdurchmesser am größten ist. Im Detail heißt dies etwa: Kategorie 7A hat gegenüber Kategorie 6A U/FTP eine 58 Prozent geringere Verlustleistung, gegenüber Cat.5e U/UTP sogar 71 Prozent. Daraus lässt sich ableiten, dass dickere Leiter die geringere Verlustleistung zwischen PD und PSE aufweisen und Kabel mit großen Leiterdurchmessern mehr Energie einsparen.

Ein weiterer Faktor für die PoE-Effizienzsteigerung besteht darin, die Erwärmung durch eine hohe Wärmeableitung so gering wie möglich zu halten. Großen Einfluss hat die thermische Isolierung der Kabel. Außerdem sind Leiterdurchmesser und Kabelschirm mit der Temperaturerhöhung stark korreliert. So ist bei einem typischen Cat.5e-U/UTP-Kabel in AWG 24 gegenüber dem Kategorie 7A-AWG-22-Kabel unabhängig von den Stromstärken mit einer bis zu vierfachen Erwärmung des Kabels zu rechnen. Im Vergleich zu AWG 23 weisen AWG-22-Kabel eine 50 Prozent geringere Kabelerwärmung auf.

Neben einem größeren Leiterdurchmesser wirken sich geschirmte Kabel ebenfalls positiv auf die Wärmeableitung aus. Das Metall der Schirmung hilft, die im Inneren entstehende Wärme nach außen abzutransportieren. Nicht allzu große Bündel sowie Luftströme fördern ebenfalls die Wärmeableitung.

Planungsrichtlinien

Die Tabelle links unten (aus der EN 50174-2) veranschaulicht, wie sich Temperaturerhöhungen auf die Übertragungsstrecke auswirkt. Die Gesamtlänge (Channel Length) entspricht der Summe aus installiertem Kabel und Gesamtlänge der Patch-Kabel (Total Length of Cords). Dementsprechend hat ein fest installiertes Kabel bei 20 °C und zehn Metern Total Length of Cords eine installierte Länge von 90 Metern.

Je länger die Patch-Kabel werden, desto mehr verkürzen sich die Gesamtlängen. Patch-Kabel weisen dünnere Adern auf als die Installationskabel, was zu einem größeren Dämpfungseinfluss und eine geringere Übertragungsleistung führt. Um diesen Effekt auszugleichen, müssen Installateure die Gesamtlänge reduzieren.

Mit zunehmender Temperatur von 20?°C auf 60?°C kommt es zu einer Verkürzung der Gesamtlänge um bis zu 20 Prozent. Der Aspekt der Verkürzung der Übertragungsstrecke in Abhängigkeit von der Temperatur ist bei der Planung unbedingt zu berücksichtigen. Diese Tabelle dient Planern, Ingenieuren und Planern als wertvolle Berechnungsgrundlage. Für Long-Reach-Kabel sind die Längen gemäß der Datenblattgrenzwerte zu berechnen.

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Dies ist Tabelle 4 aus der Norm ISO/IEC TR29125 2016: Calculated worst case current per pair versus temperature rise in a 37 cable bundle in air and conduit (all 4 pairs energized).

Viele Testreihen, eine Quintessenz

Untersuchungen im Rahmen der ISO/IEC TR 29125 zeigen, dass der maximale Strom pro Paar in einem Kategorie-7A-37er-Kabelbündel bei der Erwärmungsgrenze von 10?°C am höchsten ist. Dies gilt sowohl für Kabel an freier Luft (1.295 mA) als auch in Kabelkanälen (1.078 mA). Im Fall der Kategorie 6A und Kategorie 7 sind die Werte gleich, weil sie das gleiche AWG-Kabel verwenden.

IEEE 802.3bt definiert für Type-4-/Class-8-Kabel eine maximale Stromstärke pro Paar in Höhe von 860 mA und 720 mA bei Type-4-/Class-7-Kabeln. Die Werte zeigen: Es ist noch Luft nach oben. Kategorie-7A-AWG-22-Ethernet-Kabel bieten heute schon das Potenzial für eine neue Norm, die eine höhere Strombelastung pro Paar festlegt und die PoE-Einbindung von Geräten mit mehr Leistung ermöglicht.

Weitere ISO/IEC-TR-29125-Tests nahmen die Kabelbündelung bei 1.000 mA pro Paar unter die Lupe. Die Frage war, bei welcher Bündelgröße die Cat.5e bis Kategorie-7A-Kabel die Grenze von 10?°C überschreiten. Bei der untersten Kategorie Cat.5e lag die Bündelgröße beim 10-°C-Grenzwert bei 37. Anders beim Kategorie-7A-Kabel. Dieser Kabeltyp kam bei einem 37-Kabelbündel an offener Luft auf 6,0?°C. Erst bei einem Bündel mit 64 Kabeln erreichen Kategorie-7A-Kabel den kritischen Wert von 10?°C.
Letztlich zeigten weitere Versuche, dass Kategorie-7A-Kabel auch beim Messen des Anstiegs der Temperatur bei unterschiedlicher Anzahl angeregter Pärchen in einem 37er-Kabelbündel mit 1.000 mA die besten Ergebnisse erzielten. Bei 148 angeregten Pärchen kamen Kategorie-7A-Kabel sowohl in offenen als auch geschlossenen Kanälen zu den besten Ergebnissen. Die Werte lagen stets unter 10?°C. Auch dort besteht noch Luft nach oben. Erneut bestätigt sich die herausragende PoE-Fähigkeit von Ethernet-Kabeln der Kategorie 7A.

Die Parameter aus den entsprechenden Tabellen der EN 50174-2 und ISO/IEC TR 29125 können Planern als wichtige Berechnungsgrundlage für die Auslegung der Verkabelungsinfrastruktur dienen. Sie geben Antwort auf die Frage, welche Kabel in Abhängigkeit der räumlichen Gegebenheiten eingesetzt werden sollen. Mit den Werten können Planer die notwendige Verkürzung der maximalen Übertragungsstrecken entsprechend des Temperaturanstiegs einfach berechnen.

Zoran Borcic ist Produkt-Manager Kupferkabel, BU Multimedia Solutions bei der Prysmian Group, www.prysmiangroup.de.

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