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(Quelle: Jakub Krechowicz/Shutterstock.com)

Die Idee von Power-over-Ethernet (PoE) entstand als Reaktion auf den wachsenden Bedarf an schneller, kostengünstiger Netzwerkkommunikation zwischen strombetriebenen Geräten (PD). Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) entwickelte Sicherheitsstandards zur Unterstützung der Geräte, die sich eine Netzwerkverbindung teilen. Seit 2003 hat das IEEE mehrere Versionen dieser Standards ratifiziert und unterstützt. Für die langsamere Übertragung von 10 Base-T bei 10 Mbps und 100 Base TX bei 100 Mbps werden nur zwei der vier Twisted-Pair-Leitungen der CAT5-Verkabelung für die Signalübertragung verwendet, so dass die anderen beiden Twisted-Pair-Leitungen für die Stromversorgung des Endgeräts verwendet werden können (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Diagramm „Datenübertragung über zwei Leitungspaare" zeigt eine Stromversorgung über zwei Leitungspaare. Die Stromversorgung erfolgt nur über das rote Paar, während alle vier Paare Daten übertragen können. (Quelle: Microchip)

Varianten-Standards verwenden die typischerweise nicht verwendeten Adern (Variante B) für Strom und Masse. Zugleich führt die Variante A das Signal über Strom, wie z. B. die -48 Volt, die bei der Phantomspannungsversorgung von Audio-Kondensatormikrofonen verwendet werden. Durch diese clevere Technik wird auf jedem Twisted Pair eine Spannungsdifferenz erzeugt. Auf diese Weise kann die Leistung entnommen werden, ohne die Signale zu stören, die zu jedem Spannungspotential eine Differenz aufweisen.

4PPoE, ein weiterer Übertragungsstandard, nutzt alle vier Twisted Pairs für die Stromversorgung und ermöglicht damit höhere Leistungen, nicht nur für die Elektronik, sondern auch für motorisierte Kameras, Notlichtquellen, Lüftungsaktoren, Relais und Pumpen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das Diagramm Datenübertragung über vier Leitungspaare zeigt eine vierpaarige Verbindung, bei der die Stromversorgung über alle 8 Adern erfolgt. (Quelle: Microchip)

Interessanterweise ist PoE nicht die erste Netzwerktechnologie mit Stromversorgung. Vor Jahrzehnten wurden bei RS-232-basierten Netzwerken 4-Draht-RJ-11-Verkabelungen verwendet, um Senden/Empfangen und gleichgerichteten Wechselstrom über große Entfernungen zu ermöglichen. Der gleichgerichtete Wechselstrom wirkte wie Wechselstrom, damit er nicht durch die Kabelimpedanz begrenzt wurde, und alle hatten eine gemeinsame Erdungsreferenz für die NRZ-Signalübertragung (Non-Return-to-Zero).

Warum Kabel?

Angesichts von Wi-Fi^®, Bluetooth^®, Zigbee, Ultrabreitband (UWB) und so vielen anderen verfügbaren drahtlosen Protokollen, die sich bereits bewährt haben, stellt sich die Frage, warum jemand überhaupt eine kabelgebundene Verbindung verwenden sollte. In erster Linie hat nicht jeder abgelegene Ort, der gesteuert oder überwacht werden muss, eine Stromversorgung. Integrierte Sensoren und Aktoren in einem Gebäude können sich in Kriechkellern, auf Dachböden, in Lüftungsschächten und sogar an Orten befinden, wo Menschen keinen Zugang haben. Eine eigenständige, mit Strom versorgte und verkabelte Verbindung kann die einzige Lösung sein. Ebenso kann es vorkommen, dass kritische Systeme, wie z. B. die Notbeleuchtung, die Hauptstromversorgung verlieren, aber immer noch mit PoE-Strom betrieben werden können. Dies ist besonders wichtig in einer Notfallsituation, wie z. B. in Wolkenkratzern, wo die Beleuchtung in Fluchttreppenhäusern aufrechterhalten werden muss. Eine kabelgebundene Verbindung ist wesentlich schwieriger zu unterbrechen, während drahtlose Verbindungen leichter gestört werden können. Dies ist eine wichtige Überlegung bei jedem Sicherheitssystem.

Der neueste Standard ist IEEE 802.3bt

Anfang 2003 konnte der 802.3af-Standard 15,4 W liefern, was für eingebettete, tief integrierte und verteilte Sensorsysteme eine ausreichende Leistung darstellt. Kameras, IP-Telefone und Access Points für WLAN machten sich dies ebenfalls zunutze. Der IEE 802.at-Standard von 2009 erlaubte bis zu 30 W pro Kabelstrecke und öffnete damit die Tür für potenziell stromintensivere Anwendungen wie Bedienterminals und Low-Level-Beleuchtung. Auch laute Ton- und Sirenensysteme waren nun machbar. 

Der neueste IEEE 802.bt-Standard wurde 2018 ratifiziert und erhöht die Leistung auf 60 W für Geräte der 802.3bt-Typ-3-Klasse und 90 W für Geräte der 802.3bt-Typ-4-Klasse. Das ermöglicht nicht nur die Stromversorgung von Single-Port-Endpunkten, sondern auch Remote-Multi-Port-Implementierungen, von denen jeder einzelne eine Leistung liefern kann, die sich bis zu den 90 W des Multi-Port-Switches summieren kann. Dadurch können auch Magnetventile, Motoren und andere elektromechanische Funktionen, wie z. B. die Notöffnung von Türen oder die Verriegelung von Cockpitsystemen, realisiert werden.

802.bt PoE und USB-3C

Schnittstellen zwischen PoE und USB-3C werden mit den neuesten PoE- und USB-Standards immer beliebter. Dadurch könnten Laptops, Tablets und anspruchsvollere Benutzeroberflächen an ein kabelgebundenes Netzwerk angeschlossen werden, das eine Stromversorgung zum Aufladen sowie eine Datenverbindung bereitstellt.

Da steckt mehr dahinter, als man denkt. Verbindungen von kabelgebundenen PoE-Ports zu USB-3C-Ports könnten die Architektur des Datenflusses verändern, sogar in Häusern und Wohnungen. WLAN ist zwar einfach, aber je mehr Personen und Geräte um die gleiche Bandbreite konkurrieren, desto mehr kann es zu Zeitverzögerungen und Leistungseinbußen kommen. Nimmt man Bandbreitenfresser wie Streaming-TV aus dem WLAN-Bereich heraus, kann die tatsächlich nutzbare Leistung in stark frequentierten Bereichen wie Mehrfamilienhäusern deutlich verbessert werden. Mit kabelgebundenen USB-3C-Anschlüssen haben Handheld-Geräte, feste Endgeräte, wie die Benutzeroberfläche von A/V-Verteilern im ganzen Haus, Cloud- und IoT-Geräte mehr Zugang zu Ladeanschlüssen.

In vielen Gebäuden ist bereits eine Ethernet-Verkabelung vorhanden, inklusive Switches und sogar Router. Die Nutzung dieser Internet- und Cloud-Konnektivität sowie des Backbones für die Umgestaltung des Datenflusses und die Weiterverwendung von Altsystemen ist wichtig für die Nutzung von Standardfunktionen und die Einschränkung der Wahlmöglichkeiten für jemanden, der proprietäre Erweiterungen der Standards verwendet. Sofern sich ein Gerät an die aktuellen Standards hält und sofern neue Geräte die Abwärtskompatibilität mit Altsystemen bewahren, können Datenfluss und Leistung im Netzwerk optimiert werden.

 Microchip mPoE-Produktspektrum

Die Multi-Power-over-Ethernet-Technologie (mPoE) von Microchip versorgt kabelgebundene Netzwerkgeräte nahtlos und effizient mit Strom und ist damit die ideale Lösung für Ethernet-basierte Anwendungen. Durch den Einsatz eines einzigartigen Algorithmus ermöglicht mPoE die Abwärtskompatibilität mit Geräten, die bereits dem Standard entsprechen, und unterstützt alle IEEE^® PoE-Standards. Microchip mPoE ist eine hervorragende Lösung für klassische Netzwerkgeräte wie IP-Telefone, WLAN-Access Points (WAPs), IP-Überwachungskameras und 5G Small Cells, LoRa^®-Gateways, LED-Leuchten, Zugangskontrollterminals und andere IoT-Geräte.

Die Entwicklung flexibler, skalierbarer und zuverlässiger, zukunftssicherer Netzwerke, die dem betrieblichen Wachstum gerecht werden, ist von entscheidender Bedeutung. Mit der Einführung der neuesten Generation der PoE-Technologie für die Übertragung von Daten und Strom über ein einziges Ethernet-Kabel stehen Unternehmen vor der Herausforderung, standardmäßige Geräte mit Stromversorgung neben neuen IEEE 802.3bt-konformen Geräten in einer einzigen Ethernet-Infrastruktur zu betreiben. Die Power Source Equipment (PSE)-Chipsätze von Microchip mit mPoE ermöglichen es, dass sowohl Pre-Standard- als auch IEEE-konforme Geräte im selben Netzwerk zusammenarbeiten können. Die PoE-Injektoren/Midspans und PoE-Switches nutzen diese einzigartige Technologie und ermöglichen eine schnelle und einfache Implementierung von Microchip mPoE in jedem Netzwerk, ohne dass bestehende Switches oder Verkabelungen geändert werden müssen. Microchip mPoE löst Interoperabilitätsprobleme zwischen verschiedenen PoE-Standards und Legacy-Lösungen und bietet so einen internationalen Standard für die Stromversorgung im Netzwerk.

Microchip mPoE unterstützt folgende Standards gleichermaßen: PoE 1, PoE 2, PoE+, IEEE 802.3af/at/bt, legacy af/at, 12.5K, UPoE, Class 4 60W und PoH. Diese innovative Technologie ermöglicht flexible und schnelle Upgrades des Netzwerkdesigns, um den betrieblichen Anforderungen gerecht zu werden. Microchip mPoE bietet die notwendige Skalierbarkeit und Interoperabilität, um IoT-Netzwerke nicht nur heute, sondern auch in Zukunft zu betreiben.

Produktversionen

Microchip bietet verschiedene Konfigurationen von Single-Port Plug-and-Play PoE 802.3bt Modulen für Original Equipment Manufacturers (OEM) in Mid-Span 60W Anwendungen in japanischen, europäischen und amerikanischen Standards. Der einzelne RJ45-Anschluss unterstützt die Geschwindigkeiten 10/100 und 1G und liefert 60 W. Mit Legacy-Unterstützung und Modellen wie dem outdoor-tauglichen PD-9501GCO IP67 Single-Port PoE Midspan lässt sich die Infrastruktur einfach in neue und bestehende Strukturen einbinden und unterstützt so diese erweiterten Funktionen und Vorteile. Multi-Port-Lösungen sind ebenfalls serienmäßig verfügbar. Geräte wie die PDS-408G PoE Switches sind 8-Port-PoE-BT-Switches mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1G und einer Leistung von bis zu 480 W.

Entwickler können mit den Microchip-Controllern integrierte Ethernet-, USB- und Mixed-Signal-Geräte konzipieren und sogar Erfahrungen mit früheren Ethernet-Designs nutzen, um die PoE-Vorteile von PoE-Power-Switch-Bausteinen wie den PD69208 Ethernet ICs (Abbildung 3) zu nutzen. Development Kits wie die PD70xx & PD-Imxx PoE Development Tools bieten Entwicklern, die noch nicht mit dieser Technologie vertraut sind, einen schnellen, kostengünstigen und risikoarmen Weg zum Testen, Evaluieren und Entwickeln mit dieser Technologie. Diese und andere Lösungen sind ab sofort auf Mouser.com verfügbar, ebenso wie Tutorials, Anwendungshinweise, Blogs, Videos und andere nützliche Informationen.

Abbildung 3: Das Integrieren von PoE zur Einhaltung der 802.3bt-Spezifikationen wird durch die Verwendung von Power-Switch-Teilen und Isolierung vereinfacht. (Quelle: Microchip)

Fazit

Kabelgebundenes Ethernet bietet sichere, zuverlässige Verbindungen für eine zunehmende Anzahl von Geräten, die eine Stromversorgung benötigen. Seit der Verabschiedung des ersten PoE-Standards im Jahr 2003 hat die PoE-Nutzung massiv zugenommen und ist in neue Anwendungsbereiche vorgedrungen. Der wichtigste limitierende Faktor, der die PoE-Nutzung in neuen Anwendungen beeinträchtigt, ist die verfügbare Leistung. Zwar reichen 15,4 W an der Stromquelle für die meisten IP-Telefone und 802.11a/b/g-Access Points aus, doch die Nachfrage nach einer noch höheren Leistung zur Unterstützung zusätzlicher Geräte wie PTZ-Sicherheitskameras, Kioskterminals, POS-Terminals, Thin Clients, 802.11ac- und 802.11ax-Access Points, Small Cells und angeschlossene LED-Beleuchtung kann damit nicht befriedigt werden. Die neueste Generation des Standards, IEEE 802.3bt, ermöglicht die Bereitstellung von 90 W über vier Paare CAT5e-Kabel und mehr.

Die mPoE-Technologie von Microchip versorgt jedes kabelgebundene Netzwerkgerät nahtlos und effizient mit Strom und nutzt dabei einen einzigartig entwickelten Algorithmus. Diese Technologie bietet Abwärtskompatibilität mit älteren Geräten und unterstützt gleichzeitig alle IEEE PoE Standards. mPoE unterstützt PoE 1, PoE 2, PoE+, IEEE 802.3af/at/bt, legacy af/at, 12.5K, UPoE, Class 4 60W und PoH Standards gleichermaßen. Diese vielseitige Technologie ermöglicht flexible und schnelle Upgrades des Netzwerkdesigns, um den sich ständig ändernden betrieblichen Anforderungen gerecht zu werden.