Single-Pair-Power-over-Ethernet eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten
Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von DigiKey
2024-06-26
Power-Over-Ethernet (PoE) ist schon seit Jahren für die Bereitstellung von Leistung über Ethernet-Kabel verfügbar, aber seine Attraktivität wurde durch eine Entfernungsbegrenzung von 100 Metern oder weniger eingeschränkt. Mit Single-Pair-Power-over-Ethernet (SPoE), einer IEEE-genormten Technologie, die die Übertragung von Strom und Daten über große Entfernungen mit einer einzigen verdrillten Zweidrahtleitung innerhalb eines Ethernet-Kabels ermöglicht, gibt es jetzt eine neue Möglichkeit für innovative Anwendungen.
Ethernet ist ein etabliertes und weit verbreitetes Verfahren für die Datenkommunikation zwischen Geräten. Es verwendet vier Paare verdrillter Kupferdrähte zur Übertragung von Datensignalen, wobei jedes Paar eine Richtung des Datenflusses überträgt. Geräte, die Ethernet verwenden, benötigen in der Regel auch eine separate Stromversorgung, was die Kosten für Verkabelung und Installation erhöht.
Power-over-Ethernet (PoE) wurde als Erweiterung des Ethernet-Standards entwickelt und ermöglicht es Geräten, sowohl Daten als auch Strom über dasselbe Kabel zu empfangen, indem zwei Adernpaare für die Datenübertragung und die anderen beiden für die Stromversorgung der Geräte verwendet werden.
PoE kann eine Leistung von bis zu 90 W über eine maximale Entfernung von bis zu 100 m liefern. Das hat PoE-Anwendungen wie IP-Kameras, drahtlose Zugangspunkte, VoIP-Telefone und intelligente Beleuchtungssysteme hervorgebracht, die über ein einziges Kabel bereitgestellt und mit Strom versorgt werden können. Neben der Entfernungsbeschränkung gibt es jedoch noch weitere Herausforderungen für PoE, wie z. B. der Bedarf an sperrigen und teuren Steckern und Kabeln, die hohe Ströme und Spannungen verarbeiten können, Leistungsverluste und Wärmeabgabe.
Einführung von SPoE
Durch die Verwendung von nur einem Adernpaar zur Übertragung von Daten und Strom kann SPoE Datenraten von bis zu 1 Gbit/s erreichen und bis zu 52 W Strom über Kabellängen von bis zu 1 km liefern (Abbildung 1). Dabei werden kleinere und kostengünstige Stecker und Kabel verwendet, die mit den vorhandenen RJ45-Buchsen kompatibel sind.
Abbildung 1: Ein SPoE-System zur Übertragung von bis zu 52 W Leistung. (Bildquelle: Analog Devices)
Aufgrund der geringeren Kosten und der einfacheren Implementierung eignet sich SPoE für eine Vielzahl von Anwendungen in Industrie-, Automobil-, Gebäudeautomatisierungs- und IoT-Umgebungen, in denen die Installation einer neuen Verkabelung oder die ausschließliche Verwendung von Wireless LANs entweder nicht praktikabel oder kostspielig ist, oder beides. Es bietet umfassende Systemtelemetrie zur Überwachung des Zustands der Energieübertragung, zur Fehlererkennung und zum Überspannungsschutz.
In einem industriellen Umfeld kann SPoE Sensoren und Steuergeräte über große Entfernungen hinweg mit Strom versorgen, ohne dass lokale Stromquellen hinzugefügt werden müssen, was die Netzwerkinfrastruktur vereinfacht, die Installationskosten senkt und eine zentrale Energieverwaltung ermöglicht. Es kann zur Stromversorgung über die vorhandene Ethernet-Verkabelung verwendet werden, was das Hinzufügen von SPoE-Switches und -Endpunkten zu einem schnellen und relativ einfachen Prozess macht.
SPoE ist Teil des IEEE802.3-Standards - IEEE802.3cg für 10-Mbit/s-Ethernet über eine einzelne verdrillte Zweidrahtleitung (10Base-T1L) - und stellt eine Erweiterung des IEEE802.3bu-Standards (Power over Data Lines, PoDL) dar. PoDL wird in Systemen bis zu 40 m und mit 12, 24 oder 48 Volt eingesetzt; SPoE arbeitet mit einer Spannung von 24 V oder 55 V bis zu 1000 m.
SPoE ist ideal für Anwendungen, die eine niedrige bis mittlere Leistung und hohe Datenraten über große Entfernungen benötigen, was für PoE nicht machbar oder wirtschaftlich ist.
Mögliche Anwendungen für SPoE sind:
- Betriebstechnische Systeme, bei denen zuverlässige Kommunikation und Stromversorgung für die Prozesssteuerung und -automatisierung entscheidend sind
- Gebäude- und Fabrikautomationssysteme, die Umwelt- und Maschinenparameter überwachen und steuern können
- Feldinstrumente, wie Sensoren und Aktoren, die flexibler und kostengünstiger eingesetzt werden können
- Sicherheitssysteme, z. B. für Zugangskontrolle und Überwachung, bei denen SPoE leichter skalierbar ist
- Verkehrsmanagementsysteme, die einen konstanten Betrieb und Vernetzung erfordern
- Stromversorgung und Verwaltung von IoT-Geräten am Netzwerkrand
- Fernspeisung für digitale Beschilderung und Außenbeleuchtung
Überlegungen zum SPoE-Design
SPoE nutzt die „Phantom Power“-Technik, um das Stromsignal über das Datensignal auf demselben Adernpaar zu legen, was komplexe Steuerungen an jedem Ende des Kabels erfordert, um die Strom- und Datensignale zu trennen und zu regulieren. Die Anwendungen müssen auch die Leistungsverluste und die Wärmeabgabe entlang des Kabels berücksichtigen, die die Leistung und Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigen können.
Ein PSE-Controller (Power Sourcing Equipment) sorgt für ein ausgeklügeltes Energiemanagement und eine Umwandlung, die eine sichere, stabile und effiziente Energieversorgung gewährleistet. Er funktioniert in Kombination mit PD-Controllern (Powered Device), die Energie über das 2-Draht-Kabel empfangen.
PSE-Controller, die für mehrere Kanäle ausgelegt sind, können verschiedene entfernte Geräte, wie z. B. Sensoren, mit Strom versorgen. Der LTC4296-1 (Abbildung 2) von Analog Devices, Inc. (ADI) ist beispielsweise ein 5-Port-SPOE-Controller, der bis zu fünf Lasten über fünf Leitungen mit einer Länge von jeweils bis zu 1000 m mit Energie versorgen kann. Der LTC4296-1 liefert Leistung mithilfe von externen N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors, MOSFETs) mit niedrigem Drain-Source-Betriebswiderstand (RDS(ON)), die den Spannungsabfall minimieren und die Robustheit der Anwendung gewährleisten.
Abbildung 2: ADIs 5-Port-PSE-Controller LTC4296-1 (PSE: Power Sourcing Equipment) (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)
Der LTC4296-1 ist eine vielseitige SPoE- und PSE-Lösung für 10BASE-T1L-Controller und -Switches und lässt sich problemlos in ADIs 10BASE-T1L-Transceiver-Portfolio integrieren, z.B. in den 2-Port-Baustein ADIN2111CCPZ-R7, der einen Switch, zwei Ethernet-PHY-Kerne (Physical Layer) mit MAC-Schnittstelle und zugehörigen Analogschaltungen, eine Schaltung zur Überwachung der Spannungsversorgung und eine POR-Schaltung (Power-on-Reset) enthält. Der Transceiver bietet über eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI) eine direkte Verbindung mit einer Vielzahl von Controllern.
Der LTC9111RDE#PBF ist einer von mehreren PD-Controllern von ADI, die einen Betriebsbereich von 2,3 V bis 60 V mit Polaritätskorrektur bieten (Abbildung 3). Der Controller verwaltet die Klassifizierung und Überwachung der Leitungsübertragung und steuert zwei externe n-Kanal-MOSFET-Schalter während der Klassifizierung im Mikropower-Betrieb, um den Bedarf an Speicherkondensatoren zu minimieren. Ein externer N-Kanal-MOSFET-Schalter isoliert die Ausgangskapazität vom Steckverbinder während der Klassifizierung und des Einschaltvorgangs.
Abbildung 3: Ein SPoE-PSE-Controller LTC4296-1 eignet sich für die Ansteuerung von bis zu fünf Kanälen, hier in Verbindung mit den PD-Controllern LTC9111. (Bildquelle: Analog Devices)
Die Controller der Serie LTC9111 senden eine gültige Wake-up-Signatur an das PSE, um die Stromversorgung anzufordern. IEEE802.3cg-konforme PSE- und PD-Controller führen den Klassifizierungsschritt unter Verwendung des Serial Communication Classification Protocol durch; die PSE stellt sicher, dass das PD kompatibel ist, und fährt, falls dies der Fall ist, mit der Rampenschaltung der Portspannung fort. Benötigt das betriebene elektrische Gerät eine andere Spannung als 24 V oder 55 V, wird ein zusätzlicher DC/DC-Wandler eingesetzt.
ADI bietet auch das Evaluierungskit EVAL-SPoE-KIT-AZ zur Evaluierung von 10BASE-T1L-Daten und SPoE-Strom über ein einzelnes Twisted-Pair-Ethernet-Kabel (SPE) an. Das Kit enthält den PSE-Controller LTC4296-1 und den PD LTC9111 für die Evaluierung der SPoE-Leistung gemäß IEEE802.3cg Klasse 10 bis 15 und einen 10BASE-T1L-Transceiver für die Datenübertragung im System.
Implementierung von SPoE-Anwendungen
Bei der Produktentwicklung müssen das Leistungsbudget und die Effizienz der SPoE-Lösungen optimiert werden und dabei Parameter wie Kabellänge, -durchmesser, -widerstand, -temperatur und -umgebung berücksichtigt werden.
Das Gleichgewicht zwischen Stromversorgung und Datenübertragung über eine einzige verdrillte Zweidrahtleitung stellt eine Herausforderung dar, z. B. die Sicherstellung einer ausreichenden Stromversorgung für entfernte Geräte bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Datenintegrität über potenziell große Entfernungen.
Die Stromversorgung über lange Kabel mit 24 VDC, wie sie in vielen OT-Anwendungen üblich ist, ist aufgrund des Kabelwiderstands mit erheblichen Verlusten verbunden. SPoE ist in der Norm IEEE 802.3cg für den Betrieb mit einer Spannung von 24 V oder 55 V spezifiziert, so dass die Vorteile einer erhöhten Stromversorgungseffizienz nahe der maximalen Schutzkleinspannung (SELV) von 60 V genutzt werden können.
Fazit
SPoE ist eine sich verbreitende Technologie, die die gleichzeitige Übertragung von Daten und Strom über ein einziges verdrilltes Kabelpaar in Ethernet-Kabeln ermöglicht. Dadurch lassen sich die Kosten, die Komplexität und die Umweltauswirkungen von Netzinfrastrukturen verringern, und die Flexibilität, Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit der angeschlossenen Geräte wird erhöht. ADIs Portfolio an IEEE 802.3cg-kompatiblen PSE- und PD-Controllern kann das Design und die Implementierung von SPoE-Anwendungen mit hoher Effizienz und geringem Rauschen vereinfachen und ist damit ideal für Industrie-, Automobil- und Smart-Building-Systeme, die eine robuste und zuverlässige Vernetzung erfordern.

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