IT-Verkabelung für Power over Ethernet
Die gleichzeitige Versorgung von informationstechnischen Endgeräten mit Daten und Strom über symmetrische Kupfer-Verkabelungen kennt einen hohen und steigenden Verbreitungsgrad.
Dabei hat die internationale Standardisierung von „Power over Ethernet“ (PoE) der Doppelnutzung von Kupfer-Verkabelungen für den Transport von Daten und Strom zum Durchbruch verholfen.
Die Vorteile dieser Technologie sind einleuchtend. Mit PoE lässt sich die Energieversorgung zentral steuern und mit den Services für die Datenübertragung kombinieren. Die Notwendigkeit für eine zusätzliche Niederspanungsversorgung entfällt. Konnten 4-paarige Daten-Verkabelungen IT-Endgeräte bislang mit bis zu 72 W (4PPoE) versorgen, so halten mittlerweile ein-paarige Daten-Verkabelungen Einzug in die Versorgungslandschaft von IT-Objekten. Mit der Technologie „Single Pair Power over Ethernet“ (SPoE) wird dem Energiebedarf des „Internet of Things“ Rechnung getragen.
Die vorliegende Broschüre gibt Hilfestellungen für Design und Planung von informationstechnischen Verkabelungen, welche Betriebsmittel zur Fernspeisung z.B. mit PoE nutzen.
Vorteile und Nutzen
Power over Ethernet kennt zahlreiche Vorteile aus denen sich verwertbarer Nutzen für IT-Betreiber ziehen lässt.
Die wichtigsten Fürsprecher:
- Einsparung (Material- und Installationskosten) der 230V Energieversorgung (Kabel und Steckdose)
- Umfassende Management- und Überwachungsmöglichkeiten (SNMP)
- Senkung der Energiekosten durch bedarfsgerechtes Routen der Energie und Abschalten ungenutzter Ports
- Ausfallsicherheit durch Einsatz von zentralen unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV)
- Weltweit gesicherte Kompatibilität durch internationale Standardisierung
- Personenschutz dank Verwendung von Kleinspannungen und Gleichstrom
Funktionsweise
Das Funktionsprinzip von PoE basiert auf der Übertragung von Strom zwischen dem Energieversorger (PSE, Power Source Equipment) und dem Verbraucher (PD, Powered Device).
Die Energie wird entweder über die ungenutzten Daten-Paare geliefert oder als Signalüberlagerung über die genutzten Daten-Paare (Phantomschaltung).
„PSE´s“ unterscheiden sich in „Endspans“ (Ethernet Switches mit PoE-Funktion), welche sich durch geringen Platzbedarf und einfaches Management auszeichnen und „Midspans“ (PoE-Injektor zwischen Switch und Endgerät), welcheeine flexible bzw. bedarfsorientierte Nachrüstung erlauben.
Prinzip-Schaltbild für PoE-Übertragung
(Quelle: IEEE 802.3)
Beim Anschluss eines Endgerätes sorgt eine Startsequenz für die Erkennung PoE-fähiger Geräte, so dass ungeeignete Geräte geschützt werden.
Hierbei legt der Energieversorger zunächst einen nur minimalen Strom auf die Adern, mit dem sich im Normalfall kein Gerät beschädigen lässt. Dabei erkennt er, ob der Energieverbrauchter PoE-fähig ist und bekommt dann erst die zulässige Leistung
PoE Standards im Vergleich
4-paarige symmetrische Verkabelung
Mit IEEE 802.3af erschien im Jahre 2003 der erste PoE-Standard. Damit konnten IT-Geräte erstmalig über eine informationstechnische Verkabelung gleichzeitig mit Strom und Daten versorgt werden. Seitdem wurden die verfügbaren Leistungen im Rahmen der technologischen Weiterentwicklung für IT-Geräte stetig erhöht. Aktueller Stand der Technik bietet IEEE 802.3bt (2018) mit einer nutzbaren Leistung von 72 W!
Das technische Modell der PoE-Übertragung basiert auf der Festlegung eines max. Schleifenwiderstandes von 25 Ohm für die Verkabelungsstrecke. Dieser Wert ist der Spezifikation für den max. Schleifenwiderstand von Verkabelungsstrecken der Klassen D, E, EA, F und FA nach ISO/IEC 11801 und EN 50173 entnommen. Der max. Schleifenwiderstand von 25 Ohm/100m ergibt sich annäherungsweise aus einem AWG 24/1-Kupferleiter (0,51 mm). Bei Verwendung von größeren Kupfer-leiter-Durchmessern kann die Reichweite erhöht werden.
ein-paarige symmetrische Verkabelungen
In Analogie zu 4-paarigen symmetrischen Verkabelungen ist „Single Pair Ethernet“ (SPE) ebenfalls mit der Möglichkeit der gleichzeitigen Übertragung von Daten und Strom ausgestattet. In IEEE 802.3bu (2016) wird dies noch mit „Power over Data Line“ (PoDL) beschrieben. Mittlerweile hat man sich bei IEEE auf eine konsistentere Bezeichnung und zwar auf „Single Pair Power over Ethernet“ (SPoE) verständigt.
In IEEE 802.3cg (2019) wird mit Klasse 15 eine Variante spezifiziert, welche auf der Basis eines max. Schleifenwiderstandes von 9,5 Ohm bis zu 52 W als nutzbare Leistung am Verbraucher bereitstellen kann. Dies bedingt typischerweise einen AWG 18/1-Kupferleiter (1,02 mm).
Anwendungen
Es existieren zahlreiche Anwendungen für „Power over Ethernet“.
Die voran-schreitende Digitalisierung in Verbindung mit dem steigenden Bewusstsein für Nachhaltigkeit eröffnet stetig neue Anwendungsfelder. Das größte Potential liegt wohl im Bereich des intelligenten Gebäudemanagements und bei Smart-Lighting-Lösungen.
IT-Geräte auf, die typischerweise mittels PoE mit Energie versorgt werden
Anforderungen an die IT-Verkabelung, Datenkabel und Steckverbinder
IT- Verkabelung
Betriebsmittel zur Ferneinspeisung von Geräten, die informationstechnische Verkabelungen nutzen, müssen DIN IEC EN 62368-3 “Sicherheitsaspekte für Gleichstrom-Leistungsübertragung über Kommunikationskabel- und Anschlüsse“ entsprechen.
Die Problemstellungen in Zusammenhang mit der Stromversorgung über informationstechnische Verkabelungen sind:
a) mit globaler Auswirkung:
die Zunahme der Dämpfung aufgrund der höheren Temperatur der installierten Kabel, die, sofern sie nicht durch eine Kürzung der installierten Kabellängen ausgeglichen wird, negative Auswirkungen auf das Verhältnis von Dämpfung zu Nebensprechen der Übertragungsstrecke hat und damit zu einer höheren Bitfehlerrate des Systems führen kann;
b) mit lokaler Auswirkung:
höhere Betriebstemperatur der Kabel, insbesondere wenn dabei die zugelassene Betriebstemperatur überschritten wird;
Schäden an den Kontakten der Verbindungstechnik, durch Herstellen und Trennen der Verbindung bei fließendem Versorgungsstrom
In Verbindung mit EN TR 50174-99-1 und ISO/IEC TS 29125 geben EN 50174-2 und ISO/IEC 14763-2 Hilfestellung bei der Planung und Bewertung der Verkabelung, der Kabel und Verbindungstechnik in Bezug auf die Auswirkungen wärmebedingter und elektrischer Effekte durch Fernspeisung.
Datenkabel
Wird eine Kommunikationskabelanlage nach den Normen der Reihe DIN EN 50173 bzw. ISO/IEC 11801 dazu verwendet, die daran angeschlossenen Endgeräte per Fernspeisung (z.B. Power over Ethernet) mit Strom zu versorgen, ist die damit verbundene Erwärmung der Datenkabel zu berücksichtigen.
Die Erwärmung der Datenkabel ist von folgenden Faktoren abhängig:
Strombelastung
Kabelkonstruktion
Anzahl gebündelter Kabel
Installationsbedingungen
Da die europäischen und internationalen Datenkabel-Normen eine dauerhafte Betriebstemperatur von max. 60°C vorsehen, hat man sich im Falle einer Stromversorgung über Datenkabel auf eine Umgebungstemperatur von max. 50°C verständigt und lässt damit eine Temperaturerhöhung von max. 10°C zu.
Eine Reduktion der Datenkabel-Erwärmung wird erreicht:
durch Verwendung von Datenkabeln mit größerem Leiterquerschnitt, dies wird in der Regel durch den Einsatz höherer Kategorien erreicht. Datenkabel der Kategorie 7A haben typischerweise eine um 50% geringere Temperatur-erhöhung im Vergleich zu Datenkabel der Kategorie 5.
durch Verwendung von geschirmten Datenkabeln. Der metallische Schirm sorgt für eine verbesserte Wärmeableitung.
durch Reduzierung der Anzahl Kabel im Bündel bzw. Installationskanal
durch Verbesserung der Luftzirkulation in der Installationsumgebung
In der folgenden Grafik ist der angenäherte Temperaturanstieg von handelsüblichen Datenkabeln in Abhängigkeit der Strombelastung aufgezeigt. Für die Berechnung wurde ein Bündel mit 37 Datenkabeln zugrunde gelegt, welches sich in einer Installationsumgebung mit freier Luftzirkulation (belüftet) bzw. in einer isolierten Installationsumgebung (gedämmt) befindet. Dabei weist das ausgewählte Datenkabel der Bauart S/FTP bei einer Strombelastung von 500 mA je Leiter eine Temperaturerhöhung von < 5°C bei belüfteter und <15°C bei gedämmter Verlegung auf. Dagegen beträgt die Temperaturerhöhung bei dem Datenkabel der Bauart U/UTP <10°C bei belüfteter und <30°C bei gedämmter Verlegung.
(Quelle: DIN EN 50174-2 Beiblatt 1)
Steckverbinder
Durch Trennung der Steckverbindung unter elektrischer Last kann die damit verbundene Entstehung von Lichtbögen bzw. Funken zu Beschädigungen der Kontakte führen. Bei häufigen Unterbrechungen unter Last führt dies zum sogenannten Kontaktbrand. Die Beeinträchtigungen sind dann irreversibel und können sogar den Ausfall der Kontakte bewirken.
Abhilfe kann ein Port-Power-Management schaffen, welches die Spannung- bzw. die Stromversorgung abschaltet bevor Steckverbindungen getrennt oder PoE-Endgeräte vom Netz gelöst werden. Allerdings kann ein beabsichtigtes oder unbeabsichtigtes Ziehen des Steckers unter Last nicht verlässlich verhindert werden. Aus diesem Grunde sollte eine Steckverbinder-Technik verwendet werden, bei der versetzte Kontakt- und Trennzonen existieren. Damit wird der Verschleiß in der Trennzone zwar nicht verhindert, aber der Betriebskontakt bleibt unversehrt.
Bei der Qualifizierung nach IEC 60512-99-001 bzw. IEC 60512-99-002 werden die Steckverbindungen einer begrenzten Anzahl von Steckzyklen unter Last unterworfen. Dabei darf die Abweichung des Übergangswiderstandes des Kontaktes den vorgegebenen Wert nicht überschreiten.
Produktprogramm und Empfehlungen ZVK
Bei IT-Verkabelungen mit Fernspeisung bzw. Power over Ethernet empfiehlt ZVK den Einsatz:
- von Kupferdatenkabeln mit einem Leiterquerschnitt von AWG 22/1 (0,64 mm), beispielsweise das EasyLan® Datenkabel Gold S/FTP, AWG22/1, Kat. 7A.
Datenkabel mit einem größeren Leiterquerschnitt verfügen über einen geringeren Gleichstromwiderstand und eine geringere Dämpfung. Damit weisen sie einerseits eine geringere Erwärmung bzw. Verlustleistung und andererseits einen geringeren Spannungsabfall bzw. eine größere Übertragungsstreckenlänge auf.
- von Steckverbindern mit versetzten Kontakt- und Trennzonen, beispielsweise EasyLan fixLink® RJ45 Keystone Cat.6A.
Bei Bedarf und auf Anfrage berät ZVK bei der Planung und Installation von IT-Verkabelungen mit PoE-Funktion
ZVK ermittelt dabei die Erwärmung der Datenkabel in Abhängigkeit der Datenkabelkonstruktion, der Anzahl Datenkabel im Bündel, der Strombelastung und der Installationsbedingungen.
Des Weiteren wird die potentielle Reduktion der Übertragungsstreckenlänge in Abhängigkeit der Kabelkonstruktion bzw. des Leiterquerschnitts und der Temperaturerhöhung berechnet.
Kalkulationstool zur Ermittlung der Temperaturerhöhung
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Erläuterung zum Kalkulationstool zur Ermittlung der Temperaturerhöhung
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