Power over Ethernet (PoE)

Power over Ethernet (PoE) biedt de mogelijkheid om toestellen, die zijn aangesloten op een computernetwerk, van stroom te voorzien. PoE maakt gebruik van dezelfde netwerkkabel waarover de data wordt gecommuniceerd en wordt toegepast bij IP-camera’s, IP-telefoons en draadloze access points.

Een netwerkkabel (Cat5) heeft 4 getwiste paren of 8 aders. Slechts twee paren worden gebruikt voor de datacommunicatie in een netwerk. PoE gebruikt de vrije paren als stroombanen en kan daarnaast ook de dataparen inzetten of alle paren gebruiken om grotere vermogens te leveren.

Fig 19.1 PoE Cat5 Layout

Begrippen.

Power Source Equipment of PSE is de benaming voor alle stroombronnen.

PoE-Midspan injecteert PoE voeding in de netwerkkabel tussen switch en camera.

PoE-Endspan of PoE-Switch

Powered Device of PD is de benaming voor alle stroom-verbruikers.

PoE-Splitter zet PoE voeding om in 12 VDC

IP-Camera’s.

Fig 19.2 tot 19.7 PD PSE Diagram

De IP Camera ontvangt de PoE voeding

De PoE Midspan voegt PoE-voeding toe aan de datakabel.
De PoE Midspan plaatst men tussen switch en camera.
In het begin, aan het uiteinde of ergens tussenin de netwerkkabel.

De PoE Switch (Endspan) voegt PoE-spanning toe aan het begin van de datakabel.

De PoE splitter neemt de PoE-voeding uit de datakabel en zet deze om naar 12 VDC en voorziet niet-PoE camera’s van stroom te voorzien.

PoE Normen

Sinds de eerste standaard IEEE 802.3af in 2006 is het gebruik van PoE voeding in toepassingen enorm toegenomen.

De belangrijkste beperkende factor voor de inzet van PoE is het vermogen.
Met oorspronkelijk een beschikbaar vermogen van slechts 12,95 W, werden in eerste instantie CCTV camera’s met LED-verlichting aangepast om aan dit beperkte verbruik van te kunnen voldoen.

De vraag om meer vermogen om ook Pan-Tilt-Zoom IP-camera’s te kunnen voeden werd door het Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) in 2009 vertaald in een nieuwe norm 802.3at met een vermogen tot 30 W. In 2018 werd een maximum vermogen van 90 W gehomologeerd in de norm 802.3bt.

Met 90 W vermogen is een maximum bereikt om te voldoen aan de vereisten voor Safety Extra Low Voltage (SELV). Het AREI bepaalt een maximum van 75V DC en 2A bij een draaddikte van 0.5 mm² om aan de ZLVS te voldoen (Zeer Lage Veiligheidspanning).

PoE wordt onderverdeel in vier Types (1 tot 4) en negen Klassen (0 tot 8), met daarbij een PSE vermogen (beschikbaar vermogen en een PSD vermogen (verbruikt vermogen).

Noot : voor de leesbaarheid werden de vermogens afgerond.
Bij Type 1 specifieert men 15,4 W PSE en 12,95 W PSD. Type 4 beschrijft 100 W PSE en 79 W PSD.

De externe voeding die op de PoE switchen worden aangesloten hebben een uitgangsspanning van 48 VDC en 57 VDC.

V_PSE is de uitgangspanning op de netwerkpoort en doorgaans enkele volts lager dan de externe voeding.

Benamingen

De vier types, negen klassen en 8 vermogens worden in publicaties vereenvoudigd naar 3 benamingen : PoE, PoE+ en PoE++ .

High PoE, Ultra High PoE en LTEPoE+ leiden tot begripsverwarring waar enkel het vermogen (bijv. 90W) de preciese omschrijving is.

Buiten de norm.

Naast 90 Watt / 802.3bt PoE ontwikkelen fabrikanten eigen varianten zoals ePoE en pPoE.

pPoE of Passieve PoE vinden we terug in Outdoor WiFi antennes.

Er wordt geen opstartsequentie uitgevoerd en de poortspanning is te laag voor andere Powered Devices.

ePoE of Extended PoE maakt afstanden tot 800 meter mogelijk op een Cat6 kabel.

De datacommunicatiesnelheid wordt verlaagd tot 10 Base-T.

Werking van PoE

Fig 19.8 Four pair PoE !

Een ethernet dataverbindingen bestaat uit vier getwiste koperdraden.

Elk data-uiteinde is verbonden met een transformator om aardlussen te voorkomen.

PoE-systemen profiteren van deze opbouw door spanning aan te leggen tussen de middelste aftakpunten van de datatransformatoren om vermogen van de PSE naar de PD over te dragen zonder de datatransmissie te beïnvloeden.

Om te voorkomen dat verouderde netwerkapparatuur, die geen 57 Volt gelijkspanning verwacht, wordt beschadigd, definieert de PoE-specificatie een protocol dat bepaalt wanneer de PSE de stroom mag inschakelen en uitschakelen.

PD's hebben een specifieke, 25k common-mode, weerstand aan hun ingang. Wanneer een PD op de kabel is aangesloten, detecteert de PSE deze kenmerkende weerstand en schakelt het de stroom in.
Wanneer de PD later wordt losgekoppeld, detecteert de PSE het open circuit en wordt de stroom uitgeschakeld.
De PSE schakelt ook de stroom uit in het geval van een stroomstoring of kortsluiting.

Wanneer een PD wordt gedetecteerd, zoekt de PSE naar een

classificatiehandtekening die de PSE informeert hoeveel stroom de PD zal trekken.

De PSE kan hierdoor de het stroomverbruik bewaken en eventueel een PD af te wijzen als die te veel stroom vraagt.

De classificatie van Type 2 PD’s wordt in een aantal stappen uitgevoerd. Met milli-ampère stroompjes worden de limieten van de PD onderzocht

PoE opstartsequentie

Fig 19.9

Detectie : PSE detecteert of de PD de juiste signatuurweerstand van 19-26,5 kOhm heeft.

Forced Current

A 220-260 µA @ 9V.
B 140-180 µA @ 3.5 V

Forced Voltage

C 7-9 V @ 500 µA

C 3-5 V @ 500 µA

Classificatie : PSE test de weerstand, een indicatie van het vermogensbereik.

Mark 1 : Signaleert 802.3at capaciteit. PD neemt 0,25 tot 4 mA af.

Type 2 : PSU test de 802.3at spanningsklasse opnieuw

Mark 2 : Signaleert 802.3at capaciteit. PD neemt 0,25 tot 4 mA af.

Startup : Opstartspanning

Normale bedrijf : Stroom leveren aan het apparaat.

Fig 19.10

Een Type 2 PD die meer vermogen vraagt dan 13 W en reageert als een Klasse 4 toestel, krijgt eerste een lagere spanning.
Vervolgens wordt een tweede testcyclus gestart die Klasse 4 kan bevestigen.

Reageert het Type 2 toestel zoals een Klasse 0 tot, dan gaat de PSE uit van een Type 1 PD en wordt de tweede testcyclus niet uitgevoerd.

Er bestaat een Ethernet LLDP protocol die de classificatie via de datalijn kan versturen. De PD start op als Type 1 en meldt via het LLDP protocol de noodzaak voor meer vermogen.

Mosfet vermogenscontrole

Fig 19.11

De PoE-chip stuurt een externe MOSFET aan.

Een spanningsregeling aan de Gate regelt beheerst de stroomsterkte tussen Source en Drain.

In extreme gevallen is het mogelijk dat de MOSFET beschadigd raakt.

Een defecte MOSFET kan doorslaan van source naar drain waardoor het lijkt dat de PoE poort aan staat maar dat er geen stroom geleverd wordt.
In dit geval zal de spanning op de SENSE-pin hoog oplopen en schakelt de PoE-chip de poort uit.

Een defecte MOSFET kan ook doorslaan van gate naar drain.
Ook dan zal de Gate-spanning hoog oplopen en kan de PoE-chip de gepaste maatregelen nemen.

PoE Mode A, Mode B, Mode C

Powering Devices kennen 3 modes : Mode A, Mode B en ... 4-pair Mode

Mode B gebruikt de vrije paren 4-5 en 7-8.

Mode A gebruikt de data-paren 1-2 en 3-6.

4-pair Mode gebruikt alle paren.

Fig 19.12 en 19.13

PoE vermogen

De standaard 802.3bt specifieert toestellen met klasse 8 PoE  die een vermogen van 90 W kunnen leveren.

Negentig Watt is niet min om over de fijne draad van Cat5 te geleiden.

Fig 19.14

Vergelijkend met een klassieke gloeilamp van 100 Watt : de 100 Watt gloeilamp verlicht een volledige kamer; de lichtpeer is gloeiend heet; de voedingskabel heeft een sectie van 1,5 mm².
De lichtkring dient volgens het AREI beveiligd te worden met een 10 A zekering of 16 A automaat.

Bij een netspanning van 230 VAC, vloeit er een stroom van 0,43 A door de kring.

De draaddikte de Cat5 kabel is 23 AWG.
Het is een Amerikaanse draaddikte die overeenkomt met een sectie van 0,21 mm².
Dit is 7x minder dan vereist voor een lichtkring.

PoE Klasse 8 gebruikt echter 4 aderparen en geleid het vermogen over een samengestelde sectie van 0,84 mm² (4x 0.21 mm²). Dit is afgerond 2x dunner dan 3G1.5.
Door nu de bedrijfsspanning te verlagen, van 230 VAC naar 52 VDC (4x minder) , is het mogelijk het vermogen van 100 W op een veilige manier te transporteren.

Bij een PoE spanning van 52 VDC, vloeit er een stroom van 1,73 Ampère,

ofwel, verdeeld over de 4 aders, 0,43 A per ader.

Deze berekening gaat uit van een schakeling zonder kabelweerstand.

Bij lage spanning, zoals gebruikt in PoE, speelt de kabelweerstand wel een grote rol.

PoE power budget

De PoE switch wordt gekenmerkt door een PoE budget.

Het is een totaalbudget, te verdelen over alle poorten van de netwerkswitch.

Of het is een budget met een maximum PoE vermogen per poort.

Of het PoE budget is volgens de PoE Klasse.

Een PoE budget van 60 W vertaald zich in 4 camera’s Klasse 0.

Verbruiken de camera’s slechts 7 W, dan denken we wel tot acht camera’s te kunnen aansluiten. In werkelijkheid krijgt de vijfde camera al geen voeding meer.

PoE Kabellengte

De netwerkinfrastructuur beperkt de kabellengte tot maximaal 100 meter.

De beperking tot 100 meter is ingegeven door latency (tijdvertraging) in de heen en weer communicatie van het TCP/IP protocol. Antwoorden die te lang op zich laten wachten kunnen worden geweigerd in de toepassing.

Veel hangt af van de conditie van de netwerkkabel. Honderd meter is rekbaar in lege kabelgoten.

Honder meter is gegarandeerd met een in een wachtbuis ingegraven netwerkkabel. Loopt de wachtbuis onder water dan dempt het signaal.

Een PoE extender laat toe om het PoE signaal te verlengen. Sommige fabrikanten laten cascadeschakeling toe. Er zijn echter geen mirakels en elke extender neemt een deel van het vermogen op, en reduceert het beschikbaar vermogen.