Ačkoli napájení spotřebičů prostřednictvím signálových spojů je věc dávno známá z prvních telefonních přístrojů, v případě datových spojů trvala standardizace nebývale dlouho. Počítačový svět tuto možnost znovu oživil s příchodem rozhraní USB a FireWire. Poněkud paradoxně však nebyla v případě standardu 802.3af hnací silou průmyslová automatizace, u níž by se tlak na vytvoření standardu umožňujícího napájení koncových zařízení připojených k ethernetu zdál být účelnější, ale vzešel z potřeb internetové telefonie (Voice Over Internet Protocol - VoIP ) pro napájení koncových stanic.

Příklady použití PoE:

• IP telefonie;
• web kamery;
• PDA, notebooky;
• AP pro WLAN;
• embedded PC, ethernetová zařízení a jejich periférie;
• ovládání elektromechanických ventilů přes LAN;
• vzdálené snímače a čidla;
• průmyslová a domácí automatizace;
• prodejní pokladny;
• zabezpečovací a monitorovací systémy;
• napájení převodníků linek apod.

Výhody využití PoE

• napájení koncových zařízení stejným kabelem jako datový přenos;
• využití stávající kabeláže CAT5 pro přenos dat i napájecího napětí;
• maximální výkon jednoho portu až 15,4W, typicky 13W;
• stejnosměrné napájecí napětí v rozmezí 44 – 57V.

Kroucené páry ethernetových vodičů CAT-5 sice nejsou ideálním přenosovým médiem pro dopravu velkých výkonů od zdroje ke spotřebiči díky velkému ohmickému odporu tenkých vodičů a přechodovým odporům konektorů RJ-45, avšak při použití vyššího napětí, kdy se tyto vlivy uplatňují méně, může být dle standardu 802.3af přenášen výkon až téměř 15,4W. Tedy dostatečný pro většinu IP telefonů, které mají spotřebu mezi 3 až 5,5W, ale rovněž pro webové kamery a přístupové body bezdrátových sítí (AP WLAN), jejichž odběr se pohybuje mezi 6 až 10W. Stejně tak to bude stačit i pro většinu embedded PC a Ethernetových zařízení, jejichž příkon se pohybuje kolem 10W. Díky PoE je možná jejich snadná instalace i na těžko přístupná místa bez potřeby zajištění externího napájení a současně jsou zajištěna proti výpadku napájení díky UPS .

802.3af

Základní vlastnosti:

• napětí 44 – 57 V;
• maximální proud 550 mA;
• maximální zapínací proud 500 mA;
• typický proud 10 – 350 mA;
• detekce přetížení 350 – 500 mA;
• odběr v klidovém stavu maximálně 5 mA.

Napájení koncových stanic přes ethernet se potýkalo se dvěma problémy. Jedním je potřeba zachování možnosti používání starších síťových prvků a druhým dodržení standardu kabeláže současného 1000Mb ethernetu využívajících všech 8 žil (4 páry) vodiče CAT5. Norma proto specifikuje použití PoE na stávající kabeláži kategorie 5, a to v rámci 10, 100 i 1000Mbitového ethernetu.

Pro přenos napájecího napětí jsou využívány přímo vodiče určené pro datové signály, což je dáno samotným provedením fyzické vrstvy ethernetu. V ethernetu jsou signály přenášeny pomocí kroucených párů, které jsou připojeny na signálové transformátory v zařízeních na obou koncích vodiče. Tyto transformátory mají na své vnitřní straně vyvedeny středy vinutí, které jsou podle původní specifikace ethernetu spojeny přes oddělovací transformátory se zemí zařízení. Pokud však tento střed vinutí připojíme na jinou stejnosměrnou úroveň, nestane se nic jiného, než že datový signál na výstupu ze zařízení bude mít vůči zemi jinou stejnosměrnou hodnotu, neboť na druhém konci vodiče se nachází týž transformátor. A protože pro datový přenos je vždy zapotřebí dvou párů vodičů, máme zde k dispozici také dva oddělené středy vinutí, které lze využít pro přenos obou polarit stejnosměrného napájecího napětí.

Vzhledem k tomu, že napájení přes ethernet je realizováno dvěma galvanicky oddělenými transformátory, nedochází zde ani k nežádoucímu stejnosměrnému sycení jádra transformátoru.

IEEE802.3 specifikuje tři varianty napájení po datovém vedení:

• Napájení po datových signálech z aktivních prvků – jsou využívány dva páry vodičů a napájení je připojeno na středy vinutí oddělovacích transformátorů.
• Napájení po volných vodičích z aktivních prvků – kladné i záporné napětí je přenášeno po dvou nevyužívaných párech vodičů, kde jsou vodiče páru vzájemně spojeny v obou koncových zařízeních. Toto zapojení nelze využít v gigabitových sítích využívajících všech 4 párů pro datový přenos.
• Napájení z vloženého zařízení (jednoportový injektor) – napáječ je vložen do přenosové cesty. Aktivní prvek je spojen s napáječem, který doplní napájecí napětí a znovu vyvede všechny vodiče na výstupní konektor.

Na straně spotřebiče se pak ze středů vinutí odebírá napájecí napětí přes usměrňovací můstky, které zajišťují správnou polaritu napětí i v případech, kdy je k propojení použit křížený propojovací kabel (ten je sice určen výhradně ke spojení PC-PC, avšak díky schopnosti mnohých aktivních prvků přepínání režimů činnosti je používán i pro propojení PC-HUB nebo PC-SWITCH).

Pro snížení vlivu úbytků napětí na vedení je možné napájet koncové zařízení po všech čtyřech párech, avšak pro zachování kompatibility je třeba dodržet párování vodičů. Stávající trend prodávaných zařízení s podporou standardu PoE preferuje variantu napájení po nevyužívaných párech, které umožňuje v 10 a 100Mb sítích zachovat větší izolační pevnost (dle 802.3 1500V).

Napájecí zdroj pro PoE (injector)

IEEE802.3af rovněž určuje detekci koncového zařízení a jeho chování z pohledu napájení. Sledován je nejen dodávaný výkon (resp. odběr proudu), ale rovněž špičkový odběr proudu při zapnutí koncového zařízení, klidový odběr a rychlost reakce proudových ochran.

Zdroj pro PoE proto musí kromě vlastní funkce napájení koncového zařízení rovněž zajistit funkce ochrany proti zkratu a nadměrnému odběru proudu. Pro tento účel je definováno pět výkonových tříd lišících se maximálním povoleným příkonem na jeden port. Každý spotřebič připojený ke zdroji se pomocí definice SNMP identifikuje svojí výkonovou třídou, podle které zdroj aktivuje své proudové ochrany. V současnosti je jako výchozí definována Class 0 s maximálním výkonem 15,4 W, zatímco ostatní s výkony 4 W, 7 W a 15,4 W jsou volitelné. Pátá třída byla ponechána nevyužita pro budoucí potřeby. Uvedeným výkonům pak odpovídá rozsah povolené proudové spotřeby.

Napájecí část spotřebiče (splitter)

IEEE802.3af definuje též činnost obvodů na straně spotřebiče, které by se dle specifikace měly zdroji identifikovat tak, aby ten mohl nastavit proudové ochrany. Vzhledem k výchozí výkonové třídě Class0 s maximálním příkonem 15,4 W lze předpokládat, že spotřebiče budou vybaveny téměř výhradně samostatným zdrojem, tj. měničem napájecího napětí na požadovanou hodnotu pro cílové zařízení, a identifikace zařízení bude využívána pouze jako ochrana složitějších zařízení, zatímco v jednodušších případech se spíše uplatní nadproudové ochrany na straně spotřebiče.

Jediným vážnějším problémem použití PoE ve stávajících sítích je kombinace, při které je k aktivnímu síťovému prvku vybavenému napájecím zdrojem pro PoE připojeno koncové zařízení neodpovídající normě IEEE802.3af. Kupříkladu středy transformátorů jsou přes kondenzátory připojeny na společnou zem a při zapnutí se takovýto obvod může chovat jako stejnosměrný zkrat. Odpovídá-li napájecí zdroj specifikaci, nic se neděje, protože zdroj napájení portu odpojí, přesto IEEE802.3af předepisuje zapojení rezistorů 75 ohm do série s oddělovacími kondenzátory. Přesto lze zakoupit i „jednoportový splitter“, tedy krabičku, do níž je z jedné stany připojena linka PoE a na druhé se nacházejí konektory s odděleným datovým signálem (ethernet) a napájením.

Závěr

Přestože byl standard IEEE802.3af vytvořen především pro potřeby IP telefonie, a neobsahuje tedy mnoho prvků známých z průmyslové automatizace, je pravděpodobné, že do tohoto odvětví již brzy pronikne. Ačkoli norma specifikuje napájecí napětí v rozmezí 44 – 57 V, nejpravděpodobněji bude napájení realizováno standardizovaným napětím 48 V. Přestože je maximální přenášený výkon normou specifikován na 15,4 W na jeden port, díky tenkým vodičům, které jsou pro napájení použity, a velkým přechodovým odporům v konektorech je reálná hodnota spíše 13 W, avšak i to bude pro většinu aplikací dostačující. Pro orientaci : při napětí 48 V na vedení a po konverzi na 5 V ve spotřebiči získá uživatel proud cca 2,5 A (při účinnosti měniče 90%), a to vše při zachování kompatibility se stávajícími systémy a možností použití na ethernetových sítích 10BASE-T, 100BASE-TX i 1000BASE-T.

Na závěr je třeba připomenout, že i když je Power over Ethernet relativně nová technologie, různá zařízení, která ji podporují, jsou již běžně dostupná na trhu. Své produkty podporující PoE již běžně nabízejí firmy, jako je Cisco, 3com, Nortel Networks, PowerDsine a mnoho dalších. Jednou z bariér většího rozšíření Power over LAN je ale zatím cena. Proto i PowerDsine přiznává, že k masovějšímu rozšíření této technologie dojde až tehdy, jakmile cena bude maximálně o čtvrtinu vyšší než u běžného přepínače.
 

DOWNLOAD & Odkazy

• IEEE Std 802.3af - http://www.ieee802.org/3/af/
• http://poweroverethernet.com
• http://ethernet.industrial-networking.com
• Application Note PowerDsine Ltd. 116, 119, 120, 123, 125, 126