Magnetische Komponenten für Power over Ethernet (PoE)

Was ist Power over Ethernet?

Power over Ethernet (PoE) ist ein Verfahren zur Stromversorgung entfernter Endgeräte (Powered Devices, PDs) über verdrillte Ethernet-Kabelpaare mit einer Länge von bis zu 100 Metern. Typische Einsatzbereiche sind das Internet der Dinge (IoT), die Gebäudeautomation und die industrielle Beleuchtung. Zu den versorgten Endgeräten gehören IP-Sicherheitskameras, WLAN- und Bluetooth-Zugangspunkte, Netzwerkrouter und Repeater, VoIP-Telefone, Ladesysteme für PDAs sowie LED-Beleuchtung und deren Steuerungen. PoE macht die Installation separater Netzspannungsanschlüsse überflüssig, wodurch Zeit, Kosten und Installationsaufwand reduziert werden. Gleichzeitig ermöglicht es die zentrale Stromversorgung, Verwaltung und Steuerung zahlreicher Geräte.

PoE arbeitet im Niederspannungsbereich der Telekommunikation – in der Regel zwischen 36 und 57 V, bei einigen Anwendungen bis zu 73 V – und nutzt üblicherweise Ethernet-Kabel der Kategorie 5 (Cat 5). Dadurch bietet PoE im Vergleich zu herkömmlichen Netzspannungen von 110/220 V einen deutlichen Sicherheitsvorteil.

Was ist der PoE-Standard?

Die Anforderungen an Power over Ethernet (PoE) wurden von der IEEE 802.3 Working Group als Bestandteil des Ethernet-Standards IEEE 802.3 definiert. Die für PoE relevanten Abschnitte legen die physikalischen Anforderungen und Protokolle für verschiedene Datenübertragungsraten sowie unterschiedliche Leistungsstufen über Ethernet-Kabel fest. Die Ethernet-Datenraten haben sich von 10/100BASE-T mit 10 bzw. 100 Mbit/s bis hin zu 1000BASE-T Gigabit Ethernet (GigE) mit Datenraten im Gigabit-Bereich entwickelt.

Im Laufe der Zeit wurden neue IEEE-802.3-Versionen veröffentlicht, um den steigenden Marktanforderungen nach höheren Leistungen für versorgte Endgeräte gerecht zu werden. Die folgende Übersicht zeigt die maximal am Powered Device (PD) verfügbare Leistung der jeweiligen Standards:

• IEEE 802.3af-2003: bis zu 12,95 W
• IEEE 802.3at-2009: bis zu 25,5 W (2 Adernpaare, mittlere Leistung)
• IEEE 802.3at-2009: bis zu 51 W (4 Adernpaare, hohe Leistung)
• IEEE 802.3bt Draft 2.0: bis zu 71 W (auch als 4PPoE bezeichnet)

Magnetische Bauteile für Power over Ethernet (PoE)

• Power Sourcing Equipment (PSE): Geräte, die über das Ethernet-Kabel Energie an ein Powered Device liefern. Hierzu gehören beispielsweise Endspan-Geräte wie Ethernet-Switches oder Ethernet-Hubs.
• Powered Device (PD): Das Endgerät, das vom Power Sourcing Equipment (PSE) mit Strom versorgt wird.
• Midspan-Geräte: Geräte, die zwischen einem nicht PoE-fähigen Switch und einem PoE-fähigen Powered Device installiert werden.

Welche Leistung steht bei PoE zur Verfügung?

Die maximal vom Power Sourcing Equipment (PSE) bereitgestellte Leistung hat sich von 15,40 W gemäß IEEE 802.3af auf bis zu 100 W gemäß IEEE 802.3bt erhöht.

Der aktuelle IEEE 802.3bt-Standard definiert acht Leistungsklassen, welche die Leistungsgrenzen der Powered Devices beschreiben. Diese reichen von 3,84 W für Klasse 1 bis 71,3 W für Klasse 8. Nicht standardisierte PoE-Geräte können Endgeräte mit Leistungen von bis zu 90 W versorgen.

Welche Vorteile bietet PoE?

Power over Ethernet bietet zahlreiche Vorteile, darunter:

• Kein externes Steckernetzteil erforderlich
• Deutlich reduzierte Installationskosten
• Hohe Flexibilität bei der Installation
• Powered Devices können problemlos überall dort installiert oder versetzt werden, wo ein LAN-Kabel vorhanden ist, wodurch Arbeitsabläufe kaum beeinträchtigt werden.
• Die Überwachung und Steuerung der versorgten Geräte erfolgt über dieselbe Netzwerkmanagement-Infrastruktur wie die Datenübertragung.
• Geräte können aus der Ferne abgeschaltet oder zurückgesetzt werden – ein entscheidender Vorteil für Industrie- und Gebäudeautomatisierung.

Wie wird die Stromversorgung über Ethernet-Kabel bereitgestellt?

Es gibt drei Möglichkeiten, elektrische Leistung über PoE bereitzustellen:

• Über die Datenpaare
• Über die freien Adernpaare
• Über ein Midspan-Gerät (für ältere bzw. bestehende Systeme)

Wie werden magnetische Komponenten in PoE eingesetzt?

Im Signalpfad werden 1:1-Transformatoren mit Mittelanzapfung zur Einspeisung des Stroms eingesetzt, während Gleichtaktdrosseln elektromagnetische Störungen (EMI) unterdrücken. Die Signalpfad-Trenntransformatoren für Sende- und Empfangspfad sind im Coilcraft HPX2126L in einem einzigen Bauteil integriert. Ebenso sind die Gleichtaktdrosseln für Sende- und Empfangspfad im Coilcraft HPF2187L in einem einzigen Gehäuse zusammengefasst.

Das folgende Schaltbild zeigt die typischen Anschlüsse der Signalpfad-Magnetik für PoE:

Paare dieser Komponenten können auch eingesetzt werden, um höhere beziehungsweise doppelte Leistungsstufen zu realisieren.

Die Coilcraft ETH1-230L (802.3at) und ETH1-460L (802.3at) PoE-Magnetikbausteine integrieren Signalpfad-Transformatoren und Gleichtaktdrosseln in einem einzigen Gehäuse und ermöglichen dadurch besonders kompakte Designs für Anwendungen mit Leistungen bis zu 120 W.

Für Power Sourcing Equipment (PSE) oder Midspan-Geräte stehen standardisierte magnetische Komponenten zur Verfügung, die galvanische Trennung, Spannungswandlung und Stromeinspeisung bereitstellen. Am Powered Device (PD) ist zwingend ein Transformator erforderlich, um die funktionale Isolation sicherzustellen. Die funktionale Isolierung gewährleistet eine Isolationsspannung von mindestens 1500 Vrms zwischen Primär- und Sekundärwicklung des Transformators. Coilcraft bietet zahlreiche standardisierte Leistungstransformatoren für Powered Devices an, die galvanische Trennung sowie standardisierte Ausgangsspannungen für unterschiedlichste Leistungsanforderungen bereitstellen.

Welche PoE-Magnetik stellt Coilcraft her?

Coilcraft bietet vorkonstruierte, standardmäßig verfügbare Magnetikkomponenten für sämtliche PoE-Gerätetypen an, darunter Signalpfad-Magnetik, Power Sourcing Equipment (PSE), Midspan-Geräte sowie Powered Devices (PD). Das Produktspektrum deckt Leistungsbereiche von 3 W bis 150 W ab.

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