technical bulletin PoE Power over Ethernet auf dem Vormarsch Datenkabel der Kategorie 7 A (ver)tragen höhere Stromlasten

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1 technical bulletin Data communication technology 10/2014 PoE Business Unit Infrastructure & Datacom LEONI Kerpen GmbH Zweifaller Straße Stolberg Deutschland Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) Power over Ethernet auf dem Vormarsch Datenkabel der Kategorie 7 A (ver)tragen höhere Stromlasten infrastructure-datacom@leoni.com Verfasser: Strategic market development and standardisation Technische Änderungen behalten wir uns vor. LEONI Kerpen GmbH LEONI technical bulletin 10/2014 1

2 In diesem Bulletin lesen Sie: Technischer Hintergrund Technischer Hintergrund Vorteile & Nutzen Welche Anwendungen werden unterstützt? Was gibt es bei der Verkabelung zu beachten? a) Die Erwärmung der Datenkabel b) Kontaktabbrand Zertifizierte Sicherheit Fazit & Ausblick Power over Ethernet Der Standard IEEE 802.3af (PoE) erlaubt die Energieversorgung von Ethernet-Geräten mit einer Leistung von 15 W über die Datenverkabelung. Dabei beträgt die zulässige Stromstärke 175 ma je Leiter (350 ma je Paar). Bei IEEE 802.3at (PoE+) beträgt die Leistung sogar 30 W. Die zulässige Stromstärke liegt hier bei 300 ma je Leiter (600 ma je Paar). PoE PoE+ Standard IEEE 802.3af-2003 IEEE802.3af-2009 Nutzbare Leistung am Verbraucher 13 W 25 W Ausgangsleistung des Energieversorgers 15 W 30 W Spannung am Verbraucher V 42,5-57 W Spannung am Energieversorger V V Max. Stromaufnahme je Paar 350 ma 600 ma Die Doppelnutzung von Kupferverkabelungen für die gleichzeitige Versorgung von informationstechnischen Endgeräten mit Daten und Energie erfreut sich wachsender Beliebtheit. Immer mehr Anwender setzen auf die dafür vorgesehene Technik Power over Ethernet kurz PoE. Der Vorteil liegt klar auf der Hand: Abb. 1 : PoE und PoE+ im Vergleich Es wird jeweils ein stromführender Kreis (ein Paar) für die Hin- und Rückleitung benötigt. Bei der proprietären Technologie UPoE (Universal Power over Ethernet) von Cisco werden jeweils 2 Paare für die Hin- und Rückleitung (unter Beibehaltung der Strombelastung je Leiter) benutzt. Damit lässt sich die Leistung auf 60 W verdoppeln. Unter der Bezeichnung IEEE 802.3bt beschäftigt sich eine internationale Projektgruppe mit der Machbarkeit von bis zu 100 W bei Verwendung von 4 Paaren mit Stromstärken von 500 ma je Leiter (1.000 ma je Paar). Die Notwendigkeit für eine 230 V Versorgung entfällt. Konnten Endgeräte bislang mit 15 W (PoE) oder 30 W (PoE+) über eine 4paarige Datenverkabelung versorgt werden, so zeichnen sich neuerdings Entwicklungen bis zu 100 W ab. Welches sind die Vorteile und der Nutzten von PoE? Der Einsatz von PoE-fähigen Switchen (Power Sourcing Equipment - PSE) in Verbindung mit PoE-fähigen Endgeräten (Powered Devices - PD) bietet folgende Vorteile: Der vorliegende Artikel zeigt den aktuellen Stand der Technik auf, informiert über künftige Entwicklungen und Anwendungen und geht der Frage nach welche Datenkabel und Steckverbinder sich für die Stromübertragung eignen. Einsparung der 230 V Energieversorgung (Kabel und Steckdose) Weltweit gesicherte Kompatibilität (durch internationale Standardisierung) Umfassende Management- und Überwachungsmöglichkeiten Senkung der Energiekosten durch bedarfsgerechtes Routen der Energie und Abschaltung ungenutzter Ports Ausfallsicherheit durch zentrale unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) Abb. 2 : Prinzipschaltbild PoE (aus IEC 62652) 2 LEONI technical bulletin 10/2014 LEONI technical bulletin 10/2014 3

3 Welche Anwendungen werden unterstützt? Was gilt es bei der Verkabelung zu beachten? Mittlerweile gibt es zahlreiche Endgeräte die PoE oder PoE+ unterstützen und nutzen. Diese sind im Folgenden ohne Anspruch auf Datenverkabelungen wurden ursächlich nicht für die Energieübertragung konzipiert. Dennoch ist unter Berücksichtigung definierter Vollständigkeit aufgezeigt. Darüber hinaus sollen neue Applikationen erschlossen werden, welche eine Leistungsversorgung bis zu Rahmenbedingungen und Auswahl geeigneter Komponenten die gewünschte Doppelnutzung möglich. 100 W erfordern. Zwei Problembereiche bzw. Herausforderungen müssen berücksichtigt werden: PoE (bis 100 W): PoE+ (30 W): PoE (15 W): IP Telefone IP Kameras WLAN Access Points Bluetooth Access Points Geräte für den High-Speed-WLAN-Stan- dard IEEE n heitswesen Outdoor-IP-Kameras mit Heiz-, Schwenk-, Neige- und Zoomfunktion Krankenpflegerufanlagen im Gesund- a) b) Die Erwärmung beim Datenkabel Der Kontaktabbrand bei den Steckverbindern Kreditkartenlesegeräte und Drucker z.b. im Einzelhandel Zugangskontrollsysteme mit Controller, Laptops, Thin-Client-Rechner Lesegeräte und Schließvorrichtung Beleuchtung (LED), Video-IP-Telefone a) Die Erwärmung beim Datenkabel Building Management Die bei PoE steigenden Leistungen können in Kombination mit der Kabelhäufung im Installationskanal und schlechter Wärmeablei- Industrielle Anwendungen, z.b. Schritt- tung zu spürbaren und im Extremfall unzulässigen Temperaturerhöhungen der Datenkabel führen. motoren Die Kabelerwärmung ist von folgenden Faktoren abhängig: Ethernet switch Power over Ethernet HUB Strombelastung (in Abhängigkeit des eingesetzten PoE-Standards) Kabelkonstruktion (insbesondere Leiterquerschnitt) Anzahl Kabelbündel im Installationskanal Installationsumgebung (Wärmeabgabe) Umgebungstemperatur Abb 4: Kabelerwärmung von innen nach außen Ethernet switch Die richtige Kabelkonstruktion leistet einen entscheidenden Beitrag bei der Minimierung der Kabelerwärmung. Als Faustregel gilt: Je höher die Kategorie, je geringer die Erwärmung! Power Ethernet Abb. 3: Anwendungsbeispiele für PoE Handy Notebook Camera IP Telephone Denn mit steigenden Kategorien vergrößert sich auch der Leiterquerschnitt, es sinkt der Gleichstromwiderstand und damit die Verlustwärme. Bei dem aufgeführten Beispiel aus ISO/IEC TR weisen Datenkabel der Kategorie 7A 36 % geringere Erwärmungen im Vergleich zu Datenkabel der Kategorie 5 auf! Temperature rise C Größe Kabelbündel (Anzahl Kabel) Kategorie Kategorie 6 Kategorie 6A Kategorie 7 Kategorie 7A % Abb 5: Kabelerwärmung in Abhängigkeit der Kabelkategorie (aus ISO/IEC TR 29125) 4 LEONI technical bulletin 10/2014 LEONI technical bulletin 10/2014 5

4 Ein weiterer oft vernachlässigter Effekt ist die, durch den Temperaturanstieg verursachte, Dämpfungserhöhung und die davon abgeleitete Reichweitenreduktion. Dies kann zu fehlerhaften Übertragungen und im Extremfall zu deren Ausfall führen. Hier haben geschirmte Datenkabel aufgrund des geringeren Temperaturkoeffizienten deutliche Vorteile gegenüber ungeschirmte Datenkabel. Beispiel 1: ungeschirmt Klasse D(a) bei 60 C mit Kat.5 Kabel UTP H 60 C = (109 m 10 x 1,5 m) (0,4/100 x 20 x 94 m) (0,6/100 x 20 x 94 m) = 75 m LEONI empfiehlt bei der Datenkabelwahl daher: geschirmte Kabel mit möglichst hoher Kategorie: z.b. Kategorie 7 A große Leiterquerschnitte (AWG 22) bei Bedarf Sonderkonstruktionen mit zulässiger Betriebstemperatur von > 60 C Außenmantel Beispiel 2: geschirmt Klasse D(a) bei 60 C mit Kat.5 Kabel STP H 60 C = (109 m 10 x 1,5 m) (0,2/100 x 40 x 94) = 86 m (+ 15 %) Geflechtschirm Kabelpaar Folienschirm Gleichung für horizontale Übertragungsstrecke Leiter Modellgleichung Abb 7: S/FTP Datenkabel mit Querschnitt AWG22/1 z.b. MegaLine F S/F Model Klasse D Klasse E und E A Klasse F und F A a) Durchverbindung - TA H = F x X H = FX H = F x X b) Rangierung - TA H = F x X H = FX H = F x X c) Durchverbindung- SP - TA H = F x X-C x Y H = F x X - C x Y H = F x X-C x Y d) Rangierung - SP - TA H = F x X - C x Y H = F x X - C x Y H = F x X - C x Y H = größte Länge des Tertiärkabels (m) F= gesamte Länge der Rangierschnüre, Rangierpaare, Geräteanschluss- und Geräteverbindungsschnüre (m) C = Länge des Sammelpunktkabels (m) X = Verhältnis der Einfügedämpfung des flexiblen Kabels (db/m) zur Einfügungsdämpfung des Tertirkabels (db/m) Y= Verhältnis der Einfügedämpfung des Sammelpuntkabels (db/m) zur Einfügedämpfung des Teriärkabels (db/m) Bei Betriebstemperaturen oberhalb von 20 C sollte H bei geschirmten Kabeln um 0,2 % je C und bei ungeschirmten Kabeln um 0,4 % je C (20 C - 40 C) und um 0,6 % je C (>40 C - 60 C) verringert werden. Abb 6: Dämpfungserhöhung und Reichweitenreduktion in Abhängigkeit der Temperatur und des Kabeldesigns (aus EN 50173) b) Der Kontaktabbrand bei den Steckverbindern Bei der Anschlusstechnik kann das Steckerziehen unter Last aufgrund der Entstehung eines Lichtbogens bzw. durch Funkenbildung zu Beschädigungen, dem sogenannten Kontaktabbrand, führen. Es kommt zu einer nicht umkehrbaren Beeinträchtigung oder sogar zum Ausfall der Kontakte. Abhilfe kann hier ein entsprechendes Port Power Management (Power ausschalten, dann Stecker ziehen) schaffen. Allerdings kann hiermit beabsichtigtes oder unbeabsichtigtes Steckerziehen unter Last nicht verhindert werden. Abb 8: Kontaktabbrand bei Anschlusstechnik, hier RJ45 Buchse (aus IEC 62652) LEONI empfiehlt bei der Wahl der Anschlusstechnik daher: über einschlägige Steckverbindernormen hinaus, die Verwendung versetzter Kontakt- und Trennzonen. 6 LEONI technical bulletin 10/2014 LEONI technical bulletin 10/2014 7

5 Zertifizierte Sicherheit: MegaLine Connect100 & MegaLine Connect45 Vor diesem Hintergrund hat LEONI die Produktfamilien MegaLine Connect100 und MegaLine Connect45 nach IEC und IEC unabhängig prüfen lassen. Dabei wurden die Buchse/Stecker-Kombinationen häufigen Steckzyklen unter Last unterworfen. Die zulässige Abweichung der Übergangswiderstände (max 20mOhm) wird mit großen Reserven eingehalten: zertifizierte Sicherheit! Abb 9: MegaLine Connect100 mit versetzten Kontakt- und Trennzonen Fazit und Ausblick Dank Power over Ethernet kommen zahlreiche informationstechnische Geräte ohne 230V-Stromversorgung aus. Mit Hilfe dieser Technologie lassen sich Gebäude und Büros intelligenter und energieeffizienter planen und betreiben. Nicht zuletzt auch aufgrund der anvisierten Leistungssteigerungen empfiehlt LEONI den Einsatz von geschirmten Datenkabeln der Kategorie 7A mit Leiterabmessung AWG 22 sowie Anschlusstechnik mit versetzten Kontakt- und Trennzonen. Unser Beitrag zur Green IT in Gebäuden 8 LEONI technical bulletin 10/2014