PoE – Power over Ethernet

PoE Switch

PoE – Power over Ethernet – Die Grundlagen

Power over Ethernet (PoE) bezeichnet verschiedene technische Verfahren, mit denen Geräte über das Ethernet-Kabel (Netzwerkkabel) mit Energie versorgt werden. Die Energie wird zusammen mit den Daten auf einer Leitung oder getrennt von diesen auf einer separaten Leitung zur Verfügung gestellt. Es existieren verschiedene Standards und mehrere proprietäre Lösungen.

Power over Ethernet erlaubt die Energieübertragung über größere Entfernungen als mit USB-Kabeln. Geräte können über das Netzwerk flexibler eingebunden werden als über USB-Kabel. Ethernetkabel lassen sich einfacher als Stromkabel verlegen. Typischer Einsatzzweck sind Netzwerk-Geräte, die möglichst unkompliziert anzuschließen sein sollen. Dazu gehören IP-Kameras, IP-Telefone, kleine Hubs, kleine Server und Wireless Access Points. Für die Netzwerke gibt es spezielle Switche, sogenannte PoE Switche. So ein PoE Switch ist der Ausgangspunkt der strohmführenden Netzwerkkabel.

Spezifikationen – PoE und PoE Switche

Beim IEEE-Standard 802.3af-2003 (DTE Power over MDI) beträgt die Versorgungsspannung 48 Volt. Als Einschaltstrom sind 400 Milliampere zulässig. Im Dauerbetrieb sind 350 Milliampere erlaubt. Die maximale Leistungsabgabe der Energieversorger beträgt 15,4 Watt. Von den Energieverbrauchern dürfen maximal 12,95 Watt Leistung aufgenommen werden. Der Rest ist für Leitungsverluste veranschlagt.

Bei Ethernet und Fast-Ethernet stehen freie Aderpaare für die Energieübertragung zur Verfügung. Sind diese Aderpaare nicht verfügbar, dann werden die Signal führenden Kabel zur Energieversorgung genutzt. Dies ist bei Gigabit-Ethernet der Fall. Die Datenleitungen werden mit Übertragern entkoppelt und sind gleichspannungsfrei. Dies ermöglicht, die Energieübertragung ohne Störung in das Datensignal einzukoppeln und aus ihm auszukoppeln.

Der Standard schreibt vor, dass Energieverbraucher beide Übertragungsarten unterstützen müssen.

Beim IEEE-Standard 802.3.at-2009 sind Ströme bis 600 Milliampere erlaubt. Die Energieversorger bieten eine Leistung bis 25,5 Watt. Dieser Standard wurde vor der Veröffentlichung auch als Power over Ethernet plus bezeichnet.

Aushandlung der Aderpaare und der Leistungsklasse

Proprietäre Lösungen hatten früher ein Problem. Zwar waren freie Adern bei Ethernet und Fast-Ethernet vorhanden. Doch konnten sich die Energieversorger nie sicher sein, dass diese Aderpaare nicht durchgeschaltet waren. Falls eine hohe Spannung angelegt wurde, konnte das Netzwerkmodul dauerhaft beschädigt werden.

Der IEEE-Standard 802.3af-2003 verhindert das mit einem Verfahren, das als Resistive Power Recovery bezeichnet wird. Der Energieversorger legt eine kleine Spannung an, die zu keinen Schäden führen kann. Er erkennt damit, ob das angeschlossene Gerät über einen Abschlusswiderstand im Bereich von 15 bis 33 Kiloohm verfügt. Ist dies so, dann ist das Gerät ein Energieverbraucher. Der Energieversorger stellt sodann eine geringe Leistung zur Verfügung. Die genaue Messung des Widerstandes ermöglicht die Ermittlung der Leistungsklasse. Anschließend beginnt die Einschaltphase, in der mindestens eine Spannung von 42 Volt anliegt. Im Dauerbetrieb kann die Spannung dann auf bis zu 36 Volt absinken.

Vier Leistungsklassen sieht der IEEE-Standard 802.3af-2003 vor. Der IEEE-Standard 802.3.at-2009 fügt eine weitere Leistungsklasse hinzu. Leistungsklasse 1 geht von 0,44 bis 3,84 Watt, Leistungsklasse 2 von 3,84 bis 6,49 Watt und Leistungsklasse 3 von 6,49 bis 12,95 Watt. Die universelle Leistungsklasse 0 umfasst die Bereiche der Klassen 1 bis 3. Die zusätzliche Leistungsklasse 4 aus dem IEEE-Standard 802.3.at-2009 geht von 12,95 bis 25,5 Watt.

PoE – Power over Ethernet – Einspeisung der Leistung

Die Leistung für die Energieverbraucher wird von Endspan-Devices oder Midspan-Devices zur Verfügung gestellt. Endspan-Devices sind Switches und Netzwerkkarten, die Daten und Energie einspeisen. Midspan-Devices sind Geräte, die die Energierversorgung auf eine bestehende Verbindung aufschalten. Hierbei handelt es sich häufig um Power-over-Ethernet-Injektoren oder Hubs.

Für Verteilerschränke sind spezielle Power-over-Ethernet-Patchpanels erhältlich. Diese benötigen keinen zusätzlichen Platz. Die einzelnen Ports können per Software Strom führend oder stromfrei geschaltet werden.

Merkmale und Bezeichnungen – PoE – Power over Ethernet

Der IEEE-Standard 802.3af-2003 erlaubt Twisted-Pair-Kabel ab Kategorie 3. Der IEEE-Standard 802.3.at-2009 erlaubt Twisted-Pair-Kabel ab Kategorie 5. In beiden Fällen sind auch UTP-Kabel erlaubt.

Die anliegende Spannung reicht von 44 bis 54 Volt. Üblicherweise liegt sie bei 48 Volt.

Als Leistung stehen bis zu 15,4 Watt beim IEEE-Standard 802.3af-2003 und 25,5 Watt beim IEEE-Standard 802.3.at-2009. Die Kabel dürfen dabei bis zu 100 Meter lang sein.

Der Wirkungsgrad der Energieversorgung liegt niedriger als bei Geräten, die über einen normalen Stromanschluss verfügen. Dies liegt an den kleinen Leitungsquerschnitten, den hohen Kabellängen und den geringen Spannungen. Zusammen mit den Verlusten der Netzteile von Energieversorger und Energieverbraucher ergeben sich häufig Gesamtwirkungsgrade von unter 70 Prozent.

Werden Daten und Energie über dasselbe Aderpaar übertragen, so wird dieser Vorgang als Fernspeisung, Phantomspeisung oder Mode A bezeichnet. Wird die Energie über ein separates Aderpaar übertragen, so nennt man das Spare-Pair-Speisung oder Mode B.

Einsatzbereiche von PoE – Power over Ethernet

Power over Ethernet eignet sich für eine Reihe von Anwendungsfällen. Zwei Vorteile dieser Technik kommen dabei zum Tragen. Zum einen ist die Verkabelung einfacher. Es muss nur ein Ethernetkabel vorhanden sein oder verlegt werden. Ein separates Stromkabel ist überflüssig. Zum anderen können mehrere Energieverbraucher über einen zentralen Energieversorger betrieben werden. Mithilfe einer unterbrechungsfreien Stromversorgung dieses einen Energieversorgers sind alle Energieverbraucher ebenfalls gegen Stromausfälle geschützt. Im Folgenden gehen wir auf typische Anwendungsfälle ein.

Telefonanlagen mit IP-Telefonen verwenden Power over Ethernet, um die Telefone mit Energie zu versorgen. Zum einen ist die Verkabelung einfacher und damit billiger. Zum anderen kann die Telefonanlage zusammen mit allen Telefonen mithilfe einer unterbrechungsfreien Stromversorgung vor Stromausfällen geschützt werden. Notrufnummern, Betriebsfeuerwehr, Gefahrstoff- und Arbeitsschutzbeauftragter bleiben telefonisch erreichbar.

IP-Kameras und andere Geräte zur Überwachung sind einfacher mit Power over Ethernet anschließbar. Kein separates Stromkabel muss verlegt werden. Dieser Vorteil kommt umso mehr zum Tragen, je unzugänglicher der Aufstellungsort ist. Dies ist bei einer Montage an hohen Säulen, an hoch gelegenen Fenstern und an Deckenpanelen der Fall.

Möchte man die Netzwerkinfrastruktur erweitern, so bietet sich der Einbau eines Hubs in eine bestehende Netzwerkleitung an. Kommt die Leitung von einem Verteilerkasten mit Power-over-Ethernet-Patchpanel, so kann der Hub ohne weiteren Installationsaufwand mit Strom versorgt werden. Ebenso lässt sich das Netzwerk mit einem Wireless Access Point um ein WLAN erweitern. Der Wireless Access Point benötigt dann keine separate Stromversorgung.

Kleine Server lassen sich direkt über den Verteilerkasten der Netzwerkinfrastruktur mit Strom versorgen. Wird der Verteilerkasten mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung geschützt, so ist auch der kleine Server geschützt. Er kann ausfallsicher heruntergefahren werden.

Weitere Anwendungsbereiche umfassen Sensoren, Controller und Messgeräte in der Industrie, IPTV-Decoder und selbststellende Wanduhren.

Proprietäre Verfahren – PoE – Power over Ethernet

Mehrere Anbieter haben vor Implementierung des IEEE-Standards 802.3af-2003 im Jahre 2003 eigene Verfahren eingeführt.

PowerDsine produziert seit 1999 Midspan-Injektoren für ihr proprietäres Verfahren namens Power over LAN. Mehrere Firmen verwenden diese Technik. Dazu gehören namhafte Netzwerkausrüster wie Nortel Networks, Lucent Technologies, 3Com und Polycom. PowerDsine wurde 2007 von Microsemi übernommen.

Cisco Systems verwendete für Wireless Access Points und IP-Telefone ein eigenes Verfahren für Power over Ethernet. Dieses ist nicht auf den IEEE-Standard 802.3af-2003 umrüstbar. Die Leistung betrug maximal 10 Watt.

Im Jahre 2014 entwickelte Cisco Systems ein weiteres proprietäres Verfahren mit der Bezeichnung Universal Power over Ethernet (UPOE). Dieses Verfahren kann bis zu 60 Watt Leistung bereitstellen.


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