PoE-Applikationen sicher mit Strom versorgen

PoE umfasst einen großen Bereich, von der Versorgung von Einzelgeräten, wie einem einfachen WLAN-Accesspoint, bis hin zu großen komplexeren Anwendungen, wie einem kompletten Überwachungssystem. Welche Anforderungen an Stromversorgungen stellen Anwendungen mit zwei oder mehr aktiven PoE-Teilnehmern? Grundsätzlich lässt sich jede PoE-Anwendung in die Bereiche Power Sourcing Equipment (PSE) und Powered Device (PD) einteilen. Bei der Erzeugung von PoE besteht das Grundprinzip einfach ausgedrückt darin, dass zwei Kabel zu einem zusammengefasst werden. Das heißt, ein Ethernet-Kommunikationskabel und 52VDC-Spannung werden in einem Switch oder Injektor kombiniert und als PoE wieder ausgegeben. Der Vorteil liegt auf der Hand: Endgeräte wie Kameras oder Access-Points können über die gleiche Leitung versorgt werden und kommunizieren. Je nach unterstütztem PoE-Standard ergeben sich damit bereitgestellte Leistungen zwischen 15.4 und 90W. Die 90W werden seit dem Standard IEEE 802.3bt unterstützt. Übliche Elektroinstallationen versuchen normalerweise, die Leistungskabel möglichst von allen Kommunikationskabeln zu trennen. Bei PoE passiert genau das Gegenteil. Die Kommunikation wird auf die Versorgungsspannung moduliert. Welche besonderen Herausforderungen ergeben sich damit für Anwender und Hersteller?

EMV und weitere Herausforderungen

Zunächst einmal müssen sich Anwender grundsätzliche Fragen beantworten: Welche Komponenten bzw. Systemspannungen sind bereits vorhanden? Soll es eher eine hochintegrierte Anwendung sein oder soll sie aus Einzelgeräten bestehen? Grundsätzlich können Lösungen von Phoenix Contact hier in jede Richtung unterstützen. So bietet das Unternehmen z.B. in der Smart Camera Box die Stromversorgung und den Switch komplett als ein Gerät an. Wichtig sind auch die Rahmenbedingungen, wenn Stromversorgung und Switch separate Einheiten in der Anwendung darstellen. In nahezu jeder Applikation spielt das Thema Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine wichtige Rolle. Deshalb legt der Hersteller bei seinen Stromversorgungen Wert auf eine gute EMV-Performance der Geräte. Sowohl entwicklungsbegleitend als auch vor Markteinführung werden Messungen durchgeführt. Welchen Einfluss hat die EMV Performance einer Stromversorgung auf eine PoE-Anwendung? Und welche Konsequenzen hat das für das Gerätedesign?

Abgestrahlte Störaussendung

Zunächst muss dabei unterschieden werden zwischen leitungsgebundener und gestrahlter Störaussendung. Alle Stromversorgungen, die das Unternehmen verlassen, sind grundsätzlich so konzipiert, dass sie nicht nur die Industrie-, sondern auch die strengeren Haushaltsanforderungen für abgestrahlte Störaussendung erfüllen. Das fördert einen zuverlässigen Betrieb aller benachbarten Komponenten und steigert damit auch die Datenverfügbarkeit der PoE-Applikation. Gleichzeitig werden diese Stromversorgungen nicht durch Störstrahlungen, die von außen auf sie einwirken, negativ beeinflusst. Ihre hohe Störfestigkeit entsprechend der Norm EN 61000-6-2 wird immer auf industrielle Umgebungen ausgelegt, sodass im Hinblick auf PoE-Anwendungen ein reibungsloser Betrieb sichergestellt ist. Damit lässt sich festhalten, dass Uno Power äußerst geringe Störaussendungen produziert und gleichzeitig robust ist gegenüber Störeinstrahlung von außen.

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Leitungsgebundene Störeinflüsse

Mindestens genauso relevant wie gestrahlte EMV sind die leitungsgebundenen Störeinflüsse. Typischerweise fokussieren sich Akteure im industriellen Umfeld bei AC/DC-Stromversorgungen ausschließlich auf die geleiteten Störungen durch die AC-Eingangsseite. Natürlich erfüllt Uno Power diese Anforderung. Deutlich seltener achten Anwender allerdings darauf, dass die DC-Ausgangsseite geringe Störaussendung aufweist. Die Stromversorgung in Multiport-PoE-Anwendungen versorgt typischerweise einen Ethernet Switch. Der Ethernet Switch nutzt die DC-Spannung als saubere Grundlage und moduliert die Kommunikation auf diese Spannung. Damit hat leitungsgebundene Störung, die in den Switch gelangt, potenziell Einfluss auf die Qualität der Datenübertragung in der Anwendung. Uno Power wurde entsprechend der EN 61204 so entwickelt, damit die Störaussendung auf der 48V-56V-Spannungsebene gering ist, um einen sicheren und vor allem ausfallfreien Betrieb von PoE-Verbrauchern sicherzustellen. Je „sauberer“ die Spannung der Stromversorgung ist, desto besser kann das versorgte Gerät im Feld die Kommunikationsinformationen von der Versorgung unterscheiden.

Sicherheit durch Isolationsfestigkeit

Neben einer zuverlässigen Kommunikation kommt selbstverständlich der Sicherheit von Leib und Leben in allen Anwendungen von AC/DC-Stromversorgungen eine besondere Bedeutung zu. Um diese sicherzustellen, wird im Rahmen der Zulassung (z.B. IEC EN 61010) die Isolationsfestigkeit verschiedener Strecken innerhalb der Stromversorgung überprüft. Darüber hinaus durchläuft jedes Gerät im Fertigungsendtest eine Isolationsprüfung. So erhält jeder Anwender sichere DC-Spannung, die gut von der AC-Seite getrennt ist. Besonders relevant in diesem Kontext sind die Isolationsstrecken A und B aus dem schematischen Bild von typischen Isolationsstrecken. Die Testspannungen liegen hier typischerweise oberhalb von 2.000V AC. Die Isolationsstrecken C und D liegen eher im Bereich von 500V DC. Für den Großteil aller Anwendungen würde an dieser Stelle eine Stromversorgung gebaut werden, die die Isolationsanforderungen erfüllt. Allerdings gibt es bei PoE-Anwendungen eine Besonderheit: Die PoE-Norm IEEE 802.3bt fordert für die Isolationsstrecke D, also die Strecke zwischen DC-Ausgangsseite und Gehäuse, für alle Power Sourcing Equipments eine Isolationsfestigkeit von 1.500V AC. Diese Isolation wurde in das 48V-Gerät der Uno-Power-Familie implementiert. Damit eignet sich das Gerät für PoE-Anwendungen und ist besonders robust gegen Störeinflüsse, die zwischen der Schirmung und den Datenleitungen eines Ethernet-Kabels auftreten können. Gerade bei Kabellängen von bis zu 90m und wegen des geringen Abstands zwischen Schirmung und Kommunikationskabeln ist dieser Vorteil besonders relevant.

Fazit

PoE-Anwendungen werden aufgrund der aufgezeigten Vorteile einen immer größeren Stellenwert einnehmen. Das betrifft sowohl das private sowie auch das industrielle Umfeld. Neben Access Points, Kameras und weiteren im Überwachungskontext relevanten Verbrauchern gewinnen auch neue Bereiche an Bedeutung. Dazu zählen beleuchtete Anzeigetafeln sowie jegliche Art von Beleuchtungsanwendungen, in denen eine Platzersparnis durch Kommunikation und Versorgung dem Endanwender einen Vorteil bringt. Für genau diese Anwendungen eignen sich Stromversorgungen wie Uno Power von Phoenix Contact, die einen zuverlässigen Betrieb sicherstellen. Die beiden relevantesten Punkte bei der Auswahl einer Stromversorgung, neben der reinen Ausgangsleistung, sind die ausgangsseitige EMV-Performance sowie die oben beschriebene Isolationsstrecke zwischen dem Ausgang und dem Gehäuse (PE). Aufgrund der immer weiter steigenden Performance der Datenraten sowie der Leistung in PoE-Anwendungen bleibt es spannend, welche weiteren Herausforderungen und Möglichkeiten sich über die nächsten Jahre ergeben werden.