Entwicklung des passenden Power-over-Ethernet-Systems für intelligente LED-Beleuchtung in der Industrie

Power-over-Ethernet (PoE) löst auf bequeme und praktische Weise das Problem, über ein und dasselbe Kabel sowohl eine Verbindung zum Netzwerk herzustellen als auch Strom zu übertragen. Die Weiterentwicklung bringt für die Entwickler jedoch Probleme hinsichtlich der Aufwärts- und Abwärtskompatibilität sowie der Auswahl der passenden Konfiguration, des richtigen Kabels und der geeigneten Schnittstellen-ICs mit sich.

Diese ICs müssen nicht nur die Kernfunktionalität von PoE bieten, sondern auch die aktuellsten Funktionen für eine sichere Stromversorgung.

Hinsichtlich der Kompatibilität muss sowohl beim Upgrade eines kabelgebundenen Ethernet-Netzwerks als auch beim Aufbau eines neuen PoE-Systems zwischen einem der zwei bestehenden Standards 802.3af oder 802.3at bzw. dem Entwurfsstandard 802.3bt gewählt werden. Die Auswahl des Standards kann abhängig vom zur Verfügung stehenden Budget und vom Strombedarf getroffen werden. Es ist jedoch ratsam, auch künftige Kapazitätsanforderungen zu berücksichtigen, ohne dabei die Abwärtskompatibilität zu vernachlässigen.

Außerdem muss der Entwickler entscheiden, welche PoE-Konfiguration für das Zielsystem angemessen ist. Eventuell sind die Konfigurationsmöglichkeiten bei einem Upgrade auf PoE für bestehende Netzwerke mit älteren Ethernet-Kabeln begrenzt.

Die Wahl des Standards und der Topologie spielen zusammen mit der Umgebung ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Wahl der zu verwendenden Kabel. Entscheidet man sich für das falsche Kabel, kann dies den Stromfluss im System beschränken sowie die künftige Erweiterbarkeit beeinträchtigen.

In diesem Artikel wird zunächst auf die Grundlagen von PoE und seine Entwicklung eingegangen. Anschließend werden Lösungen vorgestellt, mit denen Entwickler viele dieser Probleme lösen können, bevor zum Abschluss eine PoE-Anwendung mit intelligenter Beleuchtung gezeigt wird.

Die Entwicklung von PoE

PoE-Lösungen vereinfachen die Konnektivität, indem sie über ein und dasselbe CAT5e-Kabel sowohl die Versorgung mit Strom als auch die 100/1000Base-T-Ethernet-Kommunikation ermöglichen. Dies hat keinerlei Auswirkungen auf die Ethernet-Kommunikation über Twisted-Pair-Kabel. Die Entwickler sparen dadurch Zeit beim Design sowie Ausgaben für zusätzliche Kabel. PoE bietet außerdem den Vorteil einer zentralen Stromquelle, die für alle Ethernet-Knoten ein problemloses Power-Management ermöglicht. Dies ermöglicht auch eine einfach zu verwaltende Backup-Stromversorgung für alle angeschlossenen Systeme.

Mit der zunehmenden Verbreitung von PoE-Anwendungen hat der IEEE-Normenausschuss neue, leistungsstärkere Versionen des Standards eingeführt, die vom ursprünglichen Standard IEEE 802.3af aus dem Jahr 2003 mit 15 Watt am Anschluss bis hin zum Standard 802.3at (auch als PoE+ bezeichnet) aus dem Jahr 2009 mit 25 Watt am Ausgang reichen. Das aktuellste Update, der PoE-Standard 802.3bt, soll 2018 eingeführt werden und liefert bis zu 100 Watt an jedem Anschluss.

Beachten Sie, dass jeder Standard zu vorherigen PoE-Standards abwärtskompatibel ist. Da der Wirkungsgrad ein entscheidendes Kriterium darstellt, geben die PoE-Standards außerdem die zulässige Verlustleistung bei der Übertragung über das geschirmte Twisted-Pair-CAT5e-Kabel an.

Kabelüberlegungen für PoE

Für PoE wird an das CAT5-Kabel eine Differenzspannung von 48 Volt angelegt. Diese Spannung kann ohne Beeinträchtigung der Datenkommunikation an die Datenpaare angelegt werden, über die die Ethernet-Daten übertragen werden. Alternativ verfügen CAT5e-Kabel über zwei Reservepaare, sodass die 48 Volt an dieses Paar angelegt werden können, wodurch die Stromversorgung vereinfacht wird. In Fabriken oder Gebäuden kommen bevorzugt industrielle CAT5e-Kabel zum Einsatz, da sie rauen Umgebungen standhalten und widerstandsfähig gegenüber zufallenden Türen, Zugbeanspruchung oder Verbiegen sind.

Ein gutes Beispiel für ein CAT5e-Kabel ist das modulare CAT5e-Ethernet-Kabel ISTPHCH5MRD der Panduit Corp (Abbildung 1). Dieses Kabel bietet vier verdrillte Leiterpaare und erfüllt die geltenden PoE-Standards IEEE 802.3af/at, inklusive Minimierung von Leistungsverlusten aufgrund langer Übertragungswege. Diese CAT5e-Kabel sind schwer entflammbar, resistent gegenüber Lösungsmitteln und halten Verdrehen, Drücken sowie anderen rauen Beanspruchungen stand, wodurch sie für anspruchsvollste Industrieanwendungen geeignet sind.

Abbildung 1: Ein Querschnitt des CAT5e-Ethernet-Kabels ISTPHCH5MRD von Panduit für Industrieanwendungen zeigt vier verdrillte Leiterpaare aus Kupferdraht (24 AWG). Das Kabel ist mit widerstandsfähigem Schaumklebeband vor Druckbeanspruchungen geschützt. (Bildquelle: Panduit Corp.)

Konfiguration einer PoE-Stromversorgung

An dem einen Ende eines PoE-Systems befindet sich die Quelle der Ethernet-Konnektivität, bei der es sich üblicherweise entweder um einen Switch oder einen Hub handelt. Am anderen Ende der Kabel befinden sich die Geräte, die sowohl Ethernet-Konnektivität als auch Strom benötigen. Jedes dieser Geräte wird als PD-Gerät (Powered Device) bezeichnet.

Für PoE wird die erforderliche Differenzspannung von 48 Volt über Power Sourcing Equipment (PSE) an das Ethernet-Kabel angelegt. Befindet sich das PSE im Ethernet-Switch oder -Hub, wird es gemäß IEEE-Standard als Endpunkt-PSE bezeichnet. Der IEEE-Standard nennt für das Endpunkt-PSE zwei alternative Konfigurationen, um im Kabel für einen Stromfluss zu sorgen. Bei Alternative A legt das PSE eine Differenzspannung zwischen den zwei verdrillten Leiterpaaren an, über die die Ethernet-Daten übertragen werden. Hierbei handelt es sich um die einzig mögliche Option, wenn ein CAT5-Kabel mit nur zwei geschirmten verdrillten Leiterpaaren verwendet wird.

Bei Alternative B legt das PSE die Spannung zwischen den zwei Reservepaaren an. Diese Methode wird für CAT5e- und aktuellere Kabel mit vier verdrillten Leiterpaaren bevorzugt.

Ist das Kabel unterbrochen, sodass das PSE die Spannung zwischen dem Switch bzw. Hub und dem PD-Gerät anlegt, spricht man von einem Midspan-PSE. Diese Konfiguration unterstützt auch die Konfigurationen gemäß Alternative A (Stromfluss im Ethernet-Datenpaar) und Alternative B (Stromfluss im Reservepaar).

Arten von PoE-Hardware

Diese Methoden zur PoE-Injektion sind für die bestehenden PoE-Standards 802.3af/at identisch. Der Entwurfsstandard IEEE 802.3bt, sofern implementiert, ermöglicht die Stromversorgung über alle vier verdrillten Leiterpaare und ist mit 10G-Base-T kompatibel (Abbildung 2).

PSE und PD-Geräte sind folgendermaßen klassifiziert:

• Typ 1: Spannung an zwei verdrillten Leiterpaaren, 802.3af-kompatibel, 15 Watt
• Typ 2: Spannung an zwei verdrillten Leiterpaaren, 802.3at-kompatibel, 30 Watt
• Typ 3: Spannung an vier verdrillten Leiterpaaren, 802.3bt-kompatibel, 60 Watt
• Typ 4: Spannung an vier verdrillten Leiterpaaren, 802.3bt-kompatibel, 100 Watt

Abbildung 2: Die zwei Endpunkt-PSE- und die Midspan-PSE-Konfigurationen für 802.3af/at. Die Alternative A mit Endpunkt-PSE ist für neue Systeme mit CAT5e-Kabeln zu empfehlen, während Midspan-PSE für die Integration von PoE in bestehende Systeme besser geeignet sein kann. Alternative A wird von Midpsan-PSE ebenfalls unterstützt. (Bildquelle: Spezifikation IEEE 802.3at)

PoE-Handshake

Wenn ein PSE eine neue Netzwerkverbindung mit einem PD-Gerät erkennt, wird zwischen PSE und PD-Gerät ein kurzes Handshake-Protokoll initiiert. Für das PSE ermittelt dieser Handshake zuerst, ob es sich tatsächlich um ein PD-Gerät handelt, das mit Strom versorgt werden muss. Anschließend muss das PSE ermitteln, wie viel Strom das PD-Gerät benötigt. Aus Sicht des PD-Geräts ermittelt dieser Handshake, wie viel Strom das PSE liefern kann. Letztendlich ermöglicht der Handshake die sichere Stromversorgung des PD-Geräts über das PSE sowie die sichere Unterbrechung der Stromversorgung, falls das PSE feststellt, dass das PD-Gerät aus dem Netzwerk entfernt wurde.

Während des Handshake herrscht ein fester Widerstand gegenüber der PSE-Spannung, der als Signaturwiderstand bezeichnet wird, um den Einschaltstrom während des Spannungsimpuls zu begrenzen. Auf Basis des Einschaltstroms klassifiziert das PSE das PD-Gerät gemäß seinem Strombedarf als ein Gerät vom Typ 1–4 (siehe oben). Wenn ein PSE jedoch erneut einen Stromverbrauch durch ein PD-Gerät erkennt, sendet es einen Spannungsimpuls an das PD-Gerät, um den Strombedarf des PD-Geräts zu ermitteln.

Die PD-Schnittstelle

Für Entwickler, die neue PD-Geräte entwerfen, muss die PoE-Schnittstelle auf den neuen Entwurfsstandard 802.3bt aktualisierbar oder mit ihm kompatibel sein. Des Weiteren muss sie weiterhin abwärtskompatibel zu den älteren Standards sein. Diese überaus wichtige Flexibilität des PD-Schnittstellen-IC bietet die Hochleistungs-PoE-PD-Schnittstelle TP2372 von Texas Instruments (Abbildung 3).

Abbildung 3: Diese Abbildung zeigt den empfohlenen Schaltkreis für eine TPS2372 von Texas Instruments in einer intelligenten Beleuchtungsanwendung mit den externen Widerständen zur Konfiguration von MPS-Strom (R_MPS), MPS-Betriebszyklus (R_{MPS_DUTY}) und Erkennungssignatur (R_DET). (Bildquelle: Texas Instruments)

Die TP2372 ist mit dem bestehenden Entwurfsstandard IEEE 802.3bt kompatibel sowie abwärtskompatibel zu 802.3af/at. Ein wichtiges Merkmal der TP2372 für Entwickler, die PD-Beleuchtungen entwerfen, die mit allen PoE-Systemen kompatibel sind, ist ihre Möglichkeit, den Eingangsstrom zu begrenzen. Das kann von Bedeutung sein, wenn das PD mit einem System verbunden wird, dessen PSE keine Strombegrenzung vornimmt.

Manche ältere Low-End-Midspan-PSEs etwa, die in einigen der ersten industriellen PoE-Beleuchtungssystemen zum Einsatz kamen, verfügten über keinerlei Strombegrenzung. Außerdem injizierten manche der frühen PSEs die Spannung ohne Handshake in das Kabel, weswegen eine Strombegrenzung seitens des PD-Geräts erforderlich war. Die Strombegrenzung der TPS2372 ermöglicht eine sichere Verbindung des PD-Geräts mit beinahe jedem PSE.

Die TPS2372 ist über externe Widerstände für Merkmale wie MPS-Strom, MPS-Betriebszyklus und Klassifizierung des PoE-Typs umfassend konfigurierbar. Beachten Sie, dass die Konfiguration entweder manuell oder über automatische Einstellungen vorgenommen werden kann. Die TPS2372 übernimmt außerdem alle Handshakes mit dem PSE und legt basierend auf dem PSE-Typ automatisch den MPS-Strom und den MPS-Betriebszyklus fest.

Zur Vereinfachung der Entwicklung wird die TPS2372 von der Evaluierungskarte TPS2372-4EVM-006 von TI unterstützt, die Hochleistungs-PoE-Anwendungen gemäß 802.3bt sowie die bestehenden Standards 802.3af/at unterstützt.

Die Evaluierungskarte TPS2372-4EVM-006 verfügt über Jumper, um PD-Parameter wie den MPS-Betriebszyklus und den PoE-Typ zu konfigurieren. Sie hat zwei Ethernet-Anschlüsse, wobei der zusätzliche Anschluss Gigabit-Ethernet-Pass-Through-Datenübertragungen ermöglicht.

Bei Designs mit der TPS2372 ist es wichtig, potenzielle Signalstörungen, EMI/ESD sowie Leistungsstörungen zu minimieren. Hierfür ist Folgendes zu beachten:

• Die Strom- und Masseleiterbahnen vom RJ-45-Anschluss zu Ethernet-Wandler, TVS-Diode, 0,1-microFarad-Kondensator und C_BULK sollten so kurz wie möglich und von den Datensignalen getrennt sein.
• Verwenden Sie im Strompfad zum zu versorgenden Gerät breite Stromleiterbahnen mit gepaarten Signal- und Rücklaufspuren. Überkreuzen Sie keine Signale von einem Ende des Stromflusses zum anderen.
• Die TPS2372 sollte auf der Leiterplatte über geteilte lokale Masseebenen ausgelegt werden, wobei die PoE-Hälfte auf V_SS und die Wandlerhälfte auf RTN bezogen wird.
• Lassen Sie logische Masse- oder Stromleiterbahnen nicht unterhalb des Ethernet-Eingangs oder des primären DC/DC-Wandlers verlaufen.
• Trennen Sie die 48-Volt-Eingangsspannung und den Eingang des DC/DC-Wandlers mittels sicherer Routing-Prozeduren gemäß Angabe in IEC60950. Für SMT-Komponenten mit Leistungsverlusten und unter den RJ-45-Anschlüssen sollten Kupferfüllungen und -leiterbahnen verwendet werden.

PoE-Anwendung: intelligente Beleuchtung

Beim Bau moderner Gebäude und Fabriken ist man sehr auf Energieeffizienz bedacht. Früher waren in diesen Anwendungsbereichen vornehmlich Leuchtstoffröhren anzutreffen, die jedoch problemlos durch leistungsstarke LED-Beleuchtungen mit geringem Stromverbrauch ersetzt werden können. LED-Beleuchtungen bieten gegenüber Leuchtstoffröhren und Glühlampen wichtige Vorteile. Der größte Vorteil ist, dass LED-Beleuchtung einen sehr viel höheren Wirkungsgrad hat und somit für ihre Eingangsleistung eine größere Lichtausbeute bietet. Außerdem geben LED-Beleuchtungen sehr wenig Wärme ab und LEDs erfordern keine Vorschaltgeräte wie etwa Leuchtstoffröhren.

Da der Stromverbrauch bei der Verwendung von LEDs mit jeder Lampe abnimmt, wird bei der Verkabelung zunehmend auf PoE gesetzt, da auf diese Weise nicht nur ausreichend Strom für die LED-Beleuchtung bereitgestellt werden kann, sondern außerdem Remote-Konnektivität und intelligente IoT-Funktionen ermöglicht werden.

Der Begriff „Intelligente Beleuchtung“ impliziert, dass Beleuchtungsanordnungen per Fernzugriff oder gemäß einem programmierten Zeitplan oder bei der Erkennung von Personen durch Sensoren ein- und ausgeschaltet werden können.

Bei der Implementierung kann ein einzelner Ethernet-Endpunkt mit mehreren Beleuchtungsknoten verbunden werden. Beispielsweise können mit einem einzigen Befehl, der vom Switch oder Hub an ein einzelnes Ethernet-fähiges Gerät mit acht Beleuchtungsknoten gesendet wird, die Knoten dazu aufgefordert werden, nur die Beleuchtungen vier und sieben einzuschalten und die anderen nicht.

Das PoE-System muss mit Vorrichtungen mit entsprechenden LEDs in Bezug auf Leistung (in Lumen), Farbtemperatur (in Grad Kelvin) und Leistungsverbrauch gekoppelt sein. Der LED-Hersteller Würth Elektronik hat eine Produktlinie im Angebot, die für industrielle sowie allgemeine Innenbeleuchtungen konzipiert ist.

Die kaltweißen LEDs 158301250 mit 5.000 K beispielsweise messen lediglich 3 mm x 1,4 mm, liefern dabei aber 133 Lumen/Watt. Sie haben also einen extrem hohen Wirkungsgrad und eignen sich besonders gut für PoE-basierte Anwendungen für industrielle Beleuchtungslösungen. Für eine Selbstbau-Beleuchtung können mehrere LEDs entsprechend den speziellen Systemanforderungen auf eine Platine gelötet werden.

Abbildung 4: Die LED 158301250 von Würth Elektronik befindet sich in einem PLCC-Gehäuse und ist in jeder Konfiguration zur Oberflächenmontage geeignet. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Bei PoE-Beleuchtungen mit LEDs kommt es darauf an, an jedem PD-Gerät nicht nur den Betriebsstrom zu senken, sondern auch den PoE-Standby-Strom zu reduzieren. Wenn die Gebäudebeleuchtung an einem PD-Gerät ausgeschaltet werden muss, erfordern aktuelle PoE-Standards, dass jedes PD-Gerät am PSE als MPS präsent ist, was einem Stromverbrauch von10 mA bei einem Betriebszyklus von 20 % entspricht. Das MPS teilt dem PSE mit, dass das PD-Gerät noch angeschlossen ist. Hieraus ergibt sich für das MPS ein durchschnittlicher Stromverbrauch von 2 mA.

Der neue Entwurfsstandard 802.3bt gibt einen verringerten MPS-Betriebszyklus von 1,875 % an, was einer Verringerung des durchschnittlichen Stromverbrauchs (lediglich 0,2 mA) um das Zehnfache entspricht.

Fazit

PoE kann die Implementierung intelligenter Beleuchtungssysteme in Büros oder in der Industrie enorm erleichtern. Das richtige Kabel sorgt für eine zuverlässige Stromversorgung und für Selbstbau-Beleuchtungen stehen LEDs mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung. Die Wahl der richtigen Teile macht das PD-Gerät aufrüstbar und abwärtskompatibel. Dadurch erhält man ein sicheres und zuverlässiges System, das über Jahre hinweg effizient in intelligenten Netzwerkkonfigurationen verwendet werden kann.