Na temat zasilania peryferyjnych urządzeń sieciowych metodą PoE napisano wiele publikacji, zaś projektantom i instalatorom sieciowych systemów teleinformatycznych ten temat jest powszechnie znany. Z technologii PoE korzysta na co dzień wiele osób i może im się wydawać, że wszystko jest proste – wtyka się wtyczkę i urządzenie działa. Jednak w rzeczywistości jest to dużo bardziej skomplikowane.
Wyjaśnijmy najpierw sam termin. W encyklopedii znajdziemy następujący opis: „Power over Ethernet – technologia przesyłu energii elektrycznej do urządzeń peryferyjnych, będących elementami sieci Ethernet, takich jak telefony VoIP, bezprzewodowe punkty dostępowe, kamery internetowe i tym podobne, przy czym do przesyłu energii zasilającej służy ten sam kabel, którym transmitowane są dane cyfrowe”. W praktyce zakres zastosowań metody PoE nie ogranicza się do przykładów podanych w encyklopedii. Popularność tej metody stale rośnie, pojawiają się jej nowe odmiany, takie jak PoE+ czy hPoE, zaś część urządzeń sieciowych w ogóle nie może być zasilana w inny sposób. Trudno się dziwić, gdyż brak dodatkowego okablowania i oddzielnych urządzeń zasilających bardzo upraszcza i przyspiesza instalację urządzeń sieciowych.
Główne założenia twórców technologii PoE można wymienić w kilku punktach:
- możliwość zastosowania tej metody w każdej sieci Ethernet o prędkości transmisji 10, 100 lub 1000 Mb/s, zbudowanej z wykorzystaniem kabli miedzianych kategorii 5 lub 6;
- brak wpływu tej metody na parametry transmisyjne sieci Ethernet, w tym brak jakichkolwiek zakłóceń związanych z dostarczaniem energii;
- zapewnienie wysokiego poziomu niezawodności zasilania, niezależnie od długości i rodzaju zastosowanego okablowania, pod warunkiem zachowania zgodności z ogólnymi wymaganiami dotyczącymi okablowania w sieci Ethernet;
- zapewnienie wysokiego poziomu bezpieczeństwa, zarówno urządzeniom zasilanym tą metodą, jak i obsługującym je osobom;
- brak wpływu na działanie urządzeń nie przystosowanych do zasilania tą metodą, w tym zapewnienie bezpieczeństwa działania tych urządzeń.
Jak wynika z powyższych założeń, zasilanie urządzeń peryferyjnych metodą PoE może być realizowane w sieciach Ethernet określanych w literaturze jako 10 Base-T, 100 Base-Tx i 1000 Base-T, wykorzystujących kable miedziane. W takich sieciach pracuje większość współczesnych urządzeń peryferyjnych stanowiących wyposażenie mieszkań, biur, zakładów produkcyjnych, a nawet większych obiektów, takich jak na przykład stadiony.
Z punktu widzenia użytkownika zasilanie urządzeń peryferyjnych metodą PoE nie nastręcza żadnych problemów. Jeśli wszystkie składniki sieci są do tego przystosowane, urządzenia peryferyjne zaczynają działać natychmiast po podłączeniu do sieci. Jedynym wyróżnikiem jest rodzaj złącza sieciowego, którym typowo jest gniazdo lub wtyk typu RJ45, i tylko na to musi zwrócić uwagę użytkownik. Innymi słowy, jeśli wtyki i gniazda do siebie pasują i urządzenie można fizycznie podłączyć do sieci, z pewnością zacznie ono działać.
Jak wiadomo, kabel sieciowy kategorii piątej lub szóstej składa się z czterech par przewodów miedzianych. Można rozróżnić trzy przypadki wykorzystania tych przewodów w PoE. W pierwszym z nich energia jest dostarczana za pośrednictwem wolnych par przewodów, nie używanych do transmisji danych, co jest możliwe tylko w sieciach o przepustowości 10 Mb/s lub 100 Mb/s. W drugim z omawianych przypadków energia jest dostarczana za pomocą dwóch par przewodów, używanych jednocześnie do transmisji danych i do zasilania. W sieciach o przepustowości 1000 Mb/s jest to jedyne możliwe rozwiązanie, gdyż do transmisji danych wykorzystane są wszystkie cztery pary przewodów. W trzecim z omawianych przypadków energia jest dostarczana za pomocą wszystkich czterech par przewodów, niezależnie od tego, czy te przewody są wykorzystywane do transmisji danych, czy pozostają niewykorzystane. Dzięki temu można ograniczyć straty energii wynikające z rezystancji przewodów, co jest szczególnie istotne w przypadku zasilania urządzeń peryferyjnych odznaczających się zwiększonym poborem mocy.
W literaturze spotyka się dwa określenia dotyczące składników sieci związanych z realizacją metody PoE, z którymi warto się zapoznać, gdyż są często stosowane (wymienione skróty będą używane także w dalszej części artykułu). Te określenia to:
- urządzenia dostarczające energię do kabla sieciowego metodą PoE, określane skrótowo jako PSE (od angielskich słów Power Sourcing Equipment);
- urządzenia wymagające zasilania metodą PoE, określane skrótowo jako PD (od angielskich słów Powered Device).
Dostarczanie energii służącej do zasilania peryferyjnych urządzeń sieciowych za pośrednictwem niewykorzystanych przewodów jest bardzo proste. Przypadek ten jest wyjaśniony na rys. 1.
Rys. 1. Zasilanie metodą PoE z wykorzystaniem wolnych przewodów
W tym momencie należy podkreślić, że metoda PoE zasadniczo różni się od często stosowanych, prostych sposobów dostarczania energii do urządzeń sieciowych, które polegają na podłączeniu zewnętrznych zasilaczy do przewodów nie wykorzystywanych do transmisji danych. Ze względu na prostotę i niskie koszty implementacji takie sposoby są chętnie wykorzystywane przez producentów sprzętu sieciowego, w tym także wysokiej klasy profesjonalnego sprzętu sieciowego, przy czym nie są one kompatybilne z metodą PoE i nie spełniają typowych dla niej wymagań dotyczących niezawodności i bezpieczeństwa użytkowania.
Postawmy teraz pytanie: w jaki sposób można wykorzystać te same przewody do dostarczania energii zasilającej i równocześnie do transmisji danych sieciowych? Otóż wiadomo, że w konstrukcji interfejsów sieciowych stosowane są specjalne transformatory impulsowe, których zadaniem jest galwaniczne oddzielenie przewodów sieciowych od układów elektronicznych komputerów lub od innych urządzeń sieciowych. Jest to związane z koniecznością ochrony tych urządzeń przed przepięciami, jakie mogą się pojawiać w kablach sieciowych podczas burz lub w wyniku przepięć występujących w sieci energetycznej. Innym, równie istotnym powodem stosowania wspomnianych transformatorów jest konieczność dopasowania interfejsów sieciowych do impedancji falowej kabli transmisyjnych. Jednakże transformatory, których użycie gwarantuje poprawne działanie sieci Ethernet, mogą być wykorzystane także do innych celów. Ze środka pierwotnych uzwojeń tych transformatorów wyprowadzone są odczepy, przez które może przepływać prąd zasilający. Przypadek ten jest wyjaśniony na rys. 2.
Rys. 2. Zasilanie metodą PoE z wykorzystaniem przewodów transmitujących dane
Należy wyjaśnić, że oba opisane powyżej przypadki nie kolidują ze sobą. Urządzenia zasilające PSE i urządzenia peryferyjne PD mogą różnić się konstrukcją i mogą wykorzystywać różne sposoby transmisji danych, jednak nie ma to wpływu na praktyczną realizację metody PoE. Jeśli spełnione są wymagania dotyczące tej metody, urządzenia same negocjują warunki zasilania i wybierają odpowiednią formę połączenia.
Do zasilania urządzeń sieciowych metodą PoE wykorzystywane jest napięcie stałe o nominalnej wartości 48 V. Twórcy tej metody nie przypadkiem zdecydowali się na wybór takiej, a nie innej wartości napięcia – na tyle małej, by nie stanowiła zagrożenia dla zdrowia lub życia osób korzystających z urządzeń sieciowych, i na tyle dużej, by pozwalała na przekazanie relatywnie dużej mocy zasilającej przez przewody sieciowe kategorii piątej lub szóstej, których przekrój z natury rzeczy jest ograniczony. Z danych katalogowych pochodzących od producentów wynika, że w kablach sieciowych kategorii piątej lub szóstej średnica pojedynczych przewodów wynosi 0,5 mm lub 0,8 mm, przy czym ta druga wartość jest mniej popularna i rzadziej spotykana na rynku. Oznacza to, że w najgorszym przypadku przekrój pojedynczego przewodu wchodzącego w skład kabla sieciowego wynosi zaledwie 0,2 mm2.
Wiadomo, że w sieci Ethernet długość pojedynczego odcinka kabla nie może przekraczać 100 m, co oznacza, że w najgorszym przypadku kabel może mieć właśnie taką długość. Biorąc pod uwagę bardzo mały przekrój przewodów, należy liczyć się ze znacznymi spadkami napięć w takich warunkach. Dlatego w metodzie PoE dopuszczono znaczną odchyłkę rzeczywistej wartości napięcia zasilającego od wspomnianej wcześniej wartości nominalnej. Napięcie doprowadzane do początkowej części kabla sieciowego powinno mieścić się w zakresie od 44 V do 57 V, zaś na końcu tego kabla – od 37 V do 57 V.
Kolejnym elementem wykorzystywanym w urządzeniach zasilanych metodą PoE są przetwornice napięcia stałego, zwane także konwerterami DC/DC. Pobierają one energię z kabla sieciowego i drogą niemal bezstratnej konwersji wytwarzają wszystkie napięcia niezbędne do zasilania układów wewnętrznych urządzeń peryferyjnych. Przetwornice muszą być przystosowane do pracy w warunkach dużych wahań napięcia wejściowego, co w chwili obecnej nie stanowi problemu technologicznego. Na rynku dostępne są liczne układy scalone wykonujące opisane powyżej zadania, dlatego to zagadnienie nie zostanie teraz dokładniej omówione.
Zastanówmy się teraz nad skutkami stosowania metody PoE podczas zasilania sieciowych urządzeń elektronicznych w aspekcie bezpieczeństwa ich użytkowania. Czy relatywnie duża wartość napięcia zasilającego, wynosząca nominalnie 48 V, może być przyczyną awarii przypadkowo podłączonych urządzeń nie przystosowanych do zasilania tą metodą? Czy napięcie występujące na końcach kabli sieciowych nie podłączonych do żadnych urządzeń może być przyczyną awarii przypadkowo dotkniętych elementów? Otóż nie, żaden ze wspomnianych przypadków nie zachodzi. Urządzenia PSE dostarczające energię do kabla sieciowego realizują ściśle określone procedury, które pozwalają na uniknięcie tak przykrych doświadczeń.
Pierwsza z tych procedur polega na dostarczaniu energii do kabla sieciowego tylko wtedy, gdy jest to potrzebne. Jeśli do kabla sieciowego podłączone jest urządzenie końcowe, które nie jest przystosowane do zasilania metodą PoE, urządzenie PSE nie dostarczy energii zasilającej. Przypadek ten obejmuje także sytuację, w której do końca kabla nie jest podłączone żadne urządzenie.
Druga z tych procedur polega na wykrywaniu i klasyfikacji urządzeń PD przystosowanych do zasilania metodą PoE i na dostosowaniu warunków zasilania do specyfiki tych urządzeń. Tę procedurę można rozbić na kilka etapów:
- wykrywanie urządzenia PD wymagającego zasilania metodą PoE;
- klasyfikacja urządzenia PD wymagającego zasilania metodą PoE, określenie nieprzekraczalnej wartości mocy zasilającej;
- rozruch urządzenia zasilającego PSE;
- dostarczanie energii zasilającej zgodnie z przeprowadzoną klasyfikacją.
Wykrywanie obecności urządzenia PD wymagającego zasilania metodą PoE polega na pomiarze wartości prądu pobieranego przez kabel sieciowy po przyłożeniu do niego niewielkiego napięcia, mieszczącego się w zakresie od 2,5 V do 10 V. Ze względów bezpieczeństwa na tym etapie wydajność prądowa urządzenia PSE jest ograniczana do 30 mA, zaś czas trwania impulsu próbkującego wynosi około 500 ms. Jeśli w takich warunkach nastąpi przepływ prądu, oznacza to, że do kabla sieciowego podłączone jest jakieś urządzenie i należy sprawdzić, czy jest ono przystosowane do zasilania metodą PoE. Innymi słowy – musi nastąpić jego klasyfikacja.
Klasyfikacja wykrytego urządzenia jest dokonywana po to, by ocenić, czy jest ono przystosowane do zasilania metodą PoE. Jeśli tak, ustalana jest nieprzekraczalna wartość mocy niezbędnej do zasilania go w warunkach normalnej pracy. Na tym etapie wszystkie urządzenia przystosowane do zasilania metodą PoE dołączają do kabla zasilającego pewną ściśle określoną rezystancję, która wynosi około 25 kΩ. Na podstawie dokładnego pomiaru tej rezystancji każde z urządzeń można zakwalifikować do jednej z czterech klas, które różnią się wartością pobieranej mocy. Jeśli zmierzona wartość rezystancji nie mieści się w ściśle określonych granicach, oznacza to, że urządzenie podłączone do końca kabla sieciowego nie jest przystosowane do zasilania metodą PoE i energia zasilająca w ogóle nie zostanie dostarczona.
Rys. 3. Wykres ilustrujący etapy realizacji metody PoE
Na etapie rozruchu urządzenie zasilające PSE stopniowo zwiększa napięcie przykładane do kabla sieciowego. Zapobiega to przepływowi prądów rozruchowych o dużej wartości, a ponadto pozwala na łagodne uruchomienie przetwornicy i ustabilizowanie napięcia zasilającego na wymaganym poziomie.
Kolejny, ostatni etap polega na ciągłym dostarczaniu energii zasilającej do urządzenia peryferyjnego PD z zachowaniem limitu mocy ustalonego na etapie klasyfikacji. Wzrost poboru mocy powyżej ustalonej wartości oznacza awarię urządzenia peryferyjnego PD. Spadek poboru mocy poniżej pewnej wartości oznacza odłączenie urządzenia peryferyjnego PD. W obu przypadkach urządzenie zasilające RSE zareaguje odłączeniem zasilania.
Wszystkie opisane etapy działania urządzeń zasilanych metodą PoE są przedstawione na rys. 3.
Opisany mechanizm działa w pierwszej, fizycznej warstwie sieci Ethernet. Łatwo zauważyć, że jest to dość prosty mechanizm, który w trudniejszych przypadkach może zawieść. Na przykład urządzenie PSE może wyłączyć zasilanie, gdy urządzenie peryferyjne PD przejdzie w stan wyczekiwania, co byłoby oczywistym błędem. Znana jest również bardziej skomplikowana, doskonalsza procedura klasyfikacji urządzeń peryferyjnych zasilanych metodą PoE, realizowana w pierwszej i drugiej warstwie sieciowej. W tej metodzie urządzenia zasilające PSE i urządzenia peryferyjne PD wymieniają między sobą dane cyfrowe pozwalające na bardziej precyzyjne ustalenie parametrów zasilania. Szczegółowy opis tej metody negocjacji wykracza poza zakres niniejszego artykułu. Ta klasa urządzeń jest określana w literaturze jako PoE+ i jest warta uwagi, gdyż technologia PoE stale się rozwija, pojawiają się jej nowe odmiany, takie jak hPoE, konstruktorzy sprzętu dążą do przekazania jak największej mocy zasilającej do urządzeń peryferyjnych bez konieczności modyfikacji okablowania. W literaturze można spotkać wzmianki o próbach przekazywania mocy rzędu 60 W przy napięciu 48 V, co umożliwia zasilanie kontrolerów drzwiowych i zwór elektromagnetycznych w systemach kontroli dostępu, a także ciężkich kamer szybkoobrotowych wyposażonych w grzałki i oświetlacze IR w systemach monitoringu wizyjnego. Zakres zastosowań metody PoE stale się rozszerza, nic więc dziwnego, że ulega ona ciągłym modyfikacjom. Praktyczne aspekty wykorzystania tej metody zostaną omówione w kolejnej części artykułu.
Andrzej Walczyk
Zabezpieczenia 6/2011
Przypisy
- Podział na warstwy jest zgodny z modelem OSI ISO sieci teleinformatycznej.
- Zainteresowanych odsyłam do strony http://www.eetimes.com/design/analog-design/4010400/Power-over-Ethernet-...