Power-over-Ethernet (PoE)

IEEE 802.af / IEEE 802.3at / IEEE 802.3bt

Power-over-Ethernet sind IEEE-Standards und Verfahren, um Endgeräte in einem Netzwerk über das Netzwerkkabel mit Strom zu versorgen.
Mit Power-over-Ethernet erfolgt die Stromversorgung eines Endgeräts über das vorhandene Twisted-Pair-Kabel und die RJ45-Steckverbindungen durch eine netzseitige Ethernet-Schnittstelle. Mit anderen Worten, es werden Daten und der Strom zur Energieversorgung gemeinsam über ein Kabel zum Endgerät übertragen. Das speisende Gerät ist zum Beispiel ein Switch.

• Ethernet-Grundlagen
• Twisted-Pair-Kabel
• RJ45-Steckverbindung

Anwendungen

Die Stromversorgung von Endgeräten in der Netzwerktechnik liegt typischerweise im Einflussbereich der Hersteller der Endgeräte. Die lösen die Stromversorgung über interne Netzteile, oder bei Geräten mit geringen Leistungen über Steckernetzteile. Das bedeutet, neben jeder Netzwerk-Anschlussdose muss sich auch mindestens eine 230V-Steckdose befinden. Mit Power-over-Ethernet (PoE) entfallen Stromanschluss und Steckernetzteil am Endgerät.

Typische PoE-Endgeräte bzw. Verbraucher:

• Wireless Access Points (WAP)
• einfache IP-Kameras
• IP-Telefone
• Geräte zur Zeiterfassung und Zugangskontrolle

Zukünftig denkbare PoE-Verbraucher:

• schwenkbare IP-Kameras (mit Motoren)
• Thin-Clients
• Monitore
• Lampen (mit integriertem WAP)

Vorteile durch Power-over-Ethernet

• Geringerer Platzbedarf: Externe Netzteil sind meist klobig und verbrauchen zusammen mit der Steckdose unnötig Platz.
• Sinkende Installationskosten: Es können unnötige Kabelkanäle, -stränge oder -bündel vermieden werden. Verbraucher müssen nicht mehr in Steckdosennähe platziert werden.
• Energieversorgung: Bei einem Stromausfall kann die Stromversorgung der Geräte zentral gesteuert und sichergestellt werden. Zum Beispiel durch eine USV am Switch.

Übersicht: Standards für Power-over-Ethernet (PoE)

• IEEE 802.3af (PoE) liefert 15 W Ausgangsleistung bzw. bis zu 12,95 W am Endgerät.
• IEEE 802.3at (PoE+) liefert 30 W Ausgangsleistung bzw. bis zu 25,5 W am Endgerät.
• IEEE 802.3bt (4PPoE) liefert 90 W Ausgangsleistung bzw. bis zu 71,3 W am Endgerät.
• IEEE 802.3bu (PoDL) für Single-Pair-Ethernet

In den IEEE-Standards für Power-over-Ethernet ist die Energiequelle (Power Sourcing Equipment, PSE) definiert und wie viel Leistung sie maximal ins Netzwerk einspeisen darf. Außerdem ist das Endgerät (Powered Device, PD) definiert und wie viel Leistung dort ankommen darf bzw. muss.

Leistungsklassen

Mit den Funktionen der Endgeräte nimmt auch deren Energiebedarf zu, weshalb es mehrere Standards gibt, die unterschiedliche nutzbare Leistung bereitstellen. Hierfür gibt es standardisierte Leistungsklassen.

Im Einschaltmoment liegt die Spannung bei > 42 Volt. Im Normal-Betrieb liegt die Spannung im Bereich von 36 bis 57 Volt.

Varianten der Energieeinspeisung in das Kabel

Je nach Ethernet-Standard ergeben sich Unterschiede bei der Energieeinspeisung in das Kabel.

• Mode A, Phantom-Speisung oder Fern-Speisung: Die Stromübertragung erfolgt auf den datenführenden Adernpaaren.
• Mode B, Spare-Pairs-Speisung: Die Stromübertragung erfolgt auf den ungenutzten Adernpaaren.
• 4-pair Mode: Der Strom wird gleichzeitig über die bei Mode A und Mode B verwendeten Adernpaare übertragen.

Hinweis: Weil die Polarität nicht festgelegt ist und bei einem Cross-over-Kabel wiederum vertauscht werden kann, erkennt eine Eingangsbeschaltung im Endgerät die Polarität.

Belegung der RJ45-Steckverbindung je nach Speisung

Varianten der Energieversorgung bzw. Energiequelle

Der Standard IEEE 802.3af beschreibt einen Verbraucher, das Powered Device (PD), und die Stromquelle, das Power Source Equipment (PSE).

• Endspan-Verfahren: Die Energieversorgung erfolgt direkt durch eine zentrale Stromquelle. Zum Beispiel durch einen PoE-fähigen Switch.
• Midspan-Verfahren: Die Energieversorgung erfolgt über ein zwischengeschaltetes bzw. eingeschleiftes Netzteil. Zum Beispiel durch einen PoE-Injektor oder PoE-Splitter.

Endspan-Verfahren: Energieversorgung mit einem PoE-fähigen Switch

Beim Endspan-Verfahren ist die Stromquelle (Power Source Equipment, PSE) in der Regel ein PoE-fähiger Switch, der aus seinem Netzteil sich selber und die angeschlossenen PoE-Endgeräte speist.

Hinweis: In der Regel gibt es eine Begrenzung der PoE-Gesamtleistung in der Stromquelle. Das bedeutet, nicht an allen Ports ist die volle Stromentnahme gleichzeitig möglich. Deshalb muss man immer die Leistungsaufnahme und den Stromverbrauch der einzelnen PoE-Endgeräte beachten und ggf. nachmessen. Außerdem muss die tatsächliche Leistungsaufnahme mit der möglichen Nennleistung der Stromquelle abgeglichen werden.

Midspan-Verfahren: Energieversorgung mit einem PoE-Injektor

Wenn man einzelne PoE-Endgeräte mit Strom versorgen will, dann braucht man nicht gleich einen PoE-fähigen Switch. Es reicht dann auch ein einfacher Power-Injektor. Der wird in das Netzwerkkabel vom Switch und dem abgehenden Netzwerkkabel zum Endgerät geschaltet.

Wenn das zu versorgende Endgerät kein Power-over-Ethernet unterstützt, kann der Strom mit einem PoE-Splitter vom Netzwerkkabel getrennt werden, um das Endgerät auf herkömmlichem Weg mit Strom zu versorgen.

Die Energieversorgung mit Injektor und Splitter wirkt wie eine Bastelllösung, weshalb das auch nur in kleinen Netzwerken mit einzelnen Geräten sinnvoll ist. Beispielsweise auch, um Power-over-Ethernet zu testen. Sobald man mehrere Power-over-Ethernet-Endgeräte hat, aber noch keinen PoE-fähigen Switch ist ein Power Hub sinnvoll, der beim Switch installiert sein sollte. Darüberhinaus sollte man einen PoE-fähigen Switch bevorzugen. Es gibt bereits PoE-Switche mit 8 Ports zu einem bezahlbaren Preis. Der Vorteil ist ein geringerer Verkabelungsaufwand und weniger Fehlerquellen.

Mode B: Spare-Pairs-Verfahren

Beim Spare-Pairs-Verfahren verläuft die Übertragung von Strom und Daten über voneinander getrennte Adernpaare. Bei den Ethernet-Standards 10Base-T und 100Base-TX werden nur die Adernpaare 1/2 und 3/6 für die Datenübertragung verwendet. Die beiden unbenutzten Adernpaare 4/5 und 7/8 können im Rahmen für das Spare-Pairs-Verfahren für die Stromversorgung benutzt werden.

Mode A: Phantom-Speisung

Bei der Phantom-Speisung werden die datenführenden Adern im Kabel auch für die Stromversorgung verwendet. Dabei wird das Datensignal mit dem Strom für die Stromversorgung überlagert. Das Power-Device muss die Entkopplung übernehmen, weshalb wichtig ist, dass auch nur PoE-Endgeräte eine PoE-Speisung erhalten.

Hinweis: Wenn alle Adernpaare eines Netzwerkkabels für die Datenübertragung verwendet werden, dann ist man zwangsläufig auf die Phantom-Speisung angewiesen.

IEEE 802.3af / Power-over-Ethernet (PoE)

Der Standard IEEE 802.3af gilt nur für 10Base-T (Ethernet) und 100Base-TX (Fast Ethernet). Hier gilt die Besonderheit, dass im verwendeten Twisted-Pair-Kabel nur die Adernpaare 1/2 und 3/6 für die Datenübertragung genutzt werden und die anderen beiden Adernpaare unbenutzt sind. Deshalb gibt es zwei Varianten der Einspeisung in das Netzwerkkabel.

• Spare-Pairs-Speisung: Es werden nur die beiden freien Adernpaare für die Energieversorgung genutzt. Die datenführenden Adernpaare sind davon ausgenommen.
• Phantom-Speisung: Alternativ können die mit der Datenübertragung belegten Adernpaare mit der Stromversorgung überlagert werden.

Weil RJ45-Stecker und Twisted-Pair-Kabel nicht für Ströme im Ampere-Bereich ausgelegt sind, wird eine Spannung zwischen 44 V und 57 Volt, im Mittel 48 Volt, verwendet, was den Anforderungen an eine Schutzkleinspannung entspricht. Je Adernpaar ist ein Strom von maximal 175 mA vorgesehen. Bei zwei Adernpaaren ist das in Summe ein Strom von 350 mA. Beim Einschalten sind kurzzeitig 400 mA erlaubt. Die maximale Leistung beträgt 15,4 Watt pro Leitung.
Durch die relativ hohe Spannung bleibt die Wärmeentwicklung in den Kabeln und an den Übergängen der Steckverbindung gering. Durch das Twisted-Pair-Kabel und die RJ45-Steckverbindungen kommt es trotzdem zu Leistungsverlusten. Am Ende einer 100 Meter langen Leitung bleiben von eingespeisten 15,4 Watt etwa 12,95 Watt nutzbare Leistung übrig.
Bei einer maximalen Entnahmeleistung von 12,95 Watt eignet sich diese Technik hervorragend um Webcams, Print-Server, IP-Telefone und Wireless-Access-Points (WAP für WLAN) mit Strom zu versorgen.

IEEE 802.at / Power-over-Ethernet Plus (PoE+ / PoE Plus)

Der Standard IEEE 802.at wird auch Power-over-Ethernet Plus, kurz PoE+ oder PoE Plus, genannt. Er wurde entwickelt, damit Power-over-Ethernet auch für Gigabit-Ethernet mit 1 GBit/s über Twisted-Pair-Kabel (1000GBase-T) möglich ist. Gleichzeitig ist die Leistung fast doppelt so hoch.
Weil Gigabit-Ethernet alle 4 Adernpaare des Twisted-Pair-Kabels für die Datenübertragung nutzt, kann die Stromversorgung nur über die Phantom-Speisung erfolgen.
IEEE 802.at ermöglicht eine Leistung bis 25,5 Watt pro Port. Dabei wird die Minimalspannung von 44 auf 50 Volt erhöht. Der maximale Strom wurde von 350 mA auf 600 mA erhöht. Bei diesen hohen Leistungen wird mindestens ein Cat-5e- oder Cat-6-Kabel empfohlen. Das hat einen geringeren Widerstand.
Aber, die 25,5 Watt Leistung steht dem Endgerät nicht direkt zur Verfügung. Man muss noch die Verluste zwischen der speisenden Stromquelle und dem Endgerät abziehen. Man spricht von einem Wirkungsgrad von etwa 85%, was einer Leistung am Ende des Kabels von etwa 21,90 Watt entspricht.

IEEE 802.3bt / Four-Pair-Power-over-Ethernet (4PPoE / PoE++)

Den Standard IEEE 802.3bt bezeichnet man als Four-Pair-Power-over-Ethernet. Die Kurzschreibweise ist 4PPoE oder PoE++.

IEEE 802.3bt ermöglicht die Versorgung von Endgeräten mit bis zu 60 bzw. 90 W pro Port über vier Adernpaare parallel zum Datenverkehr. Die Leistung der Stromquelle kommt dann aber nur mit 51,0 bzw. 71,3 W am Endgerät an. Das reicht zur Versorgung von Monitoren, schwenkbaren Kameras und Thin-Clients aus. Man könnte einen ganzen Arbeitsplatz komplett mit Strom versorgen. Vom Desktop-PC, Monitor, Telefon und der Beleuchtung. Hier würde zur Komplettversorgung nur ein Netzwerkkabel notwendig sein. Denkbar sind weitere Anwendungen im Bereich der Beleuchtungstechnik, die aus dem Netzwerk gespeist und auch gesteuert wird.
Die RJ45-Steckverbindung wird wie der USB in der Computertechnik zum global normierten Steckverbinder für die elektrische Energieversorgung für Endgeräte im Bereich der Netzwerktechnik.

Der Standard IEEE 802.3bt ist konform mit den SELV-Kriterien (Safety Extra Low Voltage) der EN 60950 für Schutzkleinspannungen und der Limited Power Source der EN 60950-1.
Die EN 50174 berücksichtigt bei den Vorgaben für die technische Spezifikation sowie für die Planung und Bewertung der Verkabelung zur Fernspeisung bereits IEEE 802.3bt.

IEEE 802.3bu / PoDL - Power over Data Line

IEEE 802.3bu ist ein Standard zur Energieversorgung von Geräten über eine Single-Pair-Ethernet-Verbindung mit 100Base-T1 und 1000Base-T1. Dieser Standard ist nicht kompatibel zu den PoE-Standards IEEE 802.3af, 802.3at oder 802.3bt. Single-Pair-Ethernet kommt mit IEEE 802.3bu beispielsweise im Automotive- oder Feldbus-Bereich zum Einsatz.

PoE-Erkennung

Vor der Einspeisung durch die Stromquelle muss diese zuerst eine Klassifizierung des Endgeräts vornehmen. Auf diese Weise vermeidet man Schäden an nicht PoE-fähigen Endgeräten. Hierzu ermittelt die Stromquelle mit einem Klassifizierungsstrom und einer geringen Spannung, ob das Endgerät überhaupt PoE-fähig ist und welcher Klasse es angehört. Je nach Endgerät ist also ein Informationsaustausch (Handshake-Verfahren) zwischen Stromquelle und Endgerät möglich, bei dem das Endgerät die PD-Klasse mitteilt.

Um im ersten Schritt PoE-taugliche Endgeräte von untauglichen Endgeräten zu unterscheiden, kommt in der PoE-Stromquelle ein Verfahren mit dem Namen Resistive Power Directory zum Einsatz. Ein PoE-fähiges Endgerät verfügt hierzu über eine Eingangsschaltung mit passiven Bauteile. Die Stromquelle prüft mit einer Messschaltung den Innenwiderstand des Verbrauchers. Liegt er zwischen 19 und 26,5 kOhm und hat eine Kapazität von maximal 10 µF wird die Energieversorgung aktiviert. In einer zweiten Erkennungsphase wird die Leistungsklasse ermittelt.
Power-over-Ethernet-Endgeräte müssen in jedem Fall beide Verfahren zur Stromaufnahme beherrschen. Der Energiequelle steht es frei, welches Verfahren es unterstützt. Die gleichzeitige Nutzung beider Verfahren ist jedoch untersagt.

Hinweis: Beim Einsatz von Power-over-Ethernet in einem Netzwerk ist Vorsicht geboten. Mit der PoE-Erkennung sollten vor dem Einschalten der PoE-Stromversorgung alle angeschlossenen Endgeräte auf PoE-Unterstützung überprüft werden. Aber, um Schäden an nicht PoE-fähigen Endgeräten zu vermeiden, sollte man nur die Leitungen mit PoE-Versorgung beschalten, an denen PoE-fähige Endgeräte angeschlossen sind.

Warum stört der zusätzlich übertragene Gleichstrom die Datenübertragung von Ethernet nicht?

Bei Ethernet werden die Daten als differenzielles Signal mit gegensätzlicher Polarität auf einer Doppelader pro Richtung übertragen. Dabei speist der Sender auf jeder Seite des Kabel in eine Ader eine positive Spannung und in die zweite Ader eine negative Spannung ein. Am anderen Ende der Leitung subtrahiert ein differenzieller Empfänger die beiden Spannung voneinander. Das heißt, er berechnet die Differenz der beiden Signale, um die gewünschte Signalspannung zu ermitteln, aus der sich das Datensignal ableiten lässt. Daher ist es möglich, dass differenzielle Signale, die mit gegensätzlicher Polarität in die beiden Leiter eines Adernpaares eingespeist werden, am anderen Ende fehlerfrei empfangen werden.

Wenn man jetzt das datenführende Signal zur Stromversorgung nutzen will, dann muss man, vereinfacht gesagt, die Spannung des Signals auf das Potential anheben, was man zur Stromversorgung benötigt. Dabei muss man nur beachten, dass der Signalempfänger mit der höheren Spannung auch umgehen kann. Wenn nicht, dann wird er keine Daten aus den Signale lesen können oder, im schlimmsten Fall, kaputt gehen. Deshalb ist es wichtig, dass die PoE-Stromquelle ein nicht PoE-fähiges Endgerät erkennt.

Für die Stromversorgung wird von der Stromquelle an allen Adernpaaren eine Gleichtaktspannung angelegt. Wichtig ist hier, dass der Gleichstromwiderstand der Adern in einem Paar weitgehend gleich oder symmetrisch ist. Aber, der Leitungswiderstand steigt mit der Länge des Leiters und der Abnahme des Querschnitts.
Die Widerstandsdifferenzen in den Adern führen zu einer Gleichstromwiderstandsunsymmetrie. Endgeräte können in der Regel eine gewisse Unsymmetrie tolerieren. Aber, der Transformator in der Stromquelle kann durch die Unsymmetrie in die Sättigung geraten. Das stört dann die Übertragung der Datensignale und führt zu Bitfehlern.

Diese Unsymmetrien sind meistens die Folge schlechter Installationsqualität bei Umgang mit den Kabeln und beim Auflegen an den Kabelenden. Desweiteren wurden oft die Mindestbiegeradien nicht eingehalten.
Um die PoE-Fähigkeit eines bestimmten Twisted-Pair-Kabels beurteilen zu können, kann man mit vielen Kabeltestern den Schleifenwiderstand und die Widerstandsunsymmetrie messen.

Vorraussetzungen für die Stromversorgung mit Power-over-Ethernet

Nachdem sich Ethernet-basierte Netzwerke auch im Industriebereich und in der Gebäudetechnik etabliert haben, wurden Teile der Normen DIN und EN 50174, sowie VDE 0800-174, überarbeitet, und dabei zukünftige Verlegearten, wie zum Beispiel für Power-over-Ethernet, berücksichtigt.

Durch die Stromversorgung fließt eine höhere Stromstärke durch das Kabel. Und wo mehr Strom fließt, wird durch den Leitungswiderstand mehr Wärme erzeugt. Wärmere Kabel dämpfen aber auch die Datenübertragung mehr. Das kann im schlechtesten Fall dazu führen, dass nicht mehr genug vom Signal beim Empfänger ankommt und die Datenübertragung nicht mehr funktioniert. Bei der Planung einer PoE-tauglichen LAN-Verkabelung mit Twisted-Pair-Kabel muss das berücksichtigt werden.

• Für die Stromversorgung über Twisted-Pair-Kabel muss eine geeignete Netzplanung erstellt werden.
• Um Personenschäden zu verhindern, muss eine Schutzkleinspannung eingehalten werden.

Datenverteiler müssen als Elektroverteiler angesehen und ausreichend umlüftet sein. Die Datenverkabelung muss wie die Elektroverkabelung angemessen verlegt werden.

• Temperaturerhöhung: Kabel können sich durch den höheren Stromfluss erwärmen.
• Widerstandsunsymmetrie: Mindestbiegeradien oder die richtige Verdrillung von Adernpaaren spielt eine immer größere Rolle.
• Dämpfung: Mit der Länge und mit jedem zusätzlichen Kabel verschlechtert sich die Übertragungsleistung des Kabels. Daher ist die Wahl des Patchkabels und die Begrenzung der Kabel wichtig (maximal 24 Kabel).
• Verschleiß der Steckverbindung: Unter Last kann das Abziehen eines Patchkabels im Kontaktbereich zur Funkenbildung führen und eine Abbrandstellen verursachen. Die Steckverbindung (Stecker und Buchse) kann dabei schneller verschleißen und auch Schaden nehmen. Hierbei gilt es zu berücksichtigen, dass mit höheren Einschaltströmen zu rechnen ist und diese mit dem Stromverbrauch auch steigen.

Um Probleme durch zu lange Leitungen zu vermeiden, empfiehlt es sich, nur Twisted-Pair-Kabel der Kategorie 7, 7A oder besser zu verwenden.

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