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4PPoE richtig integrieren

Fallstricke und Erfolgsfaktoren bei der strukturierten Verkabelung

Die Entwicklung des Power over Ethernet (PoE) ist ein Erfolg auf ganzer Linie, denn Datendienste und Energieversorgung über ein einziges Kabel abzuwickeln, bringt zahlreiche Vorteile. Wertvolle Ressourcen können durch den Verzicht auf eine eigene Stromzuleitung eingespart werden – das ist nicht nur gut für die Umwelt, sondern wirkt sich natürlich auch positiv auf die Kosten aus. Das zahlt sich besonders für die weitere Entwicklung des IoT (Internet of Things) und des IIoT (Industrial Internet of Things) aus, denn die Anzahl der netzwerkfähigen Geräte steigt immer weiter und damit auch die Einsatzmöglichkeiten für Power over Ethernet.

Der neueste Standard 802.3bt (4PPoE) ermöglicht eine noch größere Leistungssteigerung auf bis zu 90W. Dadurch wird PoE auch für energieintensive Endgeräte wie Notebooks, Fernseher oder Rechner interessant. Allerdings gilt es bei der Verkabelung einige Fallstricke zu beachten - die Wahl des Patchkabels kann dabei tatsächlich zum berühmten „Zünglein an der Waage“ werden.

PoE - Die Erfolgsgeschichte

Power over Ethernet (PoE) ist ein Verfahren zur Stromversorgung von netzwerkfähigen Geräten über ein 4-paariges Ethernet-Kabel. Bis dato wurden die achtadrigen Kupferkabel ausschließlich zur Datenübertragung genutzt. Im Jahr 2003 erlebte das Kabel allerdings einen neuen Lebensabschnitt: Durch die Verabschiedung des ersten PoE-Standards IEEE802.3af konnte von da an die Bereitstellung von Datendiensten und Energieversorgung über ein einziges Kabel erfolgen. Dieser Vorteil verhalf schon dem Universal Serial Bus (USB) zu enormen Wachstumsraten. Zugleich wurde dem Anspruch einer weltweit genutzten physikalischen Ebene Genüge getan.

2009 gab es dann einen neuen Standard, die zweite Stufe PoE+ gemäß IEEE802.3at. Der Vorteil gegenüber des ersten PoE-Standards lag vor allem in der Verdopplung der verfügbaren Leistung für das Endgerät.

2018 wurde dann der neueste, immer noch aktuelle PoE-Standard als IEEE802.3bt definiert. Er wird auch als 4 Pair Power over Ethernet (4PPoE) bezeichnet. Schon der Name gibt den Hinweis darauf, dass hier das wichtigste Merkmal die 4 Adernpaare zur Stromversorgung sind.

IEEE-StandardPoE (802.3af- 2003)PoE Plus (802.3at- 2009)4-paar PoE (802.3bt-2018)
Ausgangsspannung in V (DC) 36–57 42,5–57 42,5–57
Ausgangsstrom Betrieb in mA (DC) 350 600 2 × 860
Leistung der (PSE)- Versorgung in W max. 15,4 max. 30 45; 60; 75; 90
Leistung am Endgerät (PD) in W max. 12,95 max. 25,5 max. 40; 51; 62; 72
PSE-Klasse Klasse 1: 4W
Klasse 2: 7W
Klasse 3: 15,4W
Klasse 4: 30W Klasse 5: 45W
Klasse 6: 60W
Klasse 7: 75W
Klasse 8: 90W
Endgeräte (PD-Type) 1 2 3 und 4
Benutzte Adernpaare 2 2 4

PoE - Die Vorteile

Der Standard unterscheidet zwischen Energieversorgern (Power Source Equipment = PSE) und Energieverbrauchern (Powered Devices = PD). Das PSE stellt dabei eine intelligente Schnittstelle zur Verfügung, die weit mehr kann als „Strom an – Strom aus“ und darüber hinaus für Ethernetkomponenten eine weltweite Gültigkeit besitzt. PoE ist damit ein einheitlicher Standard für eine Stromversorgung mit RJ45.

ALLE VORTEILE AUF EINEN BLICK

  • Die Anzahl der Anschlusskabel für Powered Devices wird reduziert.
  • Die Kosten für elektrische Anschlüsse werden reduziert.
  • Die Ausstellung der Powered Devices ist flexibel.
  • Poe ist ein weltweiter Standard für eine Stromversorgung mit RJ45.
  • Zuverlässigkeit: Wird das PSE per USV abgesichert, sind keine getrennten Stromkreise nötig, denn die Powered Devices sind gleichzeitig mit abgesichert.
  • Green IT – PoE ist ein Stromsparer, denn es wird nur so viel Strom wie nötig verbraucht.

Durch die maximale Versorgungsleistung von 90W bei 4PPoE können mittlerweile auch Endgeräte mit höherem Energiebedarf ohne zusätzlichen Stromanschluss betrieben werden.

Schade ist, dass es ähnlich wie bei den Vorreitern aus der seriellen Welt (USB oder Firewire), definierte Grenzen für die maximale Energieversorgung gibt, die durch die PoE-Standards gesetzt werden. Tröstlich ist nur, dass auch sämtliche kategorisierten Komponenten (Cat.5/6/6A/7/7A) der passiven Übertragungsstrecke, Steckverbinder und Kabel ebenso wenig in der Lage sind, unbegrenzt Strom zu leiten.

PoE - Fallstricke bei der Gebäudeverkabelung

Die maximale Länge eines Übertragungskanals der strukturierten Verkabelung liegt bei 100 m. Dies gilt sowohl für die Datenübertragung als auch für die Stromversorgung. Die Eignung einer Fremdspeisung gemäß PoE-Standard erfordert die ganzheitliche Betrachtung der Übertragungsstrecke entsprechend der Kategorien und Linkklassen.

Installationskabel haben je nach Kategorie Cat.5, Cat.6/6A oder Cat.7/7A und Konstruktion unterschiedliche Kupferleiter mit Drahtstärken von 0,51mm (AWG 24) bis 0,64mm (AWG 22). Marktübliche Patchkabel weisen mit Querschnitten von 0,25mm2 (AWG30) bis 0,4mm2 (AWG26/7) noch weniger Kupferinhalt auf, was der Steckerkonfektion und der Flexibilität des Kabelmaterials geschuldet ist.

AUSZUG AUS DER AWG-TABELLE (AMERICAN WIRE GAUGE)

AWG-WertDraht-Durchmesser in mmQuerschnitt in mm2Ohm pro km bei 20° C
16 1,290 1,000 13,6
18 1,024 0,824 21,6
20 0,813 0,519 33,2
21 0,724 0,411 41,9
22 0,643 0,324 53,2
23 0,575 0,259 66,6
24 0,511 0,205 84,2
25 0,455 0,162 106
26 0,404 0,128 135
27 0,361 0,102 169
28 0,320 0,081 221
30 0,254 0,051 357
32 0,203 0,033 559
34 0,160 0,0201 857
35 0,142 0,0159 1080

Der Leiterdurchmesser bestimmt bei der Datenübertragung die Einfügedämpfung mit und definiert auch den Gleichstrom-Leiterwiderstand. Dieser Leitungswiderstand sorgt bei zunehmender elektrischer Leistung in Abhängigkeit vom Strom für Verlustleistung, die in Wärme umgewandelt wird.

Der definierte Schleifenwiderstand (2-facher Leitungswiderstand) eines Permanent Links beträgt laut ISO/IEC11801 maximal 21 Ω, und ist dafür verantwortlich, dass der Verlust der elektrischen Energie in Abhängigkeit der Kabellänge in Wärme umgesetzt wird.

AUSZUG AUS DER ISO/IEC11801

Maximaler Schleifen-Widerstand Ω
Class A
530
Class B
140
Class C
34
Class D
21
Class E
21
Class EA
21
Class F
21
Class FA
21

ACHTUNG:

Bereits bei der Planung der Gebäudeverkabelung ist es notwendig, einen geeigneten Leiterdurchmesser vorzugeben, geschlossene Systeme zur Verlegung der Kabel zu vermeiden und vor allem bei der Installation darauf zu achten, keine Wärmenester durch dicke Kabelbündel zu bauen.

Die elektrischen Parameter eines z.B. Cat.7 Verlegekabels mit AWG23 Leiterdurchmesser werden bei 20°C Umgebungstemperatur definiert, die sich bei Erwärmung auf den gesamten Permanent Link negativ auswirken können, da bei einer höheren Umgebungstemperatur durch verschlechterte elektrische Eigenschaften sogar ein Verlust der Linkklasse droht.

Die Beurteilung bzw. Abnahme einer strukturierten Verkabelung sollte nach der Installation

mit einem Zertifizierungsmessgerät der neuesten Generation erfolgen, welches ebenso die Eignung einer Fremdspeisung bei der Messung berücksichtigt und gewährleistet. Lesen Sie hierzu auch unseren Beitrag Fehlersuche in Kupferverkabelungen.

Das Patchkabel – ein entscheidender Erfolgsfaktor

Generell nicht zu empfehlen für Anwendungen mit hoher Packungsdichte ist die Einführung von Rangierkabeln mit dünneren Kabeldurchmessern (AWG30).

Zu beachten ist: Je mehr Kupfer im Leiter verwendet wird, desto besser ist die Gleichstromleitung.

Jedoch ist vor allem der gesamte Link, sprich die Linklänge (100 m max.) und der Schleifenwiderstand (25 Ω max.) entscheidend.

AUSZUG AUS DER EN50173

Grenzwerte des Gleichstrom-Schleifenwiderstands für eine Übertragungsstrecke

Klasse
Größter Gleichstrom-Schleifenwiderstand Ω
Class A
560,0
Class B
170,0
Class C
40,0
Class D
25,0
Class E
25,0
Class EA
25,0
Class F
25,0
Class FA
25,0

ACHTUNG:

Bei Patchkabeln spielt die Gleichstrom-Leiterqualität eine entscheidende Rolle, wenn 4PPoE bis zu 90W fehlerfrei und nachhaltig garantiert werden soll.

Ein schlechtes Beispiel zur Warnung

VerkabelungAWG-WertLängeGleichstrom Leiterwiderstand
Patchkabel A 30/7 15 m 5,1 Ω
Patchkabel B 27/7 20 m 3,7 Ω
Permanent Link 23/1 60 m 4,98 Ω
Gesamter Channel 95 m 13,78 Ω

Für die gesamte Linklänge ergibt sich ein Leiterwiderstand von 13,78 Ω. Das bedeutet, der

Schleifenwiderstand (2-facher Leitungswiderstand) liegt bei 27,56 Ω. Das sind 10% über dem maximal erlaubten Wert von 25 Ω! Würde man nur die Abnahmemessung des Permanent Links mit 60m Leiterlänge AWG23 betrachten, käme man zu einem ganz anderen Ergebnis. Der Schleifenwiderstand beträgt hier 9,96Ω, was bei einem definierten Grenzwert von 21 Ω absolut im grünen Bereich liegt. Dieses Beispiel verdeutlicht, wie wichtig es ist, den gesamten Link zu betrachten.

Bei der Betrachtung der Gleichstromwiderstände ist von einer Leiterqualität „Bare Copper“ aus 100% Kupfer ausgegangen worden. Jede Verschlechterung der Leiterqualität führt unweigerlich zu einer weiteren Erhöhung der Gleichstromwiderstände und damit ebenso der Schleifenwiderstände.

FAZIT

High Speed Datenübertragung mit 10Gbit/s oder mehr plus 4PPoE Gleichstromversorgung mit 90W Leistungsbudget sind weiterhin eine Herausforderung, die so Einiges an Fachkenntnissen erfordern, denn sie stellen völlig unterschiedliche Anforderungen an die elektrischen Parameter und Verkabelungsstrukturen. Nicht zu vergessen: Die finale Entscheidung über PASS oder FAIL kann durchaus in der Wahl der Patchkabel liegen! 

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