Пришло время подготовиться к PoE-мощности в 100 Вт

С каждым годом интерес к проектам умного здания и умного дома только усиливается. Как правило, роль одной из основополагающих технологий в данных проектах отводится Power over Ethernet (PoE, обеспечение электропитания через линию передачи данных). PoE позволяет по единому Ethernet-кабелю передавать как данные, так и электроэнергию на умные IP-устройства, такие как цифровые вывески, камеры безопасности, беспроводные точки доступа, аудио- и видеооборудование. При этом технология PoE также предлагает несколько преимуществ, которые положительно сказываются на экономии времени и денег.

История стандартов PoE

Стандарты PoE описывают требования к взаимодействию между оборудованием источника питания (PSE, Power Supply Equipment), которое обеспечивает подачу электропитания на линию, и устройствами питания (PDs, Power Devices), которые получают питание от PSE. Технология PoE существует с начала 2000-х годов, поэтому большинство пользователей знают о возможностях и преимуществах данной технологии.

Первая версия PoE обеспечивала выдаваемую мощность PSE до 15,4 Вт, и соответствующим сетевым оборудованием фактически обеспечивалось питание устройств мощностью до 13 Вт. Применялось оно в основном для питания и подключения VoIP-телефонов, беспроводных точек доступа и IP-камер наблюдения.

По мере того как использование PoE стало широко распространённым, например, для беспроводных точек доступа IEEE 802.11, устройствам с PoE-питанием добавили больше функций, которые просто требуют больше энергии. В результате обновлённый стандарт IEEE 802.3at-2009 увеличил мощность PSE до 30 Вт, чтобы обеспечить питание устройств до 25,5 Вт по двум витым парам Ethernet-кабеля.

Сегодня рынок готовится к четырёхпарному PoE – это стандарт IEEE 802.3bt, который предлагает два дополнительных уровня мощности:

1. минимум 60 Вт мощности PSE для каждого порта PoE (до 51 Вт для каждого устройства);
2. минимум 90 Вт мощности PSE для каждого порта PoE (до 71 Вт для каждого устройства).

Влияние PoE на структурированные кабельные системы

Ethernet-кабели рассчитаны на передачу данных не более чем на 100 м в условиях работы при комнатной температуре. Если температура кабеля по какой-либо причине повысится, его сопротивление и вносимые потери также увеличатся. Возможной причиной повышения температуры кабеля является проходящий через него ток, необходимый для питания PoE-устройств. По мере увеличения уровня мощности PoE растёт и величина тока, который проходит через кабель. В этой ситуации более высокие уровни тока увеличивают количество энергии, рассеиваемой в кабеле, и могут привести к проблемам с производительностью физической линии. Если кабели плотно упакованы в лотки и каналы или находятся в больших кабельных пучках, вероятность накопления тепла увеличивается ещё больше, ведь фактически нет возможности эффективно рассеивать тепло (рис. 1).

Когда кабели нагреваются, вносимые потери увеличиваются, создавая больше возможностей для простоя; если температура поднимается выше номинальной температуры кабеля, это также может привести к повреждению кабеля. Чтобы учесть увеличение вносимых потерь при повышении температуры, стандарт ANSI/TIA-568.2-D рекомендует уменьшить длину PoE-линии. Снижение расстояния позволяет линии удовлетворять тем же требованиям к производительности вносимых потерь, только на более короткой дистанции.

Контроль значения температуры кабеля необходим для поддержания низкого уровня вносимых потерь и снижения вероятности битовых ошибок (а также для предотвращения повреждения кабеля). Если осуществлять контроль по температурным параметрам линии и ограничивать их повышение, то можно получить несколько дополнительных преимуществ.

Не менее важными, чем кабель, являются соединения (например, коннекторы и разъёмы), которые мы используем в задачах PoE. При отключении устройства с PoE-соединением между контактами соединителя может возникнуть дуга (искра), если удалённое устройство активно потребляет питание. Пользователь при этом не находится в опасности, но дуга в зоне электрического контакта может вызвать проблемы с соединителем и дальнейшей работой линии, что сделает передачу данных невозможной.

В связи с этим, когда дело доходит до отключения коннектора под нагрузкой PoE, предлагается использовать соединители, соответствующие стандарту IEC 60512-99-001 «Соединители для электронной аппаратуры. Испытания и измерения. Часть 99-001. Схема испытаний для замыкания и размыкания соединителей под электрической нагрузкой. Испытание 99а. Соединители, используемые в кабелях связи с витой парой и удалённым питанием». Данная схема испытаний предназначена для замыкания и размыкания соединителей под электрической нагрузкой (рис. 2). Тест признаётся пройденным, если после 100 циклов и проходящем токе 600 мА на проводник изменение контактного сопротивления сохраняется < 20 мОм. Выбирая соединители для PoE-систем, соответствующие этим методам тестирования, вы можете быть спокойны, зная, что дуга не повредит его.

Обновлённая версия стандарта – IEC 60512-99-002 – в настоящее время находится в черновой форме. Первоначально требования изменения контактного сопротивления составляли < 20 мОм после 100 циклов при токе 1000 мА на проводник. Но окончательная версия будет иметь требования на изменение контактного сопротивления < 20 мОм после 100 циклов при 2000 мА на проводник.

Также есть дополнительный стандарт, который относится к соединителям, – IEC 60603-7. Разъёмы, изготовленные в соответствии с этим стандартом, обеспечат правильное сопряжение. Данный стандарт описывает конструктив, в частности, указания о том, где должен быть установлен контакт после подключения. Согласно этому стандарту контакт должен располагаться на радиусе прокалывающей пластины соединителя RJ-45 (рис. 2), а не в других местах, например, в верхней части. Точка электрического контакта на радиусе наряду с консольным контактом гнезда позволяет штекеру отсоединяться от гнезда вне зоны электрического контакта, гарантируя, что удаление штекера никоим образом не повредит линию передачи данных.

Ещё один важный документ – TSB-184-A. Это руководство по поддержке подачи питания по сбалансированным кабелям витой пары также было создано в дополнение к требованиям инфраструктуры ANSI/TIA-568. В нём описывается применение кабеля при подаче питания с использованием всех четырёх пар в кабеле, до 1000 мА на пару для поддержки максимальной мощности 100 Вт. По рекомендациям TSB-184-A подача PoE-питания может быть обеспечена через кабель категории 5e и выше без ущерба для производительности или функциональности.

Для достижения наилучшей производительности также рекомендуется:

• оставлять кабели размотанными, когда это возможно, чтобы облегчить лучшее рассеивание тепла, а если это невозможно, то следует использовать меньшие пучки;
• ограничивать количество кабелей в пучке в соответствии с документом TSB-184-A или руководящими принципами производителя для контроля потенциального повышения температуры и поддержания работоспособности кабеля;
• использовать четырёхпарные кабели категории 6А для новых установок PoE.

А как насчёт кабелей 28 AWG?

Патч-корды малого сечения 28 AWG могут использоваться в системах PoE, но рекомендации по передаваемой мощности могут быть разными. Компания Belden рекомендует использовать мощность 60 Вт или менее при максимальном количестве 12 кабелей в пучке. При этом не следует превышать длину 15 м, чтобы поддерживать сопротивление постоянного тока для канала ниже требования PoE в 25 Ом.

Номинальные характеристики кабелей LP и PoE

Подавляющее большинство современных приложений PoE-устройств потребляет мощность 60 Вт и ниже (тип PoE 3). Но требуемый уровень мощности растёт, и в будущем порог станет выше.

Чтобы нивелировать опасения по поводу повышения температуры кабеля при использовании PoE, Underwriters Laboratories Inc. (UL) ввела свою сертификацию по ограниченной мощности (Limited Power – LP) в конце 2015 года. Кабель LP – это тот, который сертифицирован UL на непревышение номинальной температуры оболочки при определённых условиях (после поправки на температуру окружающей среды +45°C), это означает, что надёжность материалов изоляции и оболочки будет сохранять свойства, когда кабель достигнет своей номинальной температуры. Это происходит за счёт изготовления кабеля из материалов, способных выдерживать более высокие температуры.

Существуют две ситуации, в которых может потребоваться кабель LP.

В этих случаях выбор кабеля с номинальным значением LP обеспечит безопасную работу без превышения температурных норм.

Решение Belden для передачи 100 Вт PoE

Итак, когда кабель может передавать данные на 100-метровое расстояние при более высоких температурах? Только когда он спроектирован и изготовлен для этого, и компания Belden выявила этот факт в ходе испытаний.

Для проверки температурных характеристик различные кабели Belden были помещены в специальную камеру для измерения вносимых потерь при изменении температуры. Данные были получены для каждого кабеля, измерения вносимых потерь регистрировались при изменении температуры.

Данные, полученные в результате этих испытаний, учитывали уровни вносимых потерь соединителя и патч-корда, чтобы определить максимальную длину типового канала с учётом вносимых потерь канала. Использованная модель представляет собой линию 100 м с начальной постоянной длиной канала 90 м и 10-метровым патч-кордом.

Предполагалось, что соединители и патч-корды используются в контролируемой среде (при комнатной температуре, с вносимыми потерями, которые всегда одинаковы). Предполагалось, что постоянные линии связи находятся при более высокой температуре +60°C (то же предположение использовалось в TSB-184-A, где температура окружающей среды составляет +45°C, а повышение температуры из-за тока PoE и обвязки кабеля составляет 15°C).

В ходе PoE-тестов было доказано, что кабель Belden 10GXS позволяет преодолевать расстояния до 100 м, сохраняя при этом обещанный уровень производительности (рис. 4). Он также имеет меньший диаметр для экономии места в кабельных лотках и использует барьерную технологию EquiBlock™ для достижения равномерного рассеивания теплового потока при сохранении производительности.

В паре с REVConnect® – новой системой соединителей Belden (рис. 5) – кабель 10GXS действительно может поддерживать все требования к производительности и надёжности, необходимые для передачи 100 Вт PoE.

Разработанная и испытанная на надёжность система соединителей REV-Connect соответствует самым современным требованиям:

Гнёзда и заглушки REVConnect прошли механическую обработку с проверкой надёжности электрической нагрузки. Как и ожидалось, они выдержали испытания, так как конструкция REV-Connect гарантировала, что любая электрическая дуга будет находиться в зоне включения/выключения штекера, а не непосредственно в зоне электрического контакта, как показано на рис. 2.

Когда метод испытаний IEC 60512-99-002 будет принят, он определит требования к работе с нагрузкой 2 А. Данный метод предназначен для того, чтобы установить отсутствие сопряжения соединения PoE с током PoE на одном проводнике. Метод включает в себя 100 циклов тестирования в различных условиях окружающей среды при сохранении электрического контактного сопротивления менее 20 мОм (IEC 60512-99-001 предназначен для схем PoE до типа 2). И если по какой-то причине разъём повреждён и не позволяет создать соединение, REVConnect даёт возможность быстро и легко удалить корпус и установить другой.

Планы развития 100 Вт PoE

По мере увеличения требований к питанию устройств с поддержкой IP-адресов будут расти и требования к сети и кабельной инфраструктуре. Кабели Belden 10GXS и система соединителей REVConnect полностью поддерживают требования к производительности и надёжности, необходимые для 100 Вт PoE – будущего Интернета вещей и цифровых зданий.

Belden также предлагает патч-корды 28 AWG категорий 6 и 6A, доступные во многих стандартных длинах с шагом в один фут (30,48 см). По сравнению с патч-кордом 24 AWG они обеспечивают уменьшение диаметра более чем на 50% и снижение веса кабеля на 40%. Они также соответствуют стандартам TIA в линиях длиной до 96 м.

На основе кабельной продукции Belden (рис. 6) возможно создать сетевую инфраструктуру, которая позволит осуществить быстрый переход на технологию PoE c поддержкой максимальной передаваемой мощности 100 Вт, а также подключить к сети высокопроизводительные Ethernet-устройства. ●

Перевод Сергея Воробьёва, 
сотрудника фирмы ПРОСОФТ 
Телефон: (495) 234-0636 
E-mail: info@prosoft.ru