Die Power-Over-Ethernet-Technik (PoE) versorgt VoIP-Telefone, WLAN-Router und IP-Kameras über die LAN-Verkabelung mit Strom und Daten. Dabei sind keine Änderungen an der bestehenden Infrastruktur erforderlich. Seit die internationale Norm IEEE802.3af eingeführt ist, steigt die Anzahl an PoE-Installationen weltweit enorm – bei den immer noch bestehenden proprietären Standards war das nicht möglich. Die Kosten für eine Stromversorgung für Ethernet-Anschlüsse gehen dank des Standards und der weiten Verbreitung immer weiter zurück.
Tabelle: PoE-Klassifizierung.Würth Elektronik
Die Mehrzahl der heutigen elektronischen Anwendungen benötigt sowohl eine Datenanbindung als auch eine Stromversorgung. Doch erst in jüngerer Zeit sind dafür zwei Kabel nötig: Beim traditionellen Telefon hat eine simple Zweidrahtleitung den Strom und die Sprache transportiert. Die PoE-Norm will diesen Zustand auch für Ethernet-Geräte erreichen, ohne das Kommunikationsprotokoll ändern zu müssen. Dazu galt es viele technische Zwänge zu berücksichtigen. Ein Anerkennungsprotokoll stellt fest, ob die angeschlossenen Systeme tatsächlich Strom abnehmen können; andernfalls könnten sie Schaden nehmen. Darüber hinaus wurden ihre Leistungsklassen eingestuft um den Übertragungsweg von Spannung und Strom festzulegen.
PoE und PoE+
Bild 1: Übersicht über ein PoE-System mit Strom- und Datenverteilung (links), Verkabelung (Mitte) und Endgerät (rechts).Würth Elektronik
Die Tabelle zeigt die Hauptmerkmale der Standards PoE und PoE+. PoE+ kann mehr Leistung als der einfache PoE-Standard übertragen. Die Leistungsklasse reicht hierbei bis zu 25,5 W, die beispielsweise notwendig ist um eine größere IP-Kamera mit Zoom betreiben zu können.
In einer PoE-Installation (Bild 1) dient das PSE (Power Sourcing Equipment) als Stromversorgung. Üblicherweise ist diese Funktion im zentralen Hub oder Switch enthalten. Über die Cat-5-Verkabelung erhält das PD (Powered Device) den benötigten Strom. Im PHY-Baustein sind TD±, RD±, PHY-Masse und die LED-Pins beteiligt; die PoE-Stromkontakte werden über die RJ45-Buchse hergestellt.
Bild 2: Die RJ45-Modularbuchse für Ethernet besitzt acht Kontakte. Bei der typischen Ausrichtung kann man die Kontakte von links nach rechts durchzählen.Würth Elektronik
Anforderungen an die Buchse
Mit PoE haben sich auch die Anforderungen an Modularbuchsen geändert – sowohl elektrisch, als auch mechanisch. Die Modularbuchse (Bild 2) ist das erste Element einer physischen Schicht und befindet sich zwischen dem Kabel und der Elektronikbaugruppe. Die WR-MJ-Serie von Würth Elektronik bietet für Ethernet ein breites Sortiment an Modularbuchsen. Sie wurden früher ausschließlich für Telefon- und Ethernetkabel verwendet. Aufgrund der raschen Entwicklung sind diese Steckverbinder nicht mehr auf die Telekommunikation beschränkt, sondern für viele andere Zwecke einsetzbar.
Historisch wurde der Modularanschluss durch Bell Telephone Laboratory patentiert. Er ersetzte Mitte der siebziger Jahre die Festverdrahtung. Modularanschlüsse sind in männlicher Form als Stecker und in weiblicher Form als Buchsen erhältlich. Der Stecker (Bild 3) ist für das Kabelende und die Buchse für fixierte Orte vorgesehen, zum Beispiel Leiterplatten. Verriegelungen dienen mithilfe eines Klemmhebels zur sicheren Verbindung zwischen Stecker und Buchse. Sie rasten beim Anschließen ein, so dass der Stecker nicht herausgezogen werden kann. Zum Abziehen muss der Benutzer den Klemmhebel des Steckers nach oben oder nach unten drücken.
Bild 3: Beim RJ45-Steckverbinder für Ethernet sitzen die Kontakte oben. Auf der Unterseite ist ein Verriegelungshebel angebracht, der versehentliches Abziehen verhindert.Würth Elektronik
Meist erfolgt die Installation einer Buchse mit dem Klemmhebel nach unten. Dies erleichtert die Handhabung, indem man den Daumen nach oben und Zeigefinger nach unten auf den Hebel legt. Für diese Ausrichtung spricht auch, dass Staub dann eher herabfällt, statt sich auf der Kontaktfläche anzusammeln. Sinnvollerweise liegen also der Klemmhebel unten und die Kontakte oben. Mit dem Klemmhebel nach unten kann man die Kontakte von links nach rechts von 1 aus durchzählen. Bild 2 zeigt eine RJ45-Modularbuchse. Bei einer Konfiguration mit Klemmhebel nach oben wäre die Reihenfolge umgekehrt, sprich von rechts nach links.
Spannungsfestigkeit
Gemäß der Spezifikationen des Ethernet-Standards (802.3) muss zwischen den Anschlüssen und der Gehäuseerdung eine Spannungsfestigkeit Ueff von mindestens 1500 V bestehen. Als kostengünstigste Lösung kann ein Transformator diese Aufgabe übernehmen: PHY-Seite und Kabel müssen voneinander isoliert sein. Die Abstände zwischen den RJ45-Pins sowie zwischen den RJ45-Pins und der Schirmung müssen auf diese Spannung ausgelegt sein. In diesem Fall müssen sie mindestens 1,4 mm betragen. Probleme entstehen oft durch die Anschlüsse der LEDs, die meist zu eng an der Abschirmung liegen. Um den PoE-Standard zu erfüllen, müssen die Abstände zwischen den Pins und zur Abschirmung mindestens 1,4 mm betragen.
Auf einen Blick
Mit der Einführung von Power over Ethernet müssen RJ45-Buchsen und -Stecker nicht mehr nur Daten, sondern auch Energie übertragen. Das stellt besondere Anforderungen, unter anderem sind eine Übertragung und eine Entstördrossel nötig. Diese Komponenten können in die Buchse integriert oder eigenständig aufgebaut sein. Der Beitrag erklärt die Hintergründe und gibt eine Entscheidungshilfe.
Ein Steckverbinder für den Transformator ist für die PoE-Kompatibilität nicht erforderlich, wird aber oft benötigt, da die Entwickler der Transformatoranschlüsse die PoE-Parameter in ihr Konzept aufgenommen haben. Problematisch ist oft die Reduzierung der elektromagnetischen Störaussendung: Die Übertragung von Hochgeschwindigkeitssignalen ist sehr störanfällig. Störungen können einfach vom Kabel erzeugt werden und führen zur elektromagnetischen Störaussendung. Die häufigsten EMV-Störungen sind bei Ethernet-Leitung leitungsgebundenen Störungen, die im Gleichtaktbetrieb stattfinden.
Störungen vermeiden
Zur Reduzierung solcher Lösungen ist die beste Lösung eine Gleichtaktdrossel, welche das Nutzsignal nicht beeinflusst. Aus diesem Grund beinhaltet zum Beispiel eine RJ45-Modularbuchse der Produktfamilie WE-RJ45-LAN immer einen LAN-Übertrager und eine Gleichtaktdrossel. Dieser Komponentensatz wird als LAN-Transformator bezeichnet. Bild 4 zeigt den diskreten Aufbau mit einer Modularbuchse der Produktfamilie WR-MJ, einem externen Transformator mit integrierter stromkompensierter Drossel und Smith-Schaltung. Die vier 75-Ω-Widerstände bilden zusammen mit dem Kondensator rechts unten die Smith-Schaltung, die zur Reduzierung der Gleichtaktstörungen dient.
Bild 4: Die physikalische Schicht einer 100Base-T-Verbindung benötigt einen Transformator sowie eine Gleichtaktdrossel.Würth Elektronik
Nun stellt sich die Frage, welche Modularbuchsen-Lösung sich am besten eignet: Eine separate oder eine integrierte Lösung? Sprich, ob man den LAN-Transformator in den Anschluss integriert oder eine separate Lösung beibehält. Hier muss der Entwickler abwägen. Für die integrierte Lösung spricht, dass sie weniger Komponenten benötigt und damit die Montagekosten senkt. Außerdem braucht sie weniger Platz. Allerdings wird das Überarbeiten schwieriger, falls eine Komponente während des Tests ausfällt. Die damit erhöhten Produktionskosten sprechen gegen die integrierte und für die modulare Lösung. Außerdem ist bei der kompakten integrierten Lösung die Kopplung größer und damit Gleichtaktstörungen kleiner.
Immer schneller
Bild 5: Die 8P8C-Modularbuchse mit optimierter Cat-5e-Verstiftung eignet sich besonders bei hohen Datenraten.Würth Elektronik
Darüber hinaus wirkt sich die Hochfrequenz auf den Aufbau des Anschlusses aus. Der Trend zu höheren Geschwindigkeiten erfordert nicht nur Änderungen für gefilterte, sondern auch für ungefilterte Steckverbindungen. Die Steckverbinderhersteller haben spezielle Cat-5-Steckverbinder mit einer anderen Anschlussbelegung entwickelt, bei denen Pin 1/2 und 4/5 verlagert wurden, um mögliche Verzögerungen zu kompensieren und unterhalb der von der EIA geforderten Maximalverzögerung von 45 ns zu bleiben. Grundsätzlich passt jeder Cat-5-Steckverbinder für eine Cat-5e-Anwendung, aber der in Bild 5 gezeigte Aufbau von Würth Elektronik erleichtert die Erfüllung der EIA-Norm.
Noch komplizierter wird es bei höheren Frequenzen, beispielsweise im Cat-6-Bereich. In diesem Fall gibt es oft in jeder Zeile Steckverbinder mit integrierten Kondensatoren um Störungen von Anfang an zu dämpfen. Diese sind meist auf einer in den Steckverbinder integrierten Leiterplatte montiert.
Keiner für alles
Eine universelle Modularbuchse gibt es nicht. Es sind viele Optionen sorgfältig für die Auswahl der für die Anforderungen des Entwicklers optimalen Lösung abzuwägen.
Alain Lafuente
(lei)
