Einführung in Power over Ethernet (PoE)

Power over Ethernet (PoE) ist eine innovative Technologie, die es ermöglicht, elektrische Geräte über dasselbe Ethernet-Kabel mit Strom zu versorgen, das auch zur Datenübertragung genutzt wird. Diese Technologie wurde im Jahr 2003 durch den IEEE-Standard 802.3af formalisiert und hat seitdem zahlreiche Anwendungen in der modernen Netzwerktechnik gefunden. Mit PoE können Geräte wie IP-Kameras, VoIP-Telefone und WLAN-Accesspoints ohne separate Stromleitungen betrieben werden. Dies vereinfacht die Installation, reduziert Kosten und bietet eine flexible Lösung für die Stromversorgung in Netzwerken. Nachfolgende Standards wie PoE+ (802.3at) und PoE++ (802.3bt) erweitern die Möglichkeiten von PoE, indem sie höhere elektrische Leistungen unterstützen, um noch leistungsfähigere Geräte zu versorgen. Die Fähigkeit, sowohl Daten als auch Energie über ein einziges Kabel zu übertragen, macht PoE zu einer Schlüsseltechnologie für die Entwicklung und Implementierung moderner, effizienter Netzwerkinfrastrukturen.

802.3af ist ein 2003 von IEEE übernommener Standard für die Stromversorgung von Geräten über LAN-Kabel, bekannt als Power over Ethernet (PoE). Dieser Standard ermöglicht die Steuerung von Geräten mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 12,95 W über ein LAN-Kabel. Nachfolgende Standards wie PoE (802.3at) und PoE (802.3bt) ermöglichen eine noch größere Übertragung elektrischer Energie.

Power over Ethernet (PoE)

Die Abkürzung PoE steht für Power over Ethernet. Dies ist ein 2003 von IEEE übernommener Standard zur Stromversorgung von Geräten über Netzwerkkabel. Mit der Power-over-Ethernet-Technologie ist kein separates Stromkabel mehr erforderlich, da das LAN-Kabel sowohl für Daten als auch für Strom verwendet wird.

Leistungsgrenzen und Anwendungen

Die maximale elektrische Leistung, die ein einzelnes Gerät via PoE nach Standard 802.3af erhält, ist auf 12,95 Watt begrenzt. Weitere Power-over-Ethernet-Standards wie PoE+ (IEEE 802.3at) und PoE++ (IEEE 802.3bt) bieten höhere maximale Leistungen.

Power over Ethernet wird häufig verwendet, um Geräte wie Überwachungskameras, VoIP-Telefone oder WLAN-Accesspoints zu versorgen, insbesondere dort, wo ein zusätzlicher Stromanschluss aufgrund des Installationsorts schwer zugänglich ist.

Technische Merkmale

Für den Einsatz eignen sich viele verschiedene Arten von Twisted-Pair-Ethernet-Kabeln. Die Stromversorgung erfolgt über das freie Adernpaar oder das Datenadernpaar. Die Gleichstromversorgung mit Spannungen bis zu 44 V erfolgt über kompatible Netzwerk-Switches (aktive Leistung) oder indirekte PoE-Injektoren (passive Leistung). Diese Norm unterscheidet zwischen Energielieferanten (Power Sourcing Equipment; PSE) und Energieverbrauchern (Powered Devices; PD).

Wesentliche technische Merkmale von IEEE 802.3af:

• Spannung: ca. 44 Volt
• Strom: bis zu 350 Milliampere
• maximale PSE-Ausgangsleistung: 15,4 Watt
• maximale PD-Nutzleistung: 12,95 Watt
• genutzte Adernpaare: 2
• unterstützte Leistungsklassen: 0 bis 3

Verlustleistung

Ein PSE liefert eine Ausgangsleistung von bis zu 15,4 Watt, jedoch beträgt die maximal nutzbare Leistung eines PDs nur 12,95 Watt. Dies liegt daran, dass der über das Kabel übertragene Strom Wärme und somit Verlustleistung erzeugt. Längere Netzwerkkabel und kleinere Adernquerschnitte erhöhen die Verlustleistung. Zusätzlich entstehen Verluste in den Netzteilen, wodurch der Wirkungsgrad von PoE oft deutlich unter 70 Prozent liegt.

Einspeisung der elektrischen Energie

Bei der Stromversorgung muss zwischen End-Span- und Mid-Span-Versorgungen unterschieden werden. Die endgültige Stromversorgung erfolgt direkt über PoE-fähige Switches. Midspan-Bereitstellungen nutzen Zwischenstromquellen wie PoE-Injektoren, sodass kein Austausch bestehender Switches erforderlich ist.

Bei Verwendung von Ethernet oder Fast Ethernet erfolgt die Stromübertragung über die ungenutzten Adernpaare 4, 5 und 7, 8 (die ein Reserveaderpaar bereitstellen). Bei Verwendung von Gigabit-Ethernet, bei dem alle Adernpaare zur Datenübertragung genutzt werden, können Daten über Adernpaare übertragen werden (virtuelle Stromversorgung).

Erkennung von kompatiblen Endgeräten

Um eine Beschädigung inkompatibler Klemmen zu vermeiden, sollte nur dann Spannung an Adernpaare angelegt werden, wenn die Klemmen kompatibel sind. Dieser Standard beinhaltet einen anspruchsvollen Nährwerttestprozess. PSE testet mithilfe einer integrierten Messschaltung Parameter wie Widerstand und Kapazität, um festzustellen, ob das PD über ein Netzwerkkabel angeschlossen ist. Dieser Vorgang wird als Widerstandsleistungserkennung bezeichnet. Erst nach der Messung bestimmter Werte schaltet das PSE das Netzwerkkabel ein. Anschließend wird die Leistungsklasse des Endgeräts ermittelt, darunter:

Welche PoE-Standards gibt es sonst noch?

Power over Ethernet (PoE) hat sich seit seiner Einführung im Jahr 2003 stetig weiterentwickelt, um den steigenden Anforderungen an Netzwerkinfrastrukturen gerecht zu werden. Neben dem ursprünglichen PoE-Standard IEEE 802.3af gibt es mehrere andere Standards, die höhere Leistungen und erweiterte Funktionen bieten. Hier sind die wichtigsten PoE-Standards im Überblick:

1. IEEE 802.3af (PoE)

Der 802.3af-Standard, auch als PoE bekannt, war der erste Standard, der 2003 verabschiedet wurde. Er ermöglicht die Stromversorgung von Geräten mit bis zu 12,95 Watt über ein Ethernet-Kabel. Die maximale Ausgangsleistung des Power Sourcing Equipment (PSE) beträgt 15,4 Watt, um die Verlustleistung während der Übertragung zu berücksichtigen. Dieser Standard wird häufig für Geräte wie IP-Telefone, einfache WLAN-Accesspoints und kleine Überwachungskameras verwendet.

2. IEEE 802.3at (PoE+)

Der IEEE 802.3at-Standard, auch als PoE+ bekannt, wurde 2009 eingeführt und bietet eine höhere Leistung als sein Vorgänger. PoE+ ermöglicht die Versorgung von Geräten mit bis zu 25,5 Watt über ein Ethernet-Kabel. Die maximale Ausgangsleistung des PSE beträgt 30 Watt. Dieser Standard wird für leistungsintensivere Geräte wie PTZ-Kameras (Pan-Tilt-Zoom), größere WLAN-Accesspoints und andere anspruchsvollere Netzwerkgeräte verwendet.

3. IEEE 802.3bt (PoE++)

Der IEEE 802.3bt-Standard, auch als PoE++ oder 4PPoE bekannt, wurde 2018 verabschiedet und erweitert die Leistungsgrenzen erheblich. Es gibt zwei verschiedene Leistungsstufen unter diesem Standard:

• Typ 3: Bietet bis zu 60 Watt Leistung pro Gerät. Die maximale Ausgangsleistung des PSE beträgt 60 Watt. Diese Stufe eignet sich für Geräte wie Videotelefone, High-End-WLAN-Accesspoints und größere IP-Kameras.
• Typ 4: Bietet bis zu 100 Watt Leistung pro Gerät. Die maximale Ausgangsleistung des PSE beträgt 100 Watt. Diese Stufe wird für sehr leistungsintensive Geräte wie digitale Anzeigetafeln, LED-Beleuchtung und Gebäudeautomationssysteme genutzt.

4. IEEE 802.3bu (PoDL)

Der IEEE 802.3bu-Standard, auch bekannt als Power over Data Lines (PoDL), wurde speziell für Automotive- und industrielle Anwendungen entwickelt. Dieser Standard ermöglicht die Stromversorgung über Single-Pair-Ethernet-Kabel, die in Fahrzeugen und industriellen Umgebungen verwendet werden. PoDL bietet verschiedene Leistungsstufen, die je nach Bedarf angepasst werden können, und ist ideal für die Versorgung von Sensoren, Kameras und anderen Geräten in anspruchsvollen Umgebungen.

5. Proprietäre PoE-Standards

Neben den offiziellen IEEE-Standards haben einige Hersteller proprietäre PoE-Lösungen entwickelt, die spezifische Anforderungen erfüllen sollen. Diese proprietären Lösungen bieten oft höhere Leistungen oder zusätzliche Funktionen, die nicht von den IEEE-Standards abgedeckt werden. Beispiele hierfür sind Cisco UPOE (Universal Power over Ethernet), das bis zu 60 Watt Leistung bietet, und HDBaseT, das neben Strom auch unkomprimiertes HD-Video, Audio, Ethernet und Steuerungssignale über ein einziges Kabel übertragen kann.

Die verschiedenen PoE-Standards bieten flexible und effiziente Lösungen für die Stromversorgung von Netzwerkgeräten über Ethernet-Kabel. Von den grundlegenden Anforderungen des IEEE 802.3af-Standards bis hin zu den hohen Leistungsstufen des IEEE 802.3bt-Standards decken diese Technologien ein breites Spektrum an Anwendungen ab. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von PoE-Standards können immer mehr Geräte in Netzwerkinfrastrukturen integriert und betrieben werden, was die Installation vereinfacht und die Kosten reduziert.