EuroWire May 2015

86 / 116

Technischer artikel
Mai 2015 84
Gemessene und simulierte
GS-Speisung von
Datenkabeln für Power
over Ethernet
Von Stephen W Simms, Brand-Rex Ltd
Übersicht
Die steigende Nachfrage nach höheren
Stromstärken in PoE-Systemen (Power over
Ethernet) ist offensichtlich und zeigt sich
durch eine Vielzahl von derzeit auf dem
Markt erhältlichen, nichtstandardisierten
Produkten, die höhere Stromstärken
anbieten als durch den Standard IEEE
802.3at vorgegeben.
Höhere Stromstärken ermöglichen
ein breiteres Anwendungsspektrum
für PoE, allerdings erhöhen sie auch
das Leistungsrisiko. Angesichts der
steigenden Nachfrage nach höheren
Stromstärken und der Tatsache, dass sich
die Installationen, für die PoE-Technologie
genutzt wird, in Konfiguration und
Umgebung stark unterscheiden, ist
eine Eingrenzung des Risikos durch die
Verwendung der numerischen Simulation
von Vorteil. Der vorliegende Artikel
bietet eine numerische Simulation
und experimentelle Überprüfung
der thermischen Eigenschaften von
Datenkabeln bei einer GS-Speisung, die für
PoE-Anwendungen genutzt wird.
Einleitung
Die Versorgung von Endgeräten mit GS
über den gleichen Stromweg, der für die
WS-Signalübertragung genutzt wird, kam
viele Jahre lang erfolgreich zum Einsatz, so
z. B. bei Telefonen und Audioanlagen.
Die für diese Funktionalität
verwendete Technik wird allgemein
als „Phantomspeisung“ bezeichnet. In
Zusammenhang mit Ethernet ermöglicht
diese Technik die Stromübertragung
von den energiespeisenden Geräten
(Power Sourcing Equipment - PSE) zu
den energieaufnehmenden Endgeräten
(Powered Device - PD) auf demselben
Aderpaar, das auch für die Daten genutzt
wird.
Luft
Spannungsführende
Aderpaare
Raucharme
halogenfreie
Hülle
Sonde
Polyolefin
Cu
AI/PET-Band
▲ ▲ Abb. 1 : Gestaltung der Simulation in COMSOL
Multiphysics
Der GS wird an den Mittelabgriff des
Transformators zur Signaleinkopplung
angelegt und interferiert nicht mit der
Datenübertragung. Somit kann PoE
in 1000BASE-T-Systemen verwendet
werden, in denen alle vier Aderpaare der
Datenübertragung dienen.
Die Standardisierung IEEE 802.3at-2009
legte die Systemparameter fest, die für die
Installationen des Typs 1 (PoE) und Typs 2
(PoE+) erforderlich sind[1]. Der Standard
klassifiziert die höchsten GS-Nennwerte
bei 0,35A und 0,60A je Aderpaar, jeweils
für Typ 1 und Typ 2. Zu den gängigsten
Anwendungen der PoE-Technologie
gehören schnurlose LAN-Zugangspunkte,
VoIP-Telefone und Netzwerkkameras.
Das Anlegen von Strom an einen Leiter
setzt Wärmeenergie frei. Dieser Effekt
wird allgemein als Joule-Erwärmung
bezeichnet. Im Hinblick auf Ethernet-
Kabel und -Komponenten ist dieser
Erwärmungseffekt problematisch
aufgrund der höheren Dämpfung und der
dadurch bedingten Begrenzung der Länge
der Verbindungen. Dies gilt insbesondere
für Kabel mit einem höheren Widerstand
als Standardkabel, z. B. Kabel mit Leitern
aus kupferkaschiertem Aluminium (CCA)[2]
und aus massivem Kupfer mit niedrigem
Durchmesser (26 AWG).
Im Jahre 2009 hat das IEC-Unterkomitee
46C eine Prüfmethode (46C/906/NP) mit
dem Titel „Vorschlag für die Messung
der Erwärmung von Datenkabeln durch
Strom” vorgelegt[3]. Dieser Aufsatz zielt
auf eine starke Korrelation zwischen der
Simulation und dem vorgeschlagenen
Messverfahren mit Blick auf die
GS-Speisung von Ethernet-Kabeln für
PoE-Anwendungen.
Weiterhin vergleicht dieser Artikel den
Temperaturanstieg durch GS-Speisung bei
CCA-Kabeln mit Kabeln, deren Leiter aus
massivem Kupfer bestehen.
NumerischeModellierung
Mit COMSOL Multiphysics 4.4, einem
Softwarepaket, das FEM (Finite Element
method)[4] verwendet, wurde ein
2-D-Modell erstellt. Das Modell diente
der Nachbildung des vorgeschlagenen
Messverfahrens[3] und der Möglichkeit
einer Gegenüberstellung von Theorie
und Praxis. Zu diesem Zweck wurde
eine 5-kabelige lineare Konfiguration
eingerichtet, um so eine aussagekräftige
Vorhersage des Wärmeverhaltens in
der Kabelmitte zu erhalten, ohne dafür
zusätzliche Kabel in einem Modell zu
verwenden, das höhere Rechenressourcen
erfordert.
Um die Bestandteile des Cat6A 26 AWG
U/FTP-Kabels darzustellen, wurden als
Materialeigenschaften die Wärmekapazität
bei konstantem Druck, die Dichte und
die thermische Leitfähigkeit angelegt.
Diese Eigenschaften wurden auf Kupfer