Jednoparowe zasilanie przez Ethernet otwiera nowe perspektywy

Zasilanie przez Ethernet (PoE) jest dostępne od lat i służy do dostarczania zasilania przez kable Ethernet. Technologia ta traci na atrakcyjności ze względu na ograniczenie odległości do 100m. Jednoparowe zasilanie przez Ethernet (SPoE) to technologia zgodna z normą IEEE, która pozwala na przesyłanie zasilania i danych na duże odległości za pomocą jednej skrętki dwużyłowej w kablu Ethernet. Zmienia ona reguły gry i otwiera nowe możliwości innowacyjnych zastosowań.

Dobrze znana i szeroko stosowana do przesyłu danych między urządzeniami technologia Ethernet wykorzystuje cztery pary skręconych przewodów miedzianych do przenoszenia sygnałów danych, przy czym każda para przenosi dane w jednym kierunku. Urządzenia korzystające z sieci Ethernet zwykle wymagają oddzielnego zasilania, co zwiększa koszty instalacji i okablowania.

Technologia zasilania przez Ethernet (PoE) została opracowana jako rozszerzenie standardu Ethernet, umożliwiając urządzeniom odbieranie zarówno danych, jak i zasilania tym samym kablem przy wykorzystaniu dwóch par przewodów do przenoszenia danych i dwóch pozostałych do zasilania urządzeń.

Dzięki technologii zasilania przez Ethernet (PoE) można dostarczyć maksymalnie 90W mocy na maksymalną odległość do 100m. Doprowadziło to do powstania nowych zastosowań technologii zasilania przez Ethernet (PoE), takich jak kamery IP, bezprzewodowe punkty dostępowe, telefony VoIP i inteligentne systemy oświetleniowe, które można wdrażać i zasilać za pomocą jednego kabla. Jednak oprócz ograniczenia odległości, istnieją inne wyzwania związane z zasilaniem przez Ethernet (PoE). To m.in. potrzeba stosowania nieporęcznych i drogich złączy oraz kabli, które wytrzymują wysokie prądy i napięcia, straty mocy i rozpraszanie ciepła.

Przedstawiamy jednoparowe zasilanie przez Ethernet (SPoE)

Używając tylko jednej pary przewodów do przenoszenia zarówno danych, jak i zasilania, technologia jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE) pozwala osiągać szybkości transmisji danych do 1Gbps i dostarczać moce do 52W w kablach o długości do 1km (ilustracja 1), przy użyciu mniejszych i ekonomicznych złączy oraz kabli pasujących do istniejących gniazd RJ45.

Ilustracja 1: system jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE) do przesyłania mocy do 52W. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Dzięki obniżonym kosztom i prostszej implementacji, technologia jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE) dobrze sprawdza się w szerokim zakresie zastosowań w środowiskach przemysłowych, motoryzacyjnych, automatyki budynków i Internetu rzeczy (IoT), gdzie instalowanie nowego okablowania lub poleganie wyłącznie na bezprzewodowych sieciach LAN jest niepraktyczne lub kosztowne. Oferuje ona kompleksową funkcję telemetrii systemu, zapewniającą monitorowanie stanu przesyłu energii, wykrywanie usterek i zabezpieczenie nadnapięciowe.

W środowisku przemysłowym, dzięki technologii jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE) można zasilać czujniki i sterować urządzeniami na duże odległości bez konieczności dodawania lokalnych źródeł zasilania. Upraszcza to infrastrukturę sieciową, obniża koszty instalacji i zapewnia centralne zarządzanie zasilaniem. Można jej używać do zasilania z wykorzystaniem istniejącego okablowania Ethernet, dzięki czemu dodawanie przełączników i punktów końcowych jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE) jest szybkie i stosunkowo proste.

Technologia jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE) jest częścią standardu IEEE 802.3 - IEEE 802.3 cg dla Ethernetu 10Mbps z użyciem pojedynczej skrętki dwużyłowej (10Base-T1L) - stanowi rozszerzenie standardu IEEE 802.3bu, dotyczącego zasilania przez linie danych (PoDL). Zasilanie przez linie danych (PoDL) jest stosowane w systemach o długości do 40m i napięciu 12, 24 lub 48V. Jednoparowe zasilanie przez Ethernet (SPoE) działa przy napięciu 24V lub 55V na odcinku do 1000m.

Jednoparowe zasilanie przez Ethernet (SPoE) idealnie sprawdza się w zastosowaniach wymagających niskiej lub średniej mocy i wysokich szybkości przesyłu danych na duże odległości, co nie jest ani wykonalne, ani ekonomiczne w przypadku zwykłego zasilania przez Ethernet (PoE).

Potencjalne zastosowania jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE):

• Systemy technologii operacyjnych, w których niezawodna komunikacja i zasilanie mają kluczowe znaczenie dla sterowania procesami i automatyki
• Systemy automatyki budynków i fabryk, które mogą monitorować parametry środowiskowe i parametry maszyn oraz nimi sterować
• Przyrządy polowe, takie jak czujniki i aktuatory, które można wdrożyć z większą elastycznością i niższymi kosztami
• Systemy zabezpieczeń, np. do kontroli dostępu i monitoringu, w których jednoparowe zasilanie przez Ethernet (SPoE) zapewnia łatwiejszą skalowalność
• Systemy zarządzania ruchem, które wymagają spójnego działania i łączności
• Zasilanie urządzeń brzegowych Internetu rzeczy (IoT) i zarządzanie nimi
• Zdalne dostarczanie zasilania do cyfrowego oznakowania i oświetlenia zewnętrznego

Zagadnienia projektowe dotyczące jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE)

Jednoparowe zasilanie przez Ethernet (SPoE) wykorzystuje technikę „zasilania fantomowego” do nałożenia sygnału zasilania na sygnał danych w tej samej parze przewodów, co wymaga skomplikowanych kontrolerów na obydwu końcach kabla w celu oddzielania i regulacji sygnałów zasilania i danych. W praktyce należy również uwzględniać straty mocy i rozpraszanie ciepła wzdłuż kabla, co może wpływać na parametry działania i niezawodność systemu.

Zaawansowane zarządzanie zasilaniem i konwersją, które gwarantują bezpieczeństwo, stabilność i sprawność dostarczania energii, są realizowane przez kontroler urządzeń zasilających (PSE). Współpracuje on z kontrolerami urządzeń zasilanych (PD), które odbierają energię za pośrednictwem kabla 2-żyłowego.

Kontrolery urządzeń zasilających (PSE) zaprojektowane do pracy wielokanałowej mogą zasilać różne urządzenia zdalne, takie jak czujniki. Przykładowe urządzenie LTC4296-1 (ilustracja 2) firmy Analog Devices Inc. (ADI) jest 5-portowym kontrolerem jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE), który może zasilać maksymalnie pięć odbiorników za pośrednictwem pięciu linii o długości do 1000m każda. Dostarcza on zasilanie z wykorzystaniem zewnętrznych tranzystorów polowych MOSFET typu metal-tlenek-półprzewodnik z kanałem N, charakteryzujących się niską rezystancją dren-źródło w stanie włączenia (RDS(ON)), które minimalizują spadki napięcia i zapewniają wytrzymałość rozwiązania końcowego.

Urządzenie LTC4296-1 stanowi uniwersalne rozwiązanie do jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE), przeznaczone do urządzeń zasilających (PSE) dla kontrolerów i przełączników 10BASE-T1L. Można je łatwo zintegrować z nadajniko-odbiornikami 10BASE-T1L firmy ADI, których przykładem może być 2-portowe urządzenie ADIN2111CCPZ-R7 zawierające przełącznik, dwa rdzenie warstwy fizycznej (PHY) Ethernet z interfejsem MAC i powiązane obwody analogowe, obwód monitorowania napięcia zasilania oraz obwód resetowania w momencie włączenia zasilania (POR). Nadajniko-odbiornik zapewnia bezpośrednią łączność z różnymi kontrolerami za pośrednictwem szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI).

Z kolei urządzenie LTC9111RDE#PBF jest jednym z kilku kontrolerów urządzeń zasilanych (PD) firmy ADI o zakresie napięcia roboczego od 2,3V do 60V z korekcją biegunowości (ilustracja 3). Omawiany kontroler zarządza klasyfikacją i monitorowaniem transmisji w linii, sterując podczas klasyfikacji dwoma zewnętrznymi przełącznikami w postaci tranzystorów MOSFET z kanałem N, działając w trybie mikromocowym, aby zminimalizować wymagania dotyczące pojemności energii. Zewnętrzny przełącznik w postaci tranzystora MOSFET z kanałem N izoluje pojemność wyjściową od złącza podczas klasyfikacji i uruchamiania.

Ilustracja 3: kontroler urządzeń zasilających (PSE) do jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE) LTC4296-1 może obsługiwać maksymalnie pięć kanałów - tutaj w połączeniu z kontrolerami urządzeń zasilanych (PD) LTC9111. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Kontrolery z serii LTC9111 posiadają odpowiedni podpis wybudzania urządzenia zasilającego (PSE) w celu zażądania zasilania. Kontrolery urządzeń zasilających (PSE) i urządzeń zasilanych (PD) zgodne z IEEE 802.3cg realizują etap klasyfikacji przy użyciu protokołu klasyfikacji komunikacji szeregowej. Urządzenie zasilające (PSE) zwiększa napięcie portu dopiero po potwierdzeniu kompatybilności urządzenia zasilanego (PD). Jeśli obsługiwane urządzenie elektryczne wymaga napięcia innego niż 24V lub 55V, stosuje się dodatkową przetwornicę prądu stałego.

Firma ADI oferuje również zestaw ewaluacyjny EVAL-SPoE-KIT-AZ służący do ewaluacji przesyłu danych 10BASE-T1L oraz zasilania przy użyciu technologii jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE) z wykorzystaniem kabla Ethernet z pojedynczą skrętką dwużyłową (SPE). Zestaw zawiera kontroler urządzeń zasilających (PSE) LTC4296-1 oraz urządzeń zasilanych (PD) LTC9111 do ewaluacji mocy pod kątem klas 10-15 normy IEEE 802.3cg w jednoparowym zasilaniu przez Ethernet (SPoE) oraz nadajniko-odbiornik 10BASE-T1L do dostarczania danych do systemu.

Wdrażanie rozwiązań do jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE)

Projektanci produktów muszą zoptymalizować bilans mocy i sprawność swoich rozwiązań do jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE), biorąc pod uwagę takie parametry, jak długość kabla, średnica, rezystancja, temperatura i środowisko.

Zrównoważenie zasilania z transmisją danych przez pojedynczą skrętkę dwużyłową stanowi wyzwanie, rodząc takie problemy jak zapewnienie wystarczającej mocy dla oddalonych urządzeń przy jednoczesnym zachowaniu integralności danych na potencjalnie duże odległości.

Dostarczanie energii przez długie kable przy napięciu zasilania 24V= powszechnie używane w wielu zastosowaniach operacyjnych (OT), jest obarczone znacznymi stratami ze względu na rezystancję kabla. Specyfikacje w normie IEEE 802.3cg określają napięcie robocze jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE)jako 24V lub 55V. Pozwala to projektantom na uzyskanie wyższej sprawności zasilania, przy wykorzystaniu wartości bliskiej maksymalnemu bezpiecznemu bardzo niskiemu napięciu (SELV) wynoszącemu 60V.

Podsumowanie

Jednoparowe zasilanie przez Ethernet (SPoE) to nowa technologia, która umożliwia równoczesne przesyłanie danych i zasilania za pomocą jednej skrętki dwużyłowej w kablach Ethernet. Pozwala ono zmniejszyć koszty, złożoność i wpływ infrastruktury sieciowej na środowisko, a także zapewnić większą elastyczność, skalowalność i niezawodność podłączonych urządzeń. Projektowanie i wdrażanie rozwiązań jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE) można uprościć dzięki oferowanemu przez firmę ADI portfolio kontrolerów urządzeń zasilających (PSE) i zasilanych (PD) zgodnych z normą IEEE 802.3cg. Charakteryzują się one wysoką sprawnością i niskimi szumami, dzięki czemu idealnie sprawdzają się w systemach przemysłowych, motoryzacyjnych i inteligentnych budynków, które wymagają solidnej i niezawodnej łączności.

Źródło: Jednoparowe zasilanie przez Ethernet otwiera nowe perspektywy

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!