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01 Power over Ethernet – damit lassen sich Geräte über deren Kommunikationsverkabelung mit Energie versorgen

Zuverlässige Steckverbinder für Power over Ethernet

02 Bevor die Spannungsversorgung bei Power over Ethernet aufgeschaltet wird, erfolgt eine Erkennung und Klassifizierung des angeschlossenen Geräts -–

03 Eine separate Trennzone verhindert Kontaktschädigungen innerhalb der Kontaktzone

04 Eine Prüfschaltung sorgt beim Trennen von RJ45-Steckverbindern für Bedingungen wie bei POE

Vor etwa zehn Jahren begann man damit, über die Leitungen, die Ethernet übertragen, auch gleichzeitig die angeschlossenen Geräte mit Hilfsenergie zu versorgen. Dieses für die Installation praktische Verfahren stellt aber auch einige Anforderungen an die eingesetzten Steckverbinder. Insbesondere im Industriebereich mit seinen rauen Umgebungsbedingungen und hohen Zuverlässigkeitsanforderungen gilt es, einige Punkte zu beachten (Bild 1).

Bei dem für die Entwicklung von Ethernet zuständigen Gremium IEEE 802.3 wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem die Hilfsenergie über die gleichen Leitungen übertragen wird wie auch die Ethernet-Kommunikation. Möglich wird dies, indem jeweils ein Adernpaar für das Plus- und Minus-Potential einer Gleichspannung von nominal 48 V genutzt wird. Bei diesem auch als Power over Ethernet (POE) bezeichneten Verfahren nach IEEE 802.3af kann maximal eine Leistung von 13,5 W übertragen werden.

Mindestens 50 W übertragen
Die Nachfolgegeneration POE+ nach IEEE 802.3at ist in der Lage, eine Leistung von maximal 25,5 W zu übertragen. Inzwischen befindet sich ein Übertragungsverfahren unter IEEE 802.3bt in der Entwicklung, welches als POE++ bezeichnet wird und voraussichtlich eine Leistung von mindestens 50 W übertragen kann. Gemeinsam ist allen Verfahren, dass ihre Versorgungsspannung unter die SELV-Kriterien – die Kriterien für die sichere Kleinspannung – fällt und damit nicht berührgefährlich ist. Außerdem muss die Abwärtskompatibilität der Verfahren gegeben sein. Da nicht alle Geräte die Einspeisung der Hilfsenergie auf den Datenleitungen elektrisch tolerieren können, ist hier ein Verfahren nötig, bei dem das speisende Gerät erst dann die Gleichspannung auf die Datenleitung aufschaltet, wenn das angeschlossene Endgerät die vorgesehene Einspeisung auch bestätigt hat (siehe Kastentext). Dies hat zur Folge, dass beim Einstecken eines Steckverbinders in die Buchse weder die Versorgungsspannung anliegt noch ein Strom fließt. Lediglich eine Detektionsspannung von 2,8 V kann anliegen, die aber – ebenso wie die Spannung zur Signalübertragung – so gering ist, dass die hier fließenden Ströme in diesem Zusammenhang vernachlässigt werden können (Bild 2). Beim Ausstecken jedoch ist die Situation eine andere: die Versorgungsspannung liegt an und der Versorgungsstrom fließt. Dieser kann im Fall von POE+ bei einer Leistung von 25,5 W und einer Spannung von 48 V demzufolge rund 0,3 A pro Ader betragen.

Auf die Kontaktoberfläche kommt es an
Wird eine Gleichstromübertragung getrennt, kann ein Lichtbogen entstehen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen den beiden getrennten Kontaktteilen ein elektrisches Feld entsteht, welches so große Kräfte verursacht, dass Elektronen aus dem Kontaktmaterial herausgelöst werden und ein Plasma zwischen den beiden Kontaktteilen entsteht. Infolge dieses heißen Plasmas wird Material aus den Kontaktoberflächen herausgelöst und verdampft. All dies geschieht während des Aussteckvorgangs in Sekundenbruchteilen, sodass bei jedem Steckvorgang nur geringste Schädigungen an den Kontakten erfolgen. Über mehrere Steckvorgänge hinweg kann hier jedoch ein signifikanter Abbrand an den Kontakten entstehen (Bild 3). Besondere Aufmerksamkeit gilt den Kontaktoberflächen. Bei preisgünstigen Produkten besteht die Oberfläche nicht aus einem Edelmetall – durch Umwelteinflüsse kann es dann leicht zu Korrosion kommen. Bei den edlen Systemen besteht die Kontaktoberfläche aus einer dünnen Schicht eines Edelmetalls, wie Silber oder Gold. Vorteilhaft bei diesen Oberflächen ist die hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber korrosiven Umwelteinflüssen.

Robuste Goldoberfläche
Weil insbesondere unter industriellen Umgebungsbedingungen Schadgase auftreten, ist die Verwendung von Steckverbindern mit edlen Kontaktoberflächen eine sinnvolle Praxis. Unter dem Einfluss von Lichtbögen – wie oben beschrieben – kann die Oberfläche abgetragen werden, sodass Schadgase an den beschädigten Kontakten Zugang zum ungeschützten Basismaterial bekommen. Hier kann Korrosion also leicht einsetzen. Ein korrodierter Kontakt hat einen größeren Übergangswiderstand als ein unbeschädigter Kontakt, wodurch in Kombination mit dem übertragenen Strom eine Kontakterwärmung eintritt, die wiederum den Korrosionsprozess beschleunigen kann. Der Steckverbinder ist also schnell soweit geschädigt, dass er weder zur Übertragung von Signalen noch zur Übertragung der Hilfsenergie geeignet ist. Auch zusätzliche mechanische Beanspruchung etwa durch Vibration und Schock führen insbesondere bei Kontakten, die durch Kontaktabbrand geschädigt sind, zu einer verstärkten Korrosion mit dem oben erläuterten Schadensmechanismus. Die genannten Effekte zu vermeiden ist daher eine wichtige Anforderung im Hinblick auf die zuverlässige Funktion von Automationsanlagen im Industriebereich, die POE nutzen. Die Steckverbinder, die dabei auf der Stift- und Buchsenseite eingesetzt werden, haben eine über die Normvorgaben hinaus reichende durchdachte Gestaltung. Erstens werden die Kontakte mit einer Goldoberfläche und einer Trägerschicht versehen, die so robust ist, dass sie auch bei beschädigter Oberfläche ein Weiterkriechen der Korrosion und damit einer Ausbreitung des Schadensvorgangs entgegenwirkt. Zweitens sorgt die geometrische Gestaltung der Kontakte dafür, dass die Kontaktgabe im gesteckten Zustand an einem anderen Ort erfolgt als die Kontakttrennung. So kann ein eventuell entstehender Lichtbogen den Kontakt nicht dort schädigen, wo er zur Stromübertragung benötigt wird.

Tests bringen Sicherheit
Um die Eignung dieser konstruktiven Maßnahmen nachzuweisen, wird ein Testprogramm nach IEC 60512-99-001 durchgeführt. Hierbei werden Strombelastung und Trennung unter Last durch ein POE-System simuliert. Außerdem werden die Umweltbelastungen durch Beaufschlagung mit hoch konzentriertem Schadgas geprüft. So kann die korrosionsfördernde Umgebung nachgestellt werden (Bild 4). Nur Produkte, die bei diesen Tests einen definierten geringen Kontaktwiderstand behalten, sind zum Einsatz in POE-Anwendungen zu empfehlen. Qualitativ hochwertige und konstruktiv durchdachte Steckverbinder sind ein wichtiger Bestandteil von Anlagen im industriellen Umfeld, die mit POE versorgt werden. Mit Komponenten von Phoenix Contact kann so die Kommunikationsverkabelung in automatisierungstechnischen Anlagen zuverlässig gestaltet werden. (mh)

05 Über die Ethernet-Kommunikationsverkabelung kann ein speisendes Gerät (PSE) ein anderes Gerät (PD) nach dem POE-Verfahren mit Energie versorgen

Spannungsversorgung per POE
Für die Etablierung der Spannungsversorgung per POE sind das speisende Gerät (PSE) und das gespeiste Gerät (PD) verantwortlich (Bild 5). Da nicht alle Geräte in der Lage sind, eine Gleichspannung auf der Kommunikationsleitung zu tolerieren, darf die Spannungsversorgung nur aufgeschaltet werden, wenn das gespeiste Gerät dies auch akzeptieren kann. Im ungesteckten Zustand speist das PSE eine Spannung von 2,8 V ein und wertet den Stromfluss aus. Sobald das Gerät eingesteckt ist, fließt ein Strom über den im PD eingebauten Widerstand. Das PSE erhöht dann die Spannung, um den Strom genauer zu quantifizieren. Auf diese Weise wird das PD einer Leistungsklasse zugeordnet. So kann ein PSE mit mehreren Ports den Leistungsbedarf gemäß seiner Möglichkeiten genauer auf die angeschlossenen Geräte verteilen. Wird auch diese Phase erfolgreich abgeschlossen, schaltet das PSE die Versorgungsspannung von 44 V bis 57 V auf. Hierbei wird auch ständig der Strom überwacht, um eine Überlastung oder gar einen Kurzschluss zu erkennen und die Spannungsversorgung bei Bedarf abzuschalten. Beim regulären Trennen des Geräts geht der Strom wieder auf null zurück, und das PSE schaltet automatisch wieder in den Detektionsmodus.

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Autor:
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Bernd Horrmeyer ist als Fachreferent für Standardisierung bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg tätig.
bhorrmeyer@phoenixcontact.com