SPoE – az egyérpáros Power over Ethernet új alkalmazási lehetőségei
Az Ethernet-kábelen történő áramellátást biztosító Power over Ethernet (PoE) már évek óta elérhető, de vonzereje a 100 méteres maximális távolság miatt mindeddig korlátozott volt. Napjainkra azonban igazi fordulópontot hozott az IEEE-szabványos egyérpáros Power over Ethernet (SPoE) technológia, amely lehetővé teszi az áram és az adatok nagy távolságokra történő átvitelét egyetlen sodrott érpár segítségével Ethernet-kábeleken keresztül, új határokat nyitva meg az innovatív alkalmazási lehetőségek előtt.
Az eszközök közötti adatkommunikációra jól bevált és széles körben elterjedt Ethernet-szabvány négy pár sodrott rézvezeték használatával valósítja meg az adatjelek továbbítását úgy, hogy az érpárok mindegyike más-más adatjelet továbbít. Az Ethernetet használó eszközök számára ezenkívül általában külön tápegységet is biztosítani kell, ami növeli a kábelezési és telepítési költségeket.
A Power over Ethernet (PoE) az Ethernet-szabvány kiterjesztéseként jött létre, és lehetővé teszi, hogy az eszközök ugyanazon a kábelen keresztül adatot és áramot is kapjanak, két pár vezetéket használva az adatok továbbítására, a másik kettőt pedig az eszközök áramellátására.
A PoE legfeljebb 90 W teljesítmény szolgáltatására alkalmas, 100 m maximális távolsággal. Ez is elegendő volt azonban olyan PoE-rendszerek létrejöttéhez, mint az IP-kamerák, a vezeték nélküli hozzáférési pontok, a VoIP-telefonok és az intelligens világítási rendszerek, amelyek telepítésére és táplálására már egyetlen kábel is elegendő volt. A távolsági korlát mellett azonban a PoE-nél gondot jelent az is, hogy nagy méretű és drága csatlakozókat és kábeleket szükséges használni, amelyek képesek kezelni a nagy áramerősségeket és feszültségeket, az energiaveszteséget, valamint megfelelő hőleadást biztosítanak.
Az SPoE színre lép
Az SPoE-szabvány specifikációinak megfelelően egyetlen vezetékpár elegendő az adat- és tápellátáshoz, és akár 1 Gbps adatátviteli sebesség és 52 W teljesítmény is biztosítható 1 km-es maximális kábelhosszal, kisebb és költséghatékony csatlakozók és kábelek segítségével, amelyek kompatibilisek a meglévő RJ45 aljzatokkal (1. ábra).
1. ábra Egy akár 52 W teljesítmény átvitelére alkalmas SPoE rendszer (Kép: Analog Devices)
A csökkentett költségek és az egyszerűbb megvalósítás révén az SPoE kiválóan alkalmas ipari, autóipari, épületautomatizálási és IoT-környezetekben való használatra, ahol új kábelek telepítése vagy a kizárólag vezeték nélküli LAN-okra való támaszkodás nem kivitelezhető, nem költséghatékony vagy egyik sem. Teljes körű rendszerszintű telemetriát biztosít az energiaátvitel állapotának nyomon követésére, a hibák észlelésére és a túlfeszültség elleni védelemhez.
Ipari környezetben az SPoE nagy távolságokon keresztül képes áramot biztosítani az érzékelők és vezérlőeszközök számára helyi áramforrások telepítése nélkül, ami egyszerűsíti a hálózati infrastruktúrát, csökkenti a telepítési költségeket, és központi energiagazdálkodási lehetőséget biztosít. A meglévő Ethernet-kábelek felhasználhatók a tápellátás biztosítására, így az SPoE-kapcsolók és végpontok hozzáadása gyors és viszonylag egyszerű folyamat.
Az SPoE az IEEE 802.3 szabvány része: az IEEE 802.3cg 10 Mbps sebességű Ethernet kommunikációt biztosít egyetlen sodrott érpáron (10Base-T1L) keresztül, és az IEEE 802.3bu, Power over Data Lines (PoDL) szabvány kiterjesztése. A PoDL legfeljebb 40 m-es rendszerekben és 12, 24 vagy 48 voltos feszültséggel használható, míg az SPoE 24 vagy 55 V feszültséggel működik 1000 m-es távolságig.
Az SPoE ideális az olyan kis vagy közepes teljesítményt és nagy adatátviteli sebességet igénylő, nagy távolságokat áthidaló rendszerekhez, amelyek a PoE szabvánnyal már nem valósíthatók meg, illetve nem gazdaságosak.
Az SPoE például a következő esetekben használható:
- üzemeltetési technológiai rendszerekben, ahol a megbízható kommunikáció és energiaellátás kritikus fontosságú a folyamatirányítás és automatizálás szempontjából;
- környezeti és gépi paraméterek felügyeletére és szabályozására képes épület- és gyárautomatizálási rendszerekben;
terepi műszerek, például érzékelők és működtető szervek esetén, amelyek ennek a szabványnak köszönhetően nagyobb rugalmassággal és kisebb költséggel telepíthetők; - biztonsági, például beléptető és felügyeleti rendszerekben, ahol az SPoE könnyebb átméretezhetőséget biztosít;
- következetes működést és összeköttetést igénylő forgalomirányítási rendszerekben;
- peremhálózati IoT-eszközök tápellátása és irányítása esetén;
- digitális feliratok és kültéri világítás áramellátásának biztosítása esetén távolról.
Tervezési szempontok az SPoE alkalmazásakor
Az SPoE a „fantomtáp” módszert használja a tápjel ráültetéséhez ugyanarra a vezetékpárra, amely az adatjelet is továbbítja – ez azt jelenti, hogy a kábel mindkét végén komplex vezérlőáramkörökre van szükség a táp- és adatjelek szétválasztásához és szabályozásához. Az alkalmazáskor figyelembe kell venni a teljesítményveszteséget és a kábel menti hőleadást, amelyek befolyásolhatják a rendszer teljesítményét és megbízhatóságát.
Az áramforrás (PSE) -vezérlő precíz áramszabályozást és átalakítást biztosít, ami a biztonságos, stabil és hatékony energiaellátáshoz kell. A táplált eszközök (PD-k) vezérlőivel működik együtt, amelyek a kétvezetékes kábelen keresztül kapják az energiát.
A többcsatornás PSE-vezérlők egyszerre több különböző távoli eszköz, például érzékelők táplálására alkalmasak. Az Analog Devices, Inc. (ADI) gyártótól például az LTC4296-1 jelű eszköz (2. ábra) egy 5 csatornás SPoE-vezérlő, amely akár öt terhelést is képes energiával ellátni öt, akár 1000 m hosszúságú vezetéken keresztül. A tápellátást külső, alacsony drain-source bekapcsolási ellenállású (RDS(ON)) N-csatornás fém-oxid-záróréteges térvezérelt tranzisztorok (MOSFET-ek) segítségével biztosítja, amelyek minimalizálják a feszültségesést és biztosítják az áramkör megbízhatóságát.
2. ábra Az ADI 5 csatornás LTC4296-1 áramforrás (PSE) vezérlője (Kép: Analog Devices, Inc.)
Az LTC4296-1 egy sokoldalú SPoE, PSE eszköz 10BASE-T1L szabványos vezérlőkhöz és kapcsolókhoz, és könnyen integrálható az ADI 10BASE-T1L típusú adó-vevőket tartalmazó portfólióján belüli eszközökkel, például az ADIN2111CCPZ-R7 jelű 2 csatornás eszközzel, amely egy kapcsolót, két Ethernet szabványos fizikai réteg (PHY) -magot, MAC interfészt és kapcsolódó analóg áramköröket, egy feszültségellátást figyelő áramkört és egy bekapcsolási reset (POR) áramkört tartalmaz. Az adó-vevővel közvetlen kapcsolat létesíthető számos vezérlővel a soros perifériás interfészen (SPI) keresztül.
A másik oldalra az LTC9111RDE#PBF az ADI számos PD-vezérlőjének egyike telepíthető, amely 2,3–60 V közötti működési tartományt kínál polaritáskorrekcióval (3. ábra). A vezérlő az átviteli vonal osztályozását és felügyeletét végzi, két külső N-csatornás MOSFET-kapcsolót vezérelve mikroáramú működéssel az osztályozás során, a tárolókondenzátori szükségletek minimalizálásához. Egy külső N-csatornás MOSFET-kapcsoló választja le a kimenőkondenzátort a csatlakozóról az osztályozás és a bekapcsolási áramlökés során.
3. ábra Egy LTC4296-1 SPoE PSE vezérlő akár öt csatorna vezérlésére is alkalmas – itt LTC9111 PD-vezérlőkkel összekapcsolva (Kép: Analog Devices)
Az LTC9111 sorozatú vezérlők érvényes ébresztési kérelmet küldenek a PSE-nek, tápellátás kérése céljából. Az IEEE 802.3cg szabvánnyal kompatibilis PSE és PD-vezérlők az SCCP protokoll (Serial Communication Classification Protocol) segítségével végzik el az osztályozási lépést. A PSE megbizonyosodik a PD-vel való kompatibilitásról, és ha egyezést észlel, folytatja a port feszültségének növelését. Ha a működtetett elektromos eszköznek 24 vagy 55 V-tól eltérő feszültségre van szüksége, akkor egy kiegészítő egyenáram-átalakító használatára van szükség.
Az ADI az EVAL-SPoE-KIT-AZ fejlesztői készletét kínálja a 10BASE-T1L adatok és az SPoE tápellátás működésének egyetlen sodrott érpáros Ethernet (SPE) kábelen keresztül történő kiértékelésére. A készlet az LTC4296-1 PSE-vezérlőt és az LTC9111 PD-t tartalmazza az IEEE 802.3cg szerinti 10 – 15 közötti osztályú SPoE teljesítmény elérésének ellenőrzésére, valamint egy 10BASE-T1L adó-vevőt a rendszeren belüli adatszolgáltatáshoz.
SPoE rendszerek megvalósítása
A terméktervezőknek optimalizálniuk kell az SPoE-megoldásaik által szolgáltatni képes rendelkezésre álló teljesítményt és annak hatékonyságát, a kábel hossza, átmérője, ellenállása, hőmérséklete, a külső környezet és más paraméterek figyelembevételével.
Az áramellátás és az adatátvitel közötti egyensúly megteremtése egyetlen csavart érpáron keresztül nem mentes a kihívásoktól: például a távoli eszközök számára elegendő áramot kell biztosítani úgy, hogy közben az adatok integritása potenciálisan nagy távolságokon keresztül is megmaradjon.
Számos üzemeltetési technológiai berendezésben gyakori a hosszú kábeleken, 24 VDC tápfeszültségen történő tápellátás, ami a kábel ellenállása miatt jelentős veszteségekkel jár. Az SPoE az IEEE 802.3cg szabvány szerint 24 vagy 55 V feszültségen működik, így a tervezők a 60 V-os maximális SELV-hez (biztonságos extra alacsony feszültséghez) közeli nagyobb energiaellátási hatékonyságra alapozhatnak.
Összegzés
Az SPoE egy egyre elterjedtebb technológia, amely az adatok és a tápellátás egyidejű átvitelét teszi lehetővé egyetlen sodrott érpáron keresztül Ethernet-kábelekben. Ez a módszer csökkentheti a hálózati infrastruktúrák kiépítésének költségeit, azok összetettségét és a környezetre gyakorolt hatásait, valamint nagyobb rugalmasságot, skálázhatóságot és megbízhatóságot biztosít a csatlakoztatott eszközök számára. Az ADI IEEE 802.3cg szabvánnyal kompatibilis PSE- és PD-vezérlőket tartalmazó portfóliójából választott eszközökkel igen nagy hatásfokú, alacsony zajszintű és egyszerű SPoE-rendszerek tervezhetők és építhetők, amelyek ideálisak a fizikailag ellenálló és megbízható kapcsolatokat igénylő ipari, autóipari és intelligens épületrendszerekhez.
Szerző: Rolf Horn – alkalmazástechnikai mérnök, DigiKey
DigiKey
www.digikey.hu
Angol/német nyelvű kapcsolat
Rolf Horn
Applications Engineer
DigiKey Germany
Tel.: +49 89 2444 8 x 16817
E-mail:
