EuroWire May 2015

Technischer artikel

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. ein 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. breiteres Höhere Stromstärken ermöglichen

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.

Raucharme halogenfreie Hülle

Spannungsführende Aderpaare

Luft

Sonde

Cu

Polyolefin

AI/PET-Band

▲ ▲ Abb. 1 : Gestaltung der Simulation in COMSOL Multiphysics

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

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Mai 2015