Power over Ethernet

Grundprinzip, Nutzen und Grenzen

Power over Ethernet (PoE) bezeichnet Verfahren, mit denen Geräte mit Ethernet-Anschluss über das achtadrige Ethernet-Kabel mit elektrischer Energie versorgt werden. Ein zusätzliches lokales Netzteil ist dadurch nicht erforderlich. Die Energie wird meist an zentraler Stelle, etwa in einem Netzwerkverteiler, zusammen mit den Datensignalen in die Ethernet-Leitung eingespeist.

PoE spart ein Stromversorgungskabel ein. Dadurch können Netzwerkgeräte auch an schwer zugänglichen Stellen oder dort betrieben werden, wo viele Kabel stören würden. Außerdem kann eine zentrale unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) die Ausfallsicherheit der angeschlossenen Geräte erhöhen. Typische PoE-Geräte sind IP-Telefone, kleine Hubs, Kameras, kleine Server, Wireless Access Points und Bluetooth-Geräte.

Die übertragbare Leistung ist begrenzt, weshalb PoE vor allem für Geräte mit geringem Leistungsbedarf verwendet wird. Der Leitungswiderstand verursacht Übertragungsverluste und erwärmt das Kabel. Wärmere Kabel dämpfen Datensignale stärker; dadurch kann die Ethernet-Übertragung unmöglich werden. Bei der Planung müssen deshalb Temperaturbedingungen, Kabelbündelung, Spannungsabfall und die maximale Übertragungslänge berücksichtigt werden.

Nach ISO/IEC TR 29125 und Cenelec EN 50174-99-1 setzt sich die Erwärmung aus der Wärmeausbreitung vom Inneren eines Kabelbündels bis zu seiner Außenseite und der Erwärmung des gesamten Bündels bis zur Umgebungstemperatur zusammen. Der zweite Anteil hängt vor allem von den Einbaubedingungen ab, der erste von der Kabelkonstruktion. Bei typischen U/UTP-Kabeln steigt die PoE-bedingte Erwärmung um den Faktor 5, bei geschirmten Kabeln konstruktionsabhängig um den Faktor 2,5 bis 3. Ein U/UTP-Bündel erwärmt sich damit zweimal stärker als ein vergleichbares S/FTP-Bündel.

Für den Spannungsabfall sind größere Leiterquerschnitte vorteilhaft. Übliche Werte nach American Wire Gauge (AWG) sind AWG 24 bei Cat 5/5e (⌀ 0,51 mm; 0,21 mm²), AWG 23 bei Cat 6A/6A (⌀ 0,57 mm; 0,26 mm²) und AWG 22 bei Cat 7/7A (⌀ 0,64 mm; 0,33 mm²). Eine Schweizer Studie kam 2005 zu dem Ergebnis, dass PoE bis etwa 8 W bis 9 W energetisch günstiger als dezentrale Schaltnetzteile sein kann. Kürzere Leitungen sind effizienter, weil die Kabelverluste dann geringer sind.

IEEE-Standards und Leistungsübertragung

Im engeren Sinn bezeichnet PoE heute vor allem die IEEE-802.3-Standards. IEEE 802.3af-2003 wurde im Juni 2003 als Clause 33 „DTE Power over MDI“ verabschiedet und erlaubt bis zu 12,95 W am Gerät. IEEE 802.3at-2009, zunächst auch PoE+ oder PoE plus genannt, erhöhte diesen Wert auf 25,5 W. IEEE 802.3bt-2018, Clause 145 und auch 4PPoE genannt, ermöglicht bis zu 71,3 W, nutzt gleichzeitig alle vier Leitungspaare und unterstützt 2.5GBASE-T, 5GBASE-T und 10GBASE-T.

Die beteiligten Geräte werden in Energieversorger (Power Sourcing Equipment, PSE) und Energieverbraucher (Powered Devices, PD) eingeteilt. Die Versorgungsspannung beträgt grundsätzlich 48 V. Bei 802.3af (Typ 1) beträgt die maximale Stromaufnahme im Dauerbetrieb 350 mA, bei 802.3at (Typ 2) 600 mA; beim Einschalten sind kurzzeitig 400 mA erlaubt. Die maximale Leistung des PSE beträgt bei 802.3af 15,4 W. Nach Leitungsverlusten dürfen am PD höchstens 12,95 W ankommen.

802.3bt stellt fünf neue Leistungsstufen bereit: von 40 W (Class 5) über zwei Leitungspaare bis zu 100 W (Class 8+) über alle vier Leitungspaare. Über jedes Adernpaar fließen bis zu 960 mA. Damit werden unter anderem leistungsstarke WLAN-Antennen und Überwachungskameras ermöglicht. In der Vergleichstabelle werden für 802.3bt maximal 45, 60, 75 oder 90 W PSE-Versorgung und 40, 51, 62 oder 71 W am PD angegeben; an anderer Stelle nennt der Artikel bis zu 71,3 W.

Zur Energieübertragung können die bei 10BASE-T und 100BASE-TX freien Adernpaare genutzt werden. Sind diese nicht verfügbar, etwa wegen ISDN oder bei Gigabit-Ethernet, werden auch signalführende Adern verwendet. Übertrager entkoppeln die Datenleitungen, sodass Gleichspannung eingespeist werden kann, ohne die Datenübertragung zu stören. Der PSE legt den Modus fest; PDs müssen beide Betriebsarten unterstützen.

Erkennung, Aktivierung und Klassen

802.3af schützt nicht PoE-fähige Geräte durch Resistive Power Discovery. Der PSE legt zunächst mehrfach eine ungefährliche, minimale Spannung an. Erkennt er beim PD einen Widerstand von 25 kΩ beziehungsweise im Detektionsbereich 19–26,5 kΩ, gilt das Gerät als PoE-fähig. Danach folgt eine geringe Versorgung, über die das PD seine Leistungsklasse signalisiert. Erst dann wird die volle Leistung freigeschaltet.

Die Aktivierung erfolgt in vier Schritten:

• Detektion: Prüfung, ob ein Widerstand von 19–26,5 kΩ vorhanden ist; zulässiger Spannungsbereich nach 802.3af: 2,7–10,1 V.
• Klassifikation: Messung des genauen Widerstandswerts zur Bestimmung der Leistungsklasse; 14,5–20,5 V.
• Startup: Aktivierung der eigentlichen Stromversorgung; mehr als 42 V.
• Normaler Betrieb: Versorgung mit 36–57 V.

Die Klassen geben an, welche Leistung am PD verfügbar ist. Klasse 0 stellt 0,44–12,96 W über zwei Aderpaare bereit und wird mit 00 bis 04 mA signalisiert. Klasse 1 bietet 0,44–3,84 W bei 09 bis 12 mA, Klasse 2 3,84–6,49 W bei 17 bis 20 mA und Klasse 3 6,49–12,95 W bei 26 bis 30 mA; diese Klassen gehören zu 802.3af. Klasse 4 nach 802.3at bietet 12,95–25,50 W über zwei Aderpaare und wird mit 36 bis 44 mA signalisiert.

802.3bt nutzt vier Aderpaare. Klasse 5 stellt 40 W bereit und verwendet 36 bis 44 mA sowie 1 bis 4 mA als Klassifizierungssignatur. Klasse 6 bietet 51 W bei 36 bis 44 mA sowie 9 bis 12 mA, Klasse 7 62 W bei 36 bis 44 mA sowie 17 bis 20 mA und Klasse 8 71,3 W bei 36 bis 44 mA sowie 26 bis 30 mA.

Einspeisung, Betriebsarten und Effizienz

Die Einspeisung kann durch Endspan-Devices oder Midspan-Devices erfolgen. Ein Endspan-Device ist beispielsweise ein PoE-Switch, der die Energie direkt bereitstellt. Ein Midspan-Device liegt zwischen Switch und Endgerät; typische Beispiele sind PoE-Injektoren oder Hubs. PoE-Patchpanels können herkömmliche Patchpanels ersetzen, benötigen dadurch keinen zusätzlichen Platz im Verteilerschrank und erlauben per Managementsoftware, einzelne Ports stromfrei oder stromführend zu schalten.

Bei Mode A, auch Phantomspeisung genannt, wird der Strom über die für 10BASE-T und 100BASE-TX verwendeten Datenpaare übertragen. Bei Mode B, der Spare-Pair-Speisung, fließt er über die bei diesen Verfahren nicht verwendeten Paare. Beim 4-pair Mode werden beide Paarsätze gleichzeitig genutzt. Bei Endspan erfolgt die Versorgung direkt durch einen PoE-Switch, bei Midspan durch eine zwischengeschaltete Quelle wie einen PoE-Injektor.

Die Standards stellen unterschiedliche Anforderungen an die Verkabelung: 802.3af benötigt Twisted-Pair-Kabel ab Cat-3, auch UTP, mit höchstens 20 Ω pro Leitungspaar. 802.3at verlangt mindestens Cat-5 und höchstens 12,5 Ω pro Leitungspaar. 802.3bt verlangt mindestens Cat-5 mit höchstens 12,5 Ω pro Leitungspaar oder 6,25 Ω für zwei Paare bei 4PPoE. Die abgegebene Spannung liegt zwischen 44 V und 54 V, in der Regel bei 48 V, bei einer Kabellänge bis zu 100 m.

Leiterquerschnitte, Leitungslänge und geringe Systemspannung führen zu Verlustleistung. Bei Klasse 4 können 25,5 W am PD entnommen werden. Bei 100 m Leitung, bis zu 12 Ω Schleifenwiderstand und maximal 0,6 A entstehen im Kabel bis zu 4,32 W Verlustleistung; der Wirkungsgrad beträgt dann etwa 83 %. Zusätzlich entstehen Verluste in den Netzteilen von PSE und PD. Insgesamt sind Wirkungsgrade unter 70 % nicht ungewöhnlich.

Steckerbelegung und Splitter

Bei 10/100-Mbit/s-Ethernet können die Daten und die Gleichspannung je nach Alternative über unterschiedliche Paare geführt werden. Bei Alternative A werden Daten und DC kombiniert über die Datenpaare übertragen; bei Alternative B liegt die DC auf den unbenutzten Leitungen. Bei Gigabit-Ethernet und schnelleren Verfahren sind alle Paare an der bidirektionalen Datenübertragung beteiligt, sodass die Stromversorgung ebenfalls mit den Datensignalen kombiniert wird.

Für die Belegung gelten die Pins 1 und 2 als ein Sendepaar, die Pins 3 und 6 als Empfangspaar. Die Paare 4–5 und 7–8 sind bei 10BASE-T und 100BASE-TX unbenutzt und können bei Alternative B zur Stromversorgung dienen. Bei 4-Paar-PoE werden zusätzlich diese Paare genutzt. Die genaue Polarität hängt von Alternative A, Alternative B sowie der Betrachtung am MDI oder MDI-X ab. DC bedeutet Gleichspannung, Tx Senden und Rx Empfangen.

Ein PoE-Splitter kann ein einziges Ethernet-Kabel in eine Datenleitung und eine Stromversorgung aufteilen. Dadurch lassen sich auch Geräte versorgen, die PoE nicht unmittelbar unterstützen.

Passive PoE-Varianten

Bei passiven PoE-Systemen wird eine feste Versorgungsspannung dauerhaft bereitgestellt. Es wird nicht geprüft, ob das angeschlossene Gerät PoE unterstützt oder wie viel Leistung es benötigt. Ein Anschluss an ein Gerät, das nicht zur verwendeten Belegung, Spannung oder Leistung passt, kann Schäden am Endgerät, an der Stromversorgung oder an der Verkabelung verursachen.

Einfache passive Adapter führen die Versorgung auf die bei 10BASE-T und 100BASE-T unbenutzten Leitungen 4–5 und 7–8. Diese Adapter sind nicht mit 1000BASE-T und schnelleren Verfahren kompatibel.