eng
DOI: 10.22184/2070-8963.2021.94.2.48.54
Статья посвящена вопросам технологии Power over Ethernet – разработке инжекторов, их совместимости с другим оборудованием, проблемам эксплуатации. В течение многих лет периодически возникали проблемы, которые автору приходилось решать, и вопросы, которые требовали ответа. Некоторые из них коротко описаны в этих заметках, в заголовке которых слово "инжекторы" помещено в скобки, так как все описанное относится, в значительной степени, к технологии PoE в целом.
Статья посвящена вопросам технологии Power over Ethernet – разработке инжекторов, их совместимости с другим оборудованием, проблемам эксплуатации. В течение многих лет периодически возникали проблемы, которые автору приходилось решать, и вопросы, которые требовали ответа. Некоторые из них коротко описаны в этих заметках, в заголовке которых слово "инжекторы" помещено в скобки, так как все описанное относится, в значительной степени, к технологии PoE в целом.
Теги: power over ethernet power over ethernet injectors pulse interference protection device "long" ethernet "длинный" ethernet surge suppressor инжекторы power over ethernet устройство защиты от импульсных помех
ЗАМЕТКИ об (инжекторах) Power over Ethernet
Часть 3
Д.Терентьев, технический директор компании COMMENG /
ic@commeng.ru
УДК 621.391.31, DOI: 10.22184/2070-8963.2021.94.2.48.54
Статья посвящена вопросам технологии Power over Ethernet (PoE) – разработке инжекторов, их совместимости с другим оборудованием, проблемам эксплуатации. В течение многих лет периодически возникали проблемы, которые автору приходилось решать, и вопросы, которые требовали ответа. Некоторые из них коротко описаны в этих заметках, в заголовке которых слово "инжекторы" помещено в скобки, так как все описанное относится, в значительной степени, к технологии PoE в целом. Автор просит иметь в виду, что статья собрана из отдельных кусочков – "заметок", и на строгость изложения и полноту раскрытия темы не претендует.
Необходимые напоминания
В предыдущих частях данной статьи читатель найдет:
В первой части (опубликована в журнале "ПЕРВАЯ МИЛЯ", 2020, № 7–8, с. 68–73):
Во второй части (опубликована в журнале "ПЕРВАЯ МИЛЯ", 2021, № 1, с. 54–59):
Заметка № 8. Ток. Напряжение. Мощность. Сопротивление кабеля. "Длинный" Ethernet
Когда мы пытаемся вытащить что-нибудь одно,
оказывается, что оно связано со всем остальным.
(Закон Муира. Из метазаконов Мерфи)
Ток
Выше было показано, какие ограничения налагают на ток PoE пассивные элементы, обычно применяемые в PS и PD – разъемы RJ-45 (Заметка № 1) и распространенные LAN-трансформаторы (Заметка № 4). При использовании всех четырех пар кабеля, величине тока в одном проводнике 0,5 А и напряжении 50 В можно передать в линию до 100 Вт. Для увеличения тока необходимо использовать другие разъемы (например, штыревые) и более мощные трансформаторы, что позволит повысить его величину примерно в 1,5 раза.
Напряжение
Увеличение напряжения питания за счет уменьшения потерь в кабеле может дать бóльший выигрыш в передаваемой на PD мощности, чем увеличение тока.
Некоторые производители предлагают Ethernet-решения c использованием напряжения Passive PoE величиной 100 В и выше (для компенсации потерь в физических сегментах, соединяющих несколько последовательно включенных устройств), но это является редким исключением.
Для Standаrd PoE и абсолютного большинства применений Passive PoE напряжение соответствует требованиям норм электробезопасности. При использовании Passive PoE величина напряжения может быть различной, например для питания ODU (наружного блока) некоторых систем БШПД используется 24 В. Принято считать, что номинальное напряжение питания PSE-контроллера составляет 48 В. Это довольно близко к истине, но не совсем так – для подачи полной мощности в режиме PoE++ этого номинала мало. Например, схеме LTC 4279 [12] для подачи 13 Вт будет достаточно и 45 В, а для PoE++ необходимо будет обеспечить питание напряжением не менее, чем 51 В. А для мощностей 70 и 90 Вт − уже не менее 55 В. Максимальное же напряжение питания LTC 4279 составляет 57 В.
При повышении рабочего напряжения до 75 В постоянного тока оборудование попадает под действие технических регламентов по безопасности низковольтного оборудования, например ТР ТС 004/2011 [23] или директивы 2014/35/EU [24], со всеми вытекающими последствиями: изменение требований к конструкции, проведение испытаний, подтверждение соответствия.
Мощность
По мере роста потребностей PD изменялись требования стандартов и возможности PSE по подаче мощности в кабель: от максимально возможных согласно IEEE 802.3af 15,4 Вт до 100 Вт и выше, обеспечиваемых современными схемами PSE. Одновременно уменьшались потери в кабеле – за счет использования четырех пар и увеличения сечения жил при переходе от Cat.3 к Cat.5e.
Как отмечалось выше, компания COMMENG пока ограничилась выпуском инжекторов Passive PoE с максимальной мощностью 100 Вт и Standard PoE – 90 Вт не по техническим причинам, а из-за отсутствия спроса.
Сопротивление кабеля
Обсуждать возможность применения кабелей с биметаллическими проводниками автор не считает нужным, это плохо во всех отношениях, в том числе для передачи PoE. Если у кого-то все-таки остаются сомнения, рекомендуем ознакомиться со статьей [25].
Здесь нужно еще раз уточнить, что настоящие заметки касаются только интерфейсов 100BASE-TX и 1000BASE-T, хотя технологии передачи Ethernet по медножильным кабелям (а значит, и технологии PoE) продолжают развиваться.
Исключим из рассмотрения кабели Cat.6 и Cat.6a, применение которых если и уменьшает потери напряжения по сравнению с Cat.5e, то незначительно. Качественный кабель Cat.5e с диаметром жил 0,511 мм (AWG24) или 0,52 мм имеет сопротивление проводника постоянному току порядка 9 Ом на 100 м. Таким образом, при использовании для PoE четырех пар вносимое сопротивление будет равно 4,5 Ом, а падение напряжения в кабеле при величине тока 1 А – 4,5 В.
Вернувшись в начало заметки № 8 ("Напряжение"), увидим, что при таком токе PSE-контроллеру для передачи полной мощности в кабель нужно повысить напряжение питания. Если же подвести итоги всему выше сказанному, то применение кабеля с медными жилами диаметром 0,52 мм позволяет без ограничений использовать PoE IEEE 802.3af/at/bt при стандартной длине физического сегмента.
В заключение надо добавить, что существует проблема увеличения сопротивления жил кабеля (а значит, и затухания сигнала) при его нагревании – например, если он проложен по конструкциям мачты или подвешен и нагревается солнцем. Очевидно, что если в "перегретый" кабель подается PoE, это окажет влияние не только на передачу питания, но и на передачу данных. Этот вопрос имеет практическое значение, и, насколько известно автору, исследования в данном направлении ведутся.
"Длинный" Ethernet
Стандартная длина физического сегмента кабеля для интерфейсов 100BASE-TX и 1000BASE-T составляет 100 м. На практике она может быть и несколько больше, но ненамного. Чтобы увеличить дальность, можно использовать репитеры, кабель с низким затуханием или их комбинацию, за такими решениями уже закрепилось неофициальное название "длинный" Ethernet [26, 27].
Для "длинного" Fast Ethernet практически идеально подошли малопарные кабели, разработанные для сетей ШПД, – их конструкции рассчитаны на прокладку по стенам зданий, в грунте, кабельной канализации и коллекторах, подвеску на столбах и опорах. С увеличением диаметра проводников растет и допустимая длина физического сегмента, которая при диаметре жил 0,9 мм превышает 300 м.
Сопротивление постоянному току проводника длиной 1 км для диаметров 0,52/0,64/0,9 мм составляет соответственно 84±7/55±3/26±3 Ом [28]. Уменьшение сопротивления жил позволяет передавать PoE достаточной мощности на бóльшее расстояние и/или по двум парам поверх данных (логично будет использовать для 100BASE-TX двухпарный кабель), а также передавать PoE в следующий физический сегмент линии, как это реализовано в репитере [21].
Заметка № 10. Электропитание инжекторов
Организовать питание инжекторов PoE можно по нескольким вариантам, показанным на рис.12 (альтернативные источники вроде солнечных батарей рассматривать не будем). Правильный выбор может повысить надежность работы и снизить затраты на оборудование и его эксплуатацию.
Пусть у нас есть два типа инжекторов PoE, отличающихся лишь тем, что в первом (№ 1) постоянное напряжение от источника питания подается на схему PSE без преобразования, а во втором (№ 2) на инжектор подается напряжение переменного тока, которое затем преобразуется преобразователем.
Инжектор № 1 выигрывает у инжектора № 2 почти во всех отношениях:
цена ниже, а габариты меньше за счет отсутствия конвертера AC/DC;
нет проблем ни с электробезопасностью, ни с подтверждением соответствия требованиям технических регламентов [23, 24];
из-за упрощения схемы и снижения количества элементов значительно повышается надежность и снижается наработка на отказ.
Инжектор № 2 имеет преимущество при питании от сети переменного тока.
Рассмотрим объект связи, имеющий электроустановку постоянного тока с номинальным напряжением 48 В. В этом случае самым оптимальным вариантом будет подача постоянного напряжения непосредственно на инжекторы (рис.12а). Напряжение в пределах от 44 В (ниже этой отметки – уже глубокий разряд аккумуляторов) до 54 В (величина напряжения при полной зарядке) вполне подходит для питания большинства PD Standard и Passive PoE.
В некоторых проектах (БШПД, радиорелейные системы транспортной сети) встречается и применение инвертора для питания инжекторов напряжением 220 В (рис.12б). Преобразование напряжения происходит при таком решении три раза, что, на взгляд автора, совершенно нерационально во всех отношениях.
В тех случаях, когда для резервирования питания переменным током используется ИБП (рис.12в, г) ничто не мешает нам использовать для подачи напряжения на инжектор или несколько инжекторов без преобразователя AC/DC маломощный блок питания (рис.12г). Если рассматривать стоимость реализации вариантов в и г, то она отличается незначительно, а при использовании одного блока питания для нескольких инжекторов № 1 может оказаться даже меньше, чем стоимость при применении инжекторов № 2.
То же самое верно и в случае питания инжекторов непосредственно от сети переменного тока (рис.12д, е).
Заметка № 10. Метрология
Посмотри на меня в визатор, родной.
Какая точка отвечает? – зеленая!
Теперь на него посмотри – тоже зеленая.
И у тебя зеленая! А теперь на Уэфа посмотри, какая
точка – оранжевая? Это потому, что он чатланин!
(Би, персонаж кинофильма "Кин-дза-дза")
"Визатор"
Измерительный адаптер для подключения приборов к контактам разъема 8P8C, представленный на рис.13, мы сделали лет 10 назад.
Адаптер этот может также обнаруживать PoE, а реализована эта функция очень просто: к каждой из двух пар проводов, по которым может передаваться PoE, через нормально разомкнутый контакт кнопки последовательно подключены резистор и двухцветный светодиод. Схема такого тестера PoE представлена на рис.14 (если быть точным, изображена половина схемы, вторая половина полностью аналогична).
Если на вход схемы подано напряжение Passive PoE, то зеленый светодиод горит. Если к кабелю подключен PSE Standard PoE, то, измерив ток через резистор, PSE-контроллер считает, что он подключился к PD и пытается определить класс мощности последнего, для чего подает уже более высокое напряжение. Так как ответа он не получает, то пытается это делать снова и снова, в результате чего зеленый светодиод мигает.
Если полярность напряжения обратна стандартной, то светодиод горит или мигает ярко-желтым цветом.
Простейшая схема позволяет определять: наличие и тип PoE (Passive/Standard); режим (А или В, А+В), полярность – стандартная или инверсная.
Тестовая линия Cat.5e
Для того чтобы быть уверенным, что устройства с Ethernet-портами работают нормально, недостаточно соединить их патч-кордом, а надо использовать кабель длиной, близкой к предельно допустимой – 100 м.
Нередко приходится видеть бухты кабеля, лежащие на рабочих столах инженеров или рядом с ними – на полу или стульях. Когда нам это надоело, то несколько отрезков кабеля Cat.5e различной длины поместили в ящик, а концы подключили к разъемам. Это очень упростило работу. Правда, ящик получился объемным и тяжелым, поэтому мы поставили его на колеса.
Но возможен и другой вариант – искусственная линия на пассивных элементах RLC, имитирующая затухание кабеля в нормируемом диапазоне (для Cat.5e – до 100 МГц).
В начале 2000-х мы занимались продажей и технической поддержкой систем абонентского уплотнения EMX и FCM производства фирмы IPS (Словения). Для целей их проверки без использования кабеля были разработаны искусственные линии, с высокой точностью имитирующие затухание кабеля парной скрутки с полиэтиленовой изоляцией и номинальным сечением жилы 0,4 мм² в диапазоне до 1000 кГц. Можно пересчитать параметры линии на эквивалентную длину симметричных кабелей парной или четверочной скрутки с различными сечениями жил, например марок МКС или КСПП. Искусственные линии позволяют передавать напряжение дистанционного питания и идеально подходят для использования вместо кабеля при проверке практически любого оборудования цифровых абонентских линий с различными интерфейсами xDSL, а также интерфейсами U ISDN.
Были разработаны также тестовые линии для настройки, проверки и испытаний оборудования c портами Е1 для симметричного и коаксиального кабелей. Применение таких устройств и их характеристики регламентируются рекомендацией МСЭ-Т G.703 [29].
Искусственная линия и две тестовые линии E1/120 и E1/75 [30] до сих пор не сняты с производства. Заказывают их все реже, но все же заказывают – для измерительных лабораторий и комплектов ЗИП.
Логично было предположить, что аналогичная по назначению тестовая линия, имитирующая отрезок кабеля Cat.5e длиной 100 м может быть востребована. Поэтому такая разработка была сделана, при этом допускалась передача PoE током не более 0,3 А в одном проводе (т.е. до 60 Вт при использовании всех восьми проводников). К сожалению, или мы ошиблись в оценке ее перспектив, или просто не смогли продвинуть на рынок, поэтому эта тестовая линия, показанная на рис.15, до серийного производства не дошла.
Тестер Ethernet и тестер PoE
Для проверки инжекторов ОТК нашей компании использует следующий метод: инжектор подает PoE в кабель длиной 120 м, на другом конце которого установлен стенд PD с подключенным в качестве нагрузки реостатом. Кроме тестирования функций PoE, необходимо проверить влияние схемы инжектора на передачу данных. Вместо измерения первичных параметров и затухания линии проверяется следующее: возникают ли в ней ошибки и потери кадров на максимальной скорости передачи. Для этого двухканальный тестер-анализатор Ethernet подключается к портам DATA-инжектора и стенда PD (используется тест RFC 2544).
Сколько тысяч измерений сделал тестер-анализатор МАКС-ЕМ производства НПП "КОМЕТЕХ" [31] трудно сказать, но применяется нами он уже около 10 лет как при разработке, так и в качестве контрольного прибора на ОТК.
Когда мы приступили к разработке мультирежимного инжектора Standard PoE [32], понадобилось проводить быстрое тестирование инжекторов, а также входной контроль микросхем PSE-контроллеров. Важно было также иметь прибор, чтобы при необходимости представить заказчикам или поставщикам результаты измерений. Выбрали по описанию в интернете тестер марки PoE PRO производства Ideal Networks [32]. Кроме функций тестирования PSE, кабельного тестера, рефлектометра и генератора сигналов для прозвонки кабеля, тестер умеет распознавать несколько интерфейсов. Вроде бы такой набор функций и не особо нужен (вот при эксплуатации СКС он пригодится), а все равно приятно. Когда начали с этим тестером работать, в покупке не разочаровались. Получилось примерно как с автомобилем, от которого получаешь больше пользы и удовольствия, чем ожидал.
Вместо послесловия
People pay us to integrate things
for them, because they don’t have
the time to think about this stuff 24/7.
Steven Jobs
Заметки об (инжекторах) Power over Ethernet отражают несколько факторов, повлиявших на разработку инжекторов COMMENG, которые в результате имеют довольно своеобразный набор технических решений, делающих в определенных случаях их применение оптимальным.
В качестве приоритетов при разработке были определены совместимость с абсолютным большинством типов оборудования Ethernet, высокая надежность, простота при внесении в проекты и в эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
Обоснование решений Power over Ethernet нового поколения. Информационный документ. CommScope, Inc., 2014.
Стандарты питания от PoE до PoE++, внедрение и методы проверки. URL: https://skomplekt.com
Иванов О. PoE – технология электропитания устройств с использованием витых пар локальных сетей Ethernet // Компоненты и технологии. 2014. № 6.
Пахомов С. Технология 1000Base-T на физическом уровне // Компьютер Пресс. 2002. № 2.
URL: https://ieee802.org
Заметки о Power over Ethernet, № 2: Сага о контактах // Яндекс Дзен. Технический директор COMMENG.
58 Series PCB Jack 5803B-10P8C-D datasheet.
Электротехника – наука о контактах. RJ-45 // Яндекс Дзен. Электрик и связист – это сила.
Терентьев Д. Электромагнитная защита портов оборудования с интерфейсами 100/1000BASE-T. Часть 1. Особенности оборудования и линий, реализация схем защиты // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2020. № 1. С. 46–52.
Терентьев Д. Электромагнитная защита портов оборудования с интерфейсами 100/1000BASE-T. Часть 2. Заземление оборудования и экранов кабелей. Принципы защиты от импульсных помех и их реализация применительно к Ethernet. Ответы на вопросы и промежуточные итоги // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2020. № 2. С. 54–60.
Терентьев Д. Электромагнитная защита портов оборудования с интерфейсами 100/1000BASE-T.Часть 3. Как обеспечить надежную работу оборудования и систем связи в условиях воздействия электромагнитных помех. Решения и рекомендации инженеров COMMENG // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2020. № 3. С. 36–42.
LTC4279. Single Port PoE/PoE+/LTP0E++ PSE Controller. LINEAR TECHNNOLOGY CORPORATION, 2017.
10/100Base-T Single Port Transformer Modules. TRC 1188NLE. Huizhou Trxcom Eiectronics Co., Ltd.
PoE Signal Path Transformer 60 W/120 W signal patch. Document 1008-1. Coilcraft, Inc., 2018
LAN-Übertrager WE-LAN. Artikelnummer 7490220123. Spezifikation für Freigabe. Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, 2018.
Инжектор/Cплиттер Commeng PoET IS-АB f/f. Техническое описание. ООО "Комменж", 2020. URL: https://commeng.ru
Инжектор Commeng PoET Inj-АB f/f. Техническое описание. ООО "Комменж", 2020. URL: https://commeng.ru
Инжектор Commeng PoET Inj-Multi f/f. Техническое описание. ООО "Комменж", 2020. URL: https://commeng.ru
LT4293. LTPoE++/IEEE 802.3bt PD Interface Controller. ANALOG DEVICES. 2019.
Рower-over-Ethernet (PoE) Interface Controllers. URL: https://www.analog.com
Репитер Commeng RPT 100B-TX v.2.0. Техническое описание. ООО "Комменж", 2018. URL: https://commeng.ru
Заметки о Power over Ethernet, №1: Off-design mode или о пользе (не)чтения технических описаний // Яндекс Дзен. Технический директор COMMENG.
Технический регламент Таможенного Союза 004/2011 "О безопасности низковольтного оборудования".
Directive 2014/35/EU of the European Parlament and of the council of 26 February 2014 on the harmonisation of the laws of the Member States relating to the making available on the market of electrical equipment designed for use within certain voltage limits.
Пономарев С. О массовом применении алюминиевых проводников в коаксиальных ТВ-кабелях и кабелях "витая пара", импортируемых из ЮВА // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2020. № 7–8. С. 32–37.
Ефременко Д., Семенов А., Сидоренко С., Руденко В. Кабели для "Длинного" ETHERNET: о чем говорит рынок // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2016. № 4.
Семенов А., Сидоренко С., Терентьев Д., Руденко В. "Длинный" ETHERNET становится еще длиннее // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2017. № 2.
Кабели малопарные высокочастотные для широкополосного доступа. URL: http://informsystema.com
Recommendation ITU-T G.703: Physical/electrical characteristics of hierarchical digital interfaces. Geneva, 2016.
Каталог продукции COMMENG / Измерительные приборы и устройства / Искусственные и тестовые линии. URL: https://commeng.ru
URL: http://www.kometeh.ru
URL: https://www.idealnetworks.net
Часть 3
Д.Терентьев, технический директор компании COMMENG /
ic@commeng.ru
УДК 621.391.31, DOI: 10.22184/2070-8963.2021.94.2.48.54
Статья посвящена вопросам технологии Power over Ethernet (PoE) – разработке инжекторов, их совместимости с другим оборудованием, проблемам эксплуатации. В течение многих лет периодически возникали проблемы, которые автору приходилось решать, и вопросы, которые требовали ответа. Некоторые из них коротко описаны в этих заметках, в заголовке которых слово "инжекторы" помещено в скобки, так как все описанное относится, в значительной степени, к технологии PoE в целом. Автор просит иметь в виду, что статья собрана из отдельных кусочков – "заметок", и на строгость изложения и полноту раскрытия темы не претендует.
Необходимые напоминания
В предыдущих частях данной статьи читатель найдет:
В первой части (опубликована в журнале "ПЕРВАЯ МИЛЯ", 2020, № 7–8, с. 68–73):
- Краткий словарь – поможет, если встретится незнакомый термин или аббревиатура;
- Заметку № 1. Разъем RJ-45 (8p8c) – как выяснилось, одна из самых проблемных частей при передаче PoE;
- Заметку № 2. Защита от помех – попытка ответить на вопрос, почему контроллер PoE – самая уязвимая часть;
- Заметку № 3. Черные квадраты № 1 и 2 – где рассматривается общая схема с выделением в отдельные функциональные блоки частей, выполняющих в зависимости от вида (Passive PoE или Standаrd PoE) различный набор функций.
Во второй части (опубликована в журнале "ПЕРВАЯ МИЛЯ", 2021, № 1, с. 54–59):
- Заметку № 4. Трансформаторы, в которой LAN-трансформаторы рассматриваются как часть электрической цепи для передачи PoE;
- Заметку № 5. Сравнение источников Passive PoE и Standаrd PoE – сопоставительный анализ двух схем помогает разобраться в особенностях технологии;
- Заметку № 6. Совместимость Passive PoE и Standаrd PoE – рассматриваем ее на основе анализа стандартов и результатов практического применения, делаем выводы;
- Заметку № 7. Off-designe mode – пример того, что выводы могут быть, на первый взгляд, абсолютно логичными, но, тем не менее, ошибочными.
Заметка № 8. Ток. Напряжение. Мощность. Сопротивление кабеля. "Длинный" Ethernet
Когда мы пытаемся вытащить что-нибудь одно,
оказывается, что оно связано со всем остальным.
(Закон Муира. Из метазаконов Мерфи)
Ток
Выше было показано, какие ограничения налагают на ток PoE пассивные элементы, обычно применяемые в PS и PD – разъемы RJ-45 (Заметка № 1) и распространенные LAN-трансформаторы (Заметка № 4). При использовании всех четырех пар кабеля, величине тока в одном проводнике 0,5 А и напряжении 50 В можно передать в линию до 100 Вт. Для увеличения тока необходимо использовать другие разъемы (например, штыревые) и более мощные трансформаторы, что позволит повысить его величину примерно в 1,5 раза.
Напряжение
Увеличение напряжения питания за счет уменьшения потерь в кабеле может дать бóльший выигрыш в передаваемой на PD мощности, чем увеличение тока.
Некоторые производители предлагают Ethernet-решения c использованием напряжения Passive PoE величиной 100 В и выше (для компенсации потерь в физических сегментах, соединяющих несколько последовательно включенных устройств), но это является редким исключением.
Для Standаrd PoE и абсолютного большинства применений Passive PoE напряжение соответствует требованиям норм электробезопасности. При использовании Passive PoE величина напряжения может быть различной, например для питания ODU (наружного блока) некоторых систем БШПД используется 24 В. Принято считать, что номинальное напряжение питания PSE-контроллера составляет 48 В. Это довольно близко к истине, но не совсем так – для подачи полной мощности в режиме PoE++ этого номинала мало. Например, схеме LTC 4279 [12] для подачи 13 Вт будет достаточно и 45 В, а для PoE++ необходимо будет обеспечить питание напряжением не менее, чем 51 В. А для мощностей 70 и 90 Вт − уже не менее 55 В. Максимальное же напряжение питания LTC 4279 составляет 57 В.
При повышении рабочего напряжения до 75 В постоянного тока оборудование попадает под действие технических регламентов по безопасности низковольтного оборудования, например ТР ТС 004/2011 [23] или директивы 2014/35/EU [24], со всеми вытекающими последствиями: изменение требований к конструкции, проведение испытаний, подтверждение соответствия.
Мощность
По мере роста потребностей PD изменялись требования стандартов и возможности PSE по подаче мощности в кабель: от максимально возможных согласно IEEE 802.3af 15,4 Вт до 100 Вт и выше, обеспечиваемых современными схемами PSE. Одновременно уменьшались потери в кабеле – за счет использования четырех пар и увеличения сечения жил при переходе от Cat.3 к Cat.5e.
Как отмечалось выше, компания COMMENG пока ограничилась выпуском инжекторов Passive PoE с максимальной мощностью 100 Вт и Standard PoE – 90 Вт не по техническим причинам, а из-за отсутствия спроса.
Сопротивление кабеля
Обсуждать возможность применения кабелей с биметаллическими проводниками автор не считает нужным, это плохо во всех отношениях, в том числе для передачи PoE. Если у кого-то все-таки остаются сомнения, рекомендуем ознакомиться со статьей [25].
Здесь нужно еще раз уточнить, что настоящие заметки касаются только интерфейсов 100BASE-TX и 1000BASE-T, хотя технологии передачи Ethernet по медножильным кабелям (а значит, и технологии PoE) продолжают развиваться.
Исключим из рассмотрения кабели Cat.6 и Cat.6a, применение которых если и уменьшает потери напряжения по сравнению с Cat.5e, то незначительно. Качественный кабель Cat.5e с диаметром жил 0,511 мм (AWG24) или 0,52 мм имеет сопротивление проводника постоянному току порядка 9 Ом на 100 м. Таким образом, при использовании для PoE четырех пар вносимое сопротивление будет равно 4,5 Ом, а падение напряжения в кабеле при величине тока 1 А – 4,5 В.
Вернувшись в начало заметки № 8 ("Напряжение"), увидим, что при таком токе PSE-контроллеру для передачи полной мощности в кабель нужно повысить напряжение питания. Если же подвести итоги всему выше сказанному, то применение кабеля с медными жилами диаметром 0,52 мм позволяет без ограничений использовать PoE IEEE 802.3af/at/bt при стандартной длине физического сегмента.
В заключение надо добавить, что существует проблема увеличения сопротивления жил кабеля (а значит, и затухания сигнала) при его нагревании – например, если он проложен по конструкциям мачты или подвешен и нагревается солнцем. Очевидно, что если в "перегретый" кабель подается PoE, это окажет влияние не только на передачу питания, но и на передачу данных. Этот вопрос имеет практическое значение, и, насколько известно автору, исследования в данном направлении ведутся.
"Длинный" Ethernet
Стандартная длина физического сегмента кабеля для интерфейсов 100BASE-TX и 1000BASE-T составляет 100 м. На практике она может быть и несколько больше, но ненамного. Чтобы увеличить дальность, можно использовать репитеры, кабель с низким затуханием или их комбинацию, за такими решениями уже закрепилось неофициальное название "длинный" Ethernet [26, 27].
Для "длинного" Fast Ethernet практически идеально подошли малопарные кабели, разработанные для сетей ШПД, – их конструкции рассчитаны на прокладку по стенам зданий, в грунте, кабельной канализации и коллекторах, подвеску на столбах и опорах. С увеличением диаметра проводников растет и допустимая длина физического сегмента, которая при диаметре жил 0,9 мм превышает 300 м.
Сопротивление постоянному току проводника длиной 1 км для диаметров 0,52/0,64/0,9 мм составляет соответственно 84±7/55±3/26±3 Ом [28]. Уменьшение сопротивления жил позволяет передавать PoE достаточной мощности на бóльшее расстояние и/или по двум парам поверх данных (логично будет использовать для 100BASE-TX двухпарный кабель), а также передавать PoE в следующий физический сегмент линии, как это реализовано в репитере [21].
Заметка № 10. Электропитание инжекторов
Организовать питание инжекторов PoE можно по нескольким вариантам, показанным на рис.12 (альтернативные источники вроде солнечных батарей рассматривать не будем). Правильный выбор может повысить надежность работы и снизить затраты на оборудование и его эксплуатацию.
Пусть у нас есть два типа инжекторов PoE, отличающихся лишь тем, что в первом (№ 1) постоянное напряжение от источника питания подается на схему PSE без преобразования, а во втором (№ 2) на инжектор подается напряжение переменного тока, которое затем преобразуется преобразователем.
Инжектор № 1 выигрывает у инжектора № 2 почти во всех отношениях:
цена ниже, а габариты меньше за счет отсутствия конвертера AC/DC;
нет проблем ни с электробезопасностью, ни с подтверждением соответствия требованиям технических регламентов [23, 24];
из-за упрощения схемы и снижения количества элементов значительно повышается надежность и снижается наработка на отказ.
Инжектор № 2 имеет преимущество при питании от сети переменного тока.
Рассмотрим объект связи, имеющий электроустановку постоянного тока с номинальным напряжением 48 В. В этом случае самым оптимальным вариантом будет подача постоянного напряжения непосредственно на инжекторы (рис.12а). Напряжение в пределах от 44 В (ниже этой отметки – уже глубокий разряд аккумуляторов) до 54 В (величина напряжения при полной зарядке) вполне подходит для питания большинства PD Standard и Passive PoE.
В некоторых проектах (БШПД, радиорелейные системы транспортной сети) встречается и применение инвертора для питания инжекторов напряжением 220 В (рис.12б). Преобразование напряжения происходит при таком решении три раза, что, на взгляд автора, совершенно нерационально во всех отношениях.
В тех случаях, когда для резервирования питания переменным током используется ИБП (рис.12в, г) ничто не мешает нам использовать для подачи напряжения на инжектор или несколько инжекторов без преобразователя AC/DC маломощный блок питания (рис.12г). Если рассматривать стоимость реализации вариантов в и г, то она отличается незначительно, а при использовании одного блока питания для нескольких инжекторов № 1 может оказаться даже меньше, чем стоимость при применении инжекторов № 2.
То же самое верно и в случае питания инжекторов непосредственно от сети переменного тока (рис.12д, е).
Заметка № 10. Метрология
Посмотри на меня в визатор, родной.
Какая точка отвечает? – зеленая!
Теперь на него посмотри – тоже зеленая.
И у тебя зеленая! А теперь на Уэфа посмотри, какая
точка – оранжевая? Это потому, что он чатланин!
(Би, персонаж кинофильма "Кин-дза-дза")
"Визатор"
Измерительный адаптер для подключения приборов к контактам разъема 8P8C, представленный на рис.13, мы сделали лет 10 назад.
Адаптер этот может также обнаруживать PoE, а реализована эта функция очень просто: к каждой из двух пар проводов, по которым может передаваться PoE, через нормально разомкнутый контакт кнопки последовательно подключены резистор и двухцветный светодиод. Схема такого тестера PoE представлена на рис.14 (если быть точным, изображена половина схемы, вторая половина полностью аналогична).
Если на вход схемы подано напряжение Passive PoE, то зеленый светодиод горит. Если к кабелю подключен PSE Standard PoE, то, измерив ток через резистор, PSE-контроллер считает, что он подключился к PD и пытается определить класс мощности последнего, для чего подает уже более высокое напряжение. Так как ответа он не получает, то пытается это делать снова и снова, в результате чего зеленый светодиод мигает.
Если полярность напряжения обратна стандартной, то светодиод горит или мигает ярко-желтым цветом.
Простейшая схема позволяет определять: наличие и тип PoE (Passive/Standard); режим (А или В, А+В), полярность – стандартная или инверсная.
Тестовая линия Cat.5e
Для того чтобы быть уверенным, что устройства с Ethernet-портами работают нормально, недостаточно соединить их патч-кордом, а надо использовать кабель длиной, близкой к предельно допустимой – 100 м.
Нередко приходится видеть бухты кабеля, лежащие на рабочих столах инженеров или рядом с ними – на полу или стульях. Когда нам это надоело, то несколько отрезков кабеля Cat.5e различной длины поместили в ящик, а концы подключили к разъемам. Это очень упростило работу. Правда, ящик получился объемным и тяжелым, поэтому мы поставили его на колеса.
Но возможен и другой вариант – искусственная линия на пассивных элементах RLC, имитирующая затухание кабеля в нормируемом диапазоне (для Cat.5e – до 100 МГц).
В начале 2000-х мы занимались продажей и технической поддержкой систем абонентского уплотнения EMX и FCM производства фирмы IPS (Словения). Для целей их проверки без использования кабеля были разработаны искусственные линии, с высокой точностью имитирующие затухание кабеля парной скрутки с полиэтиленовой изоляцией и номинальным сечением жилы 0,4 мм² в диапазоне до 1000 кГц. Можно пересчитать параметры линии на эквивалентную длину симметричных кабелей парной или четверочной скрутки с различными сечениями жил, например марок МКС или КСПП. Искусственные линии позволяют передавать напряжение дистанционного питания и идеально подходят для использования вместо кабеля при проверке практически любого оборудования цифровых абонентских линий с различными интерфейсами xDSL, а также интерфейсами U ISDN.
Были разработаны также тестовые линии для настройки, проверки и испытаний оборудования c портами Е1 для симметричного и коаксиального кабелей. Применение таких устройств и их характеристики регламентируются рекомендацией МСЭ-Т G.703 [29].
Искусственная линия и две тестовые линии E1/120 и E1/75 [30] до сих пор не сняты с производства. Заказывают их все реже, но все же заказывают – для измерительных лабораторий и комплектов ЗИП.
Логично было предположить, что аналогичная по назначению тестовая линия, имитирующая отрезок кабеля Cat.5e длиной 100 м может быть востребована. Поэтому такая разработка была сделана, при этом допускалась передача PoE током не более 0,3 А в одном проводе (т.е. до 60 Вт при использовании всех восьми проводников). К сожалению, или мы ошиблись в оценке ее перспектив, или просто не смогли продвинуть на рынок, поэтому эта тестовая линия, показанная на рис.15, до серийного производства не дошла.
Тестер Ethernet и тестер PoE
Для проверки инжекторов ОТК нашей компании использует следующий метод: инжектор подает PoE в кабель длиной 120 м, на другом конце которого установлен стенд PD с подключенным в качестве нагрузки реостатом. Кроме тестирования функций PoE, необходимо проверить влияние схемы инжектора на передачу данных. Вместо измерения первичных параметров и затухания линии проверяется следующее: возникают ли в ней ошибки и потери кадров на максимальной скорости передачи. Для этого двухканальный тестер-анализатор Ethernet подключается к портам DATA-инжектора и стенда PD (используется тест RFC 2544).
Сколько тысяч измерений сделал тестер-анализатор МАКС-ЕМ производства НПП "КОМЕТЕХ" [31] трудно сказать, но применяется нами он уже около 10 лет как при разработке, так и в качестве контрольного прибора на ОТК.
Когда мы приступили к разработке мультирежимного инжектора Standard PoE [32], понадобилось проводить быстрое тестирование инжекторов, а также входной контроль микросхем PSE-контроллеров. Важно было также иметь прибор, чтобы при необходимости представить заказчикам или поставщикам результаты измерений. Выбрали по описанию в интернете тестер марки PoE PRO производства Ideal Networks [32]. Кроме функций тестирования PSE, кабельного тестера, рефлектометра и генератора сигналов для прозвонки кабеля, тестер умеет распознавать несколько интерфейсов. Вроде бы такой набор функций и не особо нужен (вот при эксплуатации СКС он пригодится), а все равно приятно. Когда начали с этим тестером работать, в покупке не разочаровались. Получилось примерно как с автомобилем, от которого получаешь больше пользы и удовольствия, чем ожидал.
Вместо послесловия
People pay us to integrate things
for them, because they don’t have
the time to think about this stuff 24/7.
Steven Jobs
Заметки об (инжекторах) Power over Ethernet отражают несколько факторов, повлиявших на разработку инжекторов COMMENG, которые в результате имеют довольно своеобразный набор технических решений, делающих в определенных случаях их применение оптимальным.
В качестве приоритетов при разработке были определены совместимость с абсолютным большинством типов оборудования Ethernet, высокая надежность, простота при внесении в проекты и в эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
Обоснование решений Power over Ethernet нового поколения. Информационный документ. CommScope, Inc., 2014.
Стандарты питания от PoE до PoE++, внедрение и методы проверки. URL: https://skomplekt.com
Иванов О. PoE – технология электропитания устройств с использованием витых пар локальных сетей Ethernet // Компоненты и технологии. 2014. № 6.
Пахомов С. Технология 1000Base-T на физическом уровне // Компьютер Пресс. 2002. № 2.
URL: https://ieee802.org
Заметки о Power over Ethernet, № 2: Сага о контактах // Яндекс Дзен. Технический директор COMMENG.
58 Series PCB Jack 5803B-10P8C-D datasheet.
Электротехника – наука о контактах. RJ-45 // Яндекс Дзен. Электрик и связист – это сила.
Терентьев Д. Электромагнитная защита портов оборудования с интерфейсами 100/1000BASE-T. Часть 1. Особенности оборудования и линий, реализация схем защиты // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2020. № 1. С. 46–52.
Терентьев Д. Электромагнитная защита портов оборудования с интерфейсами 100/1000BASE-T. Часть 2. Заземление оборудования и экранов кабелей. Принципы защиты от импульсных помех и их реализация применительно к Ethernet. Ответы на вопросы и промежуточные итоги // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2020. № 2. С. 54–60.
Терентьев Д. Электромагнитная защита портов оборудования с интерфейсами 100/1000BASE-T.Часть 3. Как обеспечить надежную работу оборудования и систем связи в условиях воздействия электромагнитных помех. Решения и рекомендации инженеров COMMENG // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2020. № 3. С. 36–42.
LTC4279. Single Port PoE/PoE+/LTP0E++ PSE Controller. LINEAR TECHNNOLOGY CORPORATION, 2017.
10/100Base-T Single Port Transformer Modules. TRC 1188NLE. Huizhou Trxcom Eiectronics Co., Ltd.
PoE Signal Path Transformer 60 W/120 W signal patch. Document 1008-1. Coilcraft, Inc., 2018
LAN-Übertrager WE-LAN. Artikelnummer 7490220123. Spezifikation für Freigabe. Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, 2018.
Инжектор/Cплиттер Commeng PoET IS-АB f/f. Техническое описание. ООО "Комменж", 2020. URL: https://commeng.ru
Инжектор Commeng PoET Inj-АB f/f. Техническое описание. ООО "Комменж", 2020. URL: https://commeng.ru
Инжектор Commeng PoET Inj-Multi f/f. Техническое описание. ООО "Комменж", 2020. URL: https://commeng.ru
LT4293. LTPoE++/IEEE 802.3bt PD Interface Controller. ANALOG DEVICES. 2019.
Рower-over-Ethernet (PoE) Interface Controllers. URL: https://www.analog.com
Репитер Commeng RPT 100B-TX v.2.0. Техническое описание. ООО "Комменж", 2018. URL: https://commeng.ru
Заметки о Power over Ethernet, №1: Off-design mode или о пользе (не)чтения технических описаний // Яндекс Дзен. Технический директор COMMENG.
Технический регламент Таможенного Союза 004/2011 "О безопасности низковольтного оборудования".
Directive 2014/35/EU of the European Parlament and of the council of 26 February 2014 on the harmonisation of the laws of the Member States relating to the making available on the market of electrical equipment designed for use within certain voltage limits.
Пономарев С. О массовом применении алюминиевых проводников в коаксиальных ТВ-кабелях и кабелях "витая пара", импортируемых из ЮВА // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2020. № 7–8. С. 32–37.
Ефременко Д., Семенов А., Сидоренко С., Руденко В. Кабели для "Длинного" ETHERNET: о чем говорит рынок // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2016. № 4.
Семенов А., Сидоренко С., Терентьев Д., Руденко В. "Длинный" ETHERNET становится еще длиннее // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2017. № 2.
Кабели малопарные высокочастотные для широкополосного доступа. URL: http://informsystema.com
Recommendation ITU-T G.703: Physical/electrical characteristics of hierarchical digital interfaces. Geneva, 2016.
Каталог продукции COMMENG / Измерительные приборы и устройства / Искусственные и тестовые линии. URL: https://commeng.ru
URL: http://www.kometeh.ru
URL: https://www.idealnetworks.net
Отзывы читателей
