Új alkalmazási lehetőségek az egy érpáras Power over Ethernetnek köszönhetően

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 egy érpáras 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 mindegyikén más-más adatjel továbbítódik. 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 létrejöttére, 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 nagyméretű és drága csatlakozókat és kábeleket szükséges használni, melyek a nagy áramerősségek és feszültségek, az energiaveszteség és a hőleadás kezelésére képesek.

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 802.3 cg 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 V 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 megvalósíthatók illetve nem gazdaságosak.

Az SPoE például a következő esetekben használható:

• Üzemeltetési technológiai rendszerek, ahol a megbízható kommunikáció és energiaellátás kritikus fontosságú a folyamatirányítás és automatizálás szempontjából
• Környezeti és gépi paraméterek felügyeletére és szabályozására képes épület- és gyárautomatizálási rendszerek
• Terepi műszerek, például érzékelők és működtető szervek, melyek ennek a szabványnak köszönhetően nagyobb rugalmassággal és kisebb költséggel telepíthetők
• Biztonsági rendszerek, például beléptető és felügyeleti rendszerek, ahol az SPoE könnyebb átméretezhetőséget biztosít
• Következetes működést és összeköttetést igénylő forgalomirányítási rendszerek
• Peremhálózati IoT-eszközök tápellátása és irányítása
• Digitális feliratok és kültéri világítás áramellátásának biztosítása távolról

Tervezési szempontok az SPoE alkalmazásakor

Az SPoE a „fantomtáp” módszert használja a tápjel ráültetésére ugyanarra a vezetékpárra, amelyen az adatjel is továbbítódik, ami 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, melyek 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) LTC4296-1 jelű eszköze (2. ábra) például 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 (R_DS(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 V – 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 (ábra: 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 a 24 V-tól vagy 55 V-tól eltérő feszültségre van szüksége, akkor egy kiegészítő egyenáram-átalakító használatára van szükség.

Az ADI az EVAL-SPoE-KIT-AZ fejlesztői készletet 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 V 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, melyek ideálisak a fizikailag ellenálló és megbízható kapcsolatokat igénylő ipari, autóipari és intelligens épületrendszerekhez.