Zabezpieczanie urządzeń PoE przed przepięciami

Zasilanie urządzeń przez Ethernet ma kilka zalet. Na przykład eliminuje potrzebę prowadzenia oddzielnego okablowania zasilającego oraz używania dodatkowych zasilaczy. Uzyskuje się również większą elastyczność w zakresie rozmieszczenia urządzeń sieciowych, bo nie jest już to ograniczone dostępnością gniazdka zasilającego oraz odległością od niego. W efekcie rozszerza się zasięg terytorialny sieci.

Równocześnie rośnie też niestety niebezpieczeństwo uszkodzenia urządzeń sieciowych w wyniku przepięć wywołanych przykładowo przez zjawiska atmosferyczne, wyładowania elektrostatyczne oraz w wyniku awarii zasilania, na przykład w związku ze zwarciem linii energetycznych. W artykule przedstawimy charakterystykę tej metody zasilania oraz sposoby zabezpieczania urządzeń sieciowych PoE przed skutkami różnych zaburzeń.

Power over Ethernet

W standardzie PoE wyróżniono dwa rodzaje urządzeń. Są to tzw. PSE (Power Supply Equipment), czyli specjalnie zaprojektowane urządzenia sieciowe pełniące funkcję zasilaczy. Drugą grupę stanowią urządzenia zasilane, tzw. PD (Powered Devices).

Napięcie zasilające jest do nich doprowadzane z PSE kablem sygnałowym, dlatego odbiorniki nie muszą mieć dodatkowego przewodu zasilającego. Często jednak PD są uzupełniane o dodatkowy port umożliwiający połączenie z zewnętrznym zasilaniem na wypadek awarii zasilania podstawowego.

Rys. 1. Zasilanie przez kabel ethernetowy może być przesyłane na jeden z dwóch sposobów: a) za pomocą dwóch par przewodów transmitujących dane (1/2 i 3/6) oraz b) za pomocą dwóch nieużywanych par przewodów (4/5 i 7/8)

Pierwsza wersja specyfikacji Power over Ethernet (IEEE 802.af) zakładała ograniczenie poboru mocy przez PD do 12,95 W (350 mA), co odpowiada mocy wyjściowej PSE o wartości 15,4 W (400 mA) na port z uwzględnieniem strat w okablowaniu.

W standardzie PoE+ (IEEE 802.at) maksymalną moc zwiększono do 30 W (600 mA), natomiast pobór mocy przez odbiorniki został ograniczony do 25,5 W.

Okablowanie w sieciach PoE i PoE+

Zwiększenie poziomów mocy zasilających urządzenia w standardzie PoE+ wymusiło konkretne zmiany konstrukcyjne. Wymagało to przede wszystkim ograniczenia strat rezystancji. Dlatego w PoE+ używane jest okablowanie kategorii 5e oraz kategorii 6, które charakteryzuje się niższą rezystancją (12,5 Ω na długości 100 m) niż okablowanie używane do zasilania urządzeń PoE (20 Ω na długości 100 m).

Niektórzy producenci oferują zasilacze o jeszcze wyższych poziomach mocy. Dostępne są m.in. PSE o mocy od 60 W do nawet 90 W na port, wkrótce zaś do sprzedaży mają zostać wprowadzone zasilacze o mocy 200 W. Takie urządzenia pozwalają eliminować ograniczenia wynikające z fizycznych właściwości okablowania.

Jednym z nich jest zapewnienie odpowiedniej separacji przewodów w wiązce, co zwiększa efektywność rozpraszania ciepła. Urządzania takie nie są jednak zgodne ze standardami IEEE 802.3 af ani IEEE 802.3 at.

PoE w praktyce

Zasilanie przez kabel ethernetowy może być przesyłane na jeden z dwóch sposobów. W pierwszym z nich energia jest dostarczana za pośrednictwem dwóch par przewodów kabla sieciowego, służących równocześnie do transmisji danych (1/2 oraz 3/6). W drugim przypadku wykorzystywane są dwie wolne pary przewodów (4/5 oraz 7/8).

Rys. 2. Przykłady systemów zabezpieczeń urządzeń sieciowych PoE pracujących a) wewnątrz i b) na zewnątrz budynków

Obie metody przedstawiono na rysunku 1. Dla efektywności tej metody zasilania oraz zapewnienia bezpieczeństwa urządzeń sieciowych kluczowe jest, by moc zasilacza dostosowana była do zakresów mocy dopuszczalnych w odbiorniku. W przeciwnym wypadku PD mógłby zostać zniszczony.

W związku z tym w standardzie PoE przewidziano procedurę, w ramach której tuż po podłączeniu PSE i PD wymieniają się odpowiednimi informacjami. Polega to na tym, że PSE przesyła do odbiornika ciąg impulsów i na tej podstawie określa jego impedancję. Pozwala to zakwalifikować odbiornik do jednej z pięciu klas o różnej mocy.

Ochrona urządzeń PoE

Celem ochrony przeciwprzepięciowej jest zagwarantowanie kontynuacji pracy zarówno zasilacza, jak i odbiornika PoE w razie wystąpienia przepięcia lub innego zaburzenia w sieci zasilającej przez określony w odpowiednich normach czas.

Wybór układu zabezpieczeń zależy m.in. od szybkości transmisji danych w konkretnej sieci. Należy poza tym przestrzegać kilku zasad. Między innymi napięcie progowe komponentów zapewniających ochronę przeciwprzepięciową powinno być większe niż jakiekolwiek napięcie, które może wystąpić na wejściu odbiornika.

W ten sposób zapobiega się m.in. sytuacji, w której element zabezpieczający przed przepięciem załączy się w trakcie procedury testowania odbiornika przez zasilacz. W przypadku urządzeń niekompatybilnych ze standardem PoE, w których napięcia są wyższe, urządzenia ochronne należy dobierać indywidualnie.

Działanie komponentu ochronnego nie powinno być również zależne od polaryzacji napięcia. Z tego powodu często stosowane są dwukierunkowe tyrystory. Oprócz tego używane są też inne komponenty, na przykład bezpieczniki oraz termistory PTC. Zaletą tych ostatnich jest zdolność do regeneracji do stanu sprzed załączenia zabezpieczenia.

Niestety termistory PTC są nieodpowiednie w przypadku transmisji o większych prędkościach, przykładowo 100/1000 Base-T ze względu na ich rezystancję oraz histerezę charakterystyki regeneracji. Wybór rodzaju ochrony jest również uzależniony od tego, wystąpienia jakich zagrożeń w danym przypadku można się spodziewać.

Przykład 1
Przykładowo w wypadku, gdy urządzenia sieciowe PoE są zainstalowane wewnątrz budynku lub są w niewielkim stopniu narażone na wystąpienie zaburzeń napięcia zasilania, można zastosować system zabezpieczeń jak na rysunku 2a. Jego częścią są dwa zestawy przeciwprzepięciowych diod Zenera zainstalowanych między złączem RJ-45 oraz głównym układem komunikacyjnym.

Jeżeli do urządzenia dotrze przepięcie, załączy się zestaw diod TVS1, dzięki czemu prąd zaburzenia nie uszkodzi wrażliwego układu. Dodatkowym zabezpieczeniem jest drugi zestaw diod (TVS2). Ich zadaniem jest odcięcie ewentualnego przepięcia sprzęgniętego przez transformatory.

Aby zwiększyć skuteczność tego systemu zabezpieczeń, diody mogą ochraniać każdy z przewodów pary albo pojedynczy zestaw diod może zabezpieczać parę przewodów, jak w konfiguracji na rysunku 2a. Częścią przedstawionego systemu ochrony są również bezpieczniki (F1-F4).

Przykład 2
Inny przykład systemu zabezpieczeń przeciwprzepięciowych i ochrony przed przeciążeniami dla urządzeń PoE w sieciach 10, 100 i 1000 Base-T przedstawiono na rysunku 2b (w sieciach 10/100 Base-T takiej ochrony wymagają tylko dwie pary przewodów).

W tym przypadku zastosowano zarówno bezpieczniki (F1-F8), zestaw diod przeciwprzepięciowych (TVS3), jak i komponenty ochronne z dwukierunkowymi tyrystorami (U1-U4). Te ostatnie zabezpieczają przed przepięciem, natomiast bezpieczniki na przewodach sygnałowych zapewniają wymaganą ochronę przed przeciążeniem.

Za transformatorem sprzęgającym zastosowano dodatkowe zabezpieczenie w postaci zestawu diod Zenera. Ten system zabezpieczeń jest zalecany w wypadku urządzeń PoE pracujących na zewnątrz i w związku z tym narażonych zarówno na zaburzenia od wyładowań atmosferycznych, jak i tych powstających w wyniku awarii zasilania.

Monika Jaworowska