Dobór właściwego standardu Power Over Ethernet do inteligentnych przemysłowych systemów oświetleniowych LED
| TechnikaSystem zasilania Power over Ethernet (PoE) opracowano w celu rozwiązania problemu transmisji danych i zasilania tym samym kablem. Jednak wraz z jego rozwojem projektanci muszą się zmagać z zapewnieniem kompatybilności oddolnej i umożliwieniem aktualizacji do przyszłych standardów, a także z wyborem konfiguracji, kabla i właściwego układu scalonego. Zastosowany układ scalony musi nie tylko zapewnić podstawową funkcjonalność PoE. Projektant powinien upewnić się, że obsługuje on najnowsze funkcje zapewniające bezpieczne dostarczanie energii.
Ze względów kompatybilności, zarówno modernizując istniejącą instalację, jak też projektując nowy system PoE, projektant musi wybrać pomiędzy dwoma istniejącymi standardami: 802.3af i 802.3at oraz nowo wprowadzanym 802.3bt. Choć odpowiedni standard może być wybrany na podstawie dostępnego budżetu i zapotrzebowania na moc, zawsze podczas projektowania dobrze jest wziąć pod uwagę przyszłe wymogi oraz zapewnienie kompatybilności oddolnej.
Projektant musi też zdecydować, która konfiguracja PoE jest odpowiednia do systemu docelowego. Niektóre opcje konfiguracyjne mogą być niedostępne podczas dodawania PoE do istniejącej sieci wykorzystującej starsze okablowanie ethernetowe. Standard, topologia i środowisko pracy pełnią kluczową funkcję podczas decydowania o wyborze kabla. Wybór niewłaściwego kabla może ograniczyć moc dostarczaną do urządzeń oraz utrudnić możliwość rozbudowy w przyszłości.
W artykule omówiono podstawy działania PoE i jego ewolucję. Zaprezentowano sposoby rozwiązywania wielu problemów oraz opisano wykorzystanie PoE w inteligentnym systemie oświetleniowym.
Ewolucja PoE
PoE upraszcza tworzenie instalacji, pozwalając na przesyłanie zasilania i danych po tym samym kablu CAT5e. Nie wpływa na komunikację za pomocą skrętki Ethernet oraz zapewnia krótszy czas projektowania i niższe koszty, wynikające z wyeliminowania części przewodów. PoE daje również zaletę w postaci scentralizowanego źródła zasilania, pozwalającego na łatwe zarządzanie poborem mocy we wszystkich węzłach sieci Ethernet. Umożliwia to również na łatwe zarządzanie źródłem zasilania awaryjnego dla wszystkich podłączonych systemów.
Wraz z rozwojem aplikacji PoE komitet normalizacyjny IEEE wprowadził nowe wersje o większej dostępnej mocy, pochodzące od oryginalnego standardu IEEE 802.3af z 2003 roku przewidującego dostarczanie 15 W mocy na port. Standard 802.3at z 2009 roku (zwany też PoE plus) zwiększa moc wyjściową do 25 watów/port, a w ostatniej aktualizacji 802.3bt PoE zwiększono ten limit do 100 W.
Warto zauważyć, że każdy standard PoE zachowuje kompatybilność wsteczną z poprzednimi edycjami. Ponieważ sprawność jest kluczowa, standardy PoE określają również moc, która może zostać utracona podczas transmisji zasilania wzdłuż skrętki ekranowanej CAT5e.
Kwestie dotyczące kabla PoE
W standardzie PoE do kabla CAT5 jest podawane napięcie różnicowe 48 V. Napięcie to może być podawane do par przewodów przesyłających dane, bez powodowania interferencji z transmisją lub alternatywnie do zapasowych par przewodów, upraszczając system zasilania. W automatyce i instalacjach budowlanych stosowane są przemysłowe kable CAT5e ze względu na ich odporność na ciężkie warunki środowiskowe oraz narażenia mechaniczne (np. przytrzaśnięcie drzwiami, rozciąganie i wyginanie).
Dobrym przykładem jest tu modułowy kabel Ethernet CAT5e ISTP-HCH5MRD firmy Panduit (rys. 1). Zawiera on cztery skręcone pary przewodów i spełnia wymogi standardów IEEE 802.3af/at PoE, w tym w zakresie minimalizacji strat mocy przy długich połączeniach. Jest ogniotrwały, odporny na rozpuszczalniki oraz zaprojektowany tak, aby zapewnić odporność na skręcanie, ściskanie i inne narażenia mechaniczne typowe dla zastosowań przemysłowych.
Konfiguracja PoE power delivery
Z jednej strony kabla PoE znajduje się źródło sygnału, zazwyczaj switch lub hub. Z drugiej strony kabla znajduje się urządzenie wymagające dostarczenia sygnału i zasilania, określane mianem Powered Device (PD).
W systemie PoE urządzenie Power Sourcing Equipment (PSE) dostarcza wymagane napięcie różnicowe 48 V do kabla ethernetowego. Jeśli PSE znajduje się w switchu lub hubie, standard IEEE określa je mianem Endpoint PSE. W standardzie IEEE występują dwie alternatywne konfiguracje urządzenia Endpoint PSE podającego zasilanie do kabla. W przypadku konfiguracji Alternative A, PSE podaje napięcie różnicowe do dwóch skręconych par przewodów przesyłających dane. Jest to jedyna opcja w przypadku korzystania z kabla CAT5 z dwiema ekranowanymi parami przewodów.
W przypadku konfiguracji Alternative B, PSE podaje napięcie do dwóch par zapasowych. Jest to metoda preferowana w przypadku kabli CAT5e i nowszych z czterema skręconymi parami przewodów.
Jeśli kabel jest dzielony i urządzenie PSE dostarcza zasilanie pomiędzy switchem/hubem i urządzeniem PD, jest ono określane mianem Midspan PSE. W tym wypadku obsługiwane są obie konfiguracje, Alternative A i Alternative B.
Klasyfikacja urządzeń PoE
Transmisja zasilania w PoE odbywa się identycznie dla obecnych standardów 802.3af/at. Nowy standard IEEE 802.3bt zapewnia transmisję zasilania za pośrednictwem wszystkich czterech skręconych par przewodów i jest kompatybilny z 10G-Base-T (fot. 2). Urządzenia PSE i PD PoE są klasyfikowane następująco:
- Type 1 (transmisja przez 2 pary przewodów, kompatybilność z 802.3af, moc do 15 W),
- Type 2 (transmisja przez 2 pary przewodów, kompatybilność z 802.3at, moc do 30 W),
- Type 3 (transmisja przez 4 pary przewodów, kompatybilność z 802.3bt, moc do 60 W),
- Type 4 (transmisja przez 4 pary przewodów, kompatybilność z 802.3bt, moc do 100 W).
Uzgadnianie standardu PoE
Gdy urządzenie PSE wykryje nowe połączenie sieciowe z urządzeniem PD, zainicjowany zostaje krótki protokół handshaking. Dla urządzenia PSE handshaking pozwala w pierwszej kolejności wykryć, czy rzeczywiście komunikuje się z urządzeniem PD wymagającym zasilania. Następnie identyfikuje wartość mocy potrzebnej do zasilania urządzenia PD. Z perspektywy urządzenia PD handshaking określa, jak dużą moc może dostarczyć PSE. Handshaking umożliwia urządzeniu PSE bezpieczne zasilanie urządzenia PD i bezpieczne wyłączenie zasilania po wykryciu odłączenia PD.
Urządzenie PD zawiera specjalny rezystor sygnatury (detection signature resistance) ograniczający impuls prądowy podczas testowego impulsu napięciowego w procedurze handshakingu. Na podstawie impulsu prądowego, PSE klasyfikuje urządzenie PD zgodnie z wymienionymi wcześniej klasami poboru mocy Type 1-4. Gdy PSE wykryje zmianę poboru prądu, wysyła impuls napięciowy w celu ponownego określenia mocy wymaganej do zasilania urządzenia PD.
Interfejs PD
Projektanci opracowujący nowe urządzenia PD muszą zapewnić, żeby interfejs PoE był kompatybilny lub mógł zostać przystosowany do pracy z nowym standardem 802.3bt, a jednocześnie, aby był kompatybilny z wcześniejszymi standardami. Jest to wymóg krytyczny, a zapewnia go produkowany przez Texas Instruments interfejs PoE PD o symbolu TPS2372 (rys. 3).
TP2372 jest kompatybilny z nowym standardem IEEE 802.3bt oraz wcześniejszymi 802.3af/at. Zaletą TP2372, ważną dla projektantów urządzeń oświetleniowych PD kompatybilnych ze wszystkimi instalacjami PoE, jest wbudowany ogranicznik prądu wejściowego. Może on być kluczowy w sytuacji, gdy urządzenie PD jest podłączane do systemu, w którym PSE nie zawiera żadnego ograniczenia prądowego.
Przykładowo, niektóre starsze urządzenia Midspan PSE klasy low-end, używane w pierwszych przemysłowych systemach oświetleniowych PoE, nie zawierały żadnej ochrony nadprądowej. Ponadto wczesne urządzenia PSE podawały zasilanie do kabla bez handshakingu, co wymagało stosowania ograniczników prądu wejściowego w urządzeniach PD. Ogranicznik prądowy zaimplementowany w TPS2372 pozwala na bezpieczne podłączanie urządzenia PD do niemal dowolnego PSE.
TPS2372 jest w pełni konfigurowalny przy użyciu zewnętrznych rezystorów, jeśli chodzi o prąd i współczynnik wypełnienia MPS oraz klasyfikację typu PoE. Warto zauważyć, że konfiguracja może być przeprowadzana manualnie lub też mogą być włączone ustawienia automatyczne. TPS2372 realizuje całą procedurę handshakingu z urządzeniem PSE, jak również automatycznie negocjuje prąd i współczynnik wypełnienia MPS, bazując na typie urządzenia PSE.
Dla ułatwienia projektowania układów zasilania na bazie TPS2372, firma Texas Instruments opracowała płytkę ewaluacyjną TPS2372-4EVM-006 obsługującą instalacje PoE 802.3bt dużej mocy, jak również starsze, oparte na standardach 802.3af/at.
Na płytce ewaluacyjnej TPS2372-4EVM-006 znajdują się jumpery do konfigurowania parametrów PD, takich jak współczynnik wypełnienia MPS czy klasyfikacja PoE. Ponadto dostępne są dwa złącza ethernetowe - drugie jest wykorzystywane jako gniazdo pass-through do transmisji sygnału Gigabit Ethernet.
Podczas projektowania obwodu korzystającego z TPS2372 istotna jest minimalizacja potencjalnych interferencji ze strony sygnałów, tętnień na linii zasilania, zaburzeń EMI czy wyładowań ESD. W tym celu:
- zapewnij jak najkrótsze ścieżki zasilania i masy od gniazda RJ-45 do transformatora ethernetowego, transila, kondensatora 0,1 μF i kondensatora CBULK oraz odseparuj je od sygnałów danych,
- zwróć uwagę, aby TPS2372 był umiejscowiony na płytce drukowanej powyżej dwóch rozdzielonych powierzchni masy: VSS dla sekcji PoE i RTN dla sekcji konwertera,
- nie prowadź masy ani ścieżek zasilania obwodów logicznych pod wejściem Ethernet ani obwodem pierwotnym konwertera DC-DC,
- odseparuj napięcie wejściowe 48 V i wejście konwertera DC/DC, używając procedur bezpiecznego routingu ścieżek, np. takich jak wymienione w normie IEC60950. Do odprowadzania ciepła od grzejących się elementów SMD i gniazd RJ-45 używaj dużych pól miedzianych i szerokich ścieżek.
Aplikacja PoE: inteligentny system oświetleniowy
W nowoczesnych budynkach i fabrykach duży nacisk kładzie się na kwestię sprawności energetycznej. Najczęściej w tego typu zastosowaniach korzystano dotąd ze świetlówek, jednak można je łatwo zastąpić energooszczędnym oświetleniem korzystającym z diod LED dużej mocy. Oświetlenie diodami LED wykazuje wiele zalet w stosunku do świetlówek i żarówek. Najważniejszą z nich jest znacznie większa sprawność energetyczna, zapewniająca większą jasność przy tej samej mocy wejściowej. Systemy oświetleniowe LED wytwarzają mniej ciepła, a diody LED nie wymagają stateczników, niezbędnych w przypadku świetlówek.
Ponieważ pobór mocy zmniejsza się przy korzystaniu z diod LED, systemy PoE są coraz częściej wybierane spośród dostępnych opcji okablowania, umożliwiając dostarczenie wystarczającej mocy do systemu oświetleniowego, a równocześnie zapewniając komunikację z urządzeniami IoT.
Sformułowanie "inteligentne" oznacza, że oświetlenie może być włączane i wyłączane zdalnie, zgodnie z ustalonym harmonogramem lub automatycznie, bazując na sygnałach z czujników wykrywających obecność osób w pomieszczeniach.
Jeśli chodzi o implementację, pojedynczy węzeł ethernetowy może być podłączony do więcej niż jednego węzła oświetleniowego. Na przykład pojedyncza komenda wysłana ze switcha lub huba do urządzenia ethernetowego z ośmioma węzłami oświetleniowymi może nakazać włączenie świateł jedynie w węzłach 4 i 7 oraz wygaszenie w pozostałych.
System PoE może współpracować z lampami korzystającymi z konkretnych typów diod LED, jeśli chodzi o ich jasność, temperaturę barwową czy pobór mocy. Firma Wurth Electronics, będąca jednym z bardziej znanych producentów, oferuje szeroką gamę diod LED nadających się do zastosowań zarówno w środowiskach przemysłowych, jak i do ogólnego oświetlenia wnętrz.
Dla przykładu diody 158301250 cool white o temperaturze barwowej 5000 K są produkowane w obudowach o powierzchni jedynie 3×1,4 mm, a pomimo to są w stanie emitować światło przy sprawności 133 lm/W. Czyni je to niezwykle energooszczędnymi i doskonale nadającymi się do przemysłowych instalacji oświetleniowych bazujących na zasilaniu PoE. Chcąc uzyskać oświetlenie niestandardowe, można przylutować do płytki diody w dowolnej konfiguracji, zgodnie z własnymi preferencjami (rys. 4).
W systemie oświetleniowym PoE istotne jest nie tylko zredukowanie poboru prądu PD w stanie aktywnym, ale też w trybie standby. Jeśli światła w budynku mają zostać wyłączone, obecne standardy PoE wymagają, aby każde urządzenie PD uruchomiło tryb MPS, w którym pobór prądu zmniejsza się do 10 mA przy współczynniku wypełnienia 20%. Tryb MPS powiadamia urządzenie PSE, że urządzenie PD jest wciąż podłączone. W wyniku tego średni pobór prądu w trybie MPS będzie wynosił 2 mA.
Nowy standard 802.3bt przewiduje, że w trybie MPS współczynnik wypełnienia wynosi 1,875%, co redukuje średni pobór prądu do zaledwie 0,2 mA.
Podsumowanie
Dzięki PoE można znacznie uprościć realizację inteligentnych systemów oświetleniowych w środowiskach biurowych i przemysłowych. Wybór odpowiedniego kabla zapewni niezawodne działanie, a diody LED o dużej sprawności energetycznej są dostępne także do niestandardowych aplikacji. Dobór właściwych podzespołów w urządzeniu PD zapewni oddolną kompatybilność oraz możliwość aktualizacji do przyszłych standardów, pozwalając zbudować niezawodny system, który będzie funkcjonował niezawodnie przez lata w inteligentnych konfiguracjach sieciowych.
Rich Miron
Digi-Key Electronics
