Technologia PoE - duża moc zasilająca i nagrzewanie przewodów

Technologia PoE na przestrzeni ostatnich lat cieszy się coraz większą popularnością, znajdując wiele nowych zastosowań. Obszary wykorzystania tego rozwiązania obejmują już nie tylko telefony VoIP oraz kamery bezpieczeństwa, lecz także całą gamę różnego rodzaju czujników i układów IoT, takich jak urządzenia medyczne oraz systemy kontroli dostępu. Wraz z rozwojem standardu wzrasta poziom dostępnej mocy, zaś to przekłada się na rosnące problemy z kontrolowaniem temperatury przewodów.

Rozwój standardu PoE

W odpowiedzi na rosnące potrzeby i oczekiwania rynku opracowywano kolejne wersje standardu PoE. W tabeli 1 przedstawiono ewolucję tej technologii. Historycznie jako pierwszy, już w 2003 roku, opracowany został standard IEEE 802.3af, określany też często jako PoE type 1. Zaprojektowano go z myślą o urządzeniach o niewielkiej mocy zasilania, takich jak telefony IP oraz kamery monitoringu. Oferowana przez to rozwiązanie moc zasilania o wartości 12,95 W dość szybko okazała się jednak niewystarczająca w stosunku do potrzeb oraz oczekiwań rynku, mocno ograniczając perspektywy rozwoju tej technologii. W 2009 roku opracowano zatem IEEE 802.3at, czyli kolejną wersję standardu, przeznaczoną dla urządzeń o mocy do 25,5 W. Najnowsza z wersji, czyli standard IEEE 802.3bt, wprowadzony został w 2018 roku. Znacząco zwiększył on dostępny zakres, do 95,5 W dla pojedynczego urządzenia. Korzystanie z tak dużych poziomów mocy może prowadzić do pojawiania się problemów związanych z nadmiernym nagrzewaniem się przewodów ethernetowych.

 

Rys. 1. Porównanie transmisji PoE z wykorzystaniem dwóch oraz czterech par przewodów

PoE a temperatura przewodów

W pierwszych wersjach standardu PoE moc przesyłana kanałem transmisyjnym była relatywnie niewielka – nie przekraczała odpowiednio 15,4 W oraz 30 W, w zależności od wersji standardu. Nadmiernego przegrzewania się przewodów w zasadzie nie notowano, z wyjątkiem sytuacji, gdy system pracował przy bardzo wysokiej temperaturze otoczenia lub okablowanie wykonane było w szczególnie niskiej jakości (cienkie przewody aluminiowe).

Wraz z rozwojem technologii zwiększył się jednak poziom mocy transmitowanej w pojedynczej wiązce przewodów. W najnowszych wersjach standardu do przesyłania sygnału zasilania wykorzystuje się nie dwie (tak jak uprzednio), a w wszystkie cztery linie wchodzące w skład przewodu ethernetowego. Dwukrotnie zwiększyło to poziom przesyłanej mocy, to zaś zauważalnie przekłada się na wzrost temperatury wiązki przewodów podczas pracy systemu.

Negatywne skutki wzrostu temperatury przewodów

 

Rys. 2. Przyrost temperatury przewodu w funkcji natężena prądu dla różnych typów przewodów

Istnieje kilka powodów, dla których wzrost temperatury wiązki przewodów nie powinien zostać zignorowany. Zjawisko to przekłada się negatywnie na stabilność połączenia oraz żywotność przewodów. Wraz ze wzrostem temperatury przewodnika zwiększa się poziom tzw. strat wtrąceniowych podczas transmisji (Insertion Loss, IL). Z tego powodu, aby zachować stabilność komunikacji, konieczne może być skrócenie długości okablowania. Nadmierna temperatura przewodnika sprzyja też przyspieszonym procesom starzeniowym materiałów izolacyjnych. Zewnętrzna osłona izolacyjna może stać się bardziej podatna na uszkodzenia oraz przetarcia, w efekcie prowadząc do zniszczenia całego przewodu. Rozwiązaniem tych kłopotów może być zastosowanie wybranych metod poprawy charakterystyki termicznej wiązki przewodów.

Zapobieganie przegrzewaniu się przewodów

Problem nadmiernego przegrzewania się przewodów jest bardzo ściśle związany z konstrukcją przewodu oraz sposobem położenia instalacji. Poniżej przedstawiono najpopularniejsze sposoby ograniczania tego negatywnego zjawiska.

 

Rys. 3. Skuteczność rozpraszania energii cieplnej dla różnych typów przewodów

Korzystanie z przewodów wyższej kategorii. Co do zasady, wyższa kategoria przewodu ethernetowego oznacza lepsze parametry cieplne, a zatem mniejsze problemy z nagrzewaniem się wiązki. Obecnie podczas wykonywania nowych instalacji zaleca się korzystanie z przewodu kategorii 6A. Na rysunku 2 przedstawiono zależność wzrostu temperatury przewodu od natężenia płynącego przez niego prądu. Można zauważyć, że w przypadku Cat. 6A przyrost temperatury jest niemal dwukrotnie mniejszy niż w przypadku Cat. 5E.

Korzystanie z grubszych przewodów. Wzrost temperatury jest ściśle związany z rezystancją przewodów, która to wartość w dużym stopniu zależy od średnicy przewodnika. Im grubszy przewód, tym mniejsze straty w przewodniku, a co za tym idzie, niższy wzrost temperatury.

Korzystanie z metalowych gniazd i złączy. Złącza oraz gniazda wykonane w całości z metalu charakteryzują się znacznie lepszymi właściwościami termicznymi niż ich plastikowe odpowiedniki. Dzięki temu łatwiej rozproszyć energię cieplną generowaną przez przewody.

Unikanie zwojów przewodów. Na podstawie prowadzonych badań stwierdzono, że przewody pozostawione w zwojach charakteryzują się wyższą tendencją do przegrzewania niż te same elementy po rozwinięciu. Jest to dość intuicyjne – w przypadku zwojów przewodów powierzchnia wymiany cieplnej z otoczeniem jest sporo mniejsza, co sprzyja nagrzewaniu całej konstrukcji. Warto zatem unikać takiej formy układania wiązek kablowych.

Korzystanie z przewodów ekranowych. Podobnie jak metalowe złącza, również metalowe ekranowanie przewodów sprzyja rozpraszaniu energii cieplnej. Z tego powodu kable typu S/FTP oraz F/UTP znacznie lepiej nadają się do wykorzystania w technologii PoE niż nieekranowana skrętka (UTP). Jak przedstawiono na rysunku 3, skrętka F/UTP rozprasza energię cieplną niemal 1,5 raza skuteczniej niż skrętka nieekranowana.

Odpowiednie planowanie instalacji. Bardzo duże znaczenie ma również odpowiednie zaplanowanie oraz poprowadzenie instalacji. Należy unikać grupowania dużej liczby przewodów w jednym miejscu – znacznie lepszy efekt termiczny uzyska się przez rozproszenie okablowania, ograniczając w ten sposób lokalne przyrosty gęstości energii.

Podsumowanie

W przypadku planowania oraz konstrukcji systemów korzystających z dużej liczby urządzeń zasilanych za pomocą technologii PoE problemem może okazać się zbyt wysoka temperatura przewodów Ethernetowych, związana z dużym natężeniem płynącego przez nie prądu. Istnieją sposoby radzenia sobie z tym problemem, obejmujące zarówno działania sprzętowe (odpowiedni dobór przewodów), jak i montażowe (właściwy sposób rozłożenia instalacji).

Damian Tomaszewski