Power over Ethernet (PoE) Grundlagen: DC-Stromversorgung über Datenkabel

Power over Ethernet (PoE) ermöglicht die Bereitstellung von DC-Leistung – bis zu 90 W – über Standard-Ethernet-Kabel auf Distanzen von bis zu 100 Metern. Diese Technologie vereint Strom und Daten in einer einzigen Verkabelungsinfrastruktur und vereinfacht Installationen in kommerziellen, industriellen und Unternehmensumgebungen.

Anmerkung der Redaktion: Die Bereitstellung von Strom und Daten über ein Kabel ist ein Gamechanger für moderne Netzwerke. So wie USB für Consumer-Geräte allgegenwärtig geworden ist, bietet PoE eine skalierbare, sichere und kosteneffiziente Lösung für vernetzte Infrastruktur.

Die National Fire Protection Association (NFPA) führt elektrische und Beleuchtungsausrüstung als dritthäufigste Ursache für kommerzielle Brände in den USA auf. Häufige Ursachen sind veraltete Verkabelung, überlastete Stromkreise, lose Verbindungen, defekte Sicherungen und unausgeglichene Lasten – all dies kann Überhitzung und Brand auslösen. PoE’s integriertes Energiemanagement mildert diese Risiken, indem es Spannung, Strom und Lastschutz auf Siliziumebene kontrolliert.

Netzstrom versorgt langstreckenweise AC-Leistung über drei isolierte Leiter: Phase (120 V oder 230 V AC), Neutralleiter (nahe 0 V) und Erde (Ground). Der Erdleiter, der bis zu 33 % des gesamten Kupferquerschnitts verbrauchen kann, ist für die Sicherheit unerlässlich. Im Gegensatz dazu nutzt PoE die acht Leiter eines Ethernet-Kabels zur DC-Strombereitstellung, setzt Kupfer für Daten frei und handhabt Sicherheit durch integrierte Siliziumkontrollen.

Abbildung 1: Vergleich eines 2,5 mm² Netzleitungskabels und eines 23 AWG CAT6-Kabels (Quelle: Ethernet Alliance)

2-Paar- vs. 4-Paar-Stromversorgung

RJ45-Steckverbinder bieten acht Kontakte, aufgeteilt in vier differentielle Paare. In 10BASE-T- und 100BASE-TX-Netzen tragen nur zwei Paare Daten, zwei Paare bleiben ungenutzt. Gigabit Ethernet nutzt alle vier Paare. PoE nutzt die ungenutzten Paare (IEEE 802.3af) oder alle vier Paare (IEEE 802.3bt) zur Stromversorgung.

IEEE 802.3af (PoE) liefert 350 mA pro Paar bei maximal 57 V. IEEE 802.3at (PoE+) erhöht dies auf 600 mA pro Paar, immer bei 57 V. IEEE 802.3bt (PoE 2) verwendet alle vier Paare, jeweils bei 960 mA, und erreicht bis zu 90 W pro Port.

Abbildung 2: 2-Paar- versus 4-Paar-Strombereitstellung

IEEE 802.3bt (90 W) Klassifizierung

Die Ethernet Alliance unterteilt PoE 2 weiter in acht Klassen (5–8), jede repräsentiert einen 15-W-Slice für den PSE und einen 11-W-Slice für den PD. Diese granulare Herangehensweise erlaubt Multi-Port-PSEs, Strom basierend auf den Bedürfnissen jedes Geräts effizient zuzuweisen.

Abbildung 3: IEEE 802.3bt Klassen- und Typ-Aufschlüsselung

PoE-Strombereitstellungsphasen

PoE folgt einem fünfstufigen Bereitstellungszyklus, wie unten illustriert.

• Detektion
• Klassifizierung
• Start
• Betrieb
• Trennung

Der PSE enthält einen Rsense-Widerstand zur Messung des vom PD gezogenen Stroms, während ein 25 kΩ Pull-Down-Widerstand am PD die Detektion signalisiert.

Abbildung 4: PoE-Strombereitstellungsphasen (Quelle: Ethernet Alliance)

Phase 1 – Detektion

Beim Anschluss fordert der 25 kΩ Pull-Down-Widerstand des PD den PSE auf, zwei Spannungs-Strom-Messungen innerhalb eines 500-ms-Fensters durchzuführen: 2,8 V und 10 V. Durch Berechnung des ΔV/ΔI-Verhältnisses bestätigt der PSE die Anwesenheit eines PoE-fähigen Geräts. Ein gültiger Detektionsbereich liegt zwischen 19 kΩ und 26,5 kΩ; andernfalls weist der PSE das Gerät zurück.

Phase 2 – Klassifizierung

Während der Klassifizierung teilt der PD seine benötigte Leistungsklasse über fünf getaktete „Class Events“ mit. Jedes Event entspricht einer spezifischen Stromsignatur (z. B. Klasse 0: 1–4 mA, Klasse 1: 9–12 mA usw.). Der PSE misst den Senkstrom des PD in jedem Event, um seine Klasse (1–8) zu bestimmen.

Abbildung 5: Klassensignaturen während der Klassifizierung

Nach Klassenbestimmung wendet der PSE die entsprechenden Spannungspegel an (Abbildung 6) und setzt die Stromzuweisung. Für PoE 2-Geräte kann der PD in der zweiten Hälfte von Class Event 1 auf eine „Klasse 0“-Signatur umschalten, was Autoclass-Unterstützung anzeigt. Dies ermöglicht dem PSE, die Strombereitstellung nach Messung des Spitzenverbrauchs des Geräts fein abzustimmen.

Abbildung 6: Klassensignaturen und Strompegel

Autoclass-Optimierung

Mit Autoclass identifiziert sich ein PD, der z. B. 65 W benötigt, als Klasse 8. Der PSE weist dann knapp über 66 W plus kleiner Marge zu, statt der standardmäßigen 90 W. Über einen 8-Port-Switch können so bis zu 200 W eingespart werden, was sowohl Sicherheit als auch Energieeffizienz erhöht.

Phase 3 – Start

Der PSE begrenzt den Einschaltstrom auf 450 mA für Klassen 1–4 und 900 mA für Klassen 5–8. Gleichzeitig begrenzt der PD den Laststrom auf 400 mA (Klassen 1–6) bzw. 800 mA (Klassen 7–8), um beide Geräte während des Hochlaufs zu schützen.

Phasen 4 & 5 – Betrieb & Trennung

Im Betrieb zieht der PD regelmäßig einen kleinen Stromimpuls (Maintain Power Signature, MPS) alle 400 ms. Empfängt der PSE keinen MPS, trennt er die Stromversorgung, um eine veraltete Verbindung zu verhindern.

Typische 802.3bt Powered Device Architektur

Abbildung 7 zeigt einen typischen PoE 2 PD-Schaltkreis. AC-kopplte Transformatoren speisen das Ethernet-Interface, das einen GreenBridge™ 2-Gleichrichter antreibt – eine effiziente Alternative zur herkömmlichen Silizium-Diodenbrücke. Der NCP1095-Controller (ON Semiconductor®) handhabt Detektion, Klassifizierung, Einschaltstrombegrenzung und Überstromschutz über dedizierte Pins. Autoclass-Unterstützung wird über Pin 6 aktiviert, während Pin 14 die Ausgabebereitschaft an nachgeschaltete DC-DC-Wandler signalisiert.

Abbildung 7: 802.3bt Applikationsdiagramm (Quelle: ON Semiconductor)

ON Semiconductor bietet auch den NCP1096 an, der den externen FET und Rsense für ein schlankeres Design integriert.

Warum Silizium entscheidend ist

Traditionelle Brandschutzgeräte – Sicherungen, Leitungsschutzschalter, Erdungsdrähte – sind passiv und reagieren oft erst, nachdem ein Fehler bereits aufgetreten ist. PoE’s siliziumbasierte Steuerungen (Klassifizierung, Autoclass, Einschaltstrombegrenzung, MPS) bieten Echtzeitüberwachung und automatische Abschaltung, was das Brandrisiko drastisch reduziert. Ein nicht reagierendes Gerät löst z. B. eine frühe Trennung aus, sodass IT-Personal untersuchen kann, bevor ein Fehler eskaliert.

Zudem ist Silizium weitaus kostengünstiger als Kupfer und programmierbar, was eine flexible, skalierbare und sicherere Stromversorgungslösung als herkömmliche Verkabelung darstellt.

▶ Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Power Electronics News.

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Bob Card ist Americas Marketing Manager, Advanced Solutions Group bei ON Semiconductor.

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