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Power of Ethernet

Pubblicato da Evotek in Videosorveglianza · 6/5/2016 09:32:00
Tags: PoE, videosorveglianza, sicurezza, telecamere
È molto utile allorché vi siano difficoltà nel reperimento di fonti elettriche in prossimità della terminazione o anche per ridurre il numero di elementi e cavi; ad esempio, un telefono IP su una scrivania può essere alimentato direttamente dal cavo di rete ethernet in Power over Ethernet, eliminando l'alimentatore e il relativo cavo e rendendo l'installazione più semplice e pulita.
Per il momento, queste tecniche sono utilizzate soprattutto nell'alimentazione di apparecchiature che consumano poco, come telefoni VoIP, access point e webcam.
Se l'hardware di rete prevede apparecchiature di smistamento o concentrazione, l'alimentazione dovrà passare anche attraverso queste per alimentarle e/o per alimentare i terminali.
Lo IEEE ha definito le regole per PoE con la norma denominata IEEE 802.3af e, successivamente, 802.3at.

Il principio di funzionamento base è molto semplice, anche se le problematiche da affrontare per la trasmissione di alimentazione su una linea dati sono più di una: si tratta di adattare l'alimentazione secondo le specifiche del cavo utilizzato e lasciare all'apparecchiatura utilizzatrice il compito di riadattarle secondo le proprie necessità.
Le problematiche principali sono le seguenti:
  • una linea dati sicuramente non è congeniale alla trasmissione di forti correnti, anzi spesso, per la velocità, si sfrutta l'effetto pelle; per questo l'energia viene trasportata con tensioni elevate, senza superare però i limiti degli isolamenti;
  • in secondo luogo, anche se si preferisce non superare, per questo tipo di trasporto, il raggio di 100 m, sono sempre in agguato problemi come interferenze e cadute di tensione; per questo alla partenza spesso non si usano correnti continue e si dota ogni terminale di una elettronica che filtra, raddrizza, regola e stabilizza (secondo le proprie esigenze) l'alimentazione in arrivo.

Il PD è l'apparecchiatura collegata alla rete che fornisce un servizio finale: è detta anche terminale o utilizzatore; il PD necessita di una alimentazione per il funzionamento, che può essere fornita nei pressi dell'installazione tramite un alimentatore diretto, o in remoto, attraverso la stessa linea di trasmissione dati.
Il PSE o alimentatore è l'apparecchiatura che fornisce la corrente e la tensione adatte al funzionamento del PD. Spesso il PSE deve prendere decisioni, può quindi essere anche relativamente complicato e prevedere addirittura una logica a microprocessore. Il PSE può essere integrato nelle apparecchiature che distribuiscono le linee dati Collegamento Endpoint o può essere inserito nella linea stessa tramite un iniettore Collegamento Midspan.
Seguendo le indicazioni della IEEE 802.3, il PD in PoE può essere semplificato nello schema a blocchi qui sotto


Protezione inversione polarità[modifica | modifica wikitesto]
Il primo blocco si rende necessario per evitare che un cavo crosslink, oppure un cavo ethernet cablato male, comprometta il funzionamento del sistema.[2]
Le indicazioni della norma per questo blocco sono semplici: il PD deve poter operare correttamente anche senza una ben definita polarità. Generalmente, il primo blocco è costituito da un semplice raddrizzatore a ponte.
Secondo blocco[modifica | modifica wikitesto]
Il PD deve inoltre lavorare agevolmente nel range di tensione da 21 V a 48 V e, nonostante questo, il sistema deve rimanere compatibile anche con le apparecchiature costruite per la sola alimentazione 24 V; cioè la fornitura "ad alta tensione" (48V) non deve essere applicata a chi non la sopporta. Esistono quindi due situazioni: la prima, in cui viene fornita un'alimentazione brutale di 24 V che per caduta di tensione sul cavo può scendere anche a 21 V; la seconda, in cui viene valutata tensione e corrente come descritto nel seguito.
Per questa valutazione è stato introdotto il secondo blocco, composto da due elementi: una resistenza di riferimento da 25 kΩ (130 mW@57 V) e un generatore di corrente costante che in questo caso prende il nome di circuito di classificazione. L'alimentatore compatibile 802.3af applica inizialmente (per questo valuta la sua stessa accensione ma anche il collegamento o lo scollegamento del cavo di uscita) una tensione compresa tra 2,7 V e 10,1 V e misura la resistenza da 25 kΩ che dovrebbe trovarsi al di là del cavo e al di là del raddrizzatore a ponte. Se la resistenza di riferimento non viene trovata fornisce un'alimentazione di 24 V (considera l'utilizzatore non compatibile 802.3af); se invece la lettura è positiva scatta la seconda fase in cui viene applicata una tensione tra 14,5 V e 20,5 V, nel PD entra in funzione il circuito di classificazione, l'alimentatore misura la corrente erogata ed in base a questa; classifica l'utilizzatore secondo la seguente tabella:
ClasseCorrente misurata (mA)Range potenza utilizzatore (W)Note0da 0 a 4da 0,44 a 12,95standard1da 9 a 12da 0,44 a 3,84opzione12da 17 a 20da 3,84 a 6,49opzione23da 26 a 30da 6,49 a 12,95opzione34da 36 a 44riservatouso futuro
Terzo blocco[modifica | modifica wikitesto]
Il terzo blocco è stato introdotto per far operare l'utilizzatore solo a partire dai 35V, dopo la fase di classificazione l'alimentatore fornirà 48 V, l'utilizzatore funzionerà quindi correttamente anche con una caduta di tensione sul cavo di ben (48-35) V=13 V. Nelle specifiche 802.3af non è indicata una soglia invece per lo spegnimento che potrebbe avvenire tecnicamente anche con un'isteresi tra 30 V e 35 V innalzando ulteriormente la tolleranza alla caduta di tensione. Per completezza nei calcoli teorici la norma considera generalmente un valore di 20 ohm di resistenza equivalente somma del contributo del cavo e delle connessioni.
Quarto blocco[modifica | modifica wikitesto]
Infine il quarto blocco, a questo punto è ovvio, regola la tensione a seconda delle necessità dell'utilizzatore, infatti le tipiche alimentazioni sono 12 V, 5 V e oggi anche 3,3 V questo blocco dovrà regolare la tensione in uscita funzionando correttamente alla corrente massima prevista con un range di ingresso tra i 21 V e 57 V.
Per quanto riguarda la teoria, rimane un'ultima considerazione da fare sulla potenza finale, seguendo esattamente le 802.3af quindi avendo in linea 12,95 W (350 mA @ 37 V) e considerando un rendimento dell'80% del convertitore DC/DC non sarà possibile ottenere per l'utilizzatore una potenza superiore a 10,36 W, forse il futuro ci riserverà una 802.3af ad alta potenza con caratteristiche in linea di 15,4 W (350 mA @44V) visto che tecnicamente è implementabile.
Connessioni[modifica | modifica wikitesto]
Vediamo quindi come effettuare le connessioni - ossia quali sono le tecniche di iniezione per l'alimentazione PoE - rispettando le indicazioni delle norme IEEE 802.3af.
Ricordiamo che nella connessione Ethernet: il cavo generalmente utilizzato contiene quattro coppie che sono collegate al connettore RJ-45; nelle reti 10 Mbit e 100 Mbit sono utilizzate solo due delle coppie per la trasmissione dati, la prima collegata ai pin 1 e 2, la seconda ai pin 3 e 6; nelle reti 1 Gbit sono usate tutte le coppie per la trasmissione dati.
Nelle reti 10 Mbit e 100 Mbit sono quindi possibili tre tipi di connessione:
  • nel primo si utilizzano le coppie a disposizione, quelle non utilizzate per la trasmissione dati, vedi schemino come definito dalle 802.3Midspan PSE, in questa alternativa l'alimentazione è fornita in una interruzione del cavo;
  • nel secondo si utilizzano sempre le coppie a disposizione, vedi schemino come definito dalle 802.3 Endpoint PSE - alternativa B, in questa alternativa è il dispositivo di distribuzioneswitch che fornisce l'alimentazione;
  • nel terzo si utilizzano le stesse linee dati, questo tipo di iniezione può essere effettuata esclusivamente dal dispositivo di distribuzione switch e deve essere opportunatamente predisposto poiché come si vede nello schemino come definito dalle 802.3 Endpoint PSE - alternativa A il collegamento avviene attraverso la presa centrale del trasformatore d'impulsi.
Questa ultima alternativa è ovviamente l'unica possibile per le reti 1 Gbit che utilizzano tutte le coppie per la trasmissione dei dati.
Precisiamo che dove - per semplificazione - nello schemino sembra che entrambi i conduttori della coppia siano cortocircuitati, invece e comunque in tutti i casi citati in precedenza, nel PSE ogni conduttore è collegato ad un mini alimentatore parallelabile (parallelato nel PD) - cioè la corrente totale viene distribuita (divisa in parti uguali) in ogni conduttore o in ogni coppia nel caso di iniezione sulla linea dati.




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