Introducción
En esta nueva entrada en el blog de Edco Disseny queremos introducir el PoE, una técnica ampliamente utilizada en proyectos Iot, qué simplifica instalaciones y resulta igual de útil tanto en proyectos industriales como en comerciales.
Power Over Ethernet (PoE) es una tecnología que permite la transmisión de energía eléctrica junto con datos a través de un cable Ethernet estándar (generalmente un cable de red RJ-45). Esto elimina la necesidad de utilizar cables de alimentación separados para dispositivos de red, como cámaras IP, puntos de acceso Wi-Fi, teléfonos VoIP, entre otros.
Como viene siendo habitual realizaremos una pequeña explicación de la tecnología y lo acompañaremos con un caso práctico que hemos desarrollado en Edco Disseny.
El estándar IEEE 802.3xxx
El PoE (Power over Ethernet) según el estándar IEEE 802.3xx debe realizar cuatro fases para poder suministrar energía a través de un cable. Según el estándar, puede transmitir a mayor o menor velocidad y, al mismo tiempo, mayor o menor potencia. A continuación se muestra una imagen donde se pueden identificar las partes:
Primera fase: “Protección de polaridad” o “Circuito de auto-polaridad”. La tensión puede ser introducida de dos maneras diferentes. Como se verá en las tablas de los estándares más adelante, solo se puede trabajar de dos maneras diferentes en los primeros estándares. A partir de potencias superiores a 30W (PSE), se requiere el uso del segundo método, ya que se necesita un mayor flujo de corriente. Por lo tanto, es necesario aumentar el número de pares de transmisión de corriente, con el consiguiente aumento de cobre en el cableado. El primer método consiste en utilizar el par de datos del cable Ethernet como fuente de alimentación y al mismo tiempo como transmisión de datos. El segundo método utiliza uno de los otros pares para transmitir los datos y la alimentación por separado. Es importante tener en cuenta que un cable Ethernet tiene 4 pares en su interior, y por lo tanto, 8 cables independientes.
Segunda fase: “Circuito de firma y clasificación”. En esta fase, el objetivo es proteger a un dispositivo que es del tipo PoE. Para asegurarse, el dispositivo proporcionará ciertos niveles de tensión. La prueba se divide en 4 etapas; La primera etapa es la de “detección”, consiste en aplicar una tensión baja de entre 2.7V a 10.1V, con el objetivo de encontrar una resistencia aproximada a 25KΩ. Debe estar exactamente comprendida entre 15KΩ y 33KΩ. En caso de que la respuesta obtenida no sea la esperada respetando el intervalo de tensión, no actuará. Esta es la etapa que permite proteger a un dispositivo que no es del tipo PoE, de uno que sí lo es. En caso de que la resistencia encontrada sea la adecuada, habrá encontrado un dispositivo PoE, y buscará qué clase de alimentación requiere. En esta segunda etapa, llamada “clasificación”, se elevará la tensión de entre 14.5V a 20.5V y se medirá la corriente que circula a través de ella. Con esta medida, el dispositivo sabrá cuáles son las tensiones de trabajo más adecuadas para el PoE. La tercera etapa llamada “Inicio”, ya se empieza a alimentar el dispositivo con una tensión que no sea perjudicial para este. Finalmente, en la cuarta etapa llamada “operación normal”, se alimenta el dispositivo con la tensión negociada por ambas partes, tanto el dispositivo como el PoE que suministra la potencia.
Tercera fase: “Etapa de verificación”. Esta fase es más bien una premisa a cumplir para el correcto funcionamiento de la segunda fase. El convertidor (Step down) DC/DC, debe permanecer apagado mientras el dispositivo está realizando la etapa de clasificación.
Cuarta fase: “Convertidor DC/DC”. El objetivo de esta etapa es proporcionar al sistema PoE más versatilidad, ya que generalmente la tensión nominal de funcionamiento está en torno a los 48V. Con el fin de buscar una tensión de salida más práctica, se utiliza un convertidor Buck DC/DC. De esta manera se pueden conseguir tensiones de salida muy variadas gracias a su rango de funcionamiento. Como se ha explicado inicialmente, dependiendo del estándar del que se trate, proporcionará más o menos potencia. Esto se debe a que inicialmente, el primer PoE establecido fue diseñado para resolver problemas en función de la tecnología del momento. Con el paso del tiempo ha ido evolucionando. En el caso del estándar de 2003, la máxima potencia que podía aportar era de 15,4W (350mA a 44V) PSE, la cual tenía el problema de que no era lo suficientemente potente como para alimentar las videoconferencias, los enrutadores Wi-Fi, las cámaras con movimiento panorámico entre otros. El motivo es que requieren más corriente para su funcionamiento. Para resolver esta problemática, en el año 2009 el IEEE ratificó la iteración 802.3at, llamada PoE+ o “Tipo 2”, la cual aumentó la potencia a 25.5W PSE, ofreciendo así una corriente de hasta 600 mA, sin tener en cuenta las pérdidas. Esta ratificación trajo una gran cantidad de nuevos dispositivos en el soporte PoE. En el año 2018, el IEEE ratificó la iteración a 802.3bt, la cual es la que se utilizará en este proyecto. Esta ofrece una salida de potencia máxima de entre 90W a 100W PSE, que admite muchos más tipos de dispositivos.
Caso Práctico
El sistema descrito a continuación es una típica aplicación de un sistema PoE, tal y como se ve, le aplicamos un transparencia para alimentar y proporcionar datos a un segundo equipo PoE2 y en el PoE1 separamos datos y alimentación para poder alimentar equipos anexos al sistema.
A continuación, se puede observar el esquema de bloques del equipo enumerando todas y cada una de las partes que lo componen:
1.Inyector PoE
Como se aprecia en el esquema de bloques, el segundo bloque desde la izquierda es un inyector PoE, este equipo es indispensable para el funcionamiento del Splitter PoE.
Su objetivo es combinar los datos procedentes del primer bloque, el módem (modulador demodulador), con la alimentación de 230VAC proveniente de la red eléctrica. Este inyector dispone en su interior de un transformador para convertir la corriente alterna en corriente continua y reducir la tensión a 55VDC.
2.Transparencia
A continuación se muestra la etapa de “Transparencia”, que está destinada a hacer una transparencia procedente del inyector PoE. De esta manera, se podrá alimentar otro dispositivo PoE , y al mismo tiempo aprovechar la fuente de energía que este proporciona para las salidas de 12VDC y 5VDC.
-PoE 1: Destinada a hacer la separación de la alimentación y los datos.
-PoE 2: Salida PoE (Con datos y alimentación inalterados)
3. Splitter PoE
Después de la etapa de “Transparencia”, se separa en dos caminos definidos anteriormente. Por un lado, se dirige a alimentar con PoE (Alimentación y datos) a cualquier otro dispositivo permita el funcionamiento PoE. Por otro lado, se realizará el proceso de separación de los datos y la alimentación.
En la tapa Splitter PoE, es donde se encuentra la configuración electrónica del componente encargado de realizar la “negociación”, para poder definir la tensión de funcionamiento.
4.STEP DOWN
En la siguiente etapa se encuentra un STEP DOWN, que es el encargado de reducir la tensión de entrada (55VDC) hasta los 12VDC de la salida. Tal como se puede ver en el mismo esquema, existe la posibilidad de ser alimentado a través de una entrada con una tensión continua de 24V, y también se reducirá a la tensión de salida configurada.
La aplicación concreta que aparece en la imagen requería de una señal estabilizada a 5V, por lo que se añadió a la salida del step down un regulador lineal de 5V.
Siguiendo el cableado, se puede apreciar cómo se divide en dos bloques: por un lado, el bloque de 12V, Y por otro lado, un regulador de voltaje que tiene como objetivo reducir la tensión de 12V a 5V. Esta reducción se realiza con el fin de que pueda ser conectado un elemento a 5V para su correcto funcionamiento.
Conclusión
El PoE representa un avance significativo en la conectividad de red, simplificando la instalación y aumentando la eficiencia de dispositivos Iot como cámaras de seguridad, puntos de acceso Wi-Fi y teléfonos IP. Su implementación según el estándar IEEE 802.3xx garantiza un suministro de energía seguro y eficaz, adaptado a las necesidades de cada dispositivo.
En Edco Disseny, somos expertos en equipamiento electrónico y comprometidos con ofrecer soluciones PoE innovadoras y confiables para satisfacer las demandas del mundo moderno.