Когда-то интерфейс USB создавался только для передачи данных. Теперь же мы его активно используем для зарядки смартфонов и других мобильных устройств. Выпускаются вентиляторы, холодильники и даже приспособления для разогрева кофе, подключающиеся к USB только для получения электроэнергии. Примерно такой же путь проделал позже интерфейс Ethernet, который изначально объединял компьютеры в локальные сети и использовался для доступа в Интернет. Уже сейчас в продвинутых офисах подключают светильники к компьютерной сети, по кабелям которой приборы получают не только управляющие сигналы, но и питание. А вслед за светильниками могут обзавестись функцией питания по Ethernet кассовые аппараты в магазинах и даже станки на производстве.
Проводную связь, несмотря на бурное развитие беспроводных технологий, до сих пор нельзя заменить во многих применениях. Мало того, сейчас спрос на решения по проводной передаче данных даже возрос в связи с пандемией коронавируса. В больницах и на фармацевтических предприятиях применение беспроводных средств связи ограничивается, т. к. электромагнитное излучение создает помехи высокочувствительным датчикам. Но ко многим электротехническим устройствам и так подходят провода электропитания. Если совместить в едином кабеле передачу данных и питание, то проблемы, связанные с наличием отдельного кабеля связи, исчезнут.
Для передачи информации можно использовать жилы силового кабеля. Эта технология, получившая название PLC, активно развивалась в начале 2000-х годов. Но у нее есть как минимум два недостатка. Во-первых, на большинстве линий электропитания скорость передачи данных в полнодуплексном режиме не превышает 80 Мбит/с, по современным меркам это очень мало. Во-вторых, топология электросети определяется в первую очередь нуждами электриков, то есть никто не гарантирует вам, например, устойчивую связь даже с соседним подъездом вашего дома. В итоге PLC-решения используются сейчас в основном для снятия показаний с «умных» счетчиков электроэнергии, а также подачи управляющих сигна-лов оборудованию электрических сетей.
В офисах и на промышленных предприятиях, а в последнее время — и в жилом секторе все более широкое распространение получает технология PoE (Power over Ethernet — англ. «электропитание через Ethernet»). В современном варианте эта технология позволяет получить передачу по одному кабелю информации на скорости до 100 Гбит/с и электропитания мощностью до 90 Вт.
Казалось бы, идеальным вариантом совмещения двух функций в одном кабеле являются оптоволокно для передачи данных и медные жилы для электропитания. Такой подход используется на магистральных линиях. Но для соединения электрического прибора с розеткой, особенно когда прибор допускается перемещать по комнате, наличие оптоволокна в кабеле становится проблемой. Оптоволокно хрупкое и имеет ограниченный радиус изгиба, поэтому кабелем электропитания с ним пользоваться неудобно.
Идея, лежащая в основе PoE, успешно применяется связистами еще с начала XX века. Автоматическая коммутация абонентов подразумевала подачу на проводной телефон постоянного напряжения питания в ждущем режиме. В качестве компромисса между электрической безопасностью и возможностью использования телефона на большом расстоянии от АТС в США в качестве стандарта для питания аппарата от линии связи выбрали напряжение 48 В постоянного тока. Другим преимуществом именно такого значения напряжения в линии стала возможность резервного питания системы связи напрямую от четырех стандартных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей по 12 В каждая, включенных последовательно (инверторов в те годы еще не существовало).
Подобно тому, как проводной телефон питается по линии связи, можно организовать питание некоторых устройств, подключенных к Ethernet. Была и разработана технология питания таких приборов по имеющимся в кабеле жилам. Например, многие камеры видеонаблюдения, работающие по протоколу IP, получают питание по технологии PoE. Напряжение питания 48 В позаимствовали из телефонии.
Компания Applied Motion (США) выпустила сервопривод TSM14POE StepSERVO, получающий питание по технологии PoE. Этот двигатель предназначен для использования в промышленных роботах и полностью автоматизированных станках. Через Ethernet-кабель передаются как электропитание, так и команды управления. Потребляемая мощность составляет 25,5 Вт.
Типы кабелей Ethernet
Современные сети Ethernet базируются на кабелях типа «витая пара». Провода изготавливают из меди, также для экономии средств применяются алюминиевые провода, покрытые тонким слоем меди. В процессе развития менялись типы кабелей, которые делят на категории от Cat.1 до Cat.8. Чем больше номер категории, чем она современнее. Для создания сетей Ethernet сейчас используются кабели категории Cat.5e и выше. Категории Cat.1—Cat.5 являются устаревшими и в новых сетях уже не применяются.
Начиная с Cat.5, стандартный кабель Ethernet имеет в своем составе четыре пары, т. е. в общей сложности 8 проводов. Для Cat.5, Cat.5e и Cat.6 в порядке исключения допускается использование более дешевых кабелей с двумя парами, но такое упрощение приводит к снижению скорости передачи.
Кабели Ethernet на концах имеют разъемы типа 8P8С, иногда ошибочно называемые RJ-45 (из-за внешнего сходства с телефонными разъемами). Этот тип разъемов является восьмиконтактным, для кабелей с двумя парами используется только половина контактов.
Принцип работы PoE
Для обеспечения одновременной передачи информации и электроэнергии по одним и тем же проводам технология PoE использует принцип фантомной цепи. Этот принцип заключается в следующем. Напряжение питания подается на нагрузку как разность потенциалов не между отдельными проводами, а между парами проводов. В результате витая пара проводов по постоянному току образует так называемый фантомный провод. Для развязки цепей по постоянному и переменному токам применяются балансные трансформаторы.
Принцип фантомной цепи позволяет не только совместить две функции, но и уменьшить потери электроэнергии при передаче по кабелю, так как ток в каждом из направлений параллельно идет по двум проводам. В зависимости от типа системы (см. далее) для питания могут быть задействованы 2 или 4 пары проводов.
Оборудование, используемое для PoE, делится на следующие группы:
- Конечные источники питания. К ним относится оборудование компьютерной сети со встроенной поддержкой PoE (свитчи, коммутаторы, маршрутизаторы).
- Промежуточные источники питания. К ним относятся инжекторы и блоки питания на 48 В. Данные устройства позволяют обеспечить питание потребителей, подключенных к сетевому оборудованию, не поддерживающему PoE.
- Сплиттеры. Эти устройства позволяют питать через PoE сетевое оборудование, не поддерживающее данную технологию, но тем не менее рассчитанное напряжение питания 48 В постоянного тока.
- Потребители. Устройства, питание которых осуществляется по технологии PoE.
В стандартных системах PoE конечные и промежуточные источники питания при включении опрашивают нагрузку, определяя ее состояние, а также тип (см. далее). В случае, если нагрузка отсутствует или же в течение длительного времени ток в нагрузке превышает максимально допустимое значение для данного типа оборудования, питание автоматически отключается. Тем самым предотвращаются нештатные ситуации, способные привести к выходу оборудования из строя.
Типы систем и стандарты
Технология PoE в США и большинстве других стран мира регулируется семейством стандартов IEEE 802.3. В результате последовательного принятия трех стандартов образовалось четыре типа систем передачи электроэнергии через Ethernet. Их параметры приведены в таблице. Все стандарты подразумевают использование кабеля категории не менее Cat 5e, передача электроэнергии возможна на расстояние до 100 м.
Типы систем PoE
| Тип | Стандарт | Выходная мощность источника питания, не менее, Вт | Мощность потребителя, Вт | Количество пар проводов кабеля, используемых для электропитания |
|---|---|---|---|---|
| Type 1 | IEEE 802.3af | 15,4 | 12,95 | 2 |
| Type 2 | IEEE 802.3at | 30 | 25,5 | 2 |
| Type 3 | IEEE 802.3bt | 60 | 51–60 | 2 или 4 |
| Type 4 | IEEE 802.3bt | 90 | 71–90 | 4 |
Type 1 может питать только точки доступа, коммутаторы и простейшие видеокамеры, размещаемые внутри помещения. Для более энергоемкого оборудования его возможностей не хватает. В настоящее время данный тип считается устаревшим.
Возможностей Type 2 достаточно для питания офисных светодиодных светильников для потолков типа «Армстронг». Вот почему стандарт IEEE 802.3at получил распространение в системах «умного света», в том числе и для биодинамического освещения. «Умные» светильники, питающиеся по технологии PoE, выпускают такие известные фирмы, как Signify, Eaton, Esylux и многие другие. Type 1 и Type 2 можно реализовать и на недорогих кабелях с двумя парами проводов, что особенно важно для систем «умного света», не требующих высокой скорости передачи данных.
В 2019 г. был принят стандарт IEEE 802.3bt, который недавно в полном объеме вступил в силу. До принятия этого стандарта использование для электропитания всех четырех пар в Ethernet-кабеле было запрещено (хотя некоторые производители этот запрет игнорировали, выпуская нестандартное оборудование). Type 3 позволяет питать нагрузку мощностью до 60 Вт, а Type 4 — мощностью до 90 Вт.
Согласно ПУЭ-7, для внутренних цепей электрического прибора неопасным является напряжение 120 В постоянного тока. Соответственно, устройства, питающиеся по технологии PoE, если в них нет систем, повышающих напряжение, относятся к III классу защиты от поражения электрическим током (низкое напряжение питания). То есть в обычных условиях эксплуатации им не нужны ни заземление, ни двойная изоляция. В то же время для влажных помещений (что может встречаться на производстве и в медицинских учреждениях) напряжение питания 48 В потенциально опасно, и нужно принимать дополнительные меры защиты.
Применение нового стандарта
Оборудование PoE, соответствующее стандарту IEEE 802.3bt, позволяет питать через Ethernet уже довольно серьезное оборудование, в том числе электроприводы станков и насосы. Первый в мире электродвигатель с питанием через PoE, выпущенный компанией Applied Motions, относится еще к Type 3. Но создатели инновационного мотора намерены выпустить более мощный его вариант, относящийся к Type 3 или Type 4. Питание через PoE промышленного оборудования, которое теперь практически все имеет «интеллектуальные» функции, позволит значительно сократить количество кабелей в заводских цехах.
Через системы, относящиеся к Type 3 и Type 4, можно питать установленные на улице камеры видеонаблюдения (в том числе с разрешением 4K), оснащенные подогревом и мощной инфракрасной подсветкой.
Наконец, Type 3 и Type 4 позволяют питать через PoE не только офисные, но также и мощные светодиодные светильники, установленные в заводских цехах.
Особенно перспективна технология PoE для питания базовых станций мобильной связи. Новый стандарт мобильной связи 5G подразумевает наличие большего количества базовых станций на единицу площади по сравнению с 4G. При этом антенны 5G имеют иную диаграмму направленности, чем у стандарта 4G, так что имеющиеся вышки мобильной связи для них не подходят.
Чтобы не запутаться в кабелях, Международный союз электросвязи (ITU) официально рекомендовал для питания базовых станций 5G использовать технологию PoE.
Выводы
Питать от Ethernet электрочайники или стиральные машины в обозримом будущем нам вряд ли придется. Максимальная нагрузка, которую могут выдержать выпускаемые сейчас кабели Ethernet, составляет 100 Вт. С появлением Type 4 эти возможности были практически полностью использованы. Разве что когда-либо появятся новые категории кабелей, для которых будет предусмотрена более высокая передаваемая мощность.
Технология PoE однозначно вне конкуренции для систем «умного света» в офисах и на производстве. «Умные» станки и насосы мощностью до 90 Вт также предпочтительно питать с применением данной технологии. Индустрия гостеприимства оценит возможность скрытно разместить точку доступа Wi-Fi в гостинице или ресторане, без розеток и проводов питания. Также красиво можно разместить кассовый аппарат на стойке ресепшена. В жилом секторе PoE можно использовать в системах безопасности: камеры видеонаблюдения, домофоны и т. п.
Тем не менее посмотрите вокруг — всевозможных «электронных помощников» с потребляемой мощностью менее 100 Вт становится все больше и больше. Использовать для их питания напряжение 48 В постоянного тока экономически выгодно, т. к. значительно упрощается конструкция приборов. PoE в этом случае дает готовую инфраструктуру и стандартизированный интерфейс.
