PoE-Magnetics werden nach dem Mittenabgriff-Strom ausgewählt: MagJacks für 802.3af, at und bt

Power over Ethernet leitet Gleichstrom durch dieselben Magnetkomponenten, die auch die Daten übertragen. Die Wahl eines PoE-MagJacks beeinflusst daher Strom, Paare und Bias:

Wichtige Erkenntnisse

• Wählen Sie PoE-Magnetkomponenten anhand der Strombelastbarkeit des Mittelabgriffs für den jeweiligen PoE-Typ aus, nicht anhand der Geschwindigkeitsklasse – ein 1000BASE-T-MagJack ist nicht automatisch für PoE ausgelegt.
• IEEE 802.3af (Typ 1) liefert 15,4 W am PSE bei 350 mA; IEEE 802.3at (Typ 2, PoE+) liefert 30 W bei 600 mA pro Paar.
• IEEE 802.3bt Typ 3 und 4 versorgen alle vier Paare – 60 W und 90 W am PSE über die Klassen 5 bis 8 – sodass jeder Mittelabgriff in der Buchse Strom führt.
• PoE-Strom löscht sich in einem idealen Kern aus, aber Widerstandsunsymmetrien der Paare hinterlassen einen Gleichstromanteil, der die OCL (Leerlaufinduktivität) senkt. Daher kann ein Bauteil, das seinen OCL-Wert bei 8 mA erfüllt, unter PoE-Bias-Bedingungen versagen.
• Ein footprint-kompatibler Nicht-PoE-MagJack ist kein Ersatz für PoE: Seine kabelseitigen Mittelabgriffe sind oft mit einem Abschlussnetzwerk verbunden, anstatt zu den Pins herausgeführt zu werden.

Technische Faustregel: Bemessen Sie die Belastbarkeit des Mittelabgriffs anhand des Stroms des Paar-Sets, den Ihre höchste unterstützte Klasse benötigt, und prüfen Sie dann die OCL bei einem PoE-Pegel-Bias – der angegebene OCL-Hauptwert beschreibt einen Betriebspunkt ohne PoE.

Wo PoE-Strom durch die Magnetkomponenten fließt

PoE berührt niemals das Differenzsignal. Das Power Sourcing Equipment (PSE) legt Gleichspannung zwischen zwei Paar-Sets an: Der Strom fließt in den kabelseitigen Mittelabgriff eines 1CT:1CT-Transformators eines Paares, verteilt sich gleichmäßig auf die beiden Leiter dieses Paares und fließt durch den Mittelabgriff eines anderen Paares zurück. Da der Strom auf jedem Paar im Gleichtakt (Common-Mode) fließt, werden die 100-Ω-Differenzdaten nicht beeinträchtigt.

IEEE 802.3af und 802.3at definieren zwei Möglichkeiten hierfür. Alternative A versorgt die Paare an den Pins 1/2 und 3/6; Alternative B versorgt die Paare an den Pins 4/5 und 7/8. Ein Powered Device (PD) muss Strom über beide Varianten akzeptieren, weshalb PD-Eingänge hinter einem Brückengleichrichter geschaltet sind. IEEE 802.3bt fügt die Vier-Paar-Versorgung hinzu, bei der beide Sets gleichzeitig genutzt werden.

Die praktische Konsequenz für die Auswahl der Buchse: Jedes Paar, das Strom übertragen kann, benötigt einen kabelseitigen Mittelabgriff – der entweder an einen Pin am PD herausgeführt oder vom PSE-Controller an einem Switch angesteuert wird. Bei RJ45 MagJacks ist diese Mittelabgriff-Topologie fest im Bauteil integriert. Sie muss daher vor dem Layout anhand des internen Schaltplans abgelesen werden und darf nicht erst bei der Inbetriebnahme ermittelt werden.

PSE-Seite vs. PD-Seite: Was sich für die Buchse ändert

Die gleiche Geschwindigkeitsklasse eines MagJack wird an beiden Enden der Verbindung unterschiedlich spezifiziert. Auf der PSE-Seite – einem Switch, Injektor oder Netzwerk-Videorekorder – sind die kabelseitigen Mittelabgriffe mit dem Ausgang des PSE-Controllers verbunden, und die Buchse befindet sich in einer Reihe mit anderen stromführenden Ports. Portdichte und Wärmeentwicklung bestimmen hier die Auswahl.

Auf der PD-Seite – einer Kamera, einem Access Point, einem industriellen Sensor oder einem HMI – speisen die kabelseitigen Mittelabgriffe den Brückengleichrichter und den PD-Controller. Die Buchse führt zwar immer nur den Strom eines Ports, muss aber jeden stromführenden Mittelabgriff an einen Pin herausführen und befindet sich oft in einem versiegelten Gehäuse ohne Luftzirkulation. Ob die Magnetik in der Buchse oder daneben platziert wird, ist eine separate Entscheidung, die in unserem Leitfaden zu integrierter vs. diskreter Ethernet-Magnetik behandelt wird; die unten genannten Werte gelten in beiden Fällen.

Die drei Kennzahlen, die über einen PoE-MagJack entscheiden

Ein PoE-MagJack wird anhand von drei Kennzahlen qualifiziert, wobei die Schlagzeilen im Datenblatt selten Ihren tatsächlichen Betriebspunkt beschreiben.

• Mittelabgriff-Strom. Die Wicklungshälften und der Pfad des Mittelabgriffs führen den vollen Strom des Adernpaars. Daher muss die Spezifikation den Strom abdecken, den Ihre höchste unterstützte Klasse benötigt – mit Sicherheitsmarge bei maximaler Umgebungstemperatur, nicht bei Raumtemperatur.
• OCL unter DC-Bias. Idealerweise fließt der PoE-Strom in entgegengesetzte Richtungen durch die beiden Wicklungshälften, wodurch sich der magnetische Fluss aufhebt. Da Kabel und Kontakte jedoch nie perfekt ausbalanciert sind, verbleibt ein Netto-Gleichstrom, der den Kern in Richtung Sättigung drückt. Industriestandard-Magnetik für 100BASE-TX ist mit 350 µH oder mehr bei 8 mA Bias spezifiziert; bei PoE-Strom ist die absolute Unsymmetrie jedoch größer, daher sollte die OCL bei einem Bias auf PoE-Niveau abgelesen werden.
• Temperaturanstieg. Widerstandsverluste in den Wicklungen und im Pfad des Mittelabgriffs erwärmen das Bauteil; prüfen Sie dies gegen den spezifizierten Umgebungstemperaturbereich, der bei industrietauglichen Bauteilen von −40 bis +85 °C reicht.

Der Check, den Sie an Ihrem eigenen Schaltplan durchführen sollten: Suchen Sie die Klasse, die Ihr PD anfordert oder Ihr PSE bereitstellt, ordnen Sie diese dem entsprechenden Typ und dem Strom pro Adernpaar in der untenstehenden Tabelle zu, bestätigen Sie, ob die Stromversorgung über Datenpaare, freie Paare oder alle vier Paare erfolgt, und überprüfen Sie dann anhand des internen Schaltplans der Buchse, ob die Mittelanzapfung jedes stromführenden Paares herausgeführt ist – und nicht in ein Abschlussnetzwerk eingebunden ist.

IEEE 802.3bt: Was Typ 3 und 4 erfordern

IEEE 802.3bt (2018), allgemein als PoE++ bezeichnet, hat Power over Ethernet von zwei stromführenden Paaren auf vier erweitert. Typ 3 liefert 60 W am PSE und 51 W am PD; Typ 4 liefert 90 W bzw. 71,3 W. Die Klassen 5 und 6 gehören zu Typ 3, die Klassen 7 und 8 zu Typ 4.

Die Stromversorgung über vier Paare ändert die Anforderungen an die Magnetik grundlegend, nicht nur im Ausmaß. Da nun alle vier Mittelanzapfungen auf der Kabelseite Strom führen, kann eine Buchse, die für den Betrieb mit zwei Paaren nach Typ 1 oder Typ 2 ausgelegt ist, nicht für Typ 3 oder Typ 4 verwendet werden, selbst wenn das Layout übereinstimmt. Die thermische Belastung steigt ebenfalls mit der Gesamtleistung, was besonders bei versiegelten PD-Gehäusen von Bedeutung ist.

Der Strom pro Paar bei Typ 3 und 4 hängt von der Klasse und der Stromverteilung auf die vier Paare ab. Entnehmen Sie diesen Wert daher dem Datenblatt der Buchse, anstatt ihn vom Typ-2-Wert abzuleiten. Die meisten Produktlinien eines Herstellers von RJ45-Modularbuchsen trennen aus genau diesem Grund ihre PoE++-Komponenten von PoE- und PoE+-Komponenten.

Multi-Port-PoE: Wärmeentwicklung bei kombinierten Buchsen

Ein einzelner stromführender Port stellt selten ein thermisches Problem dar. Ein PSE, das auf 1xN- oder 2xN-gestapelten Multi-Port-RJ45-Steckverbindern basiert, bringt viele Sätze stromführender Wicklungen in einem Gehäuse unter, und die Wärme jedes einzelnen addiert sich zu der seiner Nachbarn. Die inneren Ports werden am heißesten, da sie von beiden Seiten umschlossen sind.

Führen Sie ein Derating gemäß dem Datenblatt für Multi-Port-Komponenten durch, anstatt den Wert für einen einzelnen Port zu verwenden. Planen Sie den Luftstrom über die gesamte Buchsenreihe und betrachten Sie die maximal unterstützte Klasse an jedem Port gleichzeitig als Auslegungsgrundlage – dies ist der Zustand, den ein voll ausgelasteter Switch letztendlich erreichen wird.

PoE-Typen und Anforderungen an die Magnetik

Häufig gestellte Fragen

Ist PoE+ dasselbe wie 802.3at?

Ja — PoE+ ist die gängige Bezeichnung für IEEE 802.3at (2009), auch als Typ 2 bezeichnet. Es liefert 30 W am PSE und 25,5 W am gespeisten Gerät bei 600 mA pro Paar-Set. PoE bezieht sich auf IEEE 802.3af (Typ 1) und PoE++ auf IEEE 802.3bt (Typ 3 und 4).

Welche Magnetics benötige ich für PoE?

Sie benötigen Magnetics, die für Ihren PoE-Typ ausgelegt sind: herausgeführte Mittelabgriffe für jedes gespeiste Paar, eine für den Strom des Paar-Sets ausgelegte Strombelastbarkeit des Mittelabgriffs sowie eine OCL, die für PoE-Level-DC-Bias spezifiziert ist. Die Geschwindigkeitsklasse und die PoE-Einstufung sind separate Spezifikationen. Überprüfen Sie daher beides im Datenblatt, anstatt davon auszugehen, dass das eine das andere impliziert.

Kann eine Nicht-PoE-MagJack PoE-Strom führen?

Nein — eine Nicht-PoE-MagJack sollte nicht an einem stromführenden Port verwendet werden. Ihre kabelseitigen Mittelabgriffe sind oft über ein Widerstands-Abschlussnetzwerk verbunden, und ihre Wicklungen sind nicht für PoE-Strom oder die damit verbundene Unsymmetrie ausgelegt. Standardkonforme PSEs erkennen eine gültige PD-Signatur, bevor sie Strom anlegen, aber ein passiver Injektor legt die Spannung unabhängig davon an.

Benötigt 802.3bt Vier-Paar-Magnetics?

Ja, für den Betrieb nach Typ 3 und Typ 4. IEEE 802.3bt speist alle vier Paare, daher führen alle vier kabelseitigen Mittelabgriffe Strom und müssen entsprechend herausgeführt und ausgelegt sein. Eine Zwei-Paar-PoE- oder PoE+-MagJack kann nicht als Ersatz dienen, selbst wenn das Layout übereinstimmt.

Kann ich eine PoE-MagJack durch ein Zweitprodukt ersetzen, ohne die Platine neu zu qualifizieren?

Oft ja, sofern der Ersatz nicht nur hinsichtlich der Grundfläche übereinstimmt. Er muss dem Original in Bezug auf PoE-Typ, Strombelastbarkeit der Mittelanzapfung, interne Topologie der Mittelanzapfung, OCL unter Bias, Betriebstemperaturbereich und LED-Konfiguration entsprechen. Ein RJ45-Referenztool listet geeignete Kandidaten anhand der Original-Teilenummer auf; Drop-in-Äquivalente, Muster und mechanische Zeichnungen sind zur Überprüfung auf Anfrage erhältlich.

Die Auswahl von PoE-Magnetics hängt vom PoE-Typ und der Anzahl der zu unterstützenden Adernpaare ab, von einer für Ihre höchste Klasse bei maximaler Umgebungstemperatur ausgelegten Strombelastbarkeit der Mittelanzapfung sowie von der OCL, die bei einem PoE-Pegel-Bias und nicht anhand des Nicht-PoE-Standardwerts gemessen wird. Überprüfen Sie vor dem Layout die interne Topologie der Mittelanzapfung im Schaltplan – dies ist der einzige Kennwert, der sich nicht allein durch eine passende Grundfläche bestimmen lässt.