Separate Energieleitung einsparen
Zuverlässige Steckverbinder für PoE
Vor etwa zehn Jahren begann die Branche damit, über die Leitungen, die Ethernet übertragen, auch gleichzeitig die angeschlossenen Geräte mit Hilfsenergie zu versorgen. Dieses für die Installation praktische Verfahren stellt aber auch einige Anforderungen an die eingesetzten Steckverbinder. Insbesondere im Industriebereich mit seinen rauen Umgebungsbedingungen und hohen Zuverlässigkeitsanforderungen gilt es, einige Punkte zu beachten.Bei dem für die Entwicklung von Ethernet zuständigen Gremium IEEE 802.3 entstand ein Verfahren, bei dem die Hilfsenergie über die gleichen Leitungen übertragen wird wie auch die Ethernet-Kommunikation. Möglich wird dies, indem jeweils ein Adernpaar für das Plus- und Minus-Potenzial einer Gleichspannung von nominal 48 V dient. Bei diesem auch als PoE bezeichneten Verfahren nach IEEE 802.3af lässt sich maximal eine Leistung von 13,5 Watt übertragen. Mindestens 50 Watt Die Nachfolgegeneration PoE+ nach IEEE 802.3at ist in der Lage, eine Leistung von maximal 25,5 Watt zu übertragen. Inzwischen befindet sich ein Übertragungsverfahren unter IEEE 802.3bt in der Entwicklung, das Insider als PoE++ bezeichnen und das voraussichtlich eine Leistung von mindestens 50 Watt übertragen kann. Gemeinsam ist allen Verfahren, dass ihre Versorgungsspannung unter die SELV-Kriterien - die Kriterien für die sichere Kleinspannung - fällt und damit nicht berührgefährlich ist. Außerdem muss die Abwärtskompatibilität der Verfahren gegeben sein. Da nicht alle Geräte die Einspeisung der Hilfsenergie auf den Datenleitungen elektrisch tolerieren können, ist ein Verfahren nötig, bei dem das speisende Gerät erst dann die Gleichspannung auf die Datenleitung aufschaltet, wenn das angeschlossene Endgerät die vorgesehene Einspeisung auch bestätigt hat. Dies hat zur Folge, dass beim Einstecken eines Steckverbinders in die Buchse weder die Versorgungsspannung anliegt noch ein Strom fließt. Lediglich eine Detektionsspannung von 2,8 V kann anliegen, die aber - ebenso wie die Spannung zur Signalübertragung - so gering ist, dass die hier fließenden Ströme in diesem Zusammenhang zu vernachlässigen sind. Beim Ausstecken jedoch ist die Situation eine andere: die Versorgungsspannung liegt an und der Versorgungsstrom fließt. Dieser kann im Fall von PoE+ bei einer Leistung von 25,5 Watt und einer Spannung von 48 V demzufolge rund 0,3 Ampere pro Ader betragen. Auf die Kontaktoberfläche kommt es an Trennt der Anwender eine Gleichstrom-Übertragung, kann ein Lichtbogen entstehen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen den beiden getrennten Kontaktteilen ein elektrisches Feld entsteht, das so große Kräfte verursacht, dass sich Elektronen aus dem Kontaktmaterial herauslösen und ein Plasma zwischen den beiden Kontaktteilen entsteht. Dieses heiße Plasma löst wiederum Material aus den Kontakt-Oberflächen heraus und verdampft es. All dies geschieht während des Aussteckvorgangs in Sekundenbruchteilen, sodass bei jedem Steckvorgang nur geringste Schädigungen an den Kontakten erfolgen. Über mehrere Steckvorgänge hinweg kann hier jedoch ein signifikanter Abbrand an den Kontakten entstehen. Besondere Aufmerksamkeit gilt den Kontakt-Oberflächen. Bei preisgünstigen Produkten besteht die Oberfläche nicht aus einem Edelmetall - durch Umwelteinflüsse kann es dann leicht zu Korrosion kommen. Bei den edlen Systemen besteht die Kontakt-Oberfläche aus einer dünnen Schicht eines Edelmetalls wie Silber oder Gold. Vorteilhaft bei diesen Oberflächen ist die hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber korrosiven Umwelteinflüssen. Robuste Goldoberfläche Weil insbesondere unter industriellen Umgebungsbedingungen Schadgase auftreten, ist die Verwendung von Steckverbindern mit edlen Kontakt-Oberflächen eine sinnvolle Praxis. Unter dem Einfluss von Lichtbögen kann die Oberfläche nun abgetragen werden, sodass Schadgase an den beschädigten Kontakten Zugang zum ungeschützten Basismaterial bekommen. An dieser Stelle kann die Korrosion also leicht einsetzen. Ein korrodierter Kontakt hat einen größeren Übergangswiderstand als ein unbeschädigter Kontakt, wodurch in Kombination mit dem übertragenen Strom eine Kontakterwärmung eintritt, die wiederum den Korrosionsprozess beschleunigt. Funken zerstören den Steckverbinder Der Steckverbinder ist also schnell soweit geschädigt, dass er weder zur Übertragung von Signalen noch zur Übertragung der Hilfsenergie geeignet ist. Auch zusätzliche mechanische Beanspruchung etwa durch Vibration und Schock führen insbesondere bei Kontakten, die durch Kontaktabbrand geschädigt sind, zu einer verstärkten Korrosion mit dem oben erläuterten Schadensmechanismus. Die genannten Effekte zu vermeiden ist daher eine wichtige Anforderung im Hinblick auf die zuverlässige Funktion von Automationsanlagen im Industriebereich, die PoE nutzen. Die Steckverbinder, die dabei auf der Stift- und Buchsenseite eingesetzt werden, sind über die Normvorgaben hinaus durchdacht gestaltet. Zunächst sind die Kontakte mit einer Goldoberfläche und einer Trägerschicht versehen, die so robust ist, dass sie auch bei beschädigter Oberfläche ein Weiterkriechen der Korrosion und damit einer Ausbreitung des Schadensvorganges entgegenwirkt. Zweitens sorgt die geometrische Gestaltung der Kontakte dafür, dass die Kontaktgabe im gesteckten Zustand an einem anderen Ort erfolgt als die Kontakttrennung. So kann ein eventuell entstehender Lichtbogen den Kontakt nicht dort schädigen, wo er zur Stromübertragung nötig ist. Tests bringen Sicherheit Um die Eignung dieser konstruktiven Maßnahmen nachzuweisen, führen die Techniker ein Testprogramm nach IEC 60512-99-001 durch. Dieser simuliert Strombelastung und Trennung unter Last durch ein PoE-System. Außerdem prüfen sie die Umweltbelastungen durch Beaufschlagung mit hochkonzentriertem Schadgas. So lässt sich die korrosionsfördernde Umgebung nachstellen. Nur Produkte, die bei diesen Tests einen definierten geringen Kontaktwiderstand behalten, sind zum Einsatz in PoE-Anwendungen zu empfehlen.
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