Redes & Telecom

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PoE e a alimentação pelo cabo de rede

publicado por Fabio Montoro
PoE e a alimentação pelo cabo de redeUm aspecto importante da rede interna de telecomunicações é como os equipamentos terminais recebem alimentação elétrica. Isso faz grande diferença, a começar pelo projeto.
O tradicional é que cada equipamento tenha sua própria fonte e se conecte a uma tomada elétrica. Esta solução traz algumas desvantagens, conforme veremos adiante.
Uma solução que vem ganhando espaço, é alimentar os equipamentos terminais pelo próprio cabo de rede, a partir de fontes localizadas na sala de equipamentos (ER).
Duas tendências atuais, uma de redução no consumo de energia dos equipamentos eletrônicos e outra de conectá-los em rede, está viabilizando cada vez mais a alimentação desses equipamentos pelo cabo de rede.
Há dois esquemas interessantes de alimentação pelo cabo:
  • PoEPower over Ethernet, especificado na norma IEEE 802.3at
  • HDbaseTHigh Definition base Twisted Pair, criada por uma aliança de   fabricantes de equipamentos
PoE é um esquema para enviar alimentação elétrica pelo cabo de rede, associado ao protocolo Ethernet, juntamente com os sinais de dados, de um equipamento fornecedor da alimentação (PSE = PowerSource Equipment), normalmente um switch, para o equipamento a ser alimentado pelo cabo (PD = Powered Device).
A norma IEEE 802.3at, publicada em 2009, define alimentação de equipamentos com até 25,5 Watts em dois pares e 51 Watts em quatro pares. Substitui a norma anterior (IEEE 802.3af), que era de 13 Watts. Veja tabela 1.
Para ser alimentado pelo cabo, um equipamento em rede deve ter sido construído especificamente isso, atendendo a uma norma e ter seu consumo de energia dentro da capacidade do PSE.
A alimentação pelo cabo tem as seguintes vantagens:
  • Instalação mais simples (basta plugar na tomada de rede)
  • Permite gerenciar a energia fornecida
  • Maior confiabilidade e segurança (alimentação centralizada)
A potência de 25,5 W pelo cabo da rede  é suficiente para alimentar câmeras de vídeo, telefones IP, transmissores wireless, sensores e outros,  mas câmeras PTZ e monitores precisam de mais energia.
A tabela mostra outros parâmetros da norma mais recente (802.3at), da sua antecessora (802.3af) e da aplicação em 4 pares (High Power).
Tipo 1
Tipo 2
High Power
Padrão IEEE
802.3 af
802.3 at
802.3 at
Ano de publicação
2003
2009
2009
Categoria mínima do cabo
Categoria 3
Categoria 5e
Categoria 5e
Resistência enlace [ohms]
< 20
< 12,5
2 x < 12,5
Potência fornecida pelo PSE
15,4 w
30 w
60 w
Potência consumida pelo PD
13 w
25,5 w
51 w
Tensão nominal de saída no PSE
48 v
53 v
53 v
Faixa de tensão de saída no PSE
44 a 57 v
50 a 57 v
50 a 57 v
Corrente máxima por enlace
350 mA
600 mA
2 x 600 mA
Quantidade de enlaces
1
1
2
Quantidade de pares
2
2
4
Temperatura ambiental máxima
60 °C
50 °C
Restrição por feixe de cabo
< 5 kW
Tabela 1: Parâmetros PoE
O cabo de rede possui 4 pares trançados de fios de cobre, normalmente com bitola entre 23 AWG (diâmetro de 0,573 mm) e 24 AWG (diâmetro de 0,511 mm). A resistência à corrente contínua de um par, com seus condutores em paralelo, fica abaixo de 5 ohms para 100 metros de cabo, ou seja, abaixo de 10 ohms para o enlace completo, o que satisfaz a condição da tabela (< 12,5 ohms).
Há três métodos básicos para levar a corrente elétrica de alimentação do PSE ao PD:
          A.      Usando os pares reserva (que não transmitem dados)
          B.      Usando os mesmos pares que transmitem os dados (Phantom Power)
          C.      Usando os quatro pares
   A figura 1 ilustra o método A, onde a corrente circula pelos pares 4-5 e 7-8 e os dados circulam pelos pares 1-2 e 3-6.
 PoE
Fig. 1: PoE pelo método A
A figura 2 ilustra o método B, onde a corrente e os dados circulam pelos pares 1-2 e 3-6. Este método é conhecido como “Alimentação Fantasma” (Phantom Power”) muito usado em áudio, para levar alimentação até o microfone. A alimentação sai pelo tap central do transformador de linha do PSE, segue pelos dois condutores do par correspondente e sai pelo tap central do transformador de linha do PD.
 POE-3
Fig. 2: PoE pelo método B – Phantom Power
A figura 3 ilustra o método C, onde a corrente circula por todos os pares do cabo, inclusive os pares 1-2 e 3-6 que também carregam os dados. Este método é utilizado para transmitir mais energia, já que aproveita todos os pares (High Power).
 POE-1
Fig. 3: PoE pelo método C – Quatro Pares
A norma IEEE 802.3at prevê classes de consumo de energia. Veja a tabela 2.
Potência fornecida
[W]
Corrente de classificação [mA]
Classe 0
0,5 a 15,4
0 a 4
Classe 1
0,5 a 4
9 a 12
Classe 2
4 a 7
17 a 20
Classe 3
7 a 15,4
26 a 30
Classe 4
15,4 a 30
34 a 44
High Power
30 a 60
acima
Tabela 2: Classes de consumo PoE
A operação PoE incorpora um protocolo de inicialização, normalmente executado por ships especiais instalados na eletrônica do PSE e do PD, que permite ao PSE descobrir quanta energia o PD precisa.
Há basicamente três fases:
  • Descobrimento: o dispositivo PD apresenta uma resistência entre 23.75 e 26.25 kΩ, o PSE varia a tensão na linha (entre 2,8 e 10 v) e entende que há um dispositivo PoE na outra extremidade. No caso especial de 51 W a resistência será de 12,5 kΩ.
  • Classificação: o PSE coloca uma tensão na linha e mede a corrente, cujo valor define a classe do dispositivo PD.
  • Operação: O PSE fornece a alimentação solicitada, conforme fase anterior, e o PD inicia sua operação normal.
 Handshake
Fig. 4: Fases do handshake
A figura 4 foi extraída da especificação do ship LM5073, um controlador de recepção PoE segundo a IEEE 802.3af, fabricado pela National Semiconductors.
O PoE é mais do que um simples esquema de alimentar equipamentos pelo cabo de rede. Alguns switches permitem configurar alguns parâmetros em relação ao PoE, como por exemplo:
  • Habilitar ou desabilitar o PoE em cada porta
  • Definir qual a potência máxima que cada porta pode fornecer
  • Definir a potência máxima que o switch pode fornecer
Estes recursos tornam o PoE ainda mais interessante.
Mas há um pequeno efeito colateral em se usar PoE, que é a elevação da temperatura nos feixes de cabos que são lançados nas eletrocalhas e eletrodutos. Estudos mostram que a temperatura pode subir 7,2 °C em um feixe de 100 cabos categoria 5e, carregando PoE de 600 mA. Mais uma vantagem para os cabos de categoria maior: cabos categoria 6 e 6A elevam a temperatura em 5 °C e os cabos categoria 7A elevam a temperatura em menos de 3 °C.
O aumento de temperatura do cabo tem o mesmo efeito de aumentar seu comprimento. As especificações de desempenho dos cabos são publicadas para uma temperatura ambiente de 20 °C. Estudos da BICSI mostram que um enlace com cabo categoria 5e pode “ganhar” 18 metros se for UTP e 7 metros se for blindado, quando a temperatura atinge 60 °C. Então, se um enlace UTP possui, digamos, 85  metros, ele se comportaria a 60 °C como se tivesse 103 metros e isso pode ser o suficiente para que o enlace apresente erros fazendo a taxa efetiva de transmissão cair.
HDbaseT
A norma HDbaseT, desenvolvida por uma associação de fabricantes de equipamentos de AV (LG, Sansung, Sony e Valens), define a transmissão de sinal de áudio e vídeo sem compressão pelo cabo de rede (categoria 6) alimentando o equipamento PD com até 100 W.
As TVs LED atualmente consomem de 50 a 300 W, mas a tendência é que elas consumam 1 W para cada polegada de sua diagonal de tela. Por exemplo, espera-se que uma TV 40 polegadas venha a consumir por volta de 40 W. A Energy Star, um agência de proteção ambiental americana, está estabelecendo um selo de produto que limita o consumo das TVs a 85 W.
A norma HDBaseT é bastante conveniente, na medida em que permite conectar todos os equipamentos AV de uma residência ou uma empresa, em rede, fornecendo alimentação a partir de um único ponto: a sala de equipamentos. Um projeto de rede interna, segundo a metodologia OSD, será feito antes do projeto da instalação elétrica e pode dispensar tomadas de energia elétrica junto aos pontos de TV, se considerar o protocolo HDbaseT para distribuição de áudio e vídeo. Obviamente é uma decisão ousada do projetista, mas a tendência é essa. A quantidade de tomadas elétricas tende a diminuir devido aos esquemas de alimentação pelo cabo como o PoE e o HDBaseT.
Consequentemente, a importância da sala ER (sala de equipamentos) cresce, tanto nas corporações quanto nas residências.
Artigo postado originalmente em: fabiomontoro.blogspot.com.br
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Autor

- Electrical Engineer with Escola de Engenharia do Rio de Janeiro , UGF, 1973, emphasis on digital computer design; - Audio system design; - Member of DACTA engineering time encharged to field survey, instalation supervise and tests of radar data transmission and radar video processing; - Modem and Test Set design; - Industrial analysis and procedures for electronic data communication equipement assembly; - Management of development and production departments; - Development of digital signal processing mathematical algorithms for filters, adaptive equalizers and QAM modulators implementations; - Design of active analog and digital filters for data trasmission equipments; - Design of DSP filters and equalizers for audio applications; - Design and implementation of UTP and fiber optics cabling systems; - Design and implementation of local and wide distance networks with Frame Relay WAN switches, routers, high speed LAN switches, including voice, video and IBM data integration; - Design of IP video networks for surveillance and corporate visual security and access management integrated with document storage and display; - Design of integrated systems for IP surveillance, access control, IP audio, video and data networking on building LANs and campus. Especializações:- Digital data transmission over UTP and wireless medium - Digital signal processing and modulation - Voice, audio and video coding and networking - Structured cabling design - LAN and WAN system design

Fabio Montoro

Comentários

3 Comments

  • HDbaseT não conhecia.

  • Fabio
    Parabéns pela materia, muito interessante o artigo!

    Pretendo instalar cameras IPs com a tecnologia PoE, os cabos que deixei na tubulação até as cameras são categoria 6 da marca furukawa, mas tenho a preocupação de que com a alimentação de energia das cameras pelo cabo de rede, isso possa sobrecarregar o sistema.

    Esse processo de alimetnação das cameras através da tecnologia PoE seria somente através de um switch?

    • Exatamente isso.
      Hoje a intelbrás tem um switch que pode ser controlado inclusive a amperagem a ser distribuida pelas portas.

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