Особенности витой пары и разъемов RJ-45 для поддержки PoE повышенной мощности
Для поддержки питания через Ethernet (Power over Ethernet) следующего поколения требуется нечто большее, чем просто более толстый провод. Сочетание стандартов, технических условий и лучших методик удаленного электропитания сетевых устройств несет в себе значительные проблемы для организаций пользователей, а также для спецификаторов, разработчиков и установщиков систем. Целью разработки новейших версий стандартов и технических условий был поиск средств для наиболее эффективного и безопасного развертывания витой пары, поддерживающей удаленную подачу электропитания. Со своей стороны, производители кабелей и оборудования для их соединения вели самостоятельные разработки для того, чтобы кабельные компоненты соответствовали поставленной задаче.
В наши дни состав материалов кабеля типа «витая пара», поддерживающего удаленную подачу электропитания, несколько отличается от состава материалов тех компонентов, которые предназначены исключительно для передачи данных по технологии 10/100/1000Base-T. Аналогично, конструкция и материалы соединителя RJ-45 (например, розетки или коннектора), который будет поддерживать удаленное электропитание, включает в себя некоторые элементы, которые не нужно было учитывать для обеспечения поддержки передачи данных, пусть и на гигабайтных скоростях.
Искрение и нагрев – главные проблемы
Давным-давно известно, как физические характеристики кабелей и коннекторы влияют на возможность обеспечивать удаленное электропитание или питание через Ethernet. В опубликованном в 2015 году техническом документе под названием «Питание через Ethernet по медным кабелям Panduit» (Power over Ethernet with Panduit Copper Cabling) компания Panduit указала, что «кабели и разъемы сами по себе могут выдерживать ток 960 мА и мощность 71 Вт (ожидается, что будет указано в стандарте IEEE 802.3bt 4PPoE). Проблемы с использованием технологии PoE в кабелях связаны с ростом температуры и повышением выделения тепла, возникающих, когда кабели проложены в пучках. Что же касается соединителей, то их проблема связана с искрением, которое возникает при удалении штекера из разъема RJ-45 при активном питании PoE».
В документе также указывается, что «в большинстве случаев при извлечении штекера из гнезда при активной подаче питания PoE естественным образом возникает электрическая дуга (искра). Такая дуга не представляет никакой опасности для пользователя, и зачастую ее даже трудно заметить. Тем не менее, она способна приводить к точечному повреждению контактов штекера и гнезда. Соединители следует проектировать таким образом, чтобы повреждаемое дугой место находилось вне зоны сопряжения штекера с разъемом. Для решения этой конкретной проблемы МЭК разработала методы тестирования IEC 60512-9-3 и IEC 60512-99-001». В документе указывается, что разработанные компанией Panduit штекеры и гнезда отвечают требованиям, которые заложены в этих методах тестирования, «и гарантируют, что возможное возникновение искрения не будет приводить к повреждению критически важной зоны сопряжения штекера и гнезда».
Компания Siemon также опубликовала документы на эту тему. В одном из них, озаглавленном «Влияние электрической эрозии, вызываемой разъединением электрического соединителя под нагрузкой PoE» (The Effects of Spark Gap Erosion Caused by Unmating Under PoE Load) и опубликованном в 2013 году, указывается, что «для создания надежной поверхности сопряжения с низким сопротивлением контакты в таком сетевом соединительном оборудовании, как разъемы и коннекторы RJ-45, тщательно конструируются и имеют специальное покрытие, как правило, из золота или палладия. Отсоединение штекера от разъема во время подачи электропитания PoE приводит к возникновению дуги в искровом промежутке, когда до полного размыкания цепи ток протекает между металлическими проводниками по воздуху. Хотя уровень тока возникающей дуги не представляет никакой опасности для человека, искрение создает электрический пробой газов в окружающей среде, который разрушает металлические контактные поверхности штекера и гнезда в месте возникновения искрения». В документе описываются и демонстрируются контакты, имеющие вызванную таким искрением эрозию.
Анализатор кабелей Fluke Networks серии DSX (Fluke Networks DSX Series CableAnalyzer) позволяет сертифицировать характеристики сопротивления постоянному току установленных кабельных систем. Недавно в серию DSX были включены нормы для систем PowerWise и Clarity от Superior Essex и Legrand.
«Если электрическая эрозия возникает в зоне полного сопряжения коннектора RJ-45, результатом повреждения поверхности контакта становится ненадежное соединение. Это может привести к ухудшению производительности сети и увеличению частоты битовых ошибок. Некоторым производителям соединительного оборудования удалось разнести место возникновения дуги во время разъединения соединителя и его полностью сопряженное положение. Хотя это может быть справедливо для контактов розетки RJ-45, их геометрия не гарантирует, что электрическая эрозия на контактах штекера также будет далека от положения полного совмещения соединителя. Электрическая эрозия контактов розетки или коннектора приводит к тому, что соединение становится ненадежным».
Далее в документе описывается особая выпуклая форма контактов, которая используется компанией Siemon в фирменных разъемах Z-Max, Max и Tera. Поясняется, что такая форма «гарантирует возникновение искрения в месте начального сопряжения контактов розетки и коннектора, и отсутствие влияния на электрическую целостность контакта в полностью сопряженном положении соединителя».
Руководство TSB-184-А по поддержке подачи электрической энергии по витой паре
С момента публикации документов компаний Panduit и Siemon было разработано несколько технологий и стандартов. В марте 2017 года Ассоциация телекоммуникационной промышленности США (TIA) утвердила и опубликовала Руководство по поддержке подачи электрической энергии по кабелю типа «витая пара», маркированное TSB-184-A (Telecommunications Systems Bulletin TSB-184-A Guidelines for Supporting Power Delivery Over Twisted-Pair Cabling). В этом документе содержится несколько рекомендаций, включая использование кабелей категории 6A или более производительных кабелей для любых новых установок, предусматривающих удаленную подачу электропитания, а также использование соединительного оборудования, которое соответствует требованиям теста IEC 60512-99-002. (Документ «-002» был опубликован после того, как компания Panduit создала свой документ со ссылкой на стандарт «-001».)
В руководстве TSB-184-A также разъясняется, что тепловое рассеяние – рассеивание тепла в кабельных пучках – можно улучшить выбором кабелей с определенными физическими характеристиками, включая:
- улучшенную теплопроводность,
- улучшенный коэффициент теплопередачи между материалами кабеля,
- улучшенный коэффициент теплопередачи между оболочкой кабеля и воздухом,
- металлические элементы, такие как оплетка или экран,
- больший диаметр.
Документ TSB также включает советы по объединению, в которых рекомендуется вообще отказываться от объединения, когда это только возможно. Если объединение необходимо, рост температуры можно ограничить, если не объединять в пучок более 24 кабелей в типовом лотке. Также рекомендуется разделять большие пучки на несколько более мелких, что позволит ограничить рост их температуры.
Другой составляющей, вызывающей беспокойство по поводу способности кабелей поддерживать удаленное электропитание, является сертификация кабелей LP (Limited Power), которую в 2015 году представила Underwriters Laboratories (UL). Лаборатория UL сформулировала программу, призванную «упростить выбор кабеля и его монтаж. Обозначение кабеля «-LP» указывает на то, что была оценена способность кабеля пропускать указанный ток при разумных худших сценариях установки без превышения температурного диапазона кабеля. Сертификация учитывает большие размеры пучков, высокие окружающие температуры и другие условия, связанные с воздействием окружающей среды, например, закрытые пространства или кабельные каналы.
Какие новые кабели с поддержкой IEEE 802.3bt 4PPoE появились?
В течение года компания Superior Essex представила два кабеля витая пара, которые были разработаны для поддержки удаленного электропитания высокой мощности. Первым в сентябре 2015 года был представлен кабель PowerWise категории 5e для приложений PoE, а в сентябре 2016 года были представлены кабели PowerWise I/O 1 Gigabit 4PPoE CRM/CMX для приложений PoE, которые можно использовать как в помещении, так и на улице. Во время представления в 2015 году компания рассказала, что кабель PowerWise категории 5e имеет энергетический КПД 88% для приложений 802.3at и будущих приложений 802.3bt. «Повышенная энергетическая эффективность объясняется тем, что медные провода 22AWG имеют на 59 процентов большее сечение, чем медные провода 24AWG, которые обычно используются в кабелях категории 5е».
Вице-президент компании по маркетингу Уилл Брайан заявил: «Поскольку рынок строит планы для мира устройств, требующих передачи до 960 миллиампер тока по четырехпарным кабелям передачи данных, есть обоснованная обеспокоенность по поводу потенциальной опасности, которую представляет наблюдаемое повышение температуры проводов 24AWG».
Когда год спустя был представлен кабель PowerWise I/O, Брайан отметил, что этот кабель поддерживает использование технологии PoE вне помещения, и его можно использовать в таких приложениях, как системы контроля доступа и уличные сети WiFi.
Совсем недавно компания Superior Essex и ее торговый партнер компания Legrand совместно с компанией Fluke Networks объявили о том, что система сертификации кабелей Versiv Cabling Certification System поддерживает кабели и разъемы Legrand Clarity, а также кабельную продукцию PowerWise компании Superior Essex.
Кабельный тестер Fluke Networks на платформе Versiv2 для сертификации СКС
Когда в феврале 2018 года было сделано это заявление, директор по глобальному маркетингу компании Fluke Networks Харли Лэнг (Harley Lang) прокомментировал: «Являясь промышленным лидером, мы тесно сотрудничаем с другими компаниями и экспертами в нашей отрасли по вопросам разработки новых сетевых стандартов и требований. Наши продукты Versiv всегда обладали возможностью и гибкостью для тестирования способности кабельной системы поддерживать технологию PoE. В результате компания Fluke Networks готова поддерживать таких производителей, как Legrand и Superior Essex, в развертывании передовых сетевых продуктов для PoE и соответствия другим стандартам». Компания Fluke Networks предоставляет кабельные тестеры для сертификации СКС с возможностью тестирования и сертификации на соответствие всем стандартам IEEE и требованиям к установкам 802.3bt.
Эти три компании объединились, чтобы подготовить технический документ под названием «Соображения по проектированию и полевым испытаниям оптимизированной кабельной системы PoE большой мощности» (Considerations for the Design and Field Testing of an Optimized High-Power PoE Cabling System). В имеющем подзаголовок «Почему решающее значение имеет комплексное тестирование на дисбаланс DCR [сопротивление постоянному току]» документе отмечается, что при публикации спецификации IEEE 802.3bt будут включать требования DCR.
«Соответствие значению DCR гарантирует, что подача электропитания не снижает производительность передачи данных, и при этом сохраняется постоянное напряжение между двумя парами», - говорится в документе. «Чтобы соответствовать требованиям, изложенным в IEEE 802.3bt Draft 3, значение DCR не должно превышать 21 Ом. Разница в сопротивлении между двумя парами не должна превышать 200 мОм или 7%, а разница между двумя проводниками одной пары не может превышать 100 мОм или 3%».
В стандарте также указывается, что выполняемые в полевых условиях измерения могут иметь ограничения точности ниже 200 мОм. Эти стандарты существуют для предотвращения дисбаланса DCR, который может быть вызван неправильным изготовлением кабеля или его неправильной прокладкой, а иногда даже и сечением проводников самого кабеля. Тестовые измерения DCR проводятся производителем кабеля; более низкие значения DCR указывают на то, что данная система лучше защищена, чем система с более высокими показателями. Изделия, изготовленные с учетом значения сопротивления постоянному току, имеют более длительный срок службы и более низкие затраты, поскольку сбалансированная подача электропитания и передача данных предотвращает превышение мощности в одной линии и обеспечивает больший электрический КПД без ухудшения качества передачи данных. При оценке системы PoE важно анализировать дисбаланс DCR в паре, между парами и общее значение DCR, что позволит обеспечить оптимальную передачу электрической мощности и данных.
Каждый этап развертывания сбалансированной кабельной системы с медными витыми парами, которая позволит обеспечить подачу удаленного питания на уровнях, определяемых стандартом IEEE 802.3bt, требует тщательной подготовки. Сюда входят этапы конструирования и проектирования продукта, выполняемые производителями, определение соответствующих продуктов с достаточными возможностями, проектирование и монтаж кабельных трасс, включая вопросы, связанные с объединением кабелей, тестирование смонтированных цепей – и это не говоря еще о потребностях и предпочтениях пользователей. Последние годы технология, лежащая в основе кабельных систем, усиленно развивалась и совершенствовалась, что позволило обеспечить проектировщиков, монтажников и владельцев структурированных кабельных систем необходимыми для работы компонентами.
Дополнительные материалы о кабельных приборах для тестирования и сертификации СКС.
Патрик Маклафлин,
1.04.2018
См. также:
