PoEtický dům: napájíme po ethernetovém kabelu

Ondřej Caletka 27. 4. 2016

Napájení po ethernetu je elegantní způsob, jak napájet malá síťová zařízení. Standardizované řešení je bohužel pro domácnost nákladné, levné pasivní alternativy zase mohou být nebezpečné.

Použití ethernetového kabelu pro napájení malých síťových zařízení představuje ve spoustě případů výhodnou spolupráci – buď v místě instalace vůbec nemusí být elektrická zásuvka, nebo její použití přidává nepříjemnou externí závislost. Centrální napájení také umožňuje centralizovat záložní zdroj, což je důležité zejména pro kritická zařízení, jakými jsou třeba IP telefony nebo bezpečnostní kamery.

Standardizované PoE – bezpečné, ale nákladné

Když začalo být napájení po ethernetu standardizované v rámci IEEE, bylo nutné vyvinout takový standard, který bude plně slučitelný se stávajícími vlastnostmi ethernetových sítí. Výchozími požadavky tedy byly:

  • plná funkčnost pro příkon až 15 W na vzdálenost až 100 m
  • bezproblémová slučitelnost se stávajícím hardwarem
  • odolnost proti nesprávně zapojené kabeláži
  • podpora gigabitového ethernetu

Standard 802.3af a jeho pozdější rozšíření 802.3at všechny požadavky zadání splnil. Aby protlačil dostatečný výkon i tím nejdelším podporovaným kabelem, bylo nutné zvýšit použité napájecí napětí až na samou hranici malého bezpečného napětí, s nominální hodnotou 48 V. Standard definuje dva typy zařízení, PSE coby zdroj napájení a PD coby napájené zařízení.

Specifikovány jsou dva způsoby napájení PD, označené jako režimy A a B. V režimu A je napájecí napětí vedeno tzv. fantomovým kanálem po datových párech 1–2 (oranžový) a 3–6 (zelený). Napájení je zavedeno do středních odboček oddělovacích transformátorků, takže posune potenciál obou vodičů v daném páru. Díky tomu, že data jsou přenášena napětím mezi vodiči jednoho páru, stejnosměrný posun napětí obou vodičů přenos dat nijak neovlivní. V režimu B je napájení vedeno obdobným způsobem po párech 4–5 a 7–8. Tento režim je výhodnější zejména pro samostatné injektory napájení pro zařízení o rychlosti 100 Mbps nebo méně. V takovém případě se totiž tyto páry vůbec nevyužívají a není tak mezilehlý injektor nutné osazovat oddělovacími transformátorky pro vytvoření fantomového kanálu. Zajímavé je, že o volbě režimu vždy rozhoduje PSE, nikoli PD. To musí být schopno přijmout napájení oběma režimy.


Linear Technology

Vstupní část PD. Dvojice usměrňovacích můstků přijímá napájení v režimech A i B v libovolné polaritě (zdroj: datasheet obvodu LTC4267)

Úkolem PSE je především detekovat, zda bylo připojeno kompatibilní zařízení. To se pozná podle přítomnosti zatěžovacího rezistoru 25 kΩ v PD. Je-li obvod rozpojený, nebo naopak zkratovaný, má se za to, že kompatibilní zařízení připojeno není a PSE zůstává ve stavu detekování. Po detekci může následovat klasifikace, kdy PSE zvýší napájecí napětí, na což PD odpoví odběrem smluveného proudu podle příkonové třídy, do které zařízení patří. Teprve potom je vedení připojeno přímo k napájecímu zdroji a PD může začít odebírat proud až do limitu smluvené výkonnostní třídy. Pokles hodnoty odebíraného proudu pod určitou minimální hodnotu je v PSE vyhodnocen jako odpojení zařízení, čímž je napájení okamžitě vypnuto a přechází se zpět do stavu detekce.

Z popisu je zřejmé, že napájení PoE slučitelné se standardem představuje netriviální nároky na obou koncích vedení. Kromě řadičů, podporujících příslušnou signalizaci, zvyšuje cenu také použití relativně vysokého napájecího napětí, které je už mimo povolené pásmo nejběžnějších integrovaných obvodů pro spínané regulátory. Je proto potřeba použít odolnější a dražší součástky.

Pasivní PoE – levné, ale nebezpečné

Přítomnost dvou nevyužitých párů vodičů v ethernetovém kabelu pro rychlosti 10 a 100 Mbps přímo vyzývá kutily k jejich využití pro nejrůznější účely. Kromě napájení po ethernetu se objevily také rozdvojky, umožňující použít jeden kabel pro dvě nezávislé ethernetové linky či pro sdílení ethernetu a telefonního vedení.

Použití pro napájení je poměrně snadné a levné. Obvykle se oba vodiče daného páru spojí paralelně pro zvětšení jejich užitečného průřezu. Takzvaný PoE injektor připojí napájecí napětí mezi páry 4–5 (modrý) a 7–8 (hnědý) a PoE extraktor na straně zařízení napětí z těchto vodičů odbočí k napájecími zdroji zařízení. Je to tedy stejné jako dříve popsaný režim B u standardizovaného PoE.

Příklad sady pasivního injektoru a extraktoru

Injektor a extraktor je v takovém případě vlastně jen sada příslušných konektorů, takže je ji možné pořídit za několik desetikorun. Pro spoustu účelů takové napájení plně dostačuje, je však třeba být si vědom úskalí, která takové napájení přináší:

  • úbytek napětí na dlouhém ethernetovém kabelu
  • riziko zničení zařízení při použití nesprávné kabeláže
  • riziko zničení nekompatibilního zařízení, je-li omylem zapojeno na kabel, který obsahuje napájení

Zejména riziko zničení nekompatibilního zařízení je nepříjemné. Z toho důvodu bych čistě pasivní PoE nikdy nedoporučoval používat v místech, kde se dá předpokládat laické zapojování a přepojování kabelů. Pokud je to nevyhnutelné, je dobré kabely s napájením výrazně označit a opatřit varováním.

Vzpomínám si na své první setkání s pasivním PoE. Bylo to v roce 2012, kdy jsem se rozhodl pořídit připojení k internetu prostřednictvím místního Wi-Fi poskytovatele. Technik tehdy přinesl a nainstaloval klientský router na bázi MikroTik routerboardu. Když jej konfiguroval, vytáhl zánovní notebook a USB síťovou kartou s tím, že síťovou kartu v notebooku má nefunkční. Teprve později mi došlo, že asi tuším, jak k té nefunkční síťové kartě přišel – nejspíš si spletl porty na PoE injektoru. 

Co přesně se zničí

Zapojení kabelu s pasivním PoE napájením do běžného ethernetového rozhraní může dopadnout všelijak. Obecně lze říct, že bez větších následků by mělo přežít zařízení, které podporuje pouze rychlosti 10 a 100 Mbps. Taková zařízení vodiče 4–5 a 7–8 v kabelu vůbec nevyužívají, takže jsou obvykle jen zapojeny přes zakončovací rezistory na společný potenciál. Připojené napájecí napětí obvykle zakončovací rezistory přepálí, což může být doprovázeno drobným zápachem či kouřovými efekty, zařízení ale pracuje dál. Jsou i zařízení, která v zájmu úspory barevných kovů obsahují speciální varianty modulárních konektorů, ve kterých kontakty 4, 5, 7 a 8 vůbec nejsou. Taková zařízení pak logicky žádná újma nepotká.


CZ.NIC

Příklad konektoru s oddělovacími transformátory (tzv. MagJack), který není kompatibilní s PoE (zdroj: schéma zapojení routeru Turris)

U zařízení gigabitového ethernetu je situace mnohem horší. Všechny čtyři páry vodičů v kabelu jsou využívány pro obousměrný přenos dat. Na každém páru je tedy připojen transformátorek, přičemž střední odbočky všech čtyř párů jsou opět svedeny na společný potenciál. Případné napájecí napětí je tedy zkratováno a je otázkou konstrukce, která část bude tvořit nejslabší článek a přepálí se. V lepším případě bude síťová karta nadále schopná pracovat alespoň v rychlostech 10 a 100 Mbps, může se však stát, že nebude fungovat ani to.

Jiný MagJack, pro rychlost do 100 Mbps a s podporou PoE. Povšimněte oddělovacích kondenzátorů před zakončovacími rezistory. Tím jsou jednotlivé páry pro stejnosměrný proud odděleny.

Switch s pasivním PoE

Pasivní PoE napájení používám už řadu let k napájení venkovní klientské Wi-Fi jednotky značky MikroTik. Později jsem si od stejného výrobce pořídil další vnitřní Wi-Fi AP pro pokrytí odlehlých částí domu. I toto podporuje pasivní PoE napájení, takže jsem jeho napájecí zdroj mohl přesunout k centrální UPS. Počet napájecích adaptérů se začal nepříjemně zvyšovat a tak jsem začal hledat řešení, které by mi umožnilo napájení centralizovat, aniž bych musel utrácet celé jmění za standardizované PoE. Ukázalo se, že takový switch existuje v portfoliu firmy MikroTik pod názvem RB260GSP.

Jedná se o pěti portový ovladatelný gigabitový switch, který obsahuje čtyři porty s možností výstupu napájení (v režimu B). Na rozdíl od standardizovaného PoE se zde používá nižší úroveň napětí (switch je napájen zdrojem 24 V, jehož napětí se přibližně shoduje s napětím PoE výstupu), chybí také výkonové třídy. Co však nechybí, je automatická detekce připojení zátěže a odolnost proti zkratu. Stejný port je tak bez rizika možné zapojit jak do napájeného zařízení, tak i do zařízení, které napájení přijmout neumí. Díky podpoře VLAN jsem mohl tento switch použít jak pro napájení venkovního klienta, tak i pro napájení sekundárního AP, přestože má být každé zapojené v jiném segmentu sítě.

Switch nejen, že autodetekuje připojení napájeného zařízení, ale dokáže i v reálném čase měřit zatížení jednotlivých portů.

Pasivní PoE pro Raspberry Pi a IP telefon

Snadnost, s jakou se mi podařilo napájení centralizovat, stejně jako přítomnost dalších dvou napájených portů ve výše uvedeném switchi, mě vedla k myšlence napájet pomocí PoE další zařízení v domácnosti, konkrétně webkamerku postavenou z Raspberry Pi a IP telefon. Jediný problém, který bylo potřeba vyřešit, bylo přizpůsobení napájecího napětí 24 V z PoE napájecímu napětí daného zařízení, konkrétně 5 V pro Raspberry Pi a 9 V pro IP telefon. Vzpomněl jsem si tedy na nedávný článek o nočním lovu beze zbraní a zkusil použít hotové moduly zdrojů Mini-360, které jsou k mání doslova za pár desítek korun.

widgety

Technické parametry modulu Mini-360 uvádějí maximální vstupní napětí 23 V, což je zároveň přesně tolik, kolik dodává PoE switch. Abych napětí trochu snížil, předřadil jsem modulu můstkový usměrňovač. Ten zároveň ochrání zařízení proti případné chybě v zapojení kabeláže. Na modulu Mini-360 jsem pak trimrem nastavil požadované výstupní napětí. I když celé zařízení nevypdá příliš vzhledně, je plně funkční a umožňuje nahradit celkem čtyři napájecí zdroje jediným.

Snižující měnič Mini-360 s usměrňovacím můstkem, vsazený přímo do pasivního extraktoru.

Přístupový bod hAP ac lite, který kromě PoE vstupu obsahuje i jeden PoE výstup, opět s automatickou detekcí připojení kompatibilního zařízení.

Nestandardní, ale levné a bezpečné

Na popisované řešení centralizovaného napájení všech internetových věcí v domácnosti jsem přešel před necelými dvěma měsíci. Přestože jde veskrze o pasivní PoE, použití inteligentního switche umožňuje eliminovat největší nebezpečí – zničení nekompatibilních zařízení, jsou-li omylem zapojena do napájeného portu. Použití relativně vysokého napětí 24 V omezuje proudové namáhání kabelů a konektorů, přitom je však stále dostatečně nízké, aby jej bylo možné snižovat velmi levnými moduly spínaných regulátorů. Cena podobného PoE řešení je tedy pouhým zlomkem ceny řešení založeného na standardu 802.3af, komfort je přitom téměř srovnatelný.

Samostatné zdroje, které bylo možné eliminovat. Na snímku chybí ještě zdroj IP telefonu a webkamery.

Našli jste v článku chybu?
Vitalia.cz: 5 nemocí, se kterými pomáhá urologie

5 nemocí, se kterými pomáhá urologie

Podnikatel.cz: EET a účetní programy. Vše hotovo?

EET a účetní programy. Vše hotovo?

120na80.cz: Co je padesátkrát sladší než cukr?

Co je padesátkrát sladší než cukr?

DigiZone.cz: Banaxi: videa kdekoli na světě

Banaxi: videa kdekoli na světě

Vitalia.cz: Tesco nabízí desítky tun jídla zdarma

Tesco nabízí desítky tun jídla zdarma

Vitalia.cz: 5 chyb, které děláme při skladování potravin

5 chyb, které děláme při skladování potravin

DigiZone.cz: DVB-T2 ověřeno: seznam TV zveřejněn

DVB-T2 ověřeno: seznam TV zveřejněn

Vitalia.cz: Tradiční čínská medicína a rakovina

Tradiční čínská medicína a rakovina

Vitalia.cz: Antibakteriální mýdla nepomáhají, spíš škodí

Antibakteriální mýdla nepomáhají, spíš škodí

Vitalia.cz: Jak Ondra o astma přišel

Jak Ondra o astma přišel

Vitalia.cz: Muž, který miluje příliš. Ženám neimponuje

Muž, který miluje příliš. Ženám neimponuje

Lupa.cz: Blíží se konec Wi-Fi sítí bez hesla?

Blíží se konec Wi-Fi sítí bez hesla?

Podnikatel.cz: Letáky? Lidi zuří, ale ony stále fungují

Letáky? Lidi zuří, ale ony stále fungují

Vitalia.cz: dTest odhalil ten nejlepší kečup

dTest odhalil ten nejlepší kečup

Podnikatel.cz: ČSSZ posílá přehled o důchodovém kontě

ČSSZ posílá přehled o důchodovém kontě

DigiZone.cz: Nova opět stahuje „milionáře“

Nova opět stahuje „milionáře“

Vitalia.cz: Tahák, jak vyzrát nad zápachem z úst

Tahák, jak vyzrát nad zápachem z úst

DigiZone.cz: Technisat připravuje trojici DAB

Technisat připravuje trojici DAB

Lupa.cz: Patička e-mailu závazná jako vlastnoruční podpis?

Patička e-mailu závazná jako vlastnoruční podpis?

120na80.cz: Galerie: Čínští policisté testují českou minerálku

Galerie: Čínští policisté testují českou minerálku