La alimentación a través de Ethernet de un solo par abre nuevas aplicaciones

Alimentación por Ethernet (PoE) ha estado disponible durante años para suministrar energía a través de cables Ethernet, pero su atractivo se ha visto restringido por una limitación de distancia de 100 metros o menos. Ahora, la alimentación a través de Ethernet de un par (SPoE), una tecnología normalizada por el IEEE que permite transmitir energía y datos a largas distancias utilizando un único par trenzado dentro de un cable Ethernet, abre una nueva frontera para aplicaciones innovadoras.

Al estar bien establecida y ampliamente utilizada para la comunicación de datos entre dispositivos, Ethernet utiliza cuatro pares de hilos de cobre trenzados para transportar las señales de datos y cada par transporta una dirección del flujo de datos. Los dispositivos que utilizan Ethernet también suelen requerir una fuente de alimentación independiente, lo que aumenta los costos de cableado e instalación.

Alimentación por Ethernet (PoE) se desarrolló como una ampliación de la norma Ethernet, que permite a los dispositivos recibir tanto datos como alimentación a través del mismo cable mediante el uso de dos pares de hilos para transportar los datos y los otros dos para alimentar los dispositivos.

PoE puede suministrar hasta 90 W de potencia a una distancia máxima de 100 m. Esto ha dado lugar a aplicaciones PoE como cámaras IP, puntos de acceso inalámbricos, teléfonos VoIP y sistemas de iluminación inteligentes que se pueden instalar y alimentar con un solo cable. Sin embargo, además del límite de distancia, otros retos de la PoE incluyen la necesidad de conectores y cables voluminosos y caros que puedan soportar altas corrientes y voltajes, pérdidas de potencia y disipación de calor.

Presentación de SPoE

Con un solo par de cables para transportar datos y alimentación, SPoE puede alcanzar velocidades de transmisión de datos de hasta 1 Gbps y suministrar hasta 52 W de potencia en longitudes de cable de hasta 1 km (Figura 1), utilizando conectores y cables más pequeños y económicos compatibles con las tomas RJ45 existentes.

Figura 1: Un sistema SPoE para transmitir hasta 52 W de potencia. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Con costos reducidos e implementación más sencilla, SPoE es idóneo para una amplia gama de aplicaciones en entornos industriales, de automoción, automatización de edificios e IoT, donde instalar nuevo cableado o depender únicamente de redes LAN inalámbricas resulta poco práctico, prohibitivo o ambas cosas. Proporciona telemetría integral del sistema para supervisar el estado de la transmisión de energía, la detección de fallos y la protección contra sobretensiones.

En un entorno industrial, SPoE puede alimentar sensores y dispositivos de control a larga distancia sin tener que añadir fuentes de alimentación locales, lo que simplifica la infraestructura de red, reduce los costes de instalación y proporciona una gestión centralizada de la alimentación. Puede utilizarse para suministrar alimentación a través del cableado Ethernet existente, lo que convierte la incorporación de interruptores y puntos finales SPoE en un proceso rápido y relativamente sencillo.

SPoE forma parte de la norma IEEE 802.3 -IEEE 802.3 cg para Ethernet de 10 Mbps a través de un único par trenzado (10Base-T1L)- y ofrece una ampliación de la norma IEEE 802.3bu, Power over Data Lines (PoDL). PoDL se utiliza en sistemas de hasta 40 m y con 12, 24 o 48 voltios; SPoE funciona con un voltaje de 24 V o 55 V hasta 1000 m.

SPoE es ideal para aplicaciones que necesitan una potencia de baja a media y altas velocidades de datos en largas distancias, lo que no es factible ni económico para PoE.

Aplicaciones potenciales de SPoE:

• Sistemas de tecnología operativa en los que la fiabilidad de las comunicaciones y el suministro eléctrico son fundamentales para el control y la automatización de los procesos.
• Automatización de edificios y fábricas que pueden supervisar y controlar los parámetros medioambientales y de la maquinaria.
• Instrumentos de campo, como sensores y actuadores, que pueden desplegarse con mayor flexibilidad y menor costo.
• Sistemas de seguridad, como los de control de acceso y vigilancia, en los que SPoE es más escalable.
• Sistemas de gestión del tráfico que requieren un funcionamiento y una conectividad constantes
• Alimentación y gestión de dispositivos IoT periféricos
• Suministro remoto de energía para señalización digital e iluminación exterior

Consideraciones sobre el diseño de SPoE

SPoE utiliza la técnica de "alimentación fantasma" para superponer la señal de alimentación a la de datos en el mismo par de hilos, lo que requiere complejos controladores en cada extremo del cable para separar y regular las señales de alimentación y datos. Las aplicaciones también deben tener en cuenta las pérdidas de potencia y la disipación de calor a lo largo del cable, que pueden afectar al rendimiento y la fiabilidad del sistema.

Un controlador de equipos de suministro eléctrico (PSE) proporciona una sofisticada gestión y conversión de la energía que garantiza que el suministro eléctrico sea seguro, estable y eficiente. Funciona en combinación con controladores de dispositivos alimentados (PD) que reciben energía a través del cable de 2 hilos.

Los controladores PSE diseñados para varios canales pueden alimentar diversos dispositivos remotos, como sensores. El LTC4296-1 (Figura 2) de Analog Devices, Inc. (ADI), por ejemplo, es un controlador SPoE de 5 puertos que puede suministrar energía a hasta cinco cargas a través de cinco líneas de hasta 1000 m de longitud cada una. Suministra potencia mediante transistores de efecto de campo (MOSFET) semiconductores de óxido de metal y canal N, externos, de baja resistencia de drenaje a fuente (R_DS(ON)), que minimizan la caída de voltaje y garantizan la resistencia de la aplicación.

Figura 2: Controlador del equipo de suministro de energía (PSE) de 5 puertos LTC4296-1 de ADI. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El LTC4296-1 proporciona una solución SPoE y PSE versátil para controladores y conmutadores 10BASE-T1L, y puede integrarse fácilmente con los componentes de la cartera de transceptores 10BASE-T1L de ADI, como el dispositivo de 2 puertos ADIN2111CCPZ-R7, que integra un conmutador, dos núcleos de capa física (PHY) Ethernet con una interfaz MAC y circuitos analógicos asociados, un circuito de monitorización de la fuente de alimentación y circuitos de reinicialización por activación (POR). El transceptor proporciona conectividad directa con diversos controladores a través de una Interfaz periférica serial (SPI).

En el otro extremo, el LTC9111RDE#PBF es uno de los varios controladores PD de ADI que proporcionan una capacidad de rango operativo de 2.3 V a 60 V con corrección de polaridad (Figura 3). El controlador gestiona la clasificación y la supervisión de la transmisión de la línea, accionando dos interruptores MOSFET externos de canal N durante la clasificación con funcionamiento de micropotencia para minimizar los requisitos del condensador de reserva. Un interruptor MOSFET de canal N externo aísla la capacitancia de salida del conector durante la clasificación y la irrupción.

Figura 3: Un controlador LTC4296-1 SPoE PSE es adecuado para controlar hasta cinco canales, aquí vinculados a controladores LTC9111 PD. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los controladores de la serie LTC9111 presentan una firma de activación válida al PSE para solicitar alimentación. Los controladores PSE y PD compatibles con IEEE 802.3cg realizan el paso de clasificación utilizando el protocolo de clasificación de comunicaciones serie; el PSE se asegura de que la PD es compatible y, en caso afirmativo, procede a rampar el voltaje del puerto. Si el dispositivo eléctrico accionado necesita un voltaje distinto de 24 V o 55 V, se utiliza un convertidor CC-CC adicional.

ADI también proporciona el kit de evaluación EVAL-SPoE-KIT-AZ para evaluar los datos 10BASE-T1L y la alimentación SPoE a través de un único cable Ethernet de par trenzado (SPE). El kit incluye el controlador PSE LTC4296-1 y el PD LTC9111 para la evaluación de la potencia SPoE de clase 10 a 15 IEEE 802.3cg y un transceptor 10BASE-T1L para proporcionar datos en el sistema.

Implantación de aplicaciones SPoE

Los diseñadores de productos deben optimizar el consumo energético y la eficiencia de sus soluciones SPoE, teniendo en cuenta parámetros como la longitud del cable, el diámetro, la resistencia, la temperatura y el entorno.

Equilibrar el suministro eléctrico con la transmisión de datos a través de un único par trenzado plantea dificultades, como garantizar una alimentación suficiente para los dispositivos remotos y mantener al mismo tiempo la integridad de los datos en distancias potencialmente largas.

El suministro de energía en cables largos a la tensión de alimentación de 24 VCC, habitual en muchas implantaciones de OT, está sujeto a pérdidas significativas debidas a la resistencia de los cables. SPoE está especificado en la norma IEEE 802.3cg para funcionar a un voltaje de 24 V o 55 V, por lo que los diseñadores pueden aprovechar la mayor eficiencia de suministro de energía cerca del voltaje extra bajo de seguridad (SELV) máximo de 60 V.

Conclusión:

SPoE es una tecnología emergente que permite la transmisión simultánea de datos y energía a través de un único par trenzado en cables Ethernet. Esto puede reducir el coste, la complejidad y el impacto ambiental de las infraestructuras de red, así como proporcionar más flexibilidad, escalabilidad y fiabilidad a los dispositivos conectados. La cartera de controladores PSE y PD compatibles con IEEE 802.3cg de ADI puede simplificar el diseño y la implementación de aplicaciones SPoE con alta eficiencia y bajo ruido, lo que los hace ideales para sistemas industriales, de automoción y de edificios inteligentes que requieren una conectividad robusta y fiable.