Alimentación PoE: Una solución actual con 100 años de historia

Hoy en día es cada vez más habitual que los dispositivos de red (puntos de acceso Wifi, cámaras web, teléfonos IP, etc)  reciban alimentación eléctrica a través de los propios hilos de datos, evitando con esto la necesidad de disponer de una toma eléctrica a 230 v en las proximidades del equipo. A esta tecnología se la conoce con el nombre de PoE, acrónimo cuyo significado es Power over Ethernet. La solución a este problema técnico se basa en un circuito utilizado desde hace casi 100 años en los circuitos telefónicos, los denominados Circuitos Phantom

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JKL Museum of Telephony

Técnicamente el problema a resolver es como “mezclar” una alimentación de corriente continua con los datos que circulan por los hilos de la conexión Ethernet sin que estos datos resulten alterados. En las líneas telefónicas de principios del siglo XX existía un problema similar: como hacer funcionar tres circuitos telefónicos independientes utilizando solo hilos para dos circuitos. Es decir, como conectar un par de teléfonos por los hilos de otros teléfonos sin que se produjeran interferencias entre ellos

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AT&T: ‘Principles of Electricity Applied to Telephone and Telegraph Work’, 1953

Como se observa en la figura, mediante la alimentación en modo fantasma, utilizando solo dos pares telefónicos, disponemos de tres circuitos telefónicos independientes. De ahí viene el nombre de phantom o fantasma, ya que el tercer circuito telefónico, el que conecta al par de teléfonos situados en posición intermedia en la imagen,  a pesar de no existir físicamente como tal, es perfectamente operativo.  La clave de este circuito está en los secundarios con toma intermedia de los transformadores. Con esa disposición, cualquier variación de corriente producida por el par de teléfonos conectados en modo phantom no afectará a los teléfonos conectados mediante pares físicos, ya que al circular en sentidos contrarios la corriente por las dos mitades de los secundarios, no producirán ninguna tensión inducida en los primarios de dichos transformadores.

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http://en.wikipedia.org/wiki/Phantom_circuit

En el esquema anterior se observa como la corriente en modo phantom (Ip) se divide en dos corrientes iguales pero que circulan en sentidos contrarios por cada mitad del secundario del transformador. Estas dos corrientes iguales pero de sentidos contrarios producen dos tensiones contrarias en el secundario del transformador y por ello en el primario no aparece tensión alguna. En cambio, la corriente del teléfono conectado mediante el par físico (Is) al circular en el mismo sentido por todo el devanado secundario si que produce una tensión en el primario del transformador (Vs). Y esto se cumplirá igualmente aunque la corriente Ip sea una corriente variable, ya que siempre se dividirá en dos corrientes iguales pero de sentidos contrarios cuyos efectos se anularán en el primario del transformador.

Con esto llegamos ya a la solución técnica empleada por los dispositivos PoE. Estos dispositivos pueden ser alimentados de dos formas distintas, empleando pares “no utilizados” para la transmisión de datos o compartiendo el uso de pares utilizados para transmitir datos.

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En el esquema anterior se observa el denominado “Método B” de alimentación de dispositivos PoE, el cual utiliza los pares 4,5 y 7,8 que no están siendo utilizados para transmitir datos. Este sistema es válido para dispositivos que trabajen con el estándar 10BASE-T y 100BASE-TX pero, en principio, es incompatible con los sistemas 1000BASE-T y 10GBASE-T, ya que estos sistemas utilizan los cuatro pares para transmitir datos. En realidad, los equipos actuales que se alimentan mediante PoE son compatibles con ambos sistemas de alimentación, el Método A y el Método B, ya que incorporan un transformador con toma media en cada uno de los 4 pares de datos.

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El esquema anterior corresponde al denominado “Método A” de alimentación PoE. Este sistema es compatible con todos los estándares Ethernet, ya que aunque utiliza los pares 1,2 y 3,6 que también se utilizan para datos, lo hace mediante el sistema basado en un transformador con toma intermedia en el secundario, sistema que como ya se ha indicado anteriormente,  es la base de los circuitos Phantom utilizados en telefonía desde hace casi 100 años. Esta solución es la recomendada y es la que utilizan mayoritariamente todos los dispositivos PoE actuales.

Los equipos de alimentación PoE (PSE) pueden utilizar cualquiera de los dos sistemas, A o B, para alimentar a los dispositivos PoE (PD) pero estos últimos deben de ser compatibles con ambos sistemas, ya que no pueden saber a cual van a ser conectados. Si los equipos PoE (PD) son compatibles con el estándar IEEE 802.3af entonces son compatibles con cualquiera de los dos métodos de alimentación, el A o el B.

Como se observa en los esquemas anteriores, la alimentación PoE siempre es a una tensión relativamente elevada, típicamente de 48 voltios. La explicación al uso de este valor de tensión está en que es la única manera de minimizar las pérdidas en el cable, el cual puede tener hasta 100 metros de longitud. La resistencia de un par de hilos  de un cable categoría 5e y 100 metros de longitud es de aproximadamente 20 ohmios (la resistencia máxima de cualquier conductor de cat 5e de 100 metros de longitud no debe de superar el valor de 9,38 ohms).

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En cualquier caso, es el propio dispositivo PoE el que incorpora un convertidor DC/DC para obtener la tensión continua que necesite para su funcionamiento, 5v, 9v, 12v u otra. Evidentemente si utilizamos un splitter PoE entonces tendremos que asegurarnos que suministra la tensión continua adecuada para nuestro dispositivo que no soporta PoE de modo nativo. En la siguiente imagen se muestra el splitter DWL-P50 y sus especificaciones técnicas, donde se observa que es capaz de suministrar 5v o 12 v a la salida, según la posición de un interruptor de configuración.

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Es preciso conocer que el estándar IEEE 802.3af establece un complejo y seguro mecanismo de “autentificación” de los dispositivos PoE  a fin de comprobar si en el otro extremo del cable existe un dispositivo que soporta PoE o no. Un equipo que suministra alimentación PoE (PSE) antes de aplicar tensión PoE realizará unas mediciones de tensión y corrientes y determinará con precisión si en el otro extremo se encuentra un dispositivo PoE. Si es el caso, suministrará la alimentación PoE correspondiente, típicamente de 48 voltios, pero si la detección de un dispositivo PoE fracasa, entonces no inyectará alimentación PoE y de esta forma se evitarán posibles daños en los equipos conectados.

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En el diagrama anterior se observa como la aplicación de energía mediante PoE requiere de tres fases:

  • Descubrimiento del dispositivo PoE
  • Clasificación del dispositivo PoE
  • Operación en PoE.

En la fase de “descubrimiento” el dispositivo que suministra PoE (PSE) comprueba que entre los pares de transmisión y recepción existe una resistencia comprendida entre 19 K y 26,5K siendo el valor típico de 25 K ohms. Para realizar dicha comprobación el PSE inyecta una tensión comprendida entre 2,5 y 10 voltios y mide la corriente que circula por el circuito. Esta resistencia de 25 k entre los pares de transmisión y de recepción puede ser entendida como una especie de firma electrónica que identifica a los dispositivos PoE. Un dispositivo que no cumpla con el estándar PoE no tendrá esta resistencia de 25 K entre dichos pares de transmisión y recepción.

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En la fase de “clasificación” el equipo PSE determina las necesidades de potencia del dispositivo PoE a alimentar, de tal manera que se previene el hecho de conectar un dispositivo PoE que necesite más potencia de la que el propio PSE es capaz de suministrar. Los dispositivos PoE se clasifican en cuanto a necesidades de potencia de acuerdo a la siguiente tabla:

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Para la clasificación en potencia de los dispositivos PoE, el PSE inyectará una tensión comprendida entre 15,5 y 20,5 voltios y limitada a 100 mA durante un tiempo de 10 ms típicamente y nunca superior a 75 ms. Con dicha tensión aplicada el PSE medirá la corriente que absorbe en el otro extremo el dispositivo PoE y determinará sus necesidades de potencia. Lógicamente debido a las pérdidas de potencia en los hilos, el equipo PSE deberá de suministrar algo más de potencia de la que estrictamente necesita el equipo PoE (PD)

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Por último, una nueva revisión del estándar PoE, la IEE 802.3at permite la entrega de mayores potencias a los dispositivos PD, de hasta 24 w. Para ello, el equipo PSE deberá de ser capaz de entregar hasta 30w y deberá de ser compatible con el anterior estándar IEEE 802.3af. Este nuevo estándar permite también la entrega de hasta 51 w al equipo PD utilizando para ello los 4 pares del cable.

En la siguiente fotografía se observa el funcionamiento de un teléfono IP mediante alimentación PoE. Como se observa en dicha fotografía, el alimentador del teléfono IP está desconectado y el switch PoE está suministrando una tensión cercana a los 48 en los pares 1,2 y 3,6

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 Si desconectamos el teléfono IP del switch se comprueba que el switch PoE deja de suministrar tensión PoE

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 Y si en lugar de conectar un dispositivo PoE al switch PoE, conectamos un dispositivo que no admite alimentación PoE, por ejemplo un switch básico de 5 puertos 10/100, veremos que sucede exactamente lo mismo, es decir el switch PoE detecta que al otro lado no hay un dispositivo PoE y no suministra energía PoE

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Como curiosidad, si conectamos el switch PoE a un dispositivo que no es PoE, a intervalos regulares el switch PoE intenta “descubrir” si al otro lado el dispositivo conectado es o no es PoE. De esta manera, si desconectamos el dispositivo no PoE del puerto del Switch y conectamos un dispositivo PoE, rápidamente el switch detectará ese cambio y procederá a suministrar alimentación PoE.

 

Obviamente, un switch PoE necesita una fuente de alimentación de un tamaño superior respecto de otro switch no PoE con el mismo número de puertos. Además, este alimentador suministra 48 voltios, lo cual no sucede en ningún caso en switches no PoE.

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Switches PoE

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Switch PoE junto con su alimentador

alimentacion PoE_18 Tensión de salida del alimentador del Switch PoE = 48 voltios

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Una respuesta a Alimentación PoE: Una solución actual con 100 años de historia

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