A alimentação via Ethernet de par único abre novas perspectivas de aplicações

A alimentação via Ethernet (PoE) está disponível há anos para fornecer energia por meio de cabos Ethernet, mas seu atrativo tem sido restringido por uma limitação de distância de 100 metros ou menos. Agora, há algo que pode mudar isso, com a alimentação via Ethernet de par único (SPoE), uma tecnologia normalizada pelo IEEE que permite que a energia e os dados sejam transmitidos por longas distâncias usando um único par trançado em um cabo Ethernet, abrindo uma nova fronteira para aplicações inovadoras.

Bem estabelecida e amplamente usada para comunicação de dados entre dispositivos, a Ethernet usa quatro pares de fios de cobre trançados para transportar sinais de dados, com cada par transportando uma direção do fluxo de dados. Os dispositivos que usam Ethernet geralmente também precisam de uma fonte de alimentação separada, o que aumenta os custos de cabeamento e instalação.

A alimentação via Ethernet (PoE) foi desenvolvida como uma extensão do padrão Ethernet, permitindo que os dispositivos recebam dados e energia pelo mesmo cabo, usando dois pares de fios para transportar dados e os outros dois para alimentar os dispositivos.

O PoE pode fornecer até 90 W de potência em uma distância máxima de até 100 m. Isso gerou aplicações para o PoE, como câmeras IP, pontos de acesso sem fio, telefones VoIP e sistemas de iluminação inteligentes que podem ser implantados e alimentados por um único cabo. No entanto, além do limite de distância, outros desafios do PoE incluem a necessidade de conectores e cabos volumosos e caros que possam suportar altas correntes e tensões, perdas de energia e dissipação de calor.

Apresentando o SPoE

Usando apenas um par de fios para transportar dados e energia, o SPoE pode atingir taxas de dados de até 1 Gbps e fornecer até 52 W de energia em comprimentos de cabo de até 1 km (Figura 1), usando conectores e cabos menores e econômicos que são compatíveis com os soquetes RJ45 existentes.

Figura 1: um sistema SPoE para transmissão de até 52 W de potência. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Com custos reduzidos e implementação mais simples, o SPoE é adequado para uma ampla variedade de aplicações em ambientes industriais, automotivos, automação predial e IoT, nos quais a instalação de novos cabos ou a dependência exclusiva de LANs sem fio é impraticável, tem custo proibitivo ou ambos. Ele fornece telemetria abrangente do sistema para monitorar o estado da transmissão de energia, detecção de falhas e proteção contra sobretensão.

Em um ambiente industrial, o SPoE pode alimentar sensores e dispositivos de controle a longas distâncias sem a necessidade de adicionar fontes de energia locais, simplificando a infraestrutura de rede, reduzindo os custos de instalação e fornecendo gerenciamento central de energia. Ele pode ser usado para fornecer energia por meio do cabeamento Ethernet existente, tornando a adição de switches e endpoints SPoE um processo rápido e relativamente simples.

O SPoE faz parte da norma IEEE 802.3 — IEEE 802.3 cg para Ethernet de 10 Mbps em um único par trançado (10Base-T1L) — fornecendo uma extensão para a norma IEEE 802.3bu, Power over Data Lines (PoDL). O PoDL é usado em sistemas de até 40 m e com 12, 24 ou 48 volts; o SPoE funciona com uma tensão de 24 V ou 55 V, até 1.000 m.

O SPoE é ideal para aplicações que precisam de baixa a média potência e altas taxas de dados em longas distâncias, o que não é viável ou econômico para o PoE.

As aplicações em potencial para o SPoE incluem:

• Sistemas de tecnologia operacional em que a comunicação e o fornecimento de energia confiáveis são essenciais para o controle e a automação de processos
• Sistemas de automação de prédios e fábricas que podem monitorar e controlar parâmetros ambientais e de maquinário
• Instrumentos de campo, como sensores e atuadores, que podem ser implementados com maior flexibilidade e menor custo
• Sistemas de segurança, como para controle de acesso e vigilância, em que o SPoE escala mais facilmente
• Sistemas de gerenciamento de tráfego que exigem operação e conectividade consistentes
• Alimentação e gerenciamento de dispositivos de borda de IoT
• Fornecimento remoto de energia para sinalização digital e iluminação externa

Considerações sobre o projeto SPoE

O SPoE usa a técnica de "phantom power" para sobrepor o sinal de energia ao sinal de dados no mesmo par de fios, exigindo controladores complexos em cada extremidade do cabo para separar e regular os sinais de energia e de dados. As aplicações também devem levar em conta as perdas de energia e a dissipação de calor ao longo do cabo, o que pode afetar o desempenho e a confiabilidade do sistema.

Um controlador do equipamento de fonte de energia (PSE) fornece gerenciamento e conversão de energia sofisticados que garantem que o fornecimento de energia seja seguro, estável e eficiente. Ele funciona em combinação com controladores dos dispositivos alimentados (PD) que recebem energia pelo cabo de dois fios.

Os controladores PSE projetados para vários canais podem alimentar vários dispositivos remotos, como sensores. O LTC4296-1 (Figura 2) da Analog Devices, Inc. (ADI), por exemplo, é um controlador SPoE de 5 portas que pode alimentar até cinco cargas em cinco linhas, cada uma com até 1.000 m de comprimento. Ele fornece energia usando transistores externos de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFETs) de canal N, com baixa resistência de dreno para fonte (R_DS(ON)), que minimizam a queda de tensão e garantem a robustez da aplicação.

Figura 2: controlador do equipamento de fonte de energia (PSE) LTC4296-1 de 5 portas da ADI. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

O LTC4296-1 fornece uma solução versátil de SPoE e PSE para controladores e switches 10BASE-T1L, e pode ser facilmente integrado aos componentes do portfólio de transceptores 10BASE-T1L da ADI, como o dispositivo de 2 portas ADIN2111CCPZ-R7, que integra um switch, dois núcleos de camada física Ethernet (PHY) com uma interface MAC e circuitos analógicos associados, um circuito de monitoramento da tensão de alimentação e circuitos de reinicialização ao ligar (POR). O transceptor oferece conectividade direta com uma variedade de controladores por meio de uma interface periférica serial (SPI).

Na outra extremidade, o LTC9111RDE#PBF é um dos vários controladores PD da ADI que oferece uma capacidade de faixa operacional de 2,3 V a 60 V com correção de polaridade (Figura 3). O controlador gerencia a classificação e o monitoramento da transmissão da linha, acionando duas chaves MOSFET de canal N externas durante a classificação com operação de microalimentação para minimizar os requisitos da reserva por capacitores. Uma chave MOSFET de canal N externa isola a capacitância de saída do conector durante a classificação e a partida.

Figura 3: um controlador PSE SPoE LTC4296-1 é adequado para acionar até cinco canais, aqui vinculados aos controladores PD LTC9111. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os controladores da série LTC9111 apresentam uma assinatura de ativação válida ao PSE para solicitar alimentação. Os controladores PSE e PD compatíveis com a IEEE 802.3cg executam a etapa de classificação usando o Protocolo de Classificação de Comunicação Serial; o PSE garante que o PD é compatível e, se for, prossegue com o aumento da tensão da porta. Se o dispositivo elétrico operado precisar de uma tensão diferente de 24 V ou 55 V, será usado um conversor CC-CC adicional.

A ADI também fornece o kit de teste EVAL-SPoE-KIT-AZ para avaliar os dados 10BASE-T1L e a alimentação SPoE em um único cabo Ethernet de par trançado (SPE). O kit apresenta o controlador PSE LTC4296-1 e o PD LTC9111 para avaliação da alimentação SPoE IEEE 802.3cg Classe 10 a 15, e um transceptor 10BASE-T1L para fornecer dados no sistema.

Implementação de aplicações SPoE

Os projetistas de produtos precisam otimizar o orçamento de alimentação e a eficiência de suas soluções SPoE, levando em consideração parâmetros como comprimento do cabo, diâmetro, resistência, temperatura e ambiente.

O equilíbrio entre o fornecimento de energia e a transmissão de dados em um único par trançado apresenta desafios, como garantir energia suficiente para dispositivos remotos e, ao mesmo tempo, manter a integridade dos dados em distâncias potencialmente longas.

O fornecimento de energia em cabos longos na tensão de alimentação de 24 VCC, comum em muitas implementações de OT, está sujeito a perdas significativas devido à resistência do cabo. O SPoE é especificado na norma IEEE 802.3cg para operar em uma tensão de 24 V ou 55 V, para que os projetistas possam aproveitar a maior eficiência de fornecimento de energia perto da tensão máxima extrabaixa de segurança (SELV) de 60 V.

Conclusão

SPoE é uma tecnologia emergente que permite a transmissão simultânea de dados e energia em um único par trançado em cabos Ethernet. Isso pode reduzir o custo, a complexidade e o impacto ambiental das infraestruturas de rede, além de proporcionar mais flexibilidade, escalabilidade e confiabilidade aos dispositivos conectados. O portfólio de controladores PSE e PD compatíveis com a IEEE 802.3cg da ADI pode simplificar o projeto e a implementação de aplicações SPoE com alta eficiência e baixo ruído, tornando-as ideais para sistemas industriais, automotivos e edifícios inteligentes que exigem conectividade robusta e confiável.