POE Kablo Kayıpları-Mitler ve Gerçekler

Olivier Trichet

Yazı Dizisi-1

Tercüme: Kutlugün Sürmeli

Bir önceki yazımızda bahsetmiş, olduğumuz üzere, Power over Ethernet, Wi-Fi erişim noktaları, güvenlik kameraları veya LED aydınlatmaları gibi cihazlara düşük voltajlı DC gücü sağlamak için kullanılan popüler bir teknolojidir. Power over Ethernet, IEEE 802.3 Çalışma Grubu tarafından IEEE 802.3-2015 Madde 33'te standartlaştırılmıştır. POE’nin başlıca faydası, uzak cihazların enerjisini veri kablolarını kullanarak iletmektir, böylelikle bir enerji prizinin kullanımına gerek duyulmayarak, kurulum maliyetlerinde tasarruf sağlanmaktadır. Aralık sayısı Teknik Bültenimizde anlatmış olduğumuz üzere, standartlar bir veri kablosunun mevcut 4 perinin 2 perini kullanarak güç iletimini tanımlıyor ve Tip-2 PoE için 25.5W’a kadar güç iletimini tarif ederken, ilave olarak iki yeni PoE standartı olan Tip-3 ve Tip-4 ile beraber 60W ve 90W’a kadar güç iletiminide tariflemektedir. Veri kablolarının içerisindeki mevcut perlerin tamamını kullanarak, daha düşük kayıplarla daha fazla gücün iletimine olanak sağlanmaktadır.

Bu teknik bültenimizde, PoE sistemlerinde kablo kayıpları hakkında bilgi vereceğiz.

Veri kablosunda bulunan iletkenler, AC enerji kablolarında bulunan iletkenlerden çok daha incedir. Şekil 1’de sık kullanılmakta olan 2.5 mm² kesitinde bir AC enerji kablosu gösterilmiştir, yanındaysa aynı ölçekte olan 23AWG kesitinde Kategori 6A sınıfında bir kablo yer almaktadır. Veri kablosundaki bakır miktarının, AC enerji kablosundakine göre çok daha az olduğu açıkça gözükmektedir. Bu neden ile kayıpların yüksek olacağı inkar edilemez.

Görsellikler bizleri bu yanlış sonuçlara yönlendirmektedir ve bu algı kablonun toplam fiziksel boyutu tarafından daha da güçlendirilmiştir. Enerji kablosu, veri kablosuna kıyasla çok daha kalın bir izolasyon gerektirir ve buda veri kablolarının güç iletiminde verimsiz olduğuna dair izlenime katkıda bulunur.

Şekil 1: 2.5mm² katı bakır enerji kablosunun kesitsel alanı, hemen yanında aynı ölçekte 23 AWG kesitli katı bakır Kategori 6A kablo gösterilmiştir.

Veri Kablosu İletken Ölçüsü

Veri kablolarında gerçekte ne kadar bakır var? Ne kadar elektrik iletiyor?

Şekil 1’deki enerji kablosunda, kahverengi ve mavi renkli izolasyon içerisindeki iletkenler gücün iletimini sağlıyorlar. Yeşil/sarı iletken ise topraklama iletkenidir ve çalışma sırasında akım iletiminde bulunmamaktadır. Kablonun içerisinde yer alan bakırın %66’sı güç iletimi için kullanılmaktadır.

Sağ tarafta yer alan veri kablosunda 8 adet iletken bulunmaktadır. Her iki iletken bükülmüş durumdadır ve bükülmüş per’i (büklümlü sarmal yapıyı – twisted pair) oluşturmaktadır. Mevcut IEEE 802.3-2015 standardı, güç sağlamak için kablodaki 2 perin kullanılmasına izin verir. Yeni standart, güç sağlamak için dört perin de kullanılmasına izin verecek. Bu, veri kablosundaki bakırın % 50 veya % 100'ünün güç iletimi için kullanılması anlamına gelir.

Şekil 2, tipik enerji kablolamasının kesit alanını ve çeşitli ölçülerderki tipik veri kablolarının karşılaştırmasıdır. Bir veri kablosundaki bakır miktarını doğru bir şekilde karşılaştırabilmek için, 4 iletkenin alanı eklenir ve aynı ölçekte tek bir iletkenmiş gibi görüntülenir. Veri kablosundaki iletkenlerin herbiri kablo içerisinde az bakır olduğunun izlenimini verir. Ancak gerçekte, 24 AWG kesitli bir veri kablosunun 4 perindeki bakır iletkenler 1 mm² bakır iletkene denk gelmektedir ve 22 AWG kesitli veri kablosundaki iletkenler ise 1.3 mm²’ye denk gelmektedir.

Bu karşılaştırma, veri kablolarında önemli miktarda bakır bulunduğunu göstermektedir. Bir kablonun bakır miktarı, kablonun direnciyle ve dolayısıyla Ohm Kuralına göre kabloda, kaybolacak, dağılacak olan güçle alâkalı olduğu için önemlidir.

Şekil 2: Enerji kablosundaki akım taşıyan bakır miktarının, çok iletkenli veri kablosu ile kıyaslanması (aynı ölçek).

Kablo kaybının tanımı

Kablo kaybının net bir şekilde tanımlanması gerektiği için bu dokümanda “bağıl kablo kaybı”na değineceğiz. Bağıl kablo kaybı, kabloda dağılan güç miktarı ile kablonun kaynak tarafında sağlanan güç miktarına bölünmesiyle bulunur. PoE terminolojisinde, kaynak cihaz PSE (Power Sourcing Equipment), gücü tüketen uzak uçtaki cihaz ise PD (Powered Device) olarak isimlendirilir.

Bağıl kablo kaybının bu açıklaması bu dökümanda kullanılmakt

Bağıl kablo kaybının bu açıklaması bu dokümanda kullanılmaktadır.

Teorik Kayıplar

Bir birlikte çalışabilirlik standardı, bir sistemin çalışmaya devam etmesi gereken sınırları açıklar. Bu sınırlar bir takım temel parametreler tarafından belirlenir. Kablodaki güç kaybıyla ilgili olarak, Tablo 1'de listelenen IEEE P802.3bt standardından alınan parametreler geçerlidir ve bu dokümanda kullanılmaktadır.



En kötü durumdaki çalışma koşullarında, PSE voltajı (VPSE) izin verilen minimum değer olacaktır, kanal direnci ise desteklenen en yüksek değer olacaktır (RCh), ve verilen güç PD sınıfı için izin verilen en yüksek güç olacaktır (PClass_PD). Bu özel kombinasyon kanaldan iletilen ICable akımıyla sonuçanır. Kabloda dağılmış güç şu şekilde olacaktır:



Alternatif olarak, VPSE, PClass_PD, ve RChan, verildiğinde, kabloda tüketilen güç aşağıdaki gibi hesaplanabilir:



En kötü durum parametreleri, PSE tarafından sağlanan güç miktarına bağlıdır. PSE belirli bir Güç Sınıfını PD'ye tahsis ettiğinde, sınıflandırma sırasında PSE’nin güç tahsisi gerçekleşir. IEEE P802.3bt, 0'dan 8'e kadar numaralandırılmış dokuz sınıfı desteklemektedir. Her biri belirli bir PSE güç seviyesine ve bir PD güç seviyesine tekabül eder. Genel bir bakış olarak ve PCable için maksimum değerin hesaplanması Tablo 2  Denklem 3’te gösterilmektedir. Tablo 2'deki son sütun, maksimum bağıl kablo kaybının oldukça yüksek olabileceğini göstermektedir.

Örnek olarak, en kötü durum parametrelerine göre Sınıf 6’da çalışan PSE, 60 W iletmektedir, bu gücün 51W’ı PD’ye iletilmekte, ve 9 W kabloda dağılmaktadır. Kaynak gücün %15’i kabloda dağılmakta ve tüketilmektedir! Sınıf 8 güç düzeylerinde çalışırken kablodaki kayıp oranları %20.8’e kadar çıkmaktadır. Eski 802.3af standardı, 20 Ω döngü direncine sahip olabilen Kategori 3 kablosu üzerinden çalışmasına izin vermesi nedeniyle çok yüksek kablo güç kayıplarını da destekleyebilir. Bir üçüncü sınıf sistemde, kabloda %15.9’a kadar güç kayıpları olabilir.

Bu teorik kayıplar tam da şu şekildedir: teorik. Gerçekten, Tablo 2'de listelenen kayıplara sahip olmak için, en kötü durum değerinde olmak için üç parametre gerekir ve dahası, kabloda dağılan gücü belirleyen kayıp denklemleri 2 ve 3 doğrusal değildir. Temel parametrelerin herhangi birini değiştirmek kablo kayıplarında kuadratik bir düşüşe neden olur. Gerçek kayıpları bir sonraki bölümde ele alacağız.



Bundan sonraki yazımızda "Gerçek Kayıplar" anlatılacaktır.