Articolul explică modul de transmitere a energiei electrice pe linii de date, printr-o pereche de cabluri (single-pair); noua tehnologie SPoE (Single-pair Power over Ethernet) permite transmiterea simultană a energiei și a datelor pe distanțe mari. Sunt descrise configurația sistemului și modul în care este livrată energia prin cabluri. În articol sunt prezentate arhitectura și circuitele integrate care permit implementarea unei soluții SPoE.
Transmiterea eficientă a energiei și a datelor prin cabluri cu două fire
Transmiterea energiei electrice pe distanțe lungi – de exemplu, în interiorul unei fabrici – nu este o sarcină ușoară. Instalarea unei conexiuni la rețeaua electrică în orice punct al unității de producție este, desigur, posibilă cu ajutorul electricienilor. Totuși, acest lucru este costisitor și consumă timp.
Power over Ethernet (PoE) este utilizat de mulți ani ca alternativă la conexiunile directe la rețeaua electrică. Cu ajutorul său, un dispozitiv poate primi până la 71 W de energie, pe o distanță de până la 100 de metri. Tehnologia PoE folosește cabluri cu perechi torsadate, de tip Cat 5 sau mai avansate și este aplicată frecvent în zone în care sunt deja cabluri Ethernet instalate.
Figura 1. Un sistem SPoE pentru transmiterea a până la 52 W de putere. (Sursa imaginii: ADI)
Există însă și o variantă a tehnologiei PoE, numită SPoE, care utilizează doar două fire și oferă o nouă opțiune de transmitere a energiei. Prin SPoE se pot livra până la 52 W de energie printr-un cablu cu două fire, pe distanțe de până la 1 kilometru.
Aceste cabluri sunt deja folosite în multe instalații industriale pentru aplicații care funcționează în intervalul de curent 4 mA – 20 mA și pot fi reutilizate pentru SPoE. Iar dacă nu există cabluri deja instalate, acestea pot fi montate cu ușurință, adesea chiar fără implicarea unui electrician.
La fel ca în cazul PoE, SPoE permite transmiterea simultană a datelor și a energiei, ceea ce este esențial în cazul aparatelor electronice aflate la distanță, care au nevoie de alimentare și de conectivitate. Figura 1 ilustrează acest concept prin blocurile T1L PHY.
De ce ați utiliza tehnologia SPoE doar pentru a transmite energie?
Pentru că SPoE este o tehnologie standardizată IEEE, compatibilă cu echipamentele SPoE de la diverși producători, oferind:
- telemetrie completă pentru monitorizarea transmisiei de energie,
- detecția defecțiunilor,
- protecție la supratensiune
- și izolare a buclei de pământ.
Componentele esențiale într-o soluție SPoE eficientă
O soluție SPoE necesită un controler PSE (Power Sourcing Equipment), adică un circuit care furnizează energia electrică printr-un cablu cu două fire, precum și un controler PD (Powered Device), care primește această energie. Figura 1 ilustrează o conexiune punct la punct, însă sunt posibile și configurații în stea sau în lanț. Atunci când se utilizează cablurile deja existente, costurile și efortul de cablare sunt considerabil reduse.
Figura 2. Controlerul SPoE PSE LTC4296-1 este potrivit pentru alimentarea a până la cinci canale. (Sursa imaginii: ADI)
Controlerele PSE sunt adesea proiectate pentru a deservi mai multe canale (cabluri). Acest aspect este esențial în sistemele care alimentează mai multe dispozitive izolate, cum ar fi senzorii. De exemplu LTC4296-1 de la Analog Devices poate alimenta până la cinci consumatori de energie (vezi Figura 2). Fiecare canal de alimentare poate atinge lungimi de până la 1000 de metri.
Recepția energiei și comparație între SPoE și PoDL
Figura 3. Dispozitiv PD cu un convertor DC/DC în aval. (Sursa imaginii: ADI)
Figura 3 prezintă schema bloc a unui circuit receptor PD, bazat pe LTC9111. Energia este furnizată printr-un cablu cu două fire, iar circuitul PD se ocupă de clasificarea și monitorizarea liniei de transmisie. Clasificarea definește clasa de putere în care funcționează transmisia. Dacă dispozitivul alimentat necesită o altă tensiune decât cele standard (24 V sau 55 V), se utilizează un convertor DC-DC suplimentar, amplasat în aval.
O tehnologie similară cu SPoE este Power over Data Line (PoDL). Ambele sunt comparabile, însă au diferențe esențiale:
- SPoE funcționează cu tensiuni de 24 V sau 55 V, pe distanțe de până la 1000 m;
- PoDL este destinată sistemelor aflate la distanțe mai mici (15–40 m) și operează la tensiuni de 12 V, 24 V sau 48 V.
PoDL este utilizată mai ales în aplicații din domeniul auto și al echipamentelor de construcții, în timp ce SPoE este gândită pentru medii industriale.
Există numeroase metode inteligente de a furniza, în siguranță, energie electrică printr-un simplu cablu cu două fire. Acest lucru face posibile aplicații cu consum ridicat de putere – precum edge AI – și contribuie la reducerea costurilor, prin valorificarea infrastructurii de cabluri existente în instalațiile industriale.
Autor:
Frederik Dostal
Inginer de aplicații de teren – ADI
frederik.dostal@analog.com
Vizitați https://ez.analog.com
Glosar de termeni tehnici
- SPoE (Single-pair Power over Ethernet): Tehnologie care permite transmiterea simultană a energiei electrice și a datelor printr-un cablu cu două fire, pe distanțe de până la 1 km.
- PoE (Power over Ethernet): Tehnologie care transmite energie și date prin cabluri Ethernet standard (ex. Cat 5), pe distanțe de până la 100 m.
- PSE (Power Sourcing Equipment): Dispozitiv sau circuit care furnizează energie electrică prin cablul SPoE.
- PD (Powered Device): Dispozitiv sau circuit care primește energie de la sursa PSE prin cablul SPoE.
- T1L PHY: Bloc de conectivitate fizică utilizat în comunicații industriale pentru transmisia de date printr-o singură pereche de fire torsadate.
- Convertor DC-DC: Circuit care convertește o tensiune continuă (DC) într-o altă tensiune continuă.
- Clasificare (în SPoE): Procesul de determinare a clasei de putere necesare pentru un dispozitiv PD.
- Monitorizarea liniei de transmisie: Funcție care permite detectarea defecțiunilor și supravegherea parametrilor de transmisie.
- Izolarea buclei de pământ: Protecție împotriva diferențelor de potențial între punctele de împământare, care pot afecta semnalele sau echipamentele.
- PoDL (Power over Data Line): Tehnologie similară cu SPoE, utilizată pe distanțe scurte (până la 40 m), în special în domeniul auto și industrial.
- Edge AI: Aplicații de inteligență artificială implementate direct la marginea rețelei, aproape de sursa de date.