L’alimentation simultanée des équipements informatiques en données et en énergie via des câblages cuivre symétriques est déjà largement répandue et continue de se développer.
La normalisation internationale du « Power over Ethernet » (PoE) a largement contribué à l’adoption de cette double utilisation des câblages cuivre pour la transmission simultanée des données et de l’énergie.
Les avantages de cette technologie sont évidents. Avec le PoE, l’alimentation électrique peut être gérée de manière centralisée et combinée aux services de transmission de données. Une alimentation basse tension supplémentaire n’est ainsi plus nécessaire. Alors que les câblages de données à 4 paires permettaient jusqu’à présent d’alimenter les équipements informatiques avec une puissance allant jusqu’à 72 W (4PPoE), les câblages de données à une paire font désormais leur apparition dans l’alimentation des équipements informatiques. La technologie « Single Pair Power over Ethernet » (SPoE) répond ainsi aux besoins énergétiques de l’« Internet of Things ».
La présente brochure fournit des recommandations pour la conception et la planification des câblages informatiques utilisant des équipements alimentés à distance, par exemple via PoE.
Avantages et bénéfices
Power over Ethernet offre de nombreux avantages dont les exploitants informatiques peuvent tirer des bénéfices concrets.
Économie sur l’alimentation 230 V
(coûts de matériel et d’installation : câbles et prises)
Possibilités complètes de gestion et de surveillance (SNMP)
Réduction des coûts énergétiques grâce à une distribution de l’énergie adaptée aux besoins et à la désactivation des ports inutilisés
Fonctionnement
Le principe de fonctionnement du PoE repose sur la transmission d’énergie entre la source d’alimentation (PSE, Power Sourcing Equipment) et le terminal alimenté (PD, Powered Device)
L’énergie est transmise soit via les paires de données inutilisées, soit par superposition du signal d’alimentation sur les paires utilisées pour la transmission des données (alimentation fantôme).
Les « PSE » se distinguent en deux catégories : les « Endspans » (switches Ethernet avec fonction PoE), qui se caractérisent par un faible encombrement et une gestion simple, et les « Midspans » (injecteurs PoE placés entre le switch et le terminal), qui permettent une mise à niveau flexible et adaptée aux besoins.
Schéma de principe de la transmission PoE (source : IEEE 802.3)
Lors du raccordement d’un terminal, une séquence de démarrage permet de détecter les appareils compatibles PoE et de protéger ainsi les équipements non adaptés.
Pour cela, la source d’alimentation applique d’abord un courant très faible sur les conducteurs, qui ne présente normalement aucun risque pour l’équipement connecté. Elle vérifie ensuite si le terminal est compatible PoE. Ce n’est qu’après cette détection que la puissance admissible est fournie.
Câblage symétrique à 4 paires
Normes PoE IEEE pour les câblages symétriques à 4 paires
Avec IEEE 802.3af, la première norme PoE a été publiée en 2003. Elle a permis pour la première fois d’alimenter simultanément des équipements informatiques en énergie et en données via un câblage de communication. Depuis, les puissances disponibles pour les équipements informatiques ont été continuellement augmentées au fil des évolutions technologiques. L’état actuel de la technique est représenté par IEEE 802.3bt (2018), avec une puissance utilisable de 72 W.
Le modèle technique de la transmission PoE repose sur la définition d’une résistance de boucle maximale de 25 Ohm pour la liaison de câblage. Cette valeur est issue de la spécification de la résistance de boucle maximale des liaisons de câblage des classes D, E, EA, F et FA selon ISO/IEC 11801 et EN 50173. La valeur maximale de 25 Ohm/100 m correspond approximativement à un conducteur en cuivre AWG 24/1 (0,51 mm). L’utilisation de conducteurs en cuivre de plus grande section permet d’augmenter la portée.
Câblages symétriques à une paire
Normes PoE IEEE pour les câblages symétriques à une paire
À l’instar des câblages symétriques à 4 paires, le « Single Pair Ethernet » (SPE) permet également la transmission simultanée de données et d’énergie. Dans la norme IEEE 802.3bu (2016), cette technologie est encore désignée sous le terme « Power over Data Line » (PoDL). Depuis, l’IEEE a adopté une désignation plus cohérente : « Single Pair Power over Ethernet » (SPoE).
La norme IEEE 802.3cg (2019) spécifie, avec la classe 15, une variante capable de fournir jusqu’à 52 W de puissance utile au terminal, sur la base d’une résistance de boucle maximale de 9,5 Ohm. Cela nécessite généralement un conducteur en cuivre AWG 18/1 (1,02 mm).
Il existe de nombreuses applications pour le « Power over Ethernet ».
La progression de la numérisation, associée à une prise de conscience croissante des enjeux de durabilité, ouvre continuellement de nouveaux domaines d’application. Le potentiel le plus important réside probablement dans la gestion intelligente des bâtiments et les solutions de Smart Lighting.
Équipements informatiques typiquement alimentés en énergie via PoE
Téléphones VoIP
Caméras IP
WLAN Access Points
Appareils Bluetooth
Commande de moteurs et d’entraînements
Systèmes de contrôle d’accès
Systèmes d’appel
Affichages numériques
Lecteurs et imprimantes
Ordinateurs portables
Éclairage LED
Exigences relatives au câblage informatique, aux câbles de données et aux connecteurs
Câblage informatique
Les équipements destinés à l’alimentation à distance d’appareils utilisant des câblages de communication doivent être conformes à la norme DIN IEC EN 62368-3 « Aspects de sécurité relatifs au transfert de puissance en courant continu par câbles et ports de communication ».
Les problématiques liées à l’alimentation électrique via les câblages informatiques sont les suivantes:
a) avec un impact global:
augmentation de l’atténuation en raison de la température plus élevée des câbles installés. Si celle-ci n’est pas compensée par une réduction de la longueur des câbles installés, elle peut avoir un impact négatif sur le rapport entre l’atténuation et la diaphonie de la liaison de transmission et ainsi entraîner une augmentation du taux d’erreur binaire du système;
b) avec un impact local:
température de fonctionnement plus élevée des câbles, notamment lorsque la température de fonctionnement admissible est dépassée ;
détérioration des contacts de la connectique lors de l’établissement ou de l’interruption d’une connexion alors qu’un courant d’alimentation circule.
En association avec EN TR 50174-99-1 et ISO/IEC TS 29125, les normes EN 50174-2 et ISO/IEC 14763-2 fournissent des recommandations pour la planification et l’évaluation du câblage, des câbles et de la connectique en ce qui concerne les effets thermiques et électriques liés à l’alimentation à distance.
Câbles de données
Lorsqu’une installation de câblage de communication conforme aux normes de la série DIN EN 50173 ou ISO/IEC 11801 est utilisée pour alimenter à distance les équipements terminaux raccordés, par exemple via Power over Ethernet, l’échauffement des câbles de données qui en résulte doit être pris en compte.
L’échauffement des câbles de données dépend des facteurs suivants:
charge de courant
construction du câble
nombre de câbles regroupés en faisceau
conditions d’installation
Les normes européennes et internationales relatives aux câbles de données prévoyant une température de fonctionnement permanente maximale de 60 °C, une température ambiante maximale de 50 °C a été retenue pour l’alimentation électrique via des câbles de données, ce qui autorise une élévation de température maximale de 10 °C.
L’échauffement des câbles de données peut être réduit:
en utilisant des câbles de données avec une section de conducteur plus importante, généralement obtenue par l’utilisation de catégories supérieures. Les câbles de données de catégorie 7A présentent typiquement une élévation de température inférieure d’environ 50 % à celle des câbles de données de catégorie 5.
en utilisant des câbles de données blindés. Le blindage métallique améliore la dissipation thermique.
en réduisant le nombre de câbles dans le faisceau ou le canal d’installation
en améliorant la circulation de l’air dans l’environnement d’installation
Le graphique suivant présente l’élévation approximative de température de câbles de données courants en fonction de la charge de courant. Le calcul repose sur un faisceau de 37 câbles de données installé soit dans un environnement avec libre circulation de l’air (ventilé), soit dans un environnement d’installation isolé. Avec une charge de courant de 500 mA par conducteur, le câble de données S/FTP sélectionné présente une élévation de température de < 5 °C en installation ventilée et de < 15 °C en installation isolée. En comparaison, pour le câble de données U/UTP, l’élévation de température est de < 10 °C en installation ventilée et de < 30 °C en installation isolée.
Connecteurs
La déconnexion d’un connecteur sous charge électrique peut provoquer la formation d’arcs électriques ou d’étincelles susceptibles d’endommager les contacts. En cas de déconnexions fréquentes sous charge, cela peut entraîner ce que l’on appelle une brûlure des contacts. Les dommages sont alors irréversibles et peuvent même provoquer la défaillance des contacts.
Une gestion de l’alimentation des ports peut remédier à ce problème en coupant la tension ou l’alimentation électrique avant la séparation des connecteurs ou la déconnexion des équipements terminaux PoE du réseau. Toutefois, il n’est pas possible d’empêcher de manière fiable un débranchement volontaire ou involontaire du connecteur sous charge. C’est pourquoi il convient d’utiliser une technologie de connectique dans laquelle les zones de contact et de séparation sont décalées. L’usure dans la zone de séparation n’est certes pas évitée, mais le contact fonctionnel reste intact.
Lors de la qualification selon IEC 60512-99-001 ou IEC 60512-99-002, les connecteurs sont soumis à un nombre limité de cycles de connexion sous charge. La variation de la résistance de contact ne doit alors pas dépasser la valeur prescrite.
Gamme de produits et recommandations ZVK
Pour les câblages informatiques avec alimentation à distance ou Power over Ethernet, ZVK recommande l’utilisation :
- de câbles de données cuivre avec une section de conducteur AWG 22/1 (0,64 mm), par exemple le câble de données EasyLan® Gold S/FTP, AWG22/1, Cat. 7A.
Les câbles de données dotés d’une section de conducteur plus importante présentent une résistance en courant continu et une atténuation plus faibles. Ils offrent ainsi, d’une part, un échauffement et des pertes de puissance réduits et, d’autre part, une chute de tension plus faible ainsi qu’une longueur de liaison de transmission plus importante.
- de connecteurs avec des zones de contact et de séparation décalées, par exemple le Keystone RJ45 EasyLan® fixLink® Cat. 6A.
Si nécessaire et sur demande, ZVK vous conseille lors de la planification et de l’installation de câblages informatiques avec fonction PoE.
ZVK détermine à cet effet l’échauffement des câbles de données en fonction de leur construction, du nombre de câbles regroupés en faisceau, de la charge de courant et des conditions d’installation.
En outre, la réduction potentielle de la longueur de la liaison de transmission est calculée en fonction de la construction du câble ou de la section du conducteur ainsi que de l’élévation de température.