Raspberry Pi: Power over Ethenet


Prof. Jürgen Plate

Raspberry Pi: Power over Ethenet

Allgemeines

Bei USB ist es längst üblich, die Datenübertragungsleitung mit der Stromversorgung zu kombinieren. Die Stromversorgung von Geräten mit geringem Stromverbrauch findet man auch in Ethernet-Computernetzwerken. Hier heißt die Technik "Power over Ethernet" (PoE, POE). Mittels PoE an das Netzwerk angeschlossene Geräte mit Energie zu versorgen, birgt auch Energiesparpotential. So ist nicht mehr für jedes Gerät ein separates Netzteil notwendig, sondern die Versorgung erfolgt über ein zentrales, intelligentes Einspeisegerät. Der zusätzliche Stromtransport über Ethernet-Netzwerkleitungen ist seit 2003 durch die Norm IEEE 802.3af geregelt, die Norm IEEE 802.3at legt die Bedingungen für "PoE plus" fest. Letzteres wurde im Jahr 2009 eingeführt, um auch Geräte mit höherem Energiebedarf versorgen zu können. Wesentlicher Bestandteil dieser Norm sind neben den technischen Kennwerten die Gerwährleistung von Datenintegrität und Netzwerksicherheit. Weiterhin muss vermieden werden, dass nicht für PoE konstruierte Netzwerkgeräte durch die zusätzlich anliegende Spannung beschädigt werden.

Weitere Hintergrundinformationen lassen sich in der Einführung in Computernetze nachlesen. AN dieser Stelle soll es darum gehen, wie man einen Raspberry Pi aus der Ferne über das Netztwerkkabel mit Strom versorgen kann. Das Ganze geht natürlich nur mit Netzen auf der Basis von Kupferkabeln, bei Glasfasernetzen klappt es logischerweise nicht.

Die Spezifikation IEEE 802.3af regelt die gültigen Werte für PoE:

Es gibt zwei Betriebsmodi: 802.3at Type 2 verwendet gleichzeitig Mode A und Mode B über Phantomspeisung und ist daher viel schwieriger zu realisieren, ist aber für 1000 MBit/s notwendig. Angeschlossene Verbraucher müssen beide Modi unterstützen, jedoch gibt die Energiequelle den Modus vor.

Professionell und ohne Bastelei

Am einfachsten und ohne weitere Vorkenntnisse läßt sich die Versorgung mit zwei fertig gekauften Geräten realisieren, einem "PoE-Injector", der die Netzwerkleitung transparent mit Energie versorgt und einem "PoE-Splitter", der die Energie entnimmt und von dem das angeschlossene Gerät dann seine Energie bekommt. Auch ein PoE-fähiger Netzwerk-Switch kann als Injector dienen.

Um ein zu versorgendes Gerät zu erkennen bzw. um nicht PoE-fähige Geräte vor einer Beschädigung zu schützen, gibt es eine Anmeldeprozedur. Sie beginnt mit dem Erkennen des angeschlossenen Geräts (Detektierung). Dazu legt der PoE-Injector zwei definierte Spannungsrampen (2,8 V und 10,1 V) an und misst den aufgenommenen Strom. Ist ein nicht PoE-fähiges Gerät angeschlossen, wird hier abgebrochen und keine Spannung auf das Netzwerkkabel geschaltet. Andernfalls wird die Leistungsklasse des Poe_Geräts abgefragt, indem der PoE-Injector einen Spannungsimpuls zwischen 14,5 V und 20,5 V erzeugt und den resultierenden Strom misst (Klassifizierung). Dieser sogenannte Signaturstrom zeigt dem Injector an, in welche Klasse das Endgerät eingestuft ist. Danach wird die Versorgungsspannung aufgeschaltet.

PoE-Injector und PoE-Splitter sind nicht allzu teuer, man bekommt ein Pärchen schon für unter 40 Euro. Ein Beispiel für so ein Paar wären der TP-Link TL-PoE10R Splitter und der TP-Link TL-PoE150S Single-Port Injector. Bei beiden Geräten handelt es sich um schwarze Kästchen mit zwei RJ45-Netzwerkbuchsen und einer Hohlsteckerbuchse. Die Kästchen werden einfach in eine Netzwerkverbindung eingeschleift (auf der einen Seite rein, auf der anderen raus). Beim Injector wird an der Hohlbuchse ein Netzteil angeschlossen, beim Splitter kann an der Hohlbuchse der Verbraucher angesteckt werden. Der Splitter erlaubt sogar über einen Schalter die Wahl der Ausgangsspannung.

Injector und Splitter arbeiten auf der Netzwerkleitung mit der typischen Spannung von nominell 48 V. Für den Raspberry Pi brauchen wir aber nur 5 V.

Einfache Lösung im Eigenbau

Hier wird gezeigt, wie man einen vereinfachten PoE-Injector für Geräte mit max. 100 MBit/s selbst bauen kann. Die Idee dabei ist, wie im oben erwähnten Mode B bei einem achtadrigen Ethernetkabel die vier für 100 MBit/s notwendigen Datenleitungen unangetastet zu lassen und die vier ungenutzten Leitungen für die Stromversorgung zu verwenden. Mit anderen Worten, es werden ein PoE-Injector und ein PoE-Splitter gebaut. Anstelle der 48 V werden nur 12 V genommen. Das ist auch für Peripherie ausreichend, die etwas höhere Spannung braucht.

Bitte beachten: Geräte ohne PoE-Support kann man an das stromführende Netzwerkkabel nicht ungefährdet anschließen, sofern man die Energie nicht vorher wieder absplittet oder eine Schutzschaltung ins Gerät einbaut!

Der PoE-Injector wird als Doppeldose konzipiert, bei der die Aderpaare (1,2) und (3,6) intern durchgeschleift werden. Ein Pol der Spannungsversorgung wird dann an die Pins 4 und 5 der ausgehenden Dose angeschlossen, der andere Pol an Pins 7 und 8. Bezüglich der Polarität verwendet man die Leitung (4,5) als Pluspol und die Leitung (7,8) als Minuspol. Am anderen Ende der Leitung kann man auf die gleiche Weise die stromführenden Adern wieder vom Ethernetkabel absplitten und an einen passenden Stromstecker führen, um den RasPi zu betreiben der jetzt nur noch mit einem Netzwerk-Kabel versorgt wird. Das Schema der Verschaltung sieht dann folgendermaßen aus:

Im den Injector zu erhalten, könnte man einfach das Netzteil an die Pins (4,5) und (7,8) der einen RJ45-Buchse anschliessen sowie die Pins 1,2,3 und 6 mit den gleichen Pins der zweiten RJ45-Buchse verbinden wie das folgende Bild zeigt. Der Splitter wäre genauso aufgebaut, nur würden hier die Buchsen J1 und J2 ihre Aufgabe tauschen: J2 wird mit der Netz-Zuleitung verbunden und J1 mit dem Raspberry Pi.

Jedoch sollten auf beiden Seiten nicht nur einige Sicherheitsmechanismen eingebaut werden, sondern auf Splitter-Seite auch eine Reduktion der Eingangsspannung auf 5 V erfolgen. Beim Injektor wird eine Fassung für eine Feinsicherung vorgesehen. Bei einem Kurzschluss oder zu hohem Strom brennt die Sicherung durch und schützt so (hoffentlich) die angeschlossene Hardware. Als Schutz gegen irrtümlich falsch gepolte Beschaltung des Eingangs dient eine Diode, die bei verkehrter Polung die Sicherung durchbrennen läßt. Zusätzlich dient noch eine LED mit Vorwiderstand als Betriebsanzeige. Sie liegt hinter der Sicherung und leuchtet daher nur, wenn die Sicherung intakt ist.

Zur Reduktion der Eingangsspannung beim Splitter dient ein handelsübliches DC-DC-Wandlermodul, wie man es bei Pollin, Watterott, Ebay, Amazon etc. bekommt. Auf dem Modul befindet sich ein Trimmpotentiometer zum Einstellen der Ausgangsspannung. Der Wandler-IC LM2596 ist in der Lage, bis zu 3 A Ausgangsstrom zu liefern, falls die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung nicht zu hoch ist.

Diese Module sind so preisgünstig, dass ein Fertigmodul weniger kostet, als wenn Sie die Bauteile einzeln kaufen. Dabei geht die Platine noch gar nicht in die Rechnung ein. Auch beim Splitter ist eine Sicherung vorgesehen, der DC-DC-Wandler und die zusätzliche 12-V-Klemme sind hinter der Sicherung angeordnet. Auch hier dient noch eine LED mit Vorwiderstand als Betriebsanzeige. Sie liegt ebenfalls hinter der Sicherung und leuchtet daher nur, wenn die Stromversorgung über das Netzwerkkabel funktioniert und die Sicherung intakt ist.

Die EAGLE-Dateien für beide Komponenten stehen zum Download bereit, siehe Links am Ende der Seite. Die Layouts sind alle einseitig, so dass geübte Bastler die Platinen problemlos selbst herstellen können. Die folgenden Bilder zeigen das Layout (nicht in Originalgröße, von der Bestückungsseite gesehen); links der Injector und rechts der Splitter:

 

Das Netzteil wird am Injector angeschlossen. Gegebenenfalls muss ein am Netzeil befindlicher Hohlstecker ö. ä. abgeschnitten werden. Für die Stromversorgung des Raspberry Pi knipst man am einfachsten bei einem USB-Kabel mit Mikro-USB-Stecker den USB-A-Stecker ab. Von den vier Adern liegt +5 V auf der roten und Masse auf der schwarzen Ader. Die anderen beiden Adern dienen normalerweise der Datenübertragung und werden hier nicht benötigt. Wer kein Kabel "morden" will, kann auch ein konfektioniertes Kabel mit roter und schwarzer Ader im Handel bekommen (z. B. von Conrad Electronic, Best.-Nr. 458032-62, BKL Teile-Nr.: 10080100). Das Kabel wird dann an der 5-V-Klemme angeschlossen.

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