Ethernet Überspannungsschutz


Ethernet ist derzeit die verbreiteste Topologie für Computernetzwerke. Fast ausschließlich werden die Daten über verdrillt und geschirmte Kupferadern übertragen. Die paarweise Verseilung vermindert störende Einflüsse sowie das Übersprechen zwischen benachbarten Adernpaaren innerhalb des Kabels. Bei fast allen Kabeln werden 8 Adern, bzw. 4 Adernpaare zur Verfügung gestellt. Die freien Adernpaare waren anfänglich zur Sicherheit reserviert und werden heute für Gigabit Ethernet und oft auch für die Stromversorgung der Endgeräte genutzt.


Ethernet-Kabel


Die gängigsten Übertragungsraten sind 10 MBit/s als Twisted Pair Ethernet, 100 MBit/s als Fast Ethernet und 1GBit/s als Gigabit-Ethernet. Die Übertragungsraten sind in der Zeit immer weiter erhöht worden. Um die Daten fehlerfrei über große Entfernungen übertragen zu können, müssen die Kabel weitergehend geschützt werden. Das wird realisiert, indem die Adernpaare mit einer Hülle aus Alufolie geschirmt werden. Bei sehr hohen Ansprüchen wird zusätzlich mit einem Kupfergeflecht um alle Adernpaare geschirmt. Um die Qualität der verschiedenen Ethernet-Kabel zu erkennen, wurden sie in Kategorien eingestuft. Aktuell wird bis Kategorie 7 (Cat.7) unterteilt. Wobei die Kategorien Cat.1 und Cat.2 nie von Bedeutung waren, Cat.3 und Cat.4 werden heute praktisch nicht mehr verwendet. Die neueste Kategorie Cat.7 ist für Kabel bereits definiert. Es fehlt aber noch an geeigneten Steckverbindungen. Man verwendet aktuell also vorrangig Cat.5 und für Neuinstallationen Cat.6.


Einteilung der Ethernet Kategorien
Kategorie Übertragungsrate
Cat.3 10 - 100 MBit/s
Cat.4 10 - 100 MBit/s
Cat.5 / Cat.5e 100 - 1000 MBit/s
Cat.6 / Cat.6A 1000 MBit/s - 10 GBit/s
Cat.7 10 GBit/s

Angewendet wird Ethernet wegen seiner Reichweite von nur etwa 100 Meter vorrangig im lokalen Netz (LAN). Um mit der ganzen Welt zu kommunizieren, gibt es verschiedene Übergänge. So beispielsweise den Übergang ins Internet über DSL oder zu mobilen Empfängern über drahtlose Verbindungen mit WLAN. Auch das einfachste Netz zu Hause, bestehend aus dem DSL-Modem und einem Computer, wird über Ethernet realisiert.


Aufbau eines Ethernet-Kabels mit separater Abschirmung für jedes Aderpaar
Aufbau eines Ethernet-Kabels mit separater Abschirmung für jedes Aderpaar


Das Ethernet-Kabel wird über 8P8C-Modularstecker gesteckt, die mit der Bezeichnung RJ45 besser bekannt sind. Das sind achtpolige Stecker mit einer Arretierungsfahne. Beide Seiten des Kabels sind als Stecker (männlich) ausgeführt. Die zu vernetzenden Geräte besitzen jeweils eine RJ45 Buchse (weiblich). Die acht Pins am Stecker werden mit der Arretierungsfahne nach oben von Links nach Rechts gezählt.


Pin-Belegung am RJ45 Stecker
RJ45 Pin anliegendes Signal
1 TX +
2 TX -
3 RX +
4  
5  
6 RX -
7  
8  

Da die PIN-Belegung nicht symmetrisch ist, müssen die Ein- und Ausgänge jeweils spiegelverkehrt ausgelegt sein. Die Verbindungskabel sind in der Regel nach dem 1 zu 1 Schema belegt. Damit Ethernet-Anschlüsse wahlweise für Ein- oder Ausgang genutzt werden können, gibt es sogenannte Cross-Over-Kabel, die eine gekreuzte PIN-Belegung haben. Alle modernen Geräte haben heute eine automatische Erkennung der PIN-Belegung und man muss nicht mehr auf die Signalrichtung bei der Verkabelung achten.


Für Gigabit Ethernet 1000Base-T werden ale 4 Adernpaare genutzt. Auf Grund der schwachen Auslegung von Kategorie-5-Verkabelungen sind bei 2-paariger Übertragung und Schwerpunktfrequenzen bis etwa 60 MHz Übertragungsraten bis 155 MBit/s möglich. Der Bandbreitenengpaß bei Kategorie-5-Verkabelungen (bis 100 MHz) erfordert deshalb die Verwendung von 4 Paaren, um die Übertragung von Gigabit Ethernet zu ermöglichen. Da bei 1000Base-T auf allen 4 Paaren gleichzeitig in beiden Richtungen gesendet und empfangen wird, kann jedes Paar bis zu 250 MBit/s übertragen, was im Summe aller Paare 1 GBit/s ergibt.


RJ45 Ethernet-Stecker
RJ45 Ethernet-Stecker


Power over Ethernet


Wie der Name schon vermuten lässt, handelt es sich bei Power over Ethernet (PoE) um eine Technik, die Ethernet-Geräte über die existierende Ethernet-Verkabelung mit Strom zu versorgen. Über die Leitungen des Kabels fließt neben den Daten auch ein Gleichstrom. Zu den potentiellen Vorteilen dieser Technik gehören die größere Mobilität Netzwerk-Geräte und niedrige Installationskosten. Definiert ist PoE von der IEEE in dem Standard 802.3af.


Weil RJ45-Stecker und Twisted Pair Kabel nicht für Ströme im Ampere-Bereich ausgelegt sind, wird eine Spannung zwischen 44 V und 57 V, im Mittel 48 V, verwendet, was den Anforderungen an eine Schutzkleinspannung entspricht. Dabei ist ein Strom von maximal 350 mA vorgesehen. Durch die relativ hohe Spannung bleibt die Verlustleistung und damit die Wärmeentwicklung in den Kabeln und an den Steckerübergängen gering.


Die Stromversorgung ist über zwei Wege definiert: über die bereits genutzten Adernpaare 1/2 und 3/6 oder über die freien Adernpaare 4/5 und 7/8. Die folgenden Bilder veranschaulichen den Unterschied der zwei Wege. Das speisende Gerät wird dabei als Power Sourcing Equipment (PSE) und der Verbraucher als Powered Device (PD) bezeichnet.


PoE-Stromversorgung über Datenleitungen
PoE-Stromversorgung über Datenleitungen


PoE-Stromversorgung über Reserveleitungen
PoE-Stromversorgung über Reserveleitungen


Die Herausforderung für die Hersteller von PoE-Lösungen besteht darin, Schäden an nicht PoE-fähigen Endgeräten nach Möglichkeit zu vermeiden. Obwohl die Adern 4, 5, 7 und 8 bei 10BaseT und 100BaseTX eigentlich nicht belegt sind, bedeutet das nicht, dass die entsprechenden Pins irgendwohin durchgeschleift sind. Wenn dort versehentlich Power over Ethernet anliegen sollte, kann dies zu irreparablen Schäden am Gerät führen. Im Standard IEEE 802.3af wird dieses Problem durch ein als Resistive Power Discovery bezeichnetes Verfahren gelöst. Die Stromquelle prüft mit einer Messschaltung den Innenwiderstand des Verbrauchers. Liegt er zwischen 19kΩ und 26,5kΩ und hat eine Kapazität von maximal 10µF wird die Energieversorgung aktiviert. In einer zweiten Erkennungsphase wird die Leistungsklasse ermittelt.


Power over Ethernet Klassendefinition
Klasse Klassifikationsstrom Max. Speiseleistung Max. Entnahmeleistung
0 0-5 mA 15,4 W 0,44 W - 12,95 W
1 8-13 mA 4,0 W 0,44 W - 3,84 W
2 16-21 mA 7,0 W 3,84 W - 6,49 W
3 25-31 mA 15,4 W 6,49 W - 12,95 W
4 35-45 mA 15,4 W reserviert

Auch auf Gigabit-Ethernet ist Power over Ethernet möglich. Da bei Gigabit Ethernet alle 8 Adern im Kabel belegt sind, wird die Gleichspannung zur Stromversorgung hierbei auf jeden Fall zusammen mit dem Signal übertragen. Die Stromversorgung über die Signalleitungen wirkt sich nicht störend auf das Ethernet-Signal aus, sofern sie nicht selbst von Störeinflüssen beeinträchtigt ist.


Ethernet-Überspannungsschutz


Die Power over Ethernet Technik ist auf einen robusten Schutz gegen Überspannungen angewiesen, der auch keinen Einfluss auf die Datenübertragung haben darf. In den Geräten ist daher ein Überspannungsschutz integriert, der wegen der empfindlichen Umgebung nur den gesetzlich vorgeschriebenen Stoßspannungen Stand hält. Sie sind bei höheren Spannungen zusätzlich über Schmelzsicherungen geschützt, die nach Ansprechen nicht wieder selbsttätig zurück in Funktion gehen. Ein externer Überspannungsschutz ist für gefährdete Umgebungen unbedingt sinnvoll. Er verbessert die Verfügbarkeit des gesamten Netzwerks erheblich.


Für die Betrachtung des möglichen Überspannungsschutzes müssen wir uns den Aufbau der Kabel in Erinnerung rufen. Ethernet wird über 8 Adern in vier Adernpaare aufgeteilt übertragen. Elektrisch betrachtet gibt es 3 x 2 Varianten der Übertragung: ohne PoE, mit PoE auf der Signalleitung und mit PoE auf den freien Aderpaaren und das Ganze noch mal mit gespiegelter PIN-Belegung.


Typische Schutzschaltung für Ethernet, GA: Gasableiter, SD: Diodenmatrix mit Suppressor
Typische Schutzschaltung für Ethernet, GA: Gasableiter, SD: Diodenmatrix mit Suppressor


Da eine automatisch Erkennung der aktuellen Belegung für einen Überspannungsschutz viel zu kompliziert und aufwendig wäre, haben die Überspannungsschutzgeräte alle Adernpaare gleich abgesichert, ob sie tatsächlich genutzt werden oder nicht. Um der unterschiedlichen Spannung bei Stromversorgung mit und ohne PoE gerecht zu werden, gibt es zwei Varianten für Ethernet-Überspannungsschutz: mit PoE oder ohne PoE.


Überspannungsschutz für Ethernet mit PoE


ATLAN 1000 BASE-T CAT6

Für den professionellen Schutz von Ethernet-Anschlüssen gegen Überspannungen wird der Zwischenstecker der spanischen Firma Applicationes Tecnologicas empfohlen. Er enthält eine ausführliche Schutzschaltung und benutzt kapazitätsarme Dioden, um auch bei hohen Übertragungsraten keine Dämpfung zu verursachen. Der ATLAN 1000 BASE-T CAT6 Überspannungsschutz sollte möglichst nahe an dem zu schützenden Gerät eingebunden werden. Er muss über einen separaten Anschluss oder über sein Gehäuse mit der Erde verbunden werden. In vielen Fällen werden Computer geschützt, deren Gehäuse bereits geerdet ist.

ATLAN 1000 BASE-T PoE

Für Netzwerk-Endgeräte, die über Power over Ethernet mit Strom versorgt werden, wie WLAN-Router oder VoIP-Telefone, ist der ATLAN 1000 BASE-T PoE bestens geeignet.


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