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El valor de la alimentación a través de Ethernet

¡Esta es la Tercera parte de una serie de blogs de seis partes de Mouser Electronics! Al final del artículo le mostramos un enlace para poder leer la Cuarta parte…

Entender las ventajas de la transmisión conjunta de datos y alimentación en un contexto industrial

Mark Patrick, Mouser Electronics

¿Qué temas se tratarán en la serie?

En esta serie de blogs analizaremos las tecnologías de energía claves que permitirán aumentar la eficiencia del sector industrial y veremos cómo pueden los ingenieros emplear las herramientas de las tecnologías avanzadas de semiconductores, las topologías de conversión energética y las técnicas de distribución para contribuir a la eficiencia de nuestras industrias.

La energía industrial será objeto de análisis en esta serie del blog: ¿Cómo facilitarán las nuevas tecnologías de materiales y las técnicas de diseño el ahorro energético en la próxima década?

Blog 1: Introducción: La conversión de la energía industrial del futuro
Blog 2: Los conversores en la Cuarta Revolución Industrial
Blog 3: El valor de la alimentación a través de Ethernet (PoE)
Blog 4: La captación de energía en el ámbito industrial
Blog 5: PoL: Los circuitos industriales ante los desafíos energéticos
Blog 6: La siguiente década de la energía industrial

Teaser largo: La alimentación a través de Ethernet (PoE) se impone junto con las aplicaciones del IIoT y la Industria 4.0. El estándar PoE permite que los cables o las líneas de datos que no se utilicen dentro de un sistema de cableado Ethernet existente alimenten sensores y actuadores.

¿Qué temas tratará la serie?

La energía industrial será analizada en esta serie de blogs: ¿cómo facilitarán las nuevas tecnologías de materiales y técnicas de diseño el ahorro energético en la próxima década?

En los dos blogs anteriores, abordamos las consideraciones globales sobre la energía en los entornos industriales. Destacamos el modo en que el fomento de la eficiencia de la energía y los procesos está cambiando el panorama de las plantas de producción. La implantación de la Industria 4.0 y el IIoT por un lado está trasladando el almacenamiento de datos desde los servidores locales hacia la nube, y por otro lado el procesamiento de datos hacia los sensores y actuadores, utilizando «edge computing» para que la toma de decisiones sea rápida y localizada.

Combinar energía y datos

Para alimentar dispositivos periféricos con sensores que cuentan con un microcontrolador, una memoria o un enlace de datos alámbrico o inalámbrico, se necesita tener acceso a una fuente de alimentación. Las opciones que se plantean para los actuadores y los sensores inalámbricos son las baterías, los adaptadores CA-CC o, quizás, la captación de energía. Sin embargo para el suministro de energía, se utilizan frecuentemente las conexiones de datos Ethernet por cable, ya que están muy extendidas. Los motivos no son meramente históricos: la tecnología inalámbrica es por sí menos segura y la mayor parte de los dispositivos funcionan en bandas exentas de licencia. Pueden producirse saturación, retrasos en los paquetes y problemas de estabilidad, especialmente con los múltiples saturados en un entorno industrial con mucho ruido eléctrico.

El desarrollo de la alimentación a través de Ethernet (PoE)

El estándar Ethernet existe desde 1973 y, aunque inicialmente era un sistema basado en cables coaxiales, en la actualidad se ha generalizado el uso de señales diferenciales en cables de par trenzado. Las comunicaciones en gigabit/s suelen utilizar cuatro cables de par trenzado. Las velocidades más bajas solo usan dos cables de par trenzado, lo que es habitual en aplicaciones industriales para procesar datos de sensores.

La PoE puede utilizar las instalaciones de Ethernet ya existentes en zonas que carezcan de tomas de corriente CA-CC. Además, puede instalarse sin necesidad de electricistas cualificados.

Estándar IEEE 802.3af

Según el estándar 802.3af (IEEE 802.3 – 2003), los pares sin utilizar podrían suministrar energía, lo que se conoce como modo B o midspan. El método midspan PoE utiliza inyectores PoE para añadir PoE a sus redes sin añadir conmutadores no PoE ni sustituir los existentes. Son dispositivos inteligentes: detectan si el dispositivo alimentado (PD) requiere energía y, de ser así, la facilita. Los inyectores PoE son útiles cuando se tiene un reducido número de dispositivos que requieran energía.

El estándar IEEE 802.3af también permite que la energía se transmita a través de las líneas de datos como tensión en modo común aplicada a cada par. Dado que Ethernet emplea una señal diferencial, la transmisión de datos, conocida como modo A o endspan, no se ve afectada.

La figura 1 muestra el uso de las tomas centrales de los transformadores de impulsos en cada extremo de un cable para aplicar y luego extraer la energía de la señal de datos.

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Figura 1: La PoE utiliza dos cables de par trenzado en un cable Ethernet

Esta tecnología, que suele estar integrada en conectores RJ45 de proveedores como Molex y TE Connectivity, simplifica los diseños y ahorra espacio en las placas.

El método endspan PoE emplea un conmutador con PoE integrada. Al conectar el dispositivo final al conmutador PoE, detectará si el dispositivo final es compatible con PoE y, en caso afirmativo, activará automáticamente la alimentación.

Los niveles de alimentación PoE han aumentado considerablemente

El estándar PoE IEEE 802.3af especifica una tecnología diseñada para suministrar hasta 15,4 W de CC (un mínimo de 44 VCC y 350 mA) a cada dispositivo. A causa de las pérdidas del cable, el estándar solo garantiza la disponibilidad de 12,95 W en el dispositivo alimentado (PD), lo que es suficiente para sensores pequeños, cámaras de seguridad y cargas similares.

IEEE 802.3bt tipo 4

Con el tiempo, el estándar ha evolucionado hasta permitir niveles de energía superiores en determinadas condiciones. En 2018, el IEEE presentó el nuevo estándar de energía elevada 802.3bt tipo 4. Según el IEEE 802.3bt tipo 4, se permite un máximo de 100 W del equipo de alimentación eléctrica (PSE) a partir de un intervalo de tensión de 52-57 V. Si la resistencia máxima del cable es de 12,5 Ω y su temperatura se mantiene fija dentro de ciertos límites, queda una tensión mínima de 41,1 V en el dispositivo alimentado (PD). Para conseguir esta energía máxima, es esencial utilizar los cuatro pares.

Las aplicaciones simples que inicialmente se contemplaron para la PoE se han ampliado junto con el aumento de la potencia nominal. Se puede suministrar energía a:

  • puntos de acceso inalámbricos
  • routers
  • paneles de seguridad
  • un portátil o una tableta con los valores nominales adecuados

Esto aumenta significativamente la utilidad de la PoE.

Iluminación PoE

La iluminación PoE es un área que genera gran interés. La rápida introducción de las luces LED hace que la alimentación PoE sea suficiente para la iluminación de emergencia y, en algunos casos, hasta para el uso «normal». Cuando los dispositivos de iluminación incluyen sensores de movimiento y luz, se crean un sinfín de posibilidades de control y monitorización. Por ejemplo, si se produce una emergencia en un edificio, un sistema de iluminación de seguridad PoE alimentado por batería podría detectar en qué parte del edificio se encuentra la persona y guiarla para que se ponga a salvo encendiendo las luces LED seleccionadas o cambiando su color para proporcionarle una ruta segura.

Conclusión

La alimentación a través de Ethernet (POE) es una ingeniosa forma de distribuir la energía utilizando las redes de cableado existentes. Permite que los dispositivos situados en lugares remotos accedan a una fuente de CC local. Los protocolos y los estándares permiten usar estas estructuras ya existentes sin interrumpir el flujo de datos. La Industria 4.0 y el IIoT se basan en esta innovación para la obtención de datos y cada vez emplearán la PoE en más casos prácticos a medida que esta tecnología vaya desarrollándose.

En el siguiente blog de la serie abordaremos la creciente viabilidad de la captación de energía como solución alternativa para alimentar los sensores del IIoT.

Mouser apoya a los ingenieros en sus esfuerzos por labrar un futuro mejor al permitirles acceder a la tecnología y los componentes más avanzados, así como a una serie de recursos de diseño orientados a hacerles la vida más fácil.

Para leer la Cuarta parte de la serie de MOUSER ELECTRONICS Próximamente…