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Leitungsverluste

Die durch die PoE entstehenden Leitungsverluste sind ebenfalls nicht ernst zu nehmen. Grund dafür ist die vergleichsweise hohe Nennspannung von 48 Volt. Hier ist bei der Standardisierung ein Kompromiss zwischen der maximal zu übertragenden Leistung und der Sicherheit eingegangen worden. Denn 48 Volt wird noch als so genannte Kleinspannung angesehen, die für Menschen ungefährlich ist und daher keine besonderen Schutz- oder Isolationsmaßnahmen erforderlich macht. Gleichzeit ist mit der maximal zulässigen Kleinspannung sichergestellt, dass die zu übertragende Leistung (P=U*I) ein Maximum erreicht. Der limitierende Faktor ist hier der Kupfer-Querschnitt von Ethernet-Kabeln, die ja ursprünglich nicht für die Übertragung von nennenswerter elektrischer Leistung vorgesehen waren.

Gerade in den USA sind noch heute häufig so genannte AWG-28-Kabel im Einsatz (AWG = American Wire Gauge, Amerikanisches Maß für die Drahtgröße, abgeleitet von der Anzahl Ziehsteine, die benötigt werden, um einen bestimmten Querschnitt herzustellen, also gilt: Je größer der AWG-Wert, desto kleiner der Drahtdurchmesser). Solche Kabel besitzen lediglich einen Leiterquerschnitt von 0,0809 mm². Hinzu kommt, dass mehrere Leiter dicht gepackt in einem Kabel geführt sind, also kaum kühlende Umgebung zur Verfügung steht. Damit ist die maximale Belastbarkeit auf ca. 300 mA beschränkt. Ansonsten würden die Kabel eine Außentemperatur von mehr als 45 Grad Celsius erreichen, was zu Schäden der Isolation führt. Da bei PoE je nach Variante auch nur ein Adernpaar für die Leistungsübertragung zur Verfügung steht, ergibt sich daraus eine maximal zu übertragende Leistung von 300 mA * 48V, also knapp 15 Watt.

Was hat das aber nun mit den Leitungsverlusten zu tun? Die Leitungsverluste Pv ergeben sich aus dem Quadrat des beaufschlagten Stroms multipliziert mit dem elektrischen Widerstand der Leitung (Pv = I² * R). Der Widerstand hängt vom Leitermaterial des Leiters (in der Regel Kupfer), von der Länge des Kabels und von Querschnitt des Leiters ab. Bei sehr kleinen Leiterquerschnitten und großen Leitungslängen ist also mit einem hohen Widerstand und folglich mit hohen Leitungsverlusten zu rechnen.

In der Realität würde das zu folgender Rechnung führen: Ein übliches Cat. 6 Kabel (AWG 24) hat einen Querschnitt von 0,2051 mm², bei einem spezifischen Widerstand von Kupfer von ρ = 0,0178 Ω * mm² pro Meter ergibt sich ein Widerstand von 0,0868 Ω pro Meter. Es stehen für den Hin- und den Rückweg je zwei Leiter zur Verfügung, also halbiert sich dieser Wert noch. Bei einer Kabellänge von 100 Metern, also einer Leiterlänge von 200 Metern (Hin- und Rückweg sind zu berücksichtigen) ergäbe sich also ein Gesamtwiderstand von 8,68 Ω. Bei einer am Endgerät maximal zulässigen Leistung von 12,95 Watt, also einem Strom von weniger als 300 mA würde das dann zu einem Leitungsverlust von Pv = 0,78 Watt führen. Und das immer unter der Voraussetzung, dass ein Klasse-3-PoE-Endgerät die maximal zulässige Leistung nutzt, was bei VoIP in der Realität kaum vorkommt.

Die Leistungsbilanz verschlechtert sich natürlich noch ein wenig aufgrund von Übergangswiderständen an Steckverbindungen und schlechteren Widerstandswerten für Patchkabel. Auf der anderen Seite haben moderne Cat. 7 und Cat. 8 Kabel aber auch größere Leitungsquerschnitte und erreichen nur selten die für Ethernet maximal zulässige Länge von 100 Metern. Messungen im ComConsult Test-Center haben aber selbst unter widrigsten Bedingungen (schlechte Kabel, über 100 Meter Gesamtlänge) eine Verlustleistung von nicht mehr als 0,11 Watt ergeben. Die laut IEEE 802.2af-Standard zulässigen 2,45 Watt Leitungsverlust, die sich aus den maximal 15,4 Watt Abgabe-Leistung abzüglich der maximal 12,95 Watt Leistungsaufnahme der Endgeräte ergeben, sind auf sehr alte Verkabelungsvarianten und viele schlechte Steckverbindungen zurückzuführen, die in Europa praktisch nie zum Einsatz gekommen sind (z.B. AWG 28 oder 30 mit einem Widerstand von 0,232 bzw. 0,35 Ω pro Meter).

Eine realistische Daumenregel für die Verlustleistung ergibt sich aus der Annahme, dass sich über die gesamte Leitungslängelänge inkl. Steckverbindungen und Patchkabeln ein Widerstand von ca. 0,01 Ω pro Meter ergibt. Bei einem Endgerät aus der Oberklasse ist zudem mit einer mittleren Leistungsaufnahme von 7 Watt zu rechnen. Bei einer Leitungslänge von insgesamt 50 Metern ergäbe sich damit ein mittlerer Leitungsverlust von 0,01 Watt pro Endgerät.

Lesen Sie im vierten Teil der Beitragsserie „Green VoIP – Mythos und Wirklichkeit“ von Dr. Michael Wallbaum und Dr. Frank Imhoff: „Mythos 5: PoE schafft zusätzlichen Klimatisierungsbedarf“

Über die Autoren

Dr. Frank Imhoff ist bei ComConsult als Technischer Direktor (CTO) für den Bereich neue Kommunikationslösungen verantwortlich. Dazu gehören insbesondere Themen wie Voice over IP, Unified Communications, Kollaborationssysteme und Mobility-Lösungen. Er beschäftigt sich seit Jahren intensiv mit dem Management von heterogenen Kommunikationslösungen und dem Thema Unified Communications. Imhoff berät Unternehmen bei der Konzeption entsprechender Lösungen und hat bereits zahlreiche Projekte in diesem Bereich erfolgreich geleitet. (Kontakt: imhoff@comconsult.com).

Dr. Michael Wallbaum ist seit Jahren als Senior Consultant im Bereich moderner Kommunikationssysteme tätig. Zudem leitet er das ComConsult-eigene Labor, das über nahezu alle gängigen Enterprise-Kommunikationslösungen verfügt und umfangreiche Möglichkeiten bietet, jede Art von Unified Communications & Collaboration genau unter die Lupe zu nehmen. Zu den Spezialgebieten von Dr. Wallbaum gehören daher auch die Integration unterschiedlicher Kommunikationslösungen und die Entwicklung entsprechender Migrationsszenarien. (Kontakt: wallbaum@comconsult.com).

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