Power Over Ethernet

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POE : une définition

La technique du Power Over Ethernet (POE) consiste à faire circuler l'énergie électrique nécessaire pour alimenter un point d'accès wifi, sur le même cable que celui où vont transiter les données.

En effet un cable éthernet est composé de 4 paires de fils, mais seuls 2 sont utilisés pour envoyer et recevoir des données. On utilise donc les paires restantes pour alimenter le matériel réseau en respectant la regle "une masse, une alimentation" par paire torsadée pour limiter les pertes électromagnetiques et surtout le parasitage.

Une autre méthode moins connue mais nécessitant du matériel conçu pour, est de faire passer la tension d'alimentation via les cables de données. En effet, la section physique du contrôleur ethernet est couplé au cable via un transformateur d'isolation : les signaux éthernet sont donc obligatoirement du type alternatif ou impulsionnels. Il est donc très facile de superposer ces signaux impulsionnels à une tension continue d'alimentation. L'injection de l'alimentation se fera de la façon la plus simple possible directement au niveau du secondaire du transformateur de couplage, tout comme l'extraction d'alimentation. Pour plus de simplicité, ces transformateurs se différencient des transformateurs éthernet courants par une résistance plus faible (ne chauffent pas ou peu quand ils sont traversés par un courant continu), et présentent un "point milieu" permettant une extraction aisée de l'alimentation continue. Ce type d'alimentation est souvent nommée alimentation fantôme. En dehors des circuits d'injection et d'extration au niveau des transformateurs, l'électronique de l'alimentation reste la même que pour la technique à cables séparés.

POE : quelques considérations électriques.

L'énergie fournie dans le cable doit toujours être en basse tension et doit correspondre à la tension de sortie du transformateur de l'équipement à alimenter. Il est par contre parfois nécessaire d'augmenter un peu cette tension s'il y a des pertes trop importantes dûes à la longueur du cable et l'intensité du courant (tout est fonction de la puissance et du diametre du cable réseau). L'energie peut être véhiculée tant en continue qu'en sinusoidal (50hz). Les 2 systèmes offrent leurs propres avantages :

• continu : transformateur redresseur en entrée, et abaisseur régulateur de tension en sortie.
• alternatif : un diviseur de tension a base de transformateur en entrée pour descendre la tension alternative vers les 48V. C'est un transformateur ayant un rapport d'1/4. Ce type de transfo doit pouvoir se trouver facilement. En sortie un redresseur régulateur à découpage (http://membres.lycos.fr/bftel/test/alim.htm) de préférence.

Que se soit dans le cas d'alimentation alternative ou continue, il est conseillé d'utiliser un pont redresseur à faible perte pour protéger les circuits de toute inversion de polarité ; et de permettre un fonctionnement sans soucis même avec des cables aux connexions inversées ou inconnues.

Pour des câbles très longs avec forte charge, il faudra faire en sorte d'injecter la plus forte tension en entrée et de récuperer un couple puissance raisonable en sortie avec faible perte dans le cable. Rappelons que la puissance est donnée par la formule P = U*I ou P = R*I^2. On voit mieux ici l'effet des pertes induites dans le cas d'une faible tension et d'un fort courant : les pertes sont proportionnelles au carré du courant. Puisque I ne peut etre élevé, il suffit d'augmenter U pour se retrouver avec la même puissance.

Dans tous les cas on ne doit pas faire circuler du 230V dans du POE.

POE : une norme ?

Il existe une norme officielle au doux nom de IEEE802.3af décrivant le P.O.E. tel qu'il devrait être, initiallement prévue pour préparer le chemin aux terminaux VOIP. Mais il faut faire attention, très peu des coupleurs "individuels" actuellement dans le commerce s'y conforment. Il faut absolument détenir un mélangeur et un séparateur alimentation/ethernet de la même marque et de la même série. Les circuits intégrés gérant l'alimentation selon cette norme existent mais ne sont pas encore accessibles.

Cette norme sur la base des caractéristiques physiques des cables stipule que la puissance disponible au niveau de l'extrémité distante doit être dans les limites de 12.8W sous 48V.

POE : l'approche du bricoleur

Souvent les appareils terminaux (points d'acces, routeurs) necessitent une tension d'alimentation de 3 à 12V. Il est possible d'effectuer une conversion d'énergie 48V vers une tension de 3-12V fixée avec un rendement de 80 à 90 % grace à l'utilisation de régulateurs de tension a découpage à haut rendement énergétique. Le circuit LM2575 (http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/2/5/LM2575.shtml) qui existe en régulateur de tension fixe ou ajustable en est un bon exemple.

Liste des composants pour un régulateur simple et même minimaliste 40Vmax--->5 volts réglés par un pont de résistance en sortie :

• 1 x LM2575 ajustable
• 1 x 100µF polarisé chimique (condensateur d'entrée).
• 1 * diode type 1N5822 ou équivalente.
• 1 * bobine 330mH 1A pour un régulateur reglé à 5V/1A (note de grompf : ne pas utiliser une bobine d'anti-parasitage).
• 1 * 330µF polarisé chimique (condensateur de stockage, en sortie).
• 2 * résistances de réglage pour lesquelles Vsortie=1.23*(1+R1/R2) avec R1 connectée au point milieu et à la sortie et R2 connectée entre le point milieu et la masse. Si R1=3.09k et R2=1k : il devrait être possible d'obtenir un 5V régulé en sortie.
• 1 * radiateur pour le LM2575 en fonction de son dégagement thermique et de sa charge.
• 1 * jeu de connecteurs choisis en fonction de la cible.

Quelques composants additionnels (protections, affinages divers) restent à ajouter pour finir le tout. On peut aussi affiner les valeur des composants indiqués pour d'autres tensions de consigne ou pour le rendre le plus universel possible avec une tension de sortie ajustable par l'utilisateur final.

Note : Des indications précises de réalisation dont une liste de composants correctement détaillée seront ajoutées uniquement à partir du moment ou un prototype aura réellement été testé dans la vraie vie et pas uniquement sur papier. Mais dans tous les cas, vous etes entièrement responsable de ce que vous faites et des dégats que vous pourriez provoquer en lisant ces lignes.

Il est à noter qu'il existe une version haute-tension du LM2575, le LM2575HV acceptant jusqu'a 60V en entrée (la version normale étant limitée à 40V). Ce qui permet d'utiliser un rail d'alimentation de 48V.

En complement du circuit d'alimentation, il parrait sain d'ajouter un circuit de chien de garde et de contrôle d'alimentation : typiquement le MAX697 remplit tous les requis imaginables (fenetre de surveillance large, durée de reset reglage, detection de perte d'alimentation amont ajustable, detection de perte d'alimentation avail ajustable, gestion d'une commutation sur batterie, gestion du signal RESET). Mais il est possible de faire moins complet par simple combinaisons de circuits courants, typiquement des 555 ou 556 ou meme des 74xx123 (mais cela consomme un poil plus et tient beaucoup plus de place).

Le complement a tout cela est alors un circuit de contrôle de charge et de décharge de batterie...

POE : exemples de réalisations commerciales

Exemple de produit POE fabriqué par Linksys