Расчет источника для питания по сети Ethernet 4х IP-камер

Размещено на http://allbest.ru

Контрольная работа

Расчет источника для питания по сети Ethernet 4х IP-камер



1. Требования к блоку питания POE их специфика

Одним из основных требований заказчика при проектировании системы видеонаблюдения является ее бесперебойная работа.

Даже при пропадании сетевого напряжения система должна гарантированно отработать заданное время, в течение которого обслуживающий персонал отреагирует на аварию и примет соответствующие действия.

Это требование серьезно усложняет задачу, особенно когда видеокамеры установлены на улице и нет возможности разместить коммутаторы в отапливаемых помещениях.

1.1 Преимущества подачи питания через Ethernet

Технология Power over Ethernet -- это привлекательный альтернативный способ электропитания сетевых устройств. Причем, ее применение возможно как при организации новых сетей, так и при модернизации существующих.

Чаще всего при модернизации сети требуется установка активного оборудования именно там, где нет поблизости источника питания и электрических розеток.

Благодаря стандарту IEEE 802.3af появляется возможность установки оборудования в наиболее подходящих для этого местах, не взирая на отсутствие электропроводки.

Например, Wi-Fi точку доступа можно ставить в месте наилучшего приема сигнала, даже если там нет электрических розеток или установить IP камеру любом удобном для обзора месте. PoE позволяет не только существенно сэкономить на стоимости силовых кабелей и прочих компонентах, но и сократить время инсталляции оборудования Ethernet.

Параметры выбора и использования питания по PoE с IP-камерами:

· сравнение питания по PoE с питанием от низковольтных источников,

· когда использовать PoE, а когда не следует,

· нестандартные реализации PoE,

· запасные пары в кабеле UTP,

· ограничения по расстоянию,

· удлинители PoE,

· сравнение энергопотребления со спецификацией,

· расчет потребления энергии.

1.2 Сравнение PoE и электропитания от низковольтных источников

Очевидно, что для работы всем видеокамерам системы, требуется электропитание.

Технология «питание по Ethernet» (PoE) подразумевает использование одного кабеля для подключения камеры к сети передачи данных и к источнику питания. До появления технологии PoE подключение камер к электропитанию, в большинстве случаев, подразумевало использование отдельных низковольтных источников и отдельной проводки для подвода питания. Технология PoE устраняет необходимость в использовании второго кабеля и отдельного источника питания.

В настоящее время технология PoE поддерживается и используется практически всеми профессиональными IP-камерами и оборудованием видеонаблюдения.

видеонаблюдение напряжение питание еthernet



1.3 Типы PoE

PoE определяется следующими стандартами IEEE:

· 802.3af, «стандартное» PoE, используется более чем для 90% всех IP-камер, обеспечивается мощность до 15,4 Вт,

· 802.3at, «высокое» PoE, используется небольшой частью IP-камер, которым требуется мощность в диапазоне от 15,4 Вт до 30 Вт. Чаще всего поддержка 802.3at требуется при использовании PTZ-камер или камер со встроенными обогревателями / вентиляторами.

· 802.3bt в настоящее время проектируется, предусматривается возможность PoE обеспечивать мощность 100 Вт, что превышает требования почти всех IP-камер.

802.3bt на стадии проектирования. Ожидается, что в 2017 г. Будет принят еще более солидный класс PoE (802.3bt), находящийся в настоящее время в стадии проекта и ранней разработки. Этот проект предлагает вариант PoE, способный обеспечить мощность 100 Вт на источнике за счет использования всех четырех пар кабеля соответствующей категории. Хотя перспектива увеличения мощности более чем в два раза по сравнению с 802.3at и вызывает повышенный интерес, ее использование для оборудования систем видеонаблюдения может оказаться ненужным.

Нестандартные реализации PoE. Не все PoE-устройства используют стандарт 802.3at/af. В системах видеонаблюдения существуют отдельные частные реализации этой основной идеи, отличающиеся напряжением или мощностью. Если для изделия PoE конкретно не указано соответствие стандарту 802.3af/at, могут возникнуть проблемы из-за несовместимости.

В некоторых случаях частные реализации PoE работают согласно стандартам, но с ограниченными функциональными возможностями. Стандарт 802.3af/at использует пассивный формат, в котором питание обеспечивается по неиспользуемым парам, но имеется возможность обеспечения питания и в активном формате по парам, используемым для передачи данных.

Так например некоторые версии продуктов Ubiquiti используют PoE напряжением 24 В постоянного тока, а не 48 В постоянного тока, которое соответствует стандарту. Хотя в действительности для питания и используется PoE.

1.4 Ограничения по расстоянию

PoE ограничивается теми же 100 м, что и сети Ethernet в целом. Сначала теряется качество передачи данных, и только потом характеристики питания опускаются ниже гарантируемых стандартами.

Некоторые производители используют вариант питания, предусматривающий последовательное подключение ряда камер.

1.5 Удлинители PoE

Для обеспечения питания на расстояниях, превышающих 100м, применяют удлинители PoE. Обычно они представляют собой пары адаптеров для коммутатора видеокамеры с подачей питания. С помощью удлинителей PoE можно обеспечивать питание на расстоянии 300 или даже 1000 м.

1.6 Сравнение энергопотребления PoE со спецификациями

Производители IP-камер, наряду с информацией о том, поддерживают ли их камеры PoE, указывают энергопотребление. Эта информация необходима, чтобы знать суммарную мощность, так как даже если все камеры относятся к «обычному» стандарту 802.3af PoE, энергопотребление может варьироваться в диапазоне от 2 до 15 Вт. Так фиксированные IP-камеры обычно потребляют около 4 - 7 Вт.

В спецификациях камер сетевого видеонаблюдения значения энергопотребления обычно указываются с запасом и превышают фактическое энергопотребление, это подтверждается проведенным тестированием IP-камер, поддерживающих PoE.

1.7 Расчет потребления энергии

Обычно несколько IP-камер получают питание от одного коммутатора. Таким образом, требуется знать потребности каждой камеры в энергии и суммировать их при объединении в одну систему.

В следующей таблице приводится пример расчета для 4х камер.

Количество	Модель камеры	Электропотребление PoE	Суммарное потребление
4	Speed dome-DS-2AF-5286-А	15,4 Вт на порт	4*15,4=61,6 Вт
		Всего требуется 61,6	Вт тип 802.3af



2. Принцип работы адаптера PoE

Технология Power over Ethernet не оказывает влияния на качество передачи данных. Для ее реализации используются свойства физического уровня Ethernet:

А) Использование высокочастотных трансформаторов на обоих концах линии с центральным отводом от обмоток. Постоянное напряжение питания подается на центральные отводы вторичных обмоток этих трансформаторов, и так же с центральных отводов снимается на приемной стороне. Использование центральных отводов сигнальных трансформаторов позволяет без взаимного влияния, передавать по одной паре проводов и высокочастотные данные, и постоянное напряжение питание.

В) Использование свободных пар для подключения питания. Современные кабельные сети Ethernet, соответствующие стандарту 100Base-TX, состоят из четырех пар, две из которых не задействованы. Соответственно есть два варианта подачи питания адаптером PoE:

А- на витые пары по которым идут данные (пример) рис.1

B - на неиспользуемые пары в кабеле (пример), рис. 2

Рис. 1 Функциональная схема подачи питания через Ethernet (Вариант А), питание подается через пары данных (контакты 1,2 и 3,6)



Рис. 2 Функциональная схема подачи питания через Ethernet (Вариант B), на неиспользуемые пары в кабеле (контакты 4,5 и 7,8).

Как видно из рисунков PSE адаптеры PoE (PoE инжекторы) отличаются, в зависимости от вариантов А или В, при этом сплиттеры, т.е. PD адаптеры PoE, являются универсальными. PD адаптер PoE обязан уметь принимать питания в любом варианте, в том числе и при изменении полярности (например, когда используется перекрестный кабель типа компьютер-компьютер).

Важным является то обстоятельство, что PSE адаптер PoE подает питание в кабель, только в том случае если подключаемое оборудование является устройством типа PD. Таким образом, оборудование, не поддерживающее стандарт PoE и случайно подключенное к адаптеру PSE, не будет выведено из строя. Процедура подачи и отключения питания на кабель состоит из нескольких этапов.

2.1 Этап определения подключения

Этап “определения подключения” служит для того чтобы определить, является ли оборудование, подключенное на противоположном конце кабеля устройством типа PD. На этом этапе PSE адаптер PoE подает на кабель напряжение от 2.8 до 10 B и определяет параметры входного сопротивления подключаемого оборудования. Для устройства PD - это сопротивление от 19 до 26.5 кОм с параллельно подключенным конденсатором емкостью от 0 до 150 нФ.

Только после проверки соответствия параметров входного сопротивления, PSE адаптер PoE переходит к следующему этапу - этапу классификации, в противном случае PSE повторно, через время не менее 2ms, переходит к этапу “определения подключения”.

2.2 Этап классификации

После этапа определения подключения, PSE адаптер PoE может дополнительно выполнять этап классификации. Этап классификации служит для определения диапазона мощности, которую может потреблять устройство PD, чтобы затем контролировать эту мощность. Каждому устройству PD в зависимости от заявленной потребляемой мощности будет присвоен класс от 0 до 4. Максимальный диапазон мощностей имеет класс 0. Класс 4 зарезервирован стандартом для дальнейшего развития.

PSE адаптер PoE может снять напряжение с кабеля, если устройство PD стало потреблять мощность большую, чем ту, которую объявило во время этапа классификации. Классификация выполняется путём подачи в кабель PSE адаптером PoE напряжения от 14.5 В до 20.5 В и измерения тока в линии.

2.3 Этап подачи полного напряжения

После этапа определения подключения, PSE адаптер PoE может дополнительно выполнять этап классификации. Этап классификации служит для определения диапазона мощности, которую может потреблять устройство PD, чтобы затем контролировать эту мощность.

После прохождения этапов определения и классификации PSE адаптер PoE подает в кабель напряжение 48В с фронтом нарастания не быстрее, чем 400 ms. После подачи полного напряжения на устройство PD, PSE адаптер PoE осуществляет его контроль двумя способами.

1) Если устройство PD в течение 400 ms будет потреблять ток меньше 5 mА, то PSE адаптер PoE снимает питание с кабеля.

2) Адаптер PSE подает в кабель напряжение частотой 500 Гц амплитудой 1.9 - 5.0 В и вычисляет входное сопротивление. Если это сопротивление будет больше, чем 1980 кОм в течение 400 ms, то PSE адаптер PoE снимает питание с кабеля. Кроме того, PSE адаптер PoE непрерывно следит за током перегрузки. Если устройство PD будет потреблять ток в течение 75 ms более 400 mA , то PSE снимет питание с кабеля для 803.af стандарта.

2.4 Этап отключения

Когда FSE адаптер PoE определит, что устройство PD отключено от кабеля или произошла перегрузка потребляемого тока, происходит снятие напряжение с кабеля за время не меньше, чем 500 ms.



3. Расчет функциональной схемы DC/DC преобразователя

Рассмотрим типовую схему повышающего преобразователя DC/DC

3.1 Выводы микросхемы

1. SWC (switch collector) - коллектор выходного транзистора

2. SWE (switch emitter) - эмиттер выходного транзистора

3. CT (capacitor timing) - вход для подключения времязадающего конденсатора

4. V- - земля

5. CNV - инвертирующий вход компаратора

6. V+ - питание

7. Ipk - вход схемы ограничения максимального тока

8. DRC (driver collector) - коллектор драйвера выходного транзистора (в качестве драйвера выходного транзистора также используется биполярный транзистор)

3.2 Элементы

L₁ - накопительный дроссель. Это, в общем-то, элемент преобразования энергии.

С₁ - времязадающий конденсатор, он определяет частоту преобразования. Максимальная частота преобразования для микросхем 34063 составляет порядка 100 кГц.

R₂, R₃ - делитель напряжения для схемы компаратора. На неинвертирующий вход компаратора подается напряжение 1,25 В от внутреннего регулятора, а на инвертирующий вход - с делителя напряжения. Когда напряжение с делителя становится равным напряжению от внутреннего регулятора - компаратор переключает выходной транзистор.

C₄ - соответственно, выходной фильтр. Емкость выходного фильтра определяет величину пульсаций выходного напряжения.

Если в процессе расчетов получается, что для заданной величины пульсаций требуется очень большая емкость, можно расчет сделать для бо'льших пульсаций, а потом использовать дополнительный LC-фильтр.

R₁ - токочувствительный резистор. Он нужен для схемы ограничения тока. Максимальный ток выходного транзистора для MC34063 = 1.5А.

Если пиковый переключаемый ток будет превышать эти значения, то микросхема может сгореть. Если точно известно, что пиковый ток даже близко не подходит к максимальным значениям, то этот резистор можно не ставить.

3.3 Порядок расчета

1) Выбирают номинальные входное и выходное напряжения: V_in, V_out и максимальный выходной ток I_out. В нашей схеме V_in=40В, (т.к. рабочий диапазон напряжения микросхемы 34063 от 3 до 40 В) V_out=24В, I_out=500мА.

2) Выбирают минимальное входное напряжение V_in(min) и минимальную рабочую частоту f_min при выбранных V_in и I_out.

В нашей схеме V_in(min)=35В , выбираем f_min=50 кГц



3) Рассчитывают значение (t_on+t_off)_max по формуле

(t_on+t_off)_max=1/f_min, t_on(max)

- максимальное время, когда выходной транзистор открыт, t_off(max) - максимальное время, когда выходной транзистор закрыт.

(t_on+t_off)_max=1/f_min=1/50 кГц=0.02 мС=20 мкС

4) Рассчитывают отношение t_on/t_off по формуле

t_on/t_off=(V_out+V_F)/(V_in(min)-V_sat-V_out),

где V_F -- падение напряжения на диоде (forward -прямое падение напряжения),

V_sat -- падение напряжения на выходном транзисторе, когда он находится в полностью открытом состоянии (saturation - напряжение насыщения) при заданном токе.

V_sat определяется по графикам или таблицам, приведенным в документации.

Из формулы видно, что чем больше V_in, V_out и чем больше они отличаются друг от друга -- тем меньшее влияние на конечный результат оказывают V_F и V_sat. (t_on/t_off)_max=(V_out+V_F)/(V_in(min)-V_sat-V_out)=(24+0.8)/(40-0.8-24)=1.63

5) Зная t_on/t_off и (t_on+t_off)_max решают систему уравнений и находят t_on(max).

t_off= (t_on+t_off)_max / ((t_on/t_off)_max+1)



t_off =20 мкС/(1.63+1)=12.2 мкС

t_on(max)=20- t_off=20-12.2 мкС=7.8 мкС

6) Находят емкость времязадающего конденсатора С₁ по формуле:

C₁ = 4.5*10^-5*t_on(max).

C₁ = 4.5*10^-5*t_on(max)=4.5*10--5*7.8 мкС=351 pF (это min значение), берем 680pF Чем меньше емкость, тем больше частота. Емкости 680pF соответствует частота 14КГц

7) Находят пиковый ток через выходной транзистор:

I_PK(switch)=2*I_out*(1+t_on/t_off).

Если он получился больше максимального тока выходного транзистора (1.5 ...1.6 А), то преобразователь с такими параметрами невозможен. Нужно либо пересчитать схему на меньший выходной ток ( I_out ), либо использовать схему с внешним транзистором.

I_PK(switch)=2*I_out=2*0.5=1A

8) Рассчитывают R₁ по формуле:

R₁=0,3/I_PK(switch).

R₁=0,3/I_PK(switch)=0.3/1=0.3 Ом

9) Рассчитывают минимальную емкость конденсатора выходного фильтра:



С₄=I_out*t_on(max)/V_ripple(p-p),

С₄=I_PK(switch)*(t_on+t_off)_max/8V_ripple(p-p),

где V_ripple(p-p) - максимальная величина пульсаций выходного напряжения.

Разные производители рекомендуют умножать полученное значение на коэффициент от 1 до 9. Берется максимальная ёмкость из ближайших к рссчётному стандартных значений.

С₄=I_PK(switch)*(t_on+t_off)_max/8V_ripple(p--p)

С₄=1*12.2 мкС/8*50 мВ=30 мкФ, берем 100 мкФ

10) Рассчитывают минимальную индуктивность дросселя:

L_1(min)=t_on(max)*(V_in(min)-V_sat)/I_PK(switch).

Если получаются слишком большие C₄ и L₁, можно попробовать повысить частоту преобразования и повторить расчет.

Чем выше частота преобразования - тем ниже минимальная емкость выходного конденсатора и минимальная индуктивность дросселя.

L_1(min)=t_on(max)*(V_in(min)-V_sat-V_out)/I_PK(switch)

L_1(min)=7.8 мкС *(40-0.8-24)/1=120 мкГн

11) Сопротивления делителя рассчитываются из соотношения

V_out=1,25*(1+R₂/R₃).



Эти резисторы должны быть не менее 30 Ом.

Для V_out=24В берем R₂=1.1кОм , тогда R₃=20кОм

В моем случае, питание по технологии PoE оптимально подходит для проектирования моей дипломной работы.

Эта технология существенно развивается в сфере IP-камер.

Данные расчета	R1	С1	С4	Vin	Vout	Vin(min)	fmin	Iout
Номиналы и ед изм	0.3(Ом)	680(пФ)	100(мкФ)	40(B)	24(B)	35(B)	50(кГц)	0.5(A)

Размещено на Allbest.ru

...