Übungsaufgaben zu Power over Ethernet

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Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Power over Ethernet“.

Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/power-over-ethernet
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/power-over-ethernet-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Power over Ethernet
- PoE
- PoE-Budget
- IEEE 802.3af
- IEEE 802.3at
- IEEE 802.3bt
- PoE-Injektor
- Leistungsklasse
- Leitungsverlust

Kompetenzstufe: Profilkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Kernkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

• Player im Gebäude (2 P): Die Steckdose ist schon da, der Anschluss kostet also kaum Aufwand – das spricht für den Vorschlag. Dagegen spricht der Betrieb: Fällt im Flur der Strom aus, gehen die Player sofort aus, während PoE-Player über eine USV im Verteiler weiterlaufen und nach der Störung nicht einzeln geprüft werden müssen. Hängt ein Player, startet die Schul-IT ihn bei PoE aus der Ferne neu, indem sie den Port kurz abschaltet; mit Netzteil muss jemand hingehen. Beide Lösungen sind vertretbar, wenn diese Nachteile in Kauf genommen werden.

• Player am Parkplatzausgang (2 P): Hier müsste eine Elektrofachkraft erst eine Steckdose auf einem abgesicherten Stromkreis setzen, im Außenbereich zusätzlich mit passender Schutzart. Die Netzwerkdose ist schon da; mit PoE (9 W liegen innerhalb von 802.3af) und einem Splitter am Player entfällt die Neuinstallation. Für diesen Player ist PoE die bessere Wahl, sofern der Kanal höchstens 100 m lang ist.

Je Fehler 1 P für Benennen und Begründen, 1 P für die Korrektur:

• Injektor-Buchsen vertauscht: Die Buchse „Data + Power“ führt die PoE-Spannung und muss in Richtung Endgerät zeigen; so läge die Spannung am Switchport, und beim Player käme keine Energie an. Korrektur: Switch an „Data“, „Data + Power“ an das Patchfeld.

• Verlegekabel zu lang: Der Kanal hält mit 1 m + 1 m + 96 m + 2 m = 100 m die Grenze von 100 m zwar gerade noch ein, das fest verlegte Kabel darf aber höchstens 90 m lang sein. Korrektur: kürzeren Kabelweg bzw. eine Anschlussdose näher am Verteiler wählen oder einen näher gelegenen Verteiler nutzen.

• Player ohne PoE-Eingang: Die Netzwerkbuchse des Players nimmt keine PoE-Energie auf, der Player bliebe dunkel. Korrektur: Direkt am Player einen PoE-Splitter einsetzen, der die Daten über ein kurzes Patchkabel an die Netzwerkbuchse und 5 V über USB-C an den Player gibt.

Wie die korrigierte Kette aussieht, zeigt die Abbildung im Artikel Power over Ethernet (Kamera am Injektor, Mini-Player am Splitter).

Je Unterschied 1 P, z. B.:

• Ein PoE-Switch versorgt mehrere Geräte gleichzeitig; je Injektor wird ein Gerät versorgt.

• Der PoE-Switch teilt sein Budget auf alle Ports auf; jeder Injektor liefert seine Leistung nur für seinen Port.

• Der PoE-Switch braucht einen Netzanschluss; jeder Injektor belegt eine eigene Steckdose.

• Der PoE-Switch lässt sich zentral verwalten (Ports abschalten, Neustart aus der Ferne, Verbrauch anzeigen); einfache Injektoren nicht.

• Einzelne Injektoren sind günstiger als ein neuer PoE-Switch und erlauben das Nachrüsten am vorhandenen Switch.

Ein passiver Injektor legt dauerhaft 24 V auf die Leitung, ohne vorher zu prüfen, ob ein passendes Gerät angeschlossen ist (keine Erkennung und Klassifizierung nach IEEE 802.3) (1 P). Der PoE-Splitter am Player erwartet genormtes PoE mit etwa 48 V: Er liefert dann keine 5 V oder wird beschädigt; ein versehentlich angeschlossener Laptop oder Switch könnte ebenfalls Schaden nehmen (1 P). Der Vorschlag ist abzulehnen; es sollte ein normgerechter Injektor nach 802.3af/at verwendet werden (1 P).

• Die Kamera wird über das Netzwerkkabel mit Energie versorgt (Power over Ethernet) und braucht keine eigene Steckdose bzw. kein Netzteil (1 P).

• IEEE 802.3af ist der erste PoE-Standard (Typ 1) (1 P): Gleichspannung um 48 V über zwei Aderpaare (1 P).

• Der Switchport muss bis zu 15,4 W bereitstellen, an der Kamera kommen höchstens 12,95 W an (1 P).

Je Gerät 1 P:

• Zutrittsleser: 802.3af – 5,8 W liegen unter 12,95 W (sogar Klasse 2 mit 6,49 W reicht).

• Wärmebildkamera: 802.3at – 14,1 W sind mehr als die 12,95 W von 802.3af, aber weniger als 25,5 W.

• Access Point: 802.3bt Typ 3 – 48 W übersteigen 25,5 W, liegen aber unter 51 W (Klasse 6).

• Großanzeige: 802.3bt Typ 4 – 68 W sind mehr als 51 W und weniger als 71,3 W (Klasse 8).

• Erkennung (1 P): Der Switch legt eine kleine Prüfspannung an und misst den Widerstand; ein PoE-Gerät hat eine passive Eingangsschaltung mit einem Signaturwiderstand von etwa 25 kΩ. Ohne diese Signatur bleibt der Port stromlos.

• Klassifizierung (1 P): Mit einer etwas höheren Spannung misst der Switch den Strom und ermittelt daraus die Leistungsklasse des Geräts; beide müssen eine passende Klasse bzw. denselben Standard beherrschen.

• Einschalten und Aushandeln (1 P): Reicht das Budget, schaltet der Switch die Betriebsspannung von etwa 48 V auf; per LLDP kann danach der tatsächliche Leistungsbedarf genauer ausgehandelt werden.

• Die zusätzlichen Access Points brauchen 802.3at; das liefern alle Ports (1 P).

• Die PTZ-Kameras melden Klasse 6, brauchen also 802.3bt mit bis zu 60 W über vier Aderpaare. Die Ports liefern höchstens 30 W nach 802.3at; die PTZ-Kameras können hier nicht angeschlossen werden, egal wie viel Budget frei ist (1 P).

Geg.: Access Points 6 + 4 = 10 (Klasse 4, 30 W an der PSE); Kameras 8 (Klasse 2, 7 W an der PSE); P_B = 410 W

Ges.: reservierte Leistung P_{res} und Bedarf mit Reserve P_{R}

P_{res} = n_{AP} \cdot P_{Kl4} + n_{Kam} \cdot P_{Kl2} = 10 \cdot 30\ \mathrm{W} + 8 \cdot 7\ \mathrm{W} = \underline{\underline{356\ \mathrm{W}}}

P_{R} = 1{,}2 \cdot 356\ \mathrm{W} = \underline{\underline{427{,}2\ \mathrm{W}}}

Rechnung 2 P. Beurteilung 2 P: Die 356 W passen in das Budget von 410 W (frei bleiben 54 W). Mit 20 % Reserve wären 427,2 W nötig; für spätere Erweiterungen reicht der Switch also nicht. (Vor der Erweiterung waren es 6 \cdot 30\ \mathrm{W} + 56\ \mathrm{W} = 236\ \mathrm{W}.)

• Vorteil (1 P): Statt 356 W sind nur 10 \cdot 16\ \mathrm{W} + 8 \cdot 5\ \mathrm{W} = 200\ \mathrm{W} belegt; selbst mit 20 % Reserve (240 W) bleibt viel Budget frei.

• Risiko (1 P): Steigt der Verbrauch (mehr Clients, Kameraheizung im Winter), muss der Switch nachregeln; im Engpass schaltet er Ports ab. Wichtige Geräte brauchen deshalb eine hohe Port-Priorität.

• PTZ-Kameras (1 P): zwei Injektoren nach 802.3bt (60 W) mit eigener Steckdose im Technikraum oder ein Switch mit 802.3bt-Ports.

Tabelle mit drei sinnvollen Kombinationen 3 P, richtige Auswahl 2 P: 1 × S-24P und 1 × S-8 für 1.640,00 €; alle PoE-Geräte hängen am S-24P, die übrigen Geräte am S-8 (beide über einen Uplink verbunden). Wer mehr Reserve und nur ein Gerät im Schrank möchte, kann begründet den S-48P wählen.

• Angabe (1 P): Die Kamera lässt sich wahlweise mit einem 12-V-Netzteil (10,8 bis 13,2 V) oder über das Netzwerkkabel versorgen. Sie braucht bis zu 19 W; das ist mehr als die 12,95 W von 802.3af, deshalb ist ein Port nach 802.3at nötig, für den der Switch 30 W reserviert.

• Entscheidung (1 P): Versorgung über PoE.

• Kriterien (2 P, je Kriterium 1 P, höchstens 2), z. B.: Der Livestream läuft bei einem Stromausfall in der Aula weiter, wenn der PoE-Switch an einer USV hängt; die Kamera lässt sich bei einem Hänger über den Port neu starten, ohne auf die Bühne zu steigen; an der Bühnenrückwand muss keine Steckdose gesetzt werden. Zu beachten ist, dass die 30 W ins Budget des versorgenden Switches passen müssen.

Ein Kupfer-Kanal darf höchstens 100 m lang sein; mit 123 m wäre die Strecke für Daten und PoE zu lang (1 P). Lösungen, je 1 P: ein PoE-Extender auf der Strecke, der selbst per PoE versorgt wird und Daten und Energie für weitere bis zu 100 m weitergibt; ein kleiner PoE-Switch in der Aula, der über Lichtwellenleiter (oder eine Kupferstrecke unter 100 m) an den Etagenverteiler angebunden ist und die Kamera über eine kurze Leitung versorgt.

Nach 802.3af kommen am Gerät höchstens 12,95 W an; 13 W liegen knapp darüber (1 P). Die Kamera braucht deshalb einen Port nach 802.3at (PoE+, Klasse 4), sonst startet sie nicht zuverlässig oder fällt unter Last aus (1 P).

Geg.: P_B = 150 W; Access Points 6 + 6 = 12 (Klasse 4, je 18 W); Kamera 1 (Klasse 4, 13 W)

Ges.: Bedarf nach Klasse P_{Kl} (2 P)

P_{Kl} = 13 \cdot 30\ \mathrm{W} = \underline{\underline{390\ \mathrm{W}}} > 150\ \mathrm{W}

Schon heute (7 \cdot 30\ \mathrm{W} = 210\ \mathrm{W}) reicht das Budget nur, weil der Switch nach Verbrauch zuteilt.

Ges.: Bedarf nach Verbrauch P_{V} (2 P)

P_{V} = 12 \cdot 18\ \mathrm{W} + 13\ \mathrm{W} = \underline{\underline{229\ \mathrm{W}}} > 150\ \mathrm{W}

In beiden Fällen reicht SW-A0 nicht. Die Aula-APs brauchen einen eigenen PoE-Switch (z. B. in der Aula, siehe b) oder Injektoren.

Geg.: P_PSE = 60 W; 2 Aderpaar-Sätze mit je I = 0,6 A und R_1 = 10 Ω

Ges.: Verlustleistung P_{V1} und Leistung am AP P_{PD1} (2 P)

Der Verlust entsteht in beiden Aderpaar-Sätzen:

P_{V1} = 2 \cdot I^2 \cdot R_1 = 2 \cdot (0{,}6\ \mathrm{A})^2 \cdot 10\ \Omega = \underline{\underline{7{,}2\ \mathrm{W}}}

P_{PD1} = P_{PSE} - P_{V1} = 60\ \mathrm{W} - 7{,}2\ \mathrm{W} = \underline{\underline{52{,}8\ \mathrm{W}}}

Das ist mehr als die 51 W, die ein Gerät nach 802.3bt Typ 3 höchstens aufnehmen darf; auf dem kürzeren Kanal bleibt also Reserve.

Ges.: Spannungsfall \Delta U und Spannung am AP U_{PD} (2 P)

Geg.: U_PSE = 50 V; I = 0,6 A; R_2 = 14 Ω

\Delta U = I \cdot R_2 = 0{,}6\ \mathrm{A} \cdot 14\ \Omega = \underline{\underline{8{,}4\ \mathrm{V}}}

U_{PD} = U_{PSE} - \Delta U = 50\ \mathrm{V} - 8{,}4\ \mathrm{V} = \underline{\underline{41{,}6\ \mathrm{V}}}

Beurteilung (1 P): 41,6 V liegen unter den geforderten 42,5 V. Bei voller Last ist der Betrieb nicht mehr normgerecht; mit den 12,5 Ω des ursprünglichen Kanals wären es genau 50\ \mathrm{V} - 0{,}6\ \mathrm{A} \cdot 12{,}5\ \Omega = 42{,}5\ \mathrm{V}. Die langen dünnen Patchkabel müssen kürzer werden oder durch Kabel mit größerem Querschnitt ersetzt werden.

Je 1 P, z. B.: kleinere Bündel bilden bzw. Leitungen locker und aufgeteilt führen; belüftete Kabelwege statt geschlossener Kanäle; Leitungen mit größerem Querschnitt (AWG 23 oder 22) und höherer Kategorie (Cat 6A/7A) verwenden; Grenzwerte der Normen zur Fernspeisung (z. B. DIN EN 50174-2) bei der Planung beachten.