Avec la norme IEEE 802.3bt en passe de finalisation, la puissance
électrique délivrée – 100 W – va tripler par rapport à celle supportée
par la norme IEEE 802.3at, le précédent standard datant de 2009. Il
est indispensable de réfléchir à la qualité de câbles et de connecteurs
qui doivent aussi transmettre un volume de données sans cesse
croissant, à des vitesses de plus en plus soutenues.
Des études approfondies ont été réalisées afin de comprendre les effets que l’accroissement
de la puissance délivrées peut avoir sur
les câbles Ethernet. De la norme PoE,
première du nom, à la norme 4PPoE – Four
Pair Power over Ethernet1 – en passant
par PoE+, quatre niveaux de puissance
s’offrent aux entreprises (voir Tableau 1).
Conformément aux recommandations
de la Telecommunications Industry
Association (TIA), les études préconisent
que l’augmentation de la température au
centre de faisceau d’un câble Ethernet, ne
dépasse pas 15°C. Cette augmentation de la
température dépend de la taille du faisceau, du courant qui traverse les paires torsadées,
du nombre de paires torsadées alimentées et
bien sûr, de la constitution du câble Ethernet
(paires enrobées ou non, canal d’isolation
central, blindage périphérique, etc.).
Comme indiqué dans le tableau déjà évoqué,
la norme IEEE 802.3bt, nécessite une
augmentation du courant d’environ 360 mA
pour atteindre le niveau de puissance visé
par le Type 4, à savoir 960 mA. A cette fin, il
devient nécessaire de mobiliser les quatre
paires d’un câble Ethernet standard, par
rapport à l’utilisation typique de deux des
quatre paires seulement dans la solution
retenue par les standards PoE et PoE+.
DES ÉLÉMENTS À
RETENIR POUR LE
CÂBLAGE
Se référant aux limites d’élévation de
température recommandées par la TIA dans un
document référencé TSB-184, les fabricants de
câbles Ethernet fournissent des informations
sur la taille maximale d’un faisceau pour lequel
l’échauffement reste inférieur à 10°C. Pour qui
vise un accroissement de la puissance
véhiculée par le standard PoE avec la norme
IEEE 802.3bt, cette règle demeure inchangée :
la température maximale du câble en
fonctionnement doit être inférieure ou égale à
la température ambiante à laquelle on ajoute
la valeur d’élévation fonctionnelle de la
température retenue. En ce qui concerne,
l’exploitation des standards PoE et PoE+, les
câbles des catégories Cat5E, Cat6 et Cat6A
sont tous conformes aux conditions qui
viennent d’être évoquées, lorsqu’ils sont
regroupés en faisceaux comptant jusqu’à une
centaine d’unités, chacune constituée de
quatre paires torsadées.
Le futur standard 4PPoE va mobiliser quatre
paires torsadées au lieu de deux, en plus
d’élever sensiblement l’intensité du courant
qui parcourt la liaison. Or, sans même évoquer
les différences en termes de blindage et de
couches d’isolant séparant chaque paire
torsadées, tous les câbles Ethernet ne se
valent pas, même lorsqu’ils appartiennent à la
même catégorie. Par exemple, le diamètre des
fils composant les paires aura une incidence
directe sur l’élévation de la température
consécutive au transport de l’alimentation. Dit
autrement, une taille de conducteur plus
petite augmente la résistance et donc la
hausse de la température dans les faisceaux de
câbles. Quelle que soit la catégorie à laquelle
ils appartiennent, les câbles Ethernet portent
une indication permettant de connaître le
diamètre des conducteurs qui les
composent : le calibre AWG (de
l’anglais, American Wire Gauge). Par
exemple, un câble Ethernet
Cat5E supportant les
transferts de données au
standard Gigabit
Ethernet pourra
porter la mention
26 AWG ou
24 AWG (voir
Tableau 2).
Ce qu’il faut retenir ici, c’est que plus le calibre
est petit, plus le diamètre du fil est important
et moins il y a de résistance électrique aux
signaux qu’il véhicule. Les câbles de réseau en
cuivre de plus petit calibre AWG sont
généralement disponibles dans des longueurs
plus grandes car ils offrent moins de résistance
et permettent aux signaux de voyager plus
loin. Moins de résistance génère également
moins de chaleur. Un câble de réseau 22 AWG
offrira moins de résistance qu’un câble
24 AWG ou 26 AWG.
Les normes limitent l’augmentation de la
température maximale à 10°C dans le faisceau
de câbles, ce qui donne une température
ambiante maximale de 50°C puisque les câbles
Ethernet doivent fonctionner jusqu’à 60°C.
Lors de tests simulant un courant 4PPoE de
0,48 A constant dans un faisceau comportant
une centaine d’unités, l’élévation de
température relevée a été deux fois moins
importante en utilisant des câble 22 AWG en
comparaison de câbles 26 AWG. Le diable
étant comme toujours dans les détails, on
notera que les normes ne recommandent pas
le recours à des câbles Ethernet 22 AWG mais
l’utilisation de câbles Ethernet Cat6A ou
supérieur.
DES CONNECTEURS
OBLIGATOIREMENT
RENFORCÉS
Mais une installation Ethernet PoE+ ou
4PPoE ne se limite pas à quelques métrages
de câbles de telle ou telle catégorie
puisqu’elle mobilise une paire de
connecteurs à chaque extrémité.
Outre les performances thermiques du
faisceau de câbles, l’autre élément à prendre
en compte est le branchement et le
débranchement de la connexion en charge.
Lorsque les câbles Ethernet supportent une
consommation d’énergie atteignant 100 W,
des arcs électriques se forment lorsque les
contacts se séparent. Cette situation se
présente évidement lorsqu’une fiche mâle et
une fiche femelle sont déconnectées.
L’élévation de la température aux extrémités
des câbles Ethernet peut aussi dilater les
connecteurs au point que les contacts
prennent du jeu et que des microcoupures
surviennent, provoquant des erreurs de
transmission des données.
La température très élevée d’un arc
électrique – aussi modeste soit-il – va à la
fois, endommager l’état de surface du métal
aux points de contact et carboniser au sens
littéral du terme, les impuretés (graisse,
poussières, etc.) qui y sont présentes. A
l’usage, la répétition de tels dommages, fait
s’accumuler des dépôts de carbone aux
points de contact qui vont dégrader la
qualité de la transmission des données.
Cette situation prévaut déjà pour toutes les
liaisons Ethernet s’appuyant sur les
standards d’alimentation PoE et PoE+. En
quadruplant la puissance délivrée, le
standard 4PPoE accroît le phénomène de
fusion-carbonisation et peut donc, accélérer
considérablement la dégradation des
connexions.
Pour endiguer ce problème et donc, réduire
les risques qui pèsent sur la qualité des
transferts de données avec les liaisons
4PPoE, il est nécessaire d’avoir recours à
deux adaptations techniques. La première
consiste à s’assurer que les points où
s’opèrent la séparation des contacts lors de
la déconnexion de connecteurs mâle et
femelle, soient différents des points qui se
touchent lorsque la liaison est verrouillée. Si
des dépôts carbonés se forment aux points
de rupture, ils n’ont en pratique plus
d’influence sur la qualité de la liaison en
position normale de fonctionnement des
connecteurs. La norme IEC 60603-7 garantit
que la zone dans laquelle le contact est
coupé, donnant lieu à la production
d’étincelles, est séparée de la zone où le
contact entre la fiche et la prise est établi en
mode d’exploitation normal.
La seconde solution technique doit
permettre d’éviter les microcoupures dans
le cas où l’échauffement de l’extrémité des
paires torsadées, provoquerait
l’accroissement du jeu fonctionnel des
connecteurs par dilation thermique. Il faut
ici, s’assurer que la force qui pousse les
contacts l’un contre l’autre est suffisante.
Les connecteurs RJ45 renforcés tels que
ceux conçus pour les applications
industrielles (Amphenol, Panduit, Schneider
Electric…) appliquent une force d’appui aux
points de contact qui atteint au moins
100 g. Outre la protection contre les
microcoupures, cette force est aussi
suffisante pour arracher par friction,
d’éventuels dépôts de carbone lors de la
connexion du couple mâle-femelle.
Les caractéristiques des connecteurs au
format RJ45 ou M12 employés dans les
installations Ethernet PoE, PoE+ dans
l’industrie, doivent aussi subir une
certification de conformité à la norme IEC
60512-99-1. Elle définit un programme
d’essai relatif aux connexions et
déconnexions sous charge électrique,
applicable aux connecteurs utilisés dans le
câblage des liaisons sur paires torsadées
permettant une alimentation à distance.
Ces tests consistent en séries de vingt-cinq
cycles de connexions et de déconnexions
en charge, avec entre chaque série, une
phase de vieillissement en atmosphère
gazeuse corrosive. Avant et après, ces
processus répétés, un contrôle visuel de
l’état des contacts est effectué au
microscope, une mesure de la résistance
électrique tandis que des mesures de
performance dans la transmission des
données, sont réalisées au banc. Au total,
un connecteur peut subir 750 déconnexions
pour qualifier sa conformité.
Une révision référencée IEC 60512-99-2, de
la norme qui vient d’être décrite, définira
les critères de tests des connecteurs
conformes aux besoins de déploiement de
liaisons s’appuyant sur le standard 4PPoE.
Parallèlement, différentes parties de la
norme IEC 60603-7 ne manqueront pas
d’évoluer, notamment pour intégrer de
nouveaux critères de résistance à
l’élévation de leur température maximale
de fonctionnement.
