Power over Ethernet (PoE)

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Le Power over Ethernet (PoE) ou Alimentation électrique par câble Ethernet permet d’alimenter un équipement par le câble Ethernet. Cette technologie est très utilisée pour alimenter les caméras de surveillance et les téléphones sur IP. Il suffit de raccorder l’équipement par un simple câble Ethernet, il n’est plus nécessaire de le raccorder à une alimentation électrique externe.

L’équipement qui fournit l’alimentation est nommé Power Sourcing Equipment (PSE). L’équipement qui est de l’autre côté du câble et qui consomme le courant est nommé Powered Device (PD).

Cette technologie a été définie en 2003 par la norme IEEE 802.3af. Elle permettait à l’origine de fournir une puissance de 15.4 W (Type 1) en utilisant 2 paires du câble avec un courant de 350 mA maximum sous une tension de 44 V à 57 V.

En 2009 la norme IEEE 802.3af a été remplacée par la norme IEEE 802.3at. Cette norme appelée PoE+ permet de fournir une puissance de 30 W (Type 2) en utilisant 2 paires du câble avec une tension de 44 V à 57 V. Un câble de catégorie 5 est indispensable à partir de cette norme.

En 2018, le nouvelle norme 802.3bt appelée PoE++ permet d’atteindre une puissance de 60W (Type 3) ou 90 W (Type 4) en utilisant les 4 paires du câble Ethernet.

Exemple d’utilisation du PoE

Prenons l’exemple d’une caméra IP. La caméra nécessite une alimentation pour fonctionner et transmettre ses images au Switch via le câble Ethernet. L’installateur devra donc positionner la caméra prêt d’une prise de courant ou bien tirer une prise électrique jusqu’à la caméra en plus du câble Ethernet.

Caméra IP alimentée par un source externe

L’utilisation du PoE va simplifier l’installation de la caméra. Il n’est plus nécessaire d’avoir une source de courant à l’endroit de son installation. En effet le Switch PoE va générer le courant qui sera transmis par le câble Ethernet à la caméra. Le Switch et la camera doivent bien entendu tous les deux supporter la norme PoE.

Caméra IP alimentée par le Switch via le câble Ethernet

Injecteur PoE

Si votre Switch n’est pas compatible avec la norme PoE, il est possible d’utiliser un injecteur PoE. L’injecteur ajoute de l’énergie provenant de l’alimentation externe aux données provenant d’un Switch non PoE et transmet le courant et les données au PD (caméra par exemple).

Utilisation d’un injecteur PoE dans le cas ou le Switch ne supporte pas le PoE

Splitter PoE

Si votre équipement (caméra IP dans le schéma ci-dessous) n’est pas compatible avec la norme PoE, il est possible d’utiliser un Splitter PoE. Certains Splitter fournissent une tension de sortie configurable (e.g. 5 V, 9 V ou 12 V) sur un connecteur DC. D’autres Splitter fournissent du 5 V via une sortie USB.

Utilisation d’un Splitter PoE dans le cas ou la caméra IP ne supporte pas le PoE

Schémas d’alimentation

Le principe du Power over Ethernet (PoE) est d’utiliser des transformateurs à prise centrale. Dans le schéma ci-dessous, le signal des données qui est cadencé à un taux de symboles de 125 MHz est appliqué en entrée des deux transformateurs de gauche (paire 1/2 pour le transformateur du haut et paire 3/6 pour le transformateur du bas par exemple). Une tension continue de 48 V est appliquée entre les deux prises centrales des deux transformateurs de gauche. On récupère le signal des données en sortie des deux transformateurs de droite. La tension de 48 V est récupérée entre les deux prises centrales des transformateurs de droite. Le courant est ainsi transmit sur les mêmes paires que les données sans en perturber le fonctionnement.

Voici un lien vers cette simulation falstad d’un schéma d’alimentation sur 2 paires d’un câble Ethernet. On voit bien sur les deux premiers oscilloscopes que les données ne sont pas altérées par la tension continue de 48 V et que la tension continue de 48 V n’est pas non plus altérée par le signal des données.

Simulation d’un schéma d’alimentation sur 2 paires utilisant des transformateurs à prise centrale

Principe de fonctionnement d’un transformateur à prise centrale

Un transformateur à prise centrale permet d’ajouter une tension sur le signal de sortie du transformateur. Voici un exemple de ce principe simulé sur le schéma du bas de cette simulation falstad.

Tension appliquée sur la prise centrale d’un transformateur (circuit du haut)

Le circuit du haut montre l’utilisation d’un transformateur sans prise centrale de ratio 2. Le signal d’entrée est une tension sinusoïdale de 10 V à 40 Hz. L’oscilloscope en bas à gauche affiche en vert la tension d’entrée et en rouge la tension de sortie du transformateur. Nous voyons bien que le signal de sortie est à la même fréquence que le signal d’entrée mais que sa tension est de 20 V. Ce qui est le double de la tension d’entrée puisque le transformateur a un ratio de 2.

Le circuit du bas utilise un transformateur à prise centrale sur laquelle est appliquée une tension continue de 20 V. L’oscilloscope en bas à droite affiche en vert la tension d’entrée qui varie entre -10 V et +10 V à une fréquence de 40 Hz comme pour le circuit du haut. La tension de sortie en rouge sur l’oscilloscope a toujours la même fréquence de 40 Hz, mais par contre la tension de sortie varie entre +10 V et +30 V.

Les modes (Mode A, Mode B) d’injection de courant

La norme 802.3 définit deux alternatives pour l’injection du courant dans le câble par le PSE :

  • Mode A : l’alimentation est fournie via les prises centrales des transformateurs de couplage sur les paires 1/2 et 3/6.
  • Mode B : L’alimentation est fournie via les paires 4/5 et 7/8 dans le cas du 10BASE-T/100BASE-TX, et via les prises centrales des transformateurs de couplage sur les paires 4/5 et 7/8 dans le cas du 1000BASE-T.

Comme je l’explique dans mon article sur Ethernet, Ethernet 10BASE-T et 100BASE-TX n’utilisent que 2 paires (1/2 et 3/6) pour véhiculer les données. Dans le mode A le courant est transmis sur les mêmes paires que les données (1/2 et 3/6). Dans le mode B, les 2 paires non utilisées pour les données (4/5 et 7/8) sont utilisées pour véhiculer le courant.

Schéma pour Ethernet 10BASE-T/100BASE-TX (mode A en vert et mode B en rouge)

Ethernet 1000BASE-T utilise les 4 paires du câble pour transmettre les données à 1 Gbit/s. Le courant est donc forcément véhiculé sur les mêmes paires que les données. Avec PoE++, il est possible de faire passer le courant sur les 4 paires à la fois pour avoir plus de puissance.

Schéma pour Ethernet 1000BASE-T (mode A en vert et mode B en rouge)

Il est possible de simuler le schéma d’alimentation sous Falstad. Dans l’exemple ci-dessous nous simulons le schéma d’alimentation Ethernet 100BASE-TX avec un PSE en mode B.

Simulation sous falstad d’un schéma d’alimentation Ethernet 100BASE-TX en mode B

PSE End-span vs PSE Mid-span

Un PSE peut-être End-span ou Mid-span.

Un PSE End-span fournit directement l’alimentation PoE à un PD. Un Switch PoE est un exemple de End-span.

Le Switch est un PSE End-span

Un PSE Mid-span sert de périphériques intermédiaires entre un Switch non compatible PoE et un PD compatible PoE. Un injecteur PoE est un exemple de PSE Mid-span.

L’injecteur est un PSE Mid-span

Schéma d’alimentation pour un PSE Mid-span

Schéma d’alimentation d’un PSE Mid-span pour Ethernet 10BASE-T/100BASE-TX (mode A en vert et mode B en rouge)

Polarités utilisées par le PSE

On retrouve souvent des approximations sur les polarités du PoE. Pour être précis, la norme IEEE distingue 3 alternatives pour les polarités du PoE sur un PSE :

  • PSE MDI-X utilisant le Mode A
  • PSE MDI utilisant le Mode A
  • PSE utilisant le Mode B

Notez que les PSE qui utilisent des ports MDI/MDI-X à configuration automatique (« Auto MDI-X ») peuvent choisir l’un ou l’autre choix de polarité associé aux configurations de l’alternative A.

Polarités d’un PSE

PoE et Arduino

Il existait un Shield Ethernet incluant un module PoE pour Arduino Uno. Malheureusement ce module n’est plus disponible sur le site Arduino.

Arduino Ethernet Shield 2 incluant le PoE (indisponible)

Un Shield Ethernet PoE de la marque DFRobot (ref DFR0850) est disponible chez GoTronic.

Shield Ethernet PoE pour Arduino

PoE et Raspberry Pi

Le Raspberry Pi 4 Model B utilise un connecteur RJ45 de référence Trxcom TRJG0926HENL, dont voici le schéma interne :

Schéma du connecteur RJ45 TRJG0926HENL utilisé par le Raspberry Pi 4 Model B

Les 4 prises centrales des transformateurs de couplages (VC1..VC4) sont reliées au connecteur 4 broches « PoE » du Raspberry Pi. Il est donc possible de récupérer directement le courant PoE via ces broches.

Broches PoE du Raspberry Pi
Connecteur PoE 4 broches du Raspberry Pi 4

Attention la tension sur ces bornes n’est pas de 5 V mais d’environ 48 V. Il ne faut pas alimenter le Raspberry Pi directement via ces broches mais utiliser un module PoE. Par exemple ce module permet de transformer l’alimentation PoE en alimentation 5 V pour le Raspberry Pi .

Les modules PoE HAT ci-dessous permettent d’alimenter un Raspberry Pi via un simple câble Ethernet.

Vous trouverez dans cet article un comparatif des différents PoE HAT pour le Raspberry Pi.

Je vous invite à lire l’article de François Mocq sur Framboise314.fr à propos du nouveau module HAT PoE+ de la fondation Raspberry.

Testeur PoE

Il existe des petits dispositifs qui permettent de vérifier le mode utilisé par le PSE (Mode A ou Mode B).

Testeur PoE
Testeur Power over Ethernet (PoE) de la marque DIGITUS

Ce type de testeur fait le raccourci qu’un End-span utilise forcément le Mode A et qu’un Mid-span utilise forcément le Mode B. Si c’est souvent le cas, il aurait été plus juste d’indiquer Mode A / Mode B à la place de Endspan / Midspan sur le testeur. Car c’est bien le Mode que le testeur permet de vérifier.

Comme on le voit sur les photos suivantes, le testeur ne permet pas de tester si il s’agit d’un PSE de type Endspan ou Midspan, mais uniquement si celui-ci utilise le Mode A (LED Endspan) ou le Mode B (LED Midspan).

Testeur PoE utilisé sur un switch Netgear
Le testeur connecté au port d’un Switch PoE+ indique qu’il s’agit d’un équipement de type Endspan (ce qui est correct)
Le testeur connecté au port d’un injecteur PoE+ indique qu’il s’agit d’un équipement de type Endspan alors qu’il s’agit d’un équipement de type Midspan utilisant le Mode A

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