PoE verstehen: Strom über das Netzwerkkabel erklärt

Du willst einen Access Point mitten im Flur an die Decke hängen. Dort ist ein Netzwerkanschluss, aber keine Steckdose. Oder du brauchst eine Kamera am Zaun, 70 Meter vom Gebäude entfernt. Ein Stromkabel dorthin zu ziehen, wäre aufwendig und müsste von einer Elektrofachkraft verlegt werden. Das Netzwerkkabel liegt aber schon da.

Die Lösung heißt PoE, Power over Ethernet: Das Gerät bekommt Daten und Strom über dasselbe Kabel. In den Beiträgen zu WLAN-Grundlagen und Switch, Router, Access Point und Firewall ist PoE schon mehrfach aufgetaucht. Jetzt schauen wir uns an, wie es funktioniert.

Was ist PoE?

PoE ist ein Verfahren, bei dem ein Netzwerkgerät über das normale Twisted-Pair-Kabel zugleich mit Strom versorgt wird. Zwei Rollen gehören dazu:

PSE (Power Sourcing Equipment) ist das Gerät, das den Strom einspeist. Meist ist das ein PoE-Switch, es kann aber auch ein Injektor (Midspan) sein.
PD (Powered Device) ist das Gerät, das den Strom bezieht, zum Beispiel ein Access Point, eine IP-Kamera oder ein VoIP-Telefon.

Der Vorteil liegt auf der Hand: Das Gerät braucht weder ein Netzteil noch eine Steckdose in der Nähe. Du kannst es dort anbringen, wo es technisch am besten passt, nicht dort, wo zufällig Strom liegt.

Der PoE-Switch speist Strom ein, das Gerät am anderen Ende des Kabels bezieht ihn.

Die PoE-Standards

PoE ist von der IEEE genormt, damit Geräte verschiedener Hersteller zusammenpassen. Es gibt drei Generationen:

Standard	Name	Typ	Leistung am Switch-Port (PSE)	Leistung am Gerät (PD)	Genutzte Aderpaare
IEEE 802.3af	PoE	Typ 1	15,4 W	12,95 W	2
IEEE 802.3at	PoE+	Typ 2	30 W	25,5 W	2
IEEE 802.3bt	PoE++ (4PPoE)	Typ 3	60 W	51 W	4
IEEE 802.3bt	PoE++ (4PPoE)	Typ 4	90 W	71,3 W	4

Zwei Zahlen fallen auf: Am Gerät kommt weniger an, als der Switch einspeist. Der Unterschied ist die Leistung, die im Kabel selbst verloren geht. Und die Standards sind aufwärtskompatibel: Ein 802.3at-Switch versorgt auch ein 802.3af-Gerät.

Wo kommt der Verlust her?

Das Kabel hat einen Widerstand, und das kennst du aus den Beiträgen Elektrische Grundgrößen und Elektrische Leistung. Fließt Strom durch einen Widerstand, geht Leistung als Wärme verloren: P = I² × R. Die Standards rechnen mit dem höchsten zulässigen Leitungswiderstand für ein 100-m-Kabel. Das lässt sich nachrechnen:

802.3af: Strom 0,35 A, Schleifenwiderstand etwa 20 Ω
P_Verlust = 0,35² × 20 = 0,1225 × 20 = 2,45 W
15,4 W − 2,45 W = 12,95 W am Gerät

802.3at: Strom 0,6 A, Schleifenwiderstand etwa 12,5 Ω
P_Verlust = 0,6² × 12,5 = 0,36 × 12,5 = 4,5 W
30 W − 4,5 W = 25,5 W am Gerät

Die Zahlen passen zu den Werten in der Tabelle. Zwei Dinge zeigt die Rechnung: Der Verlust steigt quadratisch mit dem Strom, und bei längeren oder dünneren Kabeln wird er größer. Deshalb zählt für die Planung die Leistung am Gerät, nicht die am Port.

Spannung und Strom

PoE arbeitet mit Gleichspannung von rund 44 bis 57 V am Port, deutlich mehr als die 5 V oder 12 V, mit denen viele Geräte intern arbeiten. Eine höhere Spannung bei gleicher Leistung bedeutet weniger Strom, und weniger Strom bedeutet weniger Verlust im Kabel. Das Gerät wandelt die Spannung intern auf seine Betriebsspannungen herunter. Die Spannung bleibt unter der Grenze für Schutzkleinspannung (60 V), sodass sie im Vergleich zur Netzspannung von 230 V als ungefährlich gilt. Geräte können bei falschem Anschluss trotzdem Schaden nehmen, dazu gleich mehr.

Wie der Strom ins Kabel kommt

Ein Ethernet-Kabel hat vier Aderpaare, also acht Adern. Bei 10BASE-T und 100BASE-TX werden nur zwei Paare für die Daten genutzt. Bei Gigabit-Ethernet sind es alle vier. Für PoE gibt es zwei Wege, den Strom einzuspeisen:

Alternative A: Der Strom läuft über die Paare, die auch Daten tragen (Pins 1/2 und 3/6). Die Spannung wird dem Datensignal überlagert und am anderen Ende wieder getrennt. Man nennt das Phantomspeisung.
Alternative B: Der Strom läuft über die freien Paare (Pins 4/5 und 7/8).

Bei 802.3af und 802.3at nutzt ein Gerät eine der beiden Alternativen. Bei 802.3bt laufen alle vier Paare gleichzeitig, und die Leistung verteilt sich auf mehr Adern, was den Strom je Ader senkt.

PoE speist den Strom über die Datenpaare (A) oder über die freien Paare (B) ein.

Aushandlung: Warum PoE andere Geräte nicht zerstört

Ein standardkonformer PoE-Port schaltet nicht einfach 48 Volt auf das Kabel. Er prüft zuerst, ob am anderen Ende wirklich ein PoE-Gerät hängt. Der Ablauf:

Erkennung (Detection): Der Port legt eine kleine, ungefährliche Spannung an und misst den Widerstand. Ein PoE-Gerät hat einen typischen Wert von etwa 25 kΩ. Ein normaler PC oder Drucker hat ihn nicht.
Klassifizierung (Classification): Das Gerät teilt über eine weitere Messung mit, wie viel Leistung es braucht.
Einschalten: Der Port reserviert die Leistung und schaltet die volle Spannung auf.
Überwachung: Der Port prüft laufend den Strom. Zieht das Gerät zu viel oder wird das Kabel abgezogen, schaltet er ab.

Deshalb kannst du einen normalen PC an einen PoE-Port stecken, ohne dass etwas passiert: Er bekommt keine Spannung, weil er sich nicht als PoE-Gerät zu erkennen gibt.

Eine Ausnahme ist Passive PoE. Das sind nicht standardkonforme Lösungen, die ohne Aushandlung dauerhaft eine feste Spannung auf das Kabel legen, etwa 24 V oder 48 V. Wird ein Gerät, das das nicht erwartet, an solch einen Injektor gesteckt, kann es beschädigt werden. Mischen sollte man die Systeme nicht.

Die Leistungsklassen

Bei der Klassifizierung meldet das Gerät eine Leistungsklasse. Der Switch reserviert dann die Leistung für diese Klasse am Port:

Klasse	Leistung am Port (PSE)	Leistung am Gerät (PD)	Standard
1	4 W	3,84 W	802.3af
2	7 W	6,49 W	802.3af
3 (und 0)	15,4 W	12,95 W	802.3af
4	30 W	25,5 W	802.3at
5	45 W	40 W	802.3bt
6	60 W	51 W	802.3bt
7	75 W	62 W	802.3bt
8	90 W	71,3 W	802.3bt

Klasse 0 steht für Geräte, die keine Klasse melden. Sie werden wie Klasse 3 behandelt. Dass der Switch pro Port die Klassenleistung reserviert und nicht den tatsächlichen Verbrauch, hat Folgen für die Planung. Das ist das Thema des nächsten Beitrags.

Wofür man PoE nutzt

Gerät	Typischer Bedarf (Größenordnung)	Hinweis
VoIP-Telefon	3 bis 7 W	Meist 802.3af
IP-Kamera (fest)	5 bis 15 W	Mit Infrarotlicht und Heizung mehr
Access Point	10 bis 25 W	Aktuelle WLAN-Standards brauchen oft 802.3at
Schwenk-Neige-Kamera (PTZ)	20 bis 60 W	Oft 802.3at oder 802.3bt
Türsprechstelle, Zutrittsleser	3 bis 15 W	Meist 802.3af
LED-Leuchte, Thin Client	bis 60 W und mehr	Mit 802.3bt

Die Werte sind grobe Anhaltspunkte. Maßgeblich ist immer das Datenblatt des Geräts.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Kein Netzteil und keine Steckdose am Einbauort. Weniger Kabelsalat.
Flexible Platzierung. Geräte können dort hängen, wo sie am meisten nützen.
Zentrale Absicherung: Hängt der PoE-Switch an einer USV, laufen Access Points und Telefone bei Stromausfall weiter. Die Rechnung für die Laufzeit kennst du aus dem Beitrag Elektrische Energie.
Fernwartung: Ein hängendes Gerät lässt sich neu starten, indem man am Switch den PoE-Strom des Ports kurz aus- und einschaltet.
Niedrige Spannung, damit sicherer Betrieb.

Nachteile:

Der Switch hat ein begrenztes Leistungsbudget. Nicht jeder Port kann gleichzeitig die volle Leistung liefern.
PoE-Switches kosten mehr und erzeugen mehr Wärme, haben oft Lüfter und sind lauter.
Die Länge ist wie bei Ethernet auf 100 Meter begrenzt, und das schließt Patchkabel mit ein.
Kabelqualität spielt eine größere Rolle. Besonders bei hohen Leistungen wird sie zum Thema.

Die Kabelfrage

PoE funktioniert mit normalen Twisted-Pair-Kabeln, aber nicht mit jedem. Beachte:

Reines Kupfer verwenden. Billige Kabel mit Kupfer-Aluminium-Adern (CCA) haben einen höheren Widerstand, erwärmen sich stärker und verlieren mehr Leistung. Für PoE sind sie ungeeignet.
Mindestens Cat5e, für höhere Leistungen besser Cat6 oder höher, weil der Widerstand je Ader geringer ist.
Länge einhalten. Mehr als 100 Meter bedeuten mehr Widerstand und weniger Leistung am Gerät.
Kabelbündel beachten. Viele PoE-Kabel dicht gebündelt erwärmen sich bei hohen Leistungen. Bei 802.3bt ist das ein Planungsthema.

Geräte, die PoE möglich machen

Gerät	Aufgabe	Wann sinnvoll?
PoE-Switch	Speist an den Ports direkt ein	Normalfall in neuen Netzen
Injektor (Midspan)	Sitzt zwischen normalem Switch und Gerät und fügt Strom hinzu	Wenn der vorhandene Switch kein PoE kann
Splitter	Trennt am Gerät Strom und Daten, liefert z. B. 5 V oder 12 V	Für Geräte, die kein PoE können, aber PoE-Strom bekommen sollen

Wichtig: Nicht einen PoE-Switch und einen Injektor in dieselbe Leitung stecken. Das gibt zwei Einspeisungen auf ein Kabel, und im ungünstigen Fall nimmt ein Gerät Schaden.

Praxisbeispiel: Der PoE-Switch im Obergeschoss

Im Obergeschoss der Firma hängen zwei Access Points und zwei feste IP-Kameras im Flur. Der Switch aus dem Beitrag Access Port und Trunk Port wird durch ein Modell mit PoE ersetzt. Die Access Points brauchen laut Datenblatt 802.3at, der Switch reserviert deshalb für jeden 30 W. Zwei Access Points ergeben 2 × 30 W = 60 W allein an den APs. Die beiden Kameras (je Klasse 3 mit 15,4 W) kommen dazu.

Wie viel Leistung der Switch insgesamt abgeben kann, steht in seinem Datenblatt als PoE-Budget. Es ist meist deutlich kleiner als die Summe aller Ports mal 30 W. Wie du Budget und Bedarf gegeneinander abwägst, rechnen wir im nächsten Beitrag Schritt für Schritt durch.

Der PoE-Switch versorgt Access Points und Kameras und reserviert dafür Leistung je Port.

PoE am Switch prüfen und steuern

Als Beispiel für einen Cisco-Switch (bei anderen Herstellern heißen die Befehle anders): Mit diesem Befehl siehst du den Zustand aller PoE-Ports, die Leistung je Port und das Gesamtbudget:

Switch# show power inline

In der Ausgabe stehen je Port der Status (on oder off), die zugeteilte Leistung und die Geräteklasse, am Ende die Summe gegenüber dem verfügbaren Budget. Willst du einem Port den Strom abschalten, geht das auf der Schnittstelle:

Switch(config)# interface GigabitEthernet0/20
Switch(config-if)# power inline never

Mit power inline auto schaltest du die automatische Versorgung wieder ein. Mit dieser Abfolge aus Abschalten und Einschalten lässt sich ein hängendes Gerät aus der Ferne neu starten.

Fehlersuche: Das Gerät bekommt keinen Strom

Beobachtung	Mögliche Ursache	Prüfung
Gerät bleibt aus, Port ohne Link	PoE am Port abgeschaltet oder Port ohne PoE	`show power inline`, Portkonfiguration
Gerät startet, geht aber nach kurzer Zeit wieder aus	Switch-Budget erschöpft oder Klasse reicht nicht	Budget, Klasse und reservierte Leistung vergleichen
Gerät läuft mit eingeschränkter Funktion	Gerät braucht 802.3at, Port liefert nur 802.3af	Datenblatt des Geräts, Fähigkeiten des Switches
Gerät startet unregelmäßig neu	Kabel zu lang, defekt oder ungeeignet (CCA)	Kabel tauschen, Länge prüfen
Kein Strom trotz PoE-Switch	Gerät ist nicht PoE-fähig, oder Passive-PoE-Gerät	Datenblatt, passendes Netzteil oder Injektor einsetzen
Port schaltet ab, Meldung „power denied“ oder Überstrom	Gerät zieht mehr als zugesagt oder Kurzschluss	Gerät und Kabel prüfen, Klasse erhöhen

Typische Fehler und Missverständnisse

Nur auf die Portleistung schauen. Das Gesamtbudget des Switches ist meist die engere Grenze.
802.3af-Switch für ein 802.3at-Gerät. Das Gerät läuft dann gar nicht oder nur eingeschränkt.
Billige Kabel mit Aluminiumanteil. Sie sparen Geld und kosten Leistung und Sicherheit.
PoE-Switch plus Injektor. Zwei Einspeisungen auf einem Kabel sind eine Gefahr für das Gerät.
„PoE ist immer aktiv.“ Nur Geräte, die sich als PoE-Gerät melden, bekommen Strom. Aber Vorsicht bei Passive PoE.
Die 100 Meter überschreiten. Das gilt auch für die Strecke inklusive Patchkabel.
Reservierung mit Verbrauch verwechseln. Der Switch reserviert die Klassenleistung, auch wenn das Gerät weniger zieht.

Zum Üben

Wie viel Leistung kommt bei 802.3af und bei 802.3at am Gerät an?
Welcher PoE-Standard nutzt alle vier Aderpaare?
Berechne den Leistungsverlust im Kabel bei 802.3af mit I = 0,35 A und R = 20 Ω.
Was passiert bei der Erkennung (Detection)?
Ein Access Point braucht laut Datenblatt 25 W am Gerät. Welchen Standard brauchst du mindestens?
Eine Kamera am PoE-Switch funktioniert nicht, der Access Point daneben schon. Nenne zwei mögliche Ursachen.
Nenne zwei Vorteile und zwei Nachteile von PoE.
Warum ist Passive PoE für Geräte gefährlich?

Lösungen: (1) 802.3af: 12,95 W, 802.3at: 25,5 W. (2) 802.3bt (Typ 3 und Typ 4). (3) P = I² × R = 0,35² × 20 = 0,1225 × 20 = 2,45 W. (4) Der Port legt eine kleine Spannung an und misst den Widerstand. Ein PoE-Gerät hat einen Wert von etwa 25 kΩ. Nur dann schaltet der Port später den Strom auf. (5) Mindestens 802.3at, denn dort kommen 25,5 W am Gerät an. (6) Zum Beispiel ist das Budget des Switches erschöpft, die Kamera braucht eine höhere Klasse als der Port liefert, das Kabel ist defekt oder zu lang, oder die Kamera ist kein PoE-Gerät. (7) Vorteile: keine Steckdose am Einbauort, zentrale Absicherung über USV und Fernneustart. Nachteile: begrenztes Leistungsbudget, mehr Kosten und Wärme, Kabelqualität zählt, 100 Meter Grenze. (8) Es legt ohne Aushandlung dauerhaft Spannung auf das Kabel. Ein Gerät, das diese nicht erwartet, kann Schaden nehmen.

Das solltest du dir merken

PoE versorgt Geräte über das Netzwerkkabel mit Strom. Der Switch (PSE) speist ein, das Gerät (PD) bezieht.
Die Standards: 802.3af (15,4 W am Port, 12,95 W am Gerät), 802.3at (30 W und 25,5 W), 802.3bt (60 W und 90 W am Port).
Ein Teil der Leistung geht im Kabel verloren (P = I² × R). Für die Planung zählt die Leistung am Gerät.
Vor der Einspeisung erkennt und klassifiziert der Port das Gerät. Das schützt Geräte ohne PoE.
Der Switch reserviert die Klassenleistung je Port. Sein Gesamtbudget ist begrenzt.
Nutze reine Kupferkabel (kein CCA) und halte die 100 Meter ein.
Passive PoE und Doppelspeisung sind Gefahrenquellen.

Eine Frage bleibt: Reicht der Switch für alle Geräte, die du anschließen willst? Das beantwortet der letzte Beitrag dieser Reihe: PoE-Leistungsbudget berechnen.

PoE verstehen: Wie Netzwerkkabel Geräte mit Strom versorgen