Những Điều Cần Biết Về Giới Hạn Hiệu Suất Của Cáp

Thứ năm, 04 Tháng 10 2018 10:04   - Tầm nhìn mạng số 36

Vạn vật kết nối mạng (IoT-Internet of Things), ngày càng phổ biến trong các tòa nhà và hệ thống mạng doanh nghiệp, đang thu hút sự quan tâm của các chuyên gia trong ngành ICT. Sự phát triển của nền tảng này kéo theo nhu cầu PoE (Power over Ethernet) ngày càng tăng. Bằng việc truyền dữ liệu và điện năng trên cùng một sợi cáp, PoE giúp triển khai nhanh và hiệu quả chi phí hơn. Ví dụ: Như công nghệ PoE sẽ giúp tăng tốc độ lắp đặt, giảm chi phí nhân công bằng cách cho phép điện áp thấp chạy trên sợi cáp mạng đang có mà không cần lắp đặt thêm đường cáp và ổ cắm điện.

Tiêu chuẩn IEEE cho phép truyền tải điện năng lên đến 30W trên cáp mạng, nhưng IEEE đang làm việc để cho ra đời phiên bản nâng cấp cho phép tăng khả năng truyền tải điện năng lên đến gần 100W.

Các thiết bị mới hoạt động trên nền tảng IP được thiết kế để cung cấp cho người dùng nhiều tính năng cao cấp hơn, song song đó, chúng cũng đòi hỏi lượng điện năng nhiều hơn. Chẵng hạn như điện thoại IP, camera giám sát, TV độ phân giải cao và hệ thống quản lý tòa nhà, yêu cầu nguồn điện luôn luôn tăng.

Khi nhu cầu năng lượng của các thiết bị này tăng lên, dòng điện chạy trên cáp tăng theo và lượng nhiệt sinh ra trong sợi cáp đó cũng tăng thêm một mức tương ứng. Đặc biệt là các bó cáp nằm phía dưới sẽ có nhiệt độ cao hơn, vì lượng nhiệt sinh ra bên trong mỗi sợi cáp không thể thoát ra được, khiến cho nhiệt độ của cả bó cáp tăng lên. Việc này sẽ làm cho cáp luôn hoạt động ở nhiệt độ cao hơn mức cho phép, ảnh hưởng đến hiệu năng và tính ổn định của cáp. Suy hao trên sợi cáp cũng sẽ tăng khi nhiệt độ cáp tăng.

Để đảm bảo tính ổn định và hiệu năng lâu dài của cáp, năm 2016 UL đã cho ra đời chứng nhận LP (Limited Power) cho cáp dùng trong các ứng dụng PoE. Chứng nhận LP thể hiện cáp đã được đánh giá để mang dòng diện định mức với các điều kiện lắp đặt mà vẫn không bị vượt quá nhiệt độ cho phép của cáp. Khi chứng nhận này được công bố, có rất nhiều câu hỏi đặt ra như cáp LP là gì và ý nghĩa của nó như thế nào. Đa số các ứng dụng đều không yêu cầu cáp LP, nhưng trong một số trường hợp thì rất cần thiết. Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quát để trả lời cho các câu hỏi về cáp LP.

cái nhìn tổng quát để trả lời cho các câu hỏi về cáp LP.

LP trên cáp là gì?

Cáp LP đã được chứng nhận bởi UL khi cáp không vượt quá nhiệt độ cho phép ở các điều kiện nhất định. Khi cáp đã đạt được chứng nhận LP, tức là cáp đó đã được đánh giá có thể truyền được dòng điện định mức trong điều kiện lắp đặt tệ nhất mà vẫn không vượt quá nhiệt độ cho phép của cáp. Điều này có thể đạt được khi sản xuất cáp sử dụng vật liệu cách điện và lớp vỏ bọc chịu được nhiệt độ cao.

Đánh dấu chứng nhận LP trên cáp là một tùy chọn. Tuy nhiên, nếu cáp có chứng nhận LP nhưng không thể hiện trên sợi cáp thì vẫn không được xem là cáp LP. Để kiểm tra một sợi cáp có chứng nhận LP, tìm trên sợi cáp những thông tin tương tự như sau: Type CMP-LP (0.7A) (UL) 23 AWG 75 °C.

Mỗi mức LP sẽ có một mức độ dòng điện cụ thể. Dòng diện cụ thể được liệt kê trong danh sách thể hiện khả năng của cáp có thể chịu được trên mỗi dây dẫn mà không vượt quá nhiệt độ cho phép, như ví dụ trên mức 0.7A là dòng điện tối đa trên mỗi lõi đồng. Mức LP luôn đại diện cho dòng điện tối đa trên mỗi dây dẫn.

Quá trình kiểm tra LP của cáp

Để kiểm tra và đánh giá cáp cho chứng nhận LP, UL bó 192 sợi cáp lại với nhau, ở giữa bó có 37 sợi xếp theo cấu trúc hình lục giác và 155 sợi được xếp xung quanh một cách ngẫu nhiên. Điều này mô phỏng cho các kết nối trong một tủ với 8 máy chủ và mỗi máy chủ cần 24 cổng. Bó cáp sẽ đặt trong hộp kín dài 6 ft, ống phi kim loại được lắp đầy bởi vật liệu cách điện ở hai đầu. Sau đó, các sợi cáp sẽ được cấp các mức dòng điện (0.5A, 0.6A…), và UL sẽ đo nhiệt độ ở hai điểm: Tại lớp vỏ bọc bên ngoài và tại lõi của sợi cáp nằm ở trung tâm.

Ở nhiệt độ môi trường 30 độ C, nhiệt độ đo được tại sợi cáp nằm ở trung tâm của bó cáp không được vượt quá giới hạn nhiệt độ cho phép của cáp. Dựa trên hiệu suất thử nghiệm, cáp sẽ được xếp hạng độ bền, từ đó xếp hạng LP của cáp. Ngoài nhiệt độ của cáp, chứng nhận của UL còn có một số điều kiện nhất định khác như:

+ Kích thước bó cáp lớn

+ Nhiệt độ môi trường xung quanh cao

+ Không gian hoặc ống dẫn kín

+ Các tác động khác từ môi trường

Một lưu ý quan trọng trong quá trình thử nghiệm, tất cả các lõi của mỗi sợi cáp trong bó cáp đều mang một dòng điện tối đa tương ứng với mức xếp hạng LP của sợi cáp đó. Dù trong thực tế, tình trạng này ít khi xảy ra, nhưng mức giới hạn này sẽ đảm bảo sợi cáp đó truyền tải năng lượng một cách an toàn.

Tiêu chuẩn NEC (National Electrical Code)

Phần 3, bảng 725.144 về truyền tải năng lượng và dữ liệu, của Hiệp hội Phòng cháy Quốc gia của Mỹ (NFPA-National Fire Protection Association), thể hiện khả năng truyền tải dòng điện của mỗi lõi đồng trong một sợi cáp dữ liệu 4-đôi Class 2 hoặc Class 3 tại nhiệt độ môi trường 30oC, với tất cả các lõi đồng trong tất cả các sợi cáp đều mang dòng điện.

Theo bảng trên, với ứng dụng PoE Type 4, số lượng cáp trong một bó khoảng 62-91 sợi cáp 4-đôi 24 AWG và tại nhiệt độ 60oC thì cần phải đáp ứng các điều kiện an toàn sau:

1. Sử dụng loại cáp chịu được nhiệt độ cao hơn.

2. Kích thước bó cáp nhỏ hơn.

3. Cáp được chứng nhận LP ở mức 0.5A.

Hiện nay, theo quy định của NEC 2017, các cáp LP không bắt buộc trong các hệ thống lắp đặt mới hoặc hiện có, nhưng được xem như là một lựa chọn thay thế cho các bảng ampe của NFPA. Văn bản sửa đổi đầu tiên cho những thay đổi đối với NEC bao gồm các điều khoản tùy chọn sử dụng cáp LP. Một sợi cáp có xếp hạng LP không có nghĩa là các bảng ampe không nên áp dụng cho cáp dựa vào nhiệt độ giới hạn và kích thước AWG của dây dẫn. Chẳng hạn như một sợi cáp xếp hạng LP 0.5A có thể truyền được nhiều hơn 0.5A trên mỗi lõi đồng dựa vào giới hạn số lượng cáp trong một bó như trong Bảng 1. Với một sợi cáp 23 AWG, nhiệt độ giới hạn 60oC được xếp hàng LP (0.5A) có thể sử dụng để truyền tải 0.8A nếu số lượng cáp trong bó đó ít hơn 19 sợi.

Khi nào nên sử dụng cáp có xếp hạng LP

Nên nhớ rằng đa số các ứng dụng PoE hiện nay đều truyền tải năng lượng dưới 60W, PoE Type 3 hoặc thấp hơn. Trong những trường hợp này, cáp xếp hạng LP là không cần thiết. Nhưng khi triển khai ứng dụng có hai điều kiện sau, cáp có xếp hạng LP nên được sử dụng:

  1. Khi năng lượng truyền tải cho thiết bị PoE vượt quá 60W.
  2. Khi kích thước của bó cáp vượt quá giới hạn của NEC 2017.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cáp LP

Nhiệt độ bên trong sợi cáp có thể kiểm soát được ngay từ khâu thiết kế cáp hoặc bằng cách tăng kích thước của lõi cáp. Mặc dù cáp LP đã được UL chứng nhận không vượt quá nhiệt độ giới hạn trong các điều kiện nhất định, nhưng luôn có một nguyên lý quan trọng mà chúng ta cần nhớ, đó là dù cáp có xếp hạng LP hay không thì nhiệt độ của cáp tăng cao đều ảnh hưởng tiêu cực đến cáp do mức suy hao tăng lên.

Ảnh hưởng của nhiệt độ tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện bên trong lõi cáp. Ví dụ: Khi dòng điện của nguồn phát trên sợi cáp tăng 50% thì lượng năng lượng tiêu hao chuyển thành nhiệt trên cáp tăng lên 125%.

Kể cả khi đã được chứng nhận LP, cáp LP vẫn có khả năng không đạt được khoảng cách truyền dẫn 100m. Chứng nhận LP không thay đổi được sự thật này. Để đạt được khoảng cách 100m khi truyền tải mức PoE tối đa, phải sử dụng cáp vượt tiêu chuẩn khi đo tại nhiệt độ 20oC vẫn đáp ứng được các yêu cầu về mức suy hao ở nhiệt độ cao nhất của các kết nối cáp.

Theo tiêu chuẩn TIA, ở nhiệt độ dưới 40 oC, cứ mỗi 10 oC tăng lên thì mức suy hao của cáp sẽ tăng thêm 4% và ở nhiệt độ từ 40 oC đến 60 oC thì mức tăng này là 6%. Để truyền được khoảng cách 100m ở nhiệt độ cao mà không giảm công suất thì mức suy hao phải thấp hơn khi đo tại nhiệt độ phòng. Việc quản lý nhiệt độ trên cáp giúp giữ mức suy hao chèn ở trong tầm kiểm soát và giảm tỉ lệ lỗi bit cũng như ngăn chặn hư hại trên cáp. Việc làm giảm sự gia tăng nhiệt độ của cáp giúp:

+ Duy trì hiệu suất truyền dẫn cao (giảm suy hao chèn).

+ Giảm nhu cầu giải nhiệt cho máng cáp.

+ Cho phép hoạt động ở môi trường có nhiệt độ cao.

+ Tăng kích thước của bó cáp.

Trước khi sử dụng cáp LP, chúng ta cần phải hiểu được khi nào cần dùng cáp LP. Nếu ứng dụng triển khai yêu cầu cung cấp năng lượng hơn 60W (như PoE type 4), và kích thước bó cáp vượt quá giới hạn của tiêu chuẩn NEC 2017 thì LP cáp là tùy chọn để xem xét đến. Trong các trường hợp này, LP cáp được thiết kế để duy trì vận hành hệ thống một cách an toàn và không vượt quá giới hạn nhiệt độ cho phép.

 

Võ Kim Hưng

Theo ICT Today



Bài viết xem thêm