Stromversorgung für USB- und GigE-Kameras: Auswahl des richtigen Zubehörs

Autoren: Gianna Riviello

Zur Optimierung Ihres Bildverarbeitungssystems gehört mehr als nur die Wahl der richtigen Kamera. Die Auswahl des richtigen Kamerazubehörs sorgt für optimale Leistung, Systemstabilität und erfolgreiche Integration. In diesem Anwendungshinweis werden die Stromversorgungsanforderungen für die beiden gängigsten Kameraschnittstellen, USB und GigE, erläutert, die erforderlichen und optionalen Zubehörteile für eine zuverlässige Stromversorgung beschrieben und Expertentipps für die Auswahl der am besten geeigneten Komponenten für Ihr Bildverarbeitungssystem gegeben.

Überblick über die Stromversorgungsoptionen für USB- und GigE-Kamera-Schnittstellen

Die Wahl zwischen den beiden Haupttypen von Kameraschnittstellen, Universal Serial Bus (USB) und Gigabit Ethernet (GigE), hängt von mehreren zentralen Faktoren ab wie der Datenübertragungsgeschwindigkeit, Komplexität und Skalierbarkeit des Systems, Kosten und der physischen Entfernung zwischen Kamera und Host-PC. GigE-Kameras bieten im Vergleich zu USB-Kameras größere Kabellängen und schnellere Übertragungsraten, während USB-Kameras mit einer einfacheren „Plug-and-Play“-Einrichtung mit geringeren Anschaffungskosten punkten. GigE kann in der Regel Power-over-Ethernet (PoE) unterstützen, d. h. Sstromzufuhr und Datenübertragung erfolgen über das gleiche Kabel mit verschiedenen Konfigurationsoptionen. Ausführlichere Informationen zu den Vor- und Nachteilen der einzelnen Schnittstellen finden Sie in unserem Leitfaden zu Schnittstellen für digitale Kameras. Die richtige Stromversorgung Ihrer GigE- oder USB-Kamera stellt sicher, dass das System wie vorgesehen funktioniert. Im Folgenden werden verschiedene Zubehörteile zur Stromversorgung und Optimierung von Kameraaufbauten vorgestellt.

Stromversorgung einer USB-Kamera

Das USB-Kabel

Das Einrichten einer USB-Kamera ist ganz einfach – es wird nur ein USB-Kabel benötigt, das die Kamera mit dem USB-Anschluss des Computers verbindet (Abbildung 1). Dieses Kabel versorgt die Kamera mit Strom und überträgt Daten an den Computer.

**Abbildung 1:** Typische USB-Kamera-Einrichtung

Die meisten Computer sind mit USB-Typ-A-Anschlüssen ausgestattet, die als hostseitiger Anschluss dienen. Welches Kabel benötigt wird, hängt vom Typ des USB-Anschlusses an der Kamera ab, der in der Regel in den technischen Daten der Kamera aufgeführt ist. Einen kurzen Überblick über die gebräuchlichen USB-Anschlüsse gibt Abbildung 2.

**Abbildung 2:** Übersicht über die der gängigen USB-Steckertypen

Schauen Sie immer in der Dokumentation der Kamera nach, um den Anschlusstyp zu bestätigen, bevor Sie ein Kabel auswählen. Eine Kamera mit einem USB-Typ-C-Anschluss benötigt beispielsweise ein Typ-A-auf-Typ-C-Kabel, während eine Kamera mit einem USB-Micro-B-Anschluss ein Typ-A-auf-Micro-B-Kabel benötigen würde. Bei den USB-Generationen bestimmt die älteste Generation die Geschwindigkeit des Systems. Daher ist es am besten, die Generationen so weit wie möglich aufeinander abzustimmen, z. B. die Verwendung eines USB 3.1-Kabels mit einer USB 3.1-Kamera. Obwohl USB 2.0, 3.0 und 3.1 abwärtskompatibel sind, werden die Daten mit der niedrigeren unterstützten Geschwindigkeit übertragen.

Der USB-Hub-Anschluss

Neben der begrenzten Kabellänge von nur wenigen Metern ist eine weitere Einschränkung bei USB die Bandbreite. Das bedeutet, dass mehrere Kameras zwar über einen USB Hub mit mehreren Ports an einen PC angeschlossen werden können, sich aber alle die Bandbreite des PCs teilen würden. Abbildung 3 unten zeigt eine Grundkonfiguration, bei der die grün markierten Elemente in der Regel zum Hub-Port gehören.

**Abbildung 3:** Typische USB-Hub-Anschlusskonfiguration

Stromversorgung einer GigE-Kamera (PoE oder Nicht-PoE)

GigE-Kameras werden über Ethernet mit einem PC verbunden. Im Gegensatz zu USB-Kabeln können Ethernet-Kabel bis zu 100 m lang sein und bieten eine flexiblere Kamerapositionierung. Um Kompatibilität zu gewährleisten, muss der Anschluss des Ethernet-Kabels in der Regel mit dem Anschluss der Kamera übereinstimmen. Häufig verwendete Steckertypen sind RJ45 oder M12 X-kodiert. Der M12-Stecker ist robuster und wird häufig in rauen Umgebungen eingesetzt. Er verfügt über eine Verriegelungsoption mit Gewinde, um Vibrationen zu widerstehen und bietet besseren Schutz vor Staub und Feuchtigkeit. Die am häufigsten verwendeten Kabeltypen für GigE-Kameras sind Cat5e oder Cat6. Cat5e ist auf kleinere Entfernungen und Kameras mit 1Gbps beschränkt. Für größere Entfernungen sowie hohe Auflösungen und Bildraten muss Cat6 verwendet werden. Die meisten GigE-Kamerakonfigurationen erfordern neben dem Ethernet-Kabel weiteres Zubehör. In den folgenden Abschnitten werden die verfügbaren Optionen beschrieben.

GigE-PoE-Kameras

Der PoE-Injektor

Wenn eine einzelne GigE-Kamera mit Power-over-Ethernet (PoE) betrieben wird, ist ein PoE-Injektor eine einfache Option, um das System einzurichten und die Stromversorgung und Datenübertragung über dasselbe Kabel zu ermöglichen. Der Injektor verfügt über zwei Ethernet-Anschlüsse: einen Kameraanschluss für die Verbindung des Injektors mit der Kamera und einen PC-Anschluss für die Verbindung des Injektors mit dem PC. Um die Einrichtung abzuschließen, müssen zwei Ethernet-Kabel erworben werden. Falls nicht im Lieferumfang enthalten, benötigt der PoE-Injektor ein eigenes Netzteil. Für die Kamera wird keine zusätzliche Stromversorgung benötigt, was bei beengten Platzverhältnissen ein großer Vorteil sein kann. Ein typischer Aufbau eines PoE-Injektors ist in Abbildung 4 dargestellt. Der Port-Injektor ist die beste Option für kostengünstige Systeme mit kleiner Standfläche und für Einzelkamerasysteme.

**Abbildung 4:** Typisches PoE-Injektor-Setup

Der PoE-Netzwerk-Verteiler

Wenn Sie mehrere GigE-Kameras oder sogar andere Ethernet-Geräte betreiben, können Sie mit dem PoE-Netzwerk-Verteiler mehrere Geräte an das Netzwerk eines lokalen Computers anschließen. Dieses Setup maximiert die verfügbare Bandbreite pro Kamera in Multi-Kamera-Konfigurationen. Jede Kamera wird über ein ausgewähltes Ethernet-Kabel, das für die Stromversorgung und die Datenübertragung verwendet wird, an den Verteiler angeschlossen. Ein Ethernet-Kabel führt außerdem vom Computer zum Verteiler. Wie der PoE-Injektor benötigt auch der Verteiler eine eigene externe Stromversorgung, sofern diese nicht bereits enthalten ist. Abbildung 5 unten zeigt einen typischen Aufbau. Mit dem PoE-Verteiler lassen sich zwar gleichzeitig mehrerer Kameras anschließen, bedenken Sie jedoch, dass eine begrenzte Netzwerkbandbreite die Bildrate beeinträchtigen kann, wenn viele Kameras mit hoher Auflösung oder hoher Bildrate angeschlossen sind.

**Abbildung 5:** Typische Netzwerk-Verteiler-Konfiguration

Die Netzwerkschnittstellenkarte (NIC)

Die Netzwerkschnittstellenkarte (Network Interface Card, NIC) wird an den Peripheral Component Interconnect Express (PCIe)-Steckplatz eines PCs angeschlossen, um die Abbildungsleistung des PCs zu verbessern. Ähnlich wie beim Netzwerk-Verteiler ist in der Regel ein separates Netzteil erforderlich, sofern es nicht bereits im Lieferumfang enthalten ist. Ethernet-Kabel verbinden mehrere GigE-Kameras mit der Karte und werden für die Stromversorgung der Kamera und für die Datenübertragung verwendet. Es können bis zu 4 Kameras gleichzeitig an eine PCIe-Karte angeschlossen werden. Abbildung 6 zeigt einen typischen Aufbau einer Netzwerkschnittstellenkarte. Für die Installation einer Karte muss der PC geöffnet werden, um den PCIe-Steckplatz zu finden. Daher ist es wichtig, vor dem Kauf zu prüfen, ob der PC über ausreichend Platz verfügt.

**Abbildung 6:** Typischer Aufbau einer PCIe-Netzwerkschnittstellenkarte

Wenn die ausgewählte Kamera 2,5, 5 oder 10GigE ist oder PoE+ benötigt, müssen Sie eine Netzwerkkarte wählen, die der entsprechenden Geschwindigkeit entspricht und die PoE+-Funktionalität unterstützt. Diese Karten wurden speziell für die höheren Bandbreiten und Energieanforderungen von Hochleistungskameras entwickelt und sind die optimale Lösung für die Stromversorgung Ihrer Kamera.

GigE-Kameras mit anderer Stromversorgung

GPIO

Während GigE-Kameras häufig über Power-over-Ethernet (PoE) mit Strom versorgt werden, bieten sie eine weitere Option zur Stromversorgung über den GPIO-Anschluss (General-Purpose Input/Output), der manchmal auch als I/O-Anschluss bezeichnet wird. Bei Kameras ohne PoE-Funktionalität dient der GPIO-Port als primärer Eingang für die Stomversorgung. Bei dieser Konfiguration erfolgt die Stromversorgung über ein externes Netzteil und nicht über das Ethernet-Kabel. Dies ist ideal für Systeme, bei denen der Platz begrenzt ist und eine effiziente Stromnutzung mit minimaler Wärmeentwicklung und geringen Kabelübertragungsverlusten unerlässlich ist. Die Einrichtung würde immer noch das Ethernet-Kabel für die Datenübertragung erfordern, es wird jedoch kein PoE-Gerät, wie z. B. ein Port-Injektor, benötigt (siehe Abbildung 7 unten). Wenn Sie externe Geräte wie Trigger-Hardware verwenden, werden diese in der Regel ebenfalls über den GPIO-Port angeschlossen. Wenn eine solche Hardware verwendet wird, steht der GPIO-Anschluss möglicherweise nicht mehr für die Stromversorgung der Kamera zur Verfügung. In diesem Fall muss die Stromzufuhr über einen PoE-Injektor erfolgen, oder es sollte ein Kabel mit offenen Enden in Betracht gezogen werden, um Strom wie auch das Triggersignal über separate Enden bereitzustellen. Die Hardware-Optionen sind auf der Registerkarte „Spezifikationen“ für jede Kamera aufgeführt, sofern verfügbar.

Übersicht über Stromversorgungszubehör für USB- und GigE-Kameras

Tabelle 1 gibt eine kurzen Zusammenfassung der im obigen Text erwähnten Zubehörteile für die Stromversorgung. Sie zeigt die Produkte und Optionen auf, die Sie für Ihre Bildverarbeitungssysteme verwenden können, und gibt einige grundlegende Informationen, die Ihnen die Entscheidung erleichtern.

	Schwierigkeitsgrad der Einrichtung	Kosten	Anzahl der unterstützten Geräte
USB-Kabel:	Einfach – Plug-and-Play, bietet Stromversorgung und Datenübertragung	gering	1
GigE-Port-Injektor	Einfach – Plug-and-Play mit zusätzlicher netzbetriebener Komponente	gering	1
GigE-Netzwerk-Verteiler	Mittel – Erfordert Netzwerkeinrichtung und Verkabelung	mittel	4+
GigE PCIe-Karte	Schwer – Erfordert das Öffnen des PC-Gehäuses und die Installation von Karte und Treibern	hoch	1-4
GPIO-Strom-versorgung	Einfach – An die Steckdose anschließen, Datenkabel erforderlich	gering	1

Tabelle 1: Übersicht über das Stromversorgungszubehör

Literatur

Teledyne Vision Solutions. (2015, May 4). Machine Vision Interface Comparison and Evolution: Getting the most out of Integrated Imaging Solution’s USB 3.1 cameras [White paper]. Teledyne Vision Solutions. https://www.teledynevisionsolutions.com/support/support-center/whitepaper/iis/machine-vision-interface-comparison-and-evolution/
Edmund Optics Inc. Kameras – Typen und Schnittstellen für die industrielle Bildverarbeitung. In: Leitfaden zur Bildverarbeitung: Kameras, Abschnitt 10.1. Edmund Optics. https://www.edmundoptics.com/knowledge-center/application-notes/imaging/camera-types-and-interfaces-for-machine-vision-applications/
OnLogic. What is PoE (Power over Ethernet)? OnLogic Blog. https://www.onlogic.com/blog/what-is-poe-power-over-ethernet/
LUCID Vision Labs. (29. August 2024). Powering a Machine Vision Camera [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=CKMWnZZWHbI

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