Почему кабель Ethernet не заземлен?

В классической разводке Ethernet 8P8C ("RJ45") нет выделенного GND. ^[1]

Почему спецификация Ethernet не содержит заземления, в отличие от многих других типов кабелей, используемых для соединения устройств, которые могут также иметь свой независимый источник питания, например, RS-232 или USB ?

Если вы просто проигнорируете POE 48 Вольт на изображении ниже, вы увидите, что Ethernet использует трансформаторы с обеих сторон .

Таким образом, нет необходимости в общем заземлении, пока синфазное напряжение остается ниже 1500 В. Спецификация изоляции трансформаторов.

И в качестве бонуса вы теперь также знаете, как работает POE. ( 802.3at )

Тем не менее, CAT6A часто имеет экранированный разъем. Затем экран заземляется на корпус, используя маленькие закрылки внутри розетки.

Исходное изображение

Почему Ethernet не заземлен? Есть две причины:
1. Это создаст контур заземления между устройствами
2. Устройство также будет более восприимчивым к электростатическому разряду, который преобладает в кабелях, которые перемещаются или обрабатываются (от трибоэлектрической зарядки кабеля)

Причина, по которой Ethernet более чувствителен к контуру заземления, заключается в следующем:

1. Петли могут быть намного больше, чем у других кабелей, с расстоянием между устройствами 100 м. USB 5м, RS232 с нами 15м. Устройства Ethernet с большей вероятностью находятся в разных комнатах, тогда как устройства USB обычно заземлены на компьютере (или концентраторе) и находятся на одной и той же земле или в одной комнате в одной и той же электрической сети.
2. Напряжение Ethernet ниже ± 1 В при токе ~ 10 мА. RS232 намного выше при 5В или 15В. USB составляет 3,3 В. Это делает его более подверженным ошибкам.

Компании и инженеры, которые разработали спецификацию Ethernet, имели это в виду (есть много мыслей, которые входят в спецификацию)

Если у вас есть земля между передатчиком и приемником, это создаст контур заземления. Эта петля заземления будет образована кабелем, а обратный путь будет заземлением, как показано ниже. Любые магнитные поля, которые протекают через петлю, будут создавать ток вдоль кабеля (и остальной части петли). Даже если вы изолировали сигнальные провода, это было бы проблемой из-за взаимной индуктивности между проводами (провода, проходящие вдоль друг друга, могут соединять токи от одного к другому). Это может ввести шум (и вызвать потенциальную битовую ошибку и потерю пакета).

Поэтому, если вы добавляете изолирующий трансформатор между устройствами, вы разрываете петлю и все еще можете передавать быстрый сигнал между передатчиком и приемником. Еще одним преимуществом гальванической развязки также является увеличение импеданса кабеля к устройству в случае большого электростатического разряда.

Это пример изоляции между двумя устройствами, Ethernet имеет два изолирующих трансформатора, но результат тот же, он разрывает контур заземления (и уменьшает синфазный шум в сочетании с витой парой и синфазным дросселем ).

Изображения из википедии на петлях

1. Дифференциальная сигнализация означает, что нет необходимости в общем заземлении в качестве ориентира. Кроме того, сводит на нет необходимость экранирования, которое обычно заземляется.
2. Отсутствие передачи энергии постоянного тока снова устраняет необходимость в общем заземлении и делает возможной точку № 3.
3. Гальваническая развязка делает заземление контрпродуктивным. Спецификации прикладывают значительные усилия к тому, чтобы устройства с разными потенциалами могли работать вместе, поэтому добавление заземляющего провода в значительной степени лишило бы этих усилий.

/ edit: как отметил Том Карпентер, правильно реализованный POE с изолированными преобразователями постоянного тока в постоянный сохраняет гальваническую развязку и свойство «нет провода при потенциале земли». (Хорошо, POE ломает часть гальванической развязки и добавляет вид заземления, не очень хорошо видно, но он есть. Но POE - это взлом поверх Ethernet, а не оригинальная часть спецификаций. Устройства без POE сохраняют первоначальные преимущества .)

USB также имеет дифференциальную сигнализацию, но также поддерживает постоянный ток. Само существование возможности для питания делает необходимым общее понимание.

RS-232 не передает энергию, но сигнал не является автономной дифференциальной парой, это один провод, заземленный относительно земли, что делает необходимым общее заземление.

Заземление часто неправильно понимают как конечное решение для объединения вещей. Однако, в большинстве случаев, даже на коротких отрезках, заземление добавляет больше проблем, чем решает.

Проблема с разделением земли на любом расстоянии заключается в том, что вы предполагаете, что оба конца имеют одинаковый потенциал земли. В идеальном мире это может быть правдой, но в реальной жизни это почти никогда не бывает.

Будь то из-за плохой проводки, утечки на землю или влияния электромагнитных помех, земля на этом мониторе отличается от земли на вашем телевизоре. Таким образом, когда вы проводите кабель, который включает в себя заземление, между ними будет проходить ток.

Кроме того, общая земля становится текущим обратным путем для вашего сигнала. Это означает, что вы фактически добавляете шум в линию земли. Если ваша система связи использует несколько линий, они эффективно используют один и тот же обратный путь, и токи становятся намного более сложными, а шум намного хуже в общей точке.

Чем длиннее кабель, тем больше разность напряжений будет видна вдоль этого кабеля заземления. Если есть достаточная разница, дельта между землей и напряжением сигнала упадет настолько низко, что вы больше не сможете различить сигнал.

Изображение ниже демонстрирует это. Обратите внимание, у вас есть два огня над землей на расстоянии. Вы можете видеть, что с хорошей твердой землей вы можете довольно легко сказать в середине два, какой свет включен. Однако в правой ситуации, когда трудно определить наземную границу, больше невозможно определить, является ли это высоким или низким уровнем освещенности.

Стандарты, такие как ETHERNET и другие системы дифференциальной связи, используют другую технику, которая полностью устраняет необходимость в заземлении.

Посылая сигнал «плюс» и «минус» по двум выделенным проводам, приемник может выбрать сигнал, изучив разницу между этими проводами, а не сравнивая его с прошедшим опорным напряжением. (т.е. "Земля"). Изображение ниже показывает, как это работает. Обратите внимание, что даже с шумными сигналами справа вы все равно можете сказать, какой сигнал отправляется.

Этот метод не только позволяет передавать сигнал на гораздо большее расстояние, но также снижает восприимчивость систем к синфазному шуму. Поскольку токовые пути каждого сигнала также ограничены этими двумя выделенными проводами, совместное использование обратного пути между сигналами исключается.

В частности, для Ethernet трансформаторы используются для подключения к проводам, что обеспечивает полную изоляцию между средой передачи и отправителем / получателем.

Ответ до сих пор упустил один ключевой элемент: экранирование шума пар.

Стандарт Ethernet включает в себя как UTP, так и STP (неэкранированная / экранированная витая пара) на протяжении десятилетий.

IBM сильно повлияла на оригинальное включение STP, для его совместимости с Token Ring. Утверждалось, что экранирование STP обеспечивает дополнительный уровень защиты от шума для дифференциальных пар (сделка всего в 5 раз дороже!). Однако, как показывает опыт из реальной жизни, экранирование обеспечивает худшие характеристики. Точечные источники электрических помех были присоединены к экранированию, где шум имел всю длину кабеля, который должен быть соединен с витыми парами.

Экранирование также может увеличить перекрестные помехи. Пары скручиваются с немного другой скоростью - типичный график - 11/12/13/14 скручиваний на фут. Таким образом, они физически не гнездятся вместе, чтобы сформировать паразитный трансформатор, когда кабель скручивается и тянется во время установки. Это прекрасно работает. Намного лучше, чем вы могли ожидать. Но покачивание будет растягивать экран между парами, связывая сигнал с экраном и другими парами.

К сочетанию вопросов и комментариев USB и Ethernet, например, почему Ethernet гальванически развязан, а USB нет:

Читайте историю USB и ее мандаты. Это должен был быть 5-метровый сигнальный порт «с низкой стоимостью», «короткое расстояние», подходящий для компьютеров дома и на работе, и с низкой стоимостью выше всех других потребностей. У USB также был мандат на повышение скорости передачи данных через порты параллельного принтера и RS232.

USB должен был быть на всех компьютерах, произведенных. Нужно ли пользователю это или нет. Это означает, что это должно быть низкой стоимостью. Порты параллельного принтера и порты RS232, а также большие связанные разъемы имели серьезное снижение стоимости на всех популярных компьютерах. А это делало ПК и ноутбуки более дорогими, большими, тяжелыми и потребляющими больше энергии. Таким образом, USB имеет очень низкую стоимость и не имеет трансформаторов для гальванической развязки. И это облегчает подачу питания постоянного тока на периферийные устройства. Передача данных через USB, из-за отсутствия более качественной фразы, является «полудифференциальной». То есть ток в линиях «+» и «-» примерно на 95% соответствует численно противоположному (значения «+» и «-» всегда имеют небольшую погрешность, что не является идеальным противоположным значением тока), так как каждый набор транзисторов управляет каждым нетто, + и -.

Мандат Ethernet был и есть; «надежная», «средняя дистанция» связи и низкая стоимость. Но надежное и среднее расстояние на первом месте. Среднее расстояние 100 метров очень нуждается в гальванической развязке. Если два устройства (например, коммутатор и ПК) были подключены к двум зданиям с разницей потенциалов земли в несколько вольт, это довольно плохо, и непреднамеренный нежелательный ток заземления будет протекать через этот кабель данных. И этот нежелательный поток грунта может иметь всевозможные негативные последствия, которые могут нанести ущерб качеству данных и оборудованию, что может даже поставить под угрозу людей.

Ethernet также имеет различные транзисторные наборы, управляющие каждым + и -, однако трансформатор сигнала замыкает + и - вместе, и, таким образом, конечный поток + и - почти идеальное, противоположное совпадение, вплоть до почти одного электрона. Таким образом достигается истинная дифференциальная сигнализация. Истинная дифференциальная сигнализация позволяет дополнительно снизить уровни напряжения сигнала и увеличить пройденные расстояния, а также уменьшить нежелательные электромагнитные помехи.

Позже появился PoE для Ethernet. Задача PoE заключалась в том, чтобы обеспечить «дешевое» питание постоянного тока периферийными устройствами, то есть телефонами VoIP, камерами и устройствами дверного доступа. PoE обычно питает общий коммутатор Ethernet для нескольких устройств на расстоянии до 100 метров в противоположных направлениях. Этот PoE (от 48 до 57) VDC является «звездным» соединением со всеми устройствами. Это означает, что устройства с несколькими источниками питания «PD» имеют общий источник питания (это НЕ изолированное питание для каждого разъема RJ45 на PSE). Следовательно, «GUILT-Edged» «должен», чтобы PD поддерживали изоляцию питания (в соответствии со стандартом IEEE 802.3), даже на входах питания PoE, с помощью либо изолированного преобразователя постоянного тока в PD, или PD полностью в непроводящем случае, и никогда плоскость заземления его цепей не соединена с местным заземлением здания или другого близлежащего оборудования (такого как дешевые дешевые периферийные устройства). К сожалению, IEEE 802.3 в стандарте PoE не очень ясно объясняет это.

Резюме: Ethernet имеет трансформаторы на обоих концах. Если даже произошел сбой трансформатора, гальваническая развязка от удаленного устройства PD на PSE в коммутаторе Ethernet не будет потеряна.

PoE отказывается от изоляции питания постоянного тока (ради низкой стоимости) на коммутаторе Ethernet и оставляет эту изоляцию «должен» до изготовителя периферийных устройств PD. Никто на самом деле не проверяет эти изготовленные предметы. Если IEEE вознаградит нарушителей, это улучшит ситуацию.

Новый стандарт PoE, IEEE, рассматривает возможность еще более высоких напряжений и токов, для большей мощности PoE следует двигаться в направлении некоторого улучшения качества и безопасности. Это должны быть только установки коммерческого / промышленного уровня или более качественные установки: 1) полная изоляция питания на PSE для каждого разъема. 2) требуемые отчеты об испытаниях для изоляции питания PSE и PD, которые подаются и доступны для загрузки для общественности. Включить схему подключения ИП. 3) за счет производителей поддерживать сервер со списком всех PD, соответствующих новому стандарту. 4) рассмотреть вопрос о создании стандарта промышленного класса, если стоимость этих улучшений слишком высока для рынков конечных потребителей, но все же обеспечивает серьезный уровень стандартов, безопасности и отслеживаемости промышленных потребностей.

Спецификация Ethernet требует, чтобы устройства были гальванически развязаны друг от друга - эта статья объясняет последствия изоляции более подробно.

Поскольку вы упомянули источники питания и заземление, статья в Википедии о питании через Ethernet (PoE) может иметь отношение к вам.

И RS-232, и USB имеют сигналы относительно земли, поэтому он вам нужен. (Да, D + и D- сигналы в USB используются независимо друг от друга с GND в качестве эталона во время обнаружения устройства). Сигналы Ethernet являются чисто дифференциальными, поэтому ссылка на GND не требуется.

Одна причина, по которой TP ethernet, спасибо $ DEITY !, не использует общую наземную опорную станцию ​​между станциями, не была упомянута достаточно четко:

Кабель Ethernet может простираться на сотню метров, возможно, даже соединяя два здания.

Разница потенциалов даже в хорошо выполненной системе заземления, измеренная в двух точках на расстоянии десятков или сотен метров, далеко не гарантированно даже близка к 0 В - может быть постоянное или низкочастотное переменное напряжение из-за протекания тока (из-за к токам утечки, фактическим токам короткого замыкания, переходным процессам или ошибкам / дефектам проводки ...) в системе заземления и всем видам помех.

Различия в потенциале переменного тока легко могут вызвать помехи, в то время как сильный ток через заземленный экран кабеля может фактически привести к пожару.

И все это предполагает, что оборудование должным образом заземлено, в противном случае могут произойти еще худшие вещи, если это уже не так.

Не худший, но плохой пример того, что может случиться с заземленными (с обеих сторон) экранами: один ПК был случайно подключен с помощью двухпроводного кабеля IEC (как было обнаружено ранее в дикой природе!) На RCD (старый TN) -C-к-розетке ...) система проводки. Этот ПК имеет внутреннее короткое замыкание под напряжением от сети к металлическому корпусу, к которому подключены все заземляющие соединения в этом ПК. Другой конец этого соединения - к устройству, где заземление было правильно выполнено. Используемый кабель Ethernet имеет самую легкую конструкцию с тонким экранирующим материалом. И это 30-метровый кусок, намотанный в катушку, потому что у вас не было 5-метровых кабелей. На этом расстоянии это экранирование может иметь только правильное сопротивление (около 15 Ом будет «идеальным»). в системе 240 В) для пропускания тока, который достаточно мал, чтобы не перегореть предохранители или автоматы, но достаточно велик, чтобы рассеивать более 1000 Вт на экран кабеля. Что будет означать много дыма и, скорее всего, опасность возгорания вокруг него.

Что заставляет вас думать, что у него нет заземления?

• «Заземление» по определению является эталоном 0 В для некоторой локальной цепи.
• Заземление Земли связано с внешней террафермой.

Как вы, возможно, знаете, все ноутбуки / планшеты имеют плавающее заземление, если они не подключены к какому-либо порту с внешним заземлением, например VGA-кабелем, к трехконтактному ЖК-монитору из-за гальванической развязки трансформатора в зарядном устройстве.

Ethernet также не имеет сигналов в нижнем спектре, включая постоянный ток, из-за методов бифазного кодирования.

Более важным является то, что для обеспечения целостности сигнала и снижения уровня электромагнитных помех при выходе и входе сигналы представляют собой линии передачи с нагрузкой 75 Ом и сбалансированы с трансформатором CM и трансформатором с центральным ответвлением 1: 1. Это повышает импеданс КМ на стороне пользователя для изоляции, в то же время поддерживая дифференциальный импеданс на стороне кабеля и местное заземление в верхнем спектре, где существуют сигналы.

Смотрите "заземления" ниже

• через соединительную крышку 1000 пФ и терминаторы 75 Ом