Dlaczego kabel Ethernet nie jest uziemiony?

W klasycznym wyprowadzeniu Ethernet 8P8C („RJ45”) nie ma dedykowanego GND. ^[1]

Dlaczego specyfikacja Ethernet nie zawiera uziemienia, w przeciwieństwie do wielu innych typów kabli używanych do łączenia urządzeń, które mogą mieć również swoje niezależne źródło zasilania, np. RS-232 lub USB ?

Jeśli po prostu zignorujesz POE 48 woltów na obrazku poniżej, możesz zobaczyć, że Ethernet używa transformatorów po obu stronach .

W ten sposób nie ma potrzeby wspólnego uziemienia, o ile napięcie w trybie wspólnym ogólnie pozostaje poniżej 1500 V. Specyfikacja izolacji transformatorów.

Jako bonus wiesz teraz, jak działa POE. ( 802.3at )

Jednak CAT6A często ma ekranowane złącze. Tarcza jest następnie uziemiona do podwozia za pomocą małych klapek w gnieździe.

Obraz źródłowy

Dlaczego Ethernet nie jest uziemiony? Istnieją dwa powody:
1. Utworzyłoby to pętlę uziemienia między urządzeniami
2. Urządzenie byłoby również bardziej podatne na wyładowania elektrostatyczne, które występują w kablach, które są przenoszone lub przenoszone (od triboelektrycznego ładowania kabla)

Powodem, dla którego Ethernet jest bardziej podatny na pętlę uziemienia, jest:

1. Pętle mogą być znacznie większe niż w przypadku innych specyfikacji kabli, z odległości 100 m między urządzeniami. USB to 5 m, RS232 us 15 m. Urządzenia Ethernet częściej znajdują się w różnych pokojach, podczas gdy urządzenia USB są zwykle uziemione do komputera (lub koncentratora) i znajdują się na tej samej ziemi lub w tym samym pomieszczeniu w tym samym obwodzie sieciowym.
2. Napięcie sieci Ethernet jest niższe ± 1 V przy ~ 10mA prądu. RS232 jest znacznie wyższy przy 5 V lub 15 V. USB wynosi 3,3 V. To sprawia, że ​​jest bardziej podatny na błędy.

Firmy i inżynierowie, którzy zaprojektowali specyfikację ethernetową, wzięli to pod uwagę (wiele myśli dotyczy specyfikacji)

Gdybyś miał uziemienie między nadajnikiem a odbiornikiem, utworzyłoby to pętlę uziemienia. Ta pętla uziemienia byłaby utworzona przez kabel, a ścieżka powrotna byłaby uziemieniem sieci, jak pokazano poniżej. Wszelkie pola magnetyczne przepływające przez pętlę wytworzyłyby prąd wzdłuż kabla (i reszty pętli). Nawet jeśli izolowałeś przewody sygnałowe, byłby to problem ze względu na wzajemną indukcyjność między przewodami (przewody biegnące obok siebie mogą łączyć prądy między sobą). Spowodowałoby to wstrzyknięcie szumu (i spowodowałoby potencjalny błąd bitowy i utratę pakietów).

Jeśli dodasz transformator izolujący między urządzeniami, przerwiesz pętlę i nadal będziesz mógł przesyłać szybki sygnał między nadajnikiem a odbiornikiem. Kolejną zaletą izolacji galwanicznej jest również zwiększenie impedancji kabla do urządzenia w przypadku dużego wyładowania elektrostatycznego.

Jest to przykład izolacji między dwoma urządzeniami, sieć Ethernet ma dwa transformatory izolujące, ale wynik jest taki sam, przerywa pętlę uziemienia (i redukuje szum w trybie wspólnym w połączeniu ze skrętką i dławikiem w trybie wspólnym ).

Obrazy z wikipedii w pętlach naziemnych

1. Sygnalizacja różnicowa oznacza, że ​​nie ma potrzeby wspólnego uziemienia jako punktu odniesienia. Ponadto neguje potrzebę ekranowania, które jest zwykle uziemione.
2. Brak przenoszenia prądu stałego ponownie eliminuje potrzebę wspólnego uziemienia i umożliwia punkt 3.
3. Separacja galwaniczna powoduje, że uziemienie jest nieproduktywne. Specyfikacje włożyły wiele wysiłku w to, aby urządzenia o różnych potencjałach mogły ze sobą współpracować, więc dodanie przewodu uziemiającego prawie całkowicie unieważniłoby ten wysiłek.

/ edit: jak wskazał Tom Carpenter, poprawnie zaimplementowany POE, z izolowanymi przetwornikami DC-DC, nadal zachowuje izolację galwaniczną i właściwość „brak drutu przy potencjale uziemienia”. (Ok, POE łamie część separacji galwanicznej i dodaje rodzaj uziemienia, niewidocznie widocznego, ale już tam jest. Ale POE to hack na Ethernet, a nie oryginalna część specyfikacji. Urządzenia inne niż POE zachowują oryginalne zalety .)

USB ma również sygnalizację różnicową, ale przenosi również prąd stały. Samo istnienie możliwości zasilania sprawia, że ​​wspólny grunt jest konieczny.

RS-232 nie przenosi zasilania, ale sygnał nie jest samowystarczalną parą różnicową, jest to pojedynczy przewód odniesiony do uziemienia - dlatego konieczne jest wspólne uziemienie.

Uziemienie jest często źle rozumiane jako ostateczne rozwiązanie do łączenia ze sobą. Jednak w większości przypadków, nawet na krótkich odcinkach, uziemienie dodaje więcej problemów niż rozwiązuje.

Problem z dzieleniem ziemi na dowolnej odległości polega na tym, że zakładasz, że oba końce mają ten sam potencjał gruntu. W idealnym świecie może to być prawda, ale w prawdziwym życiu prawie nigdy tak nie jest.

Niezależnie od tego, czy przyczyną jest złe okablowanie, upływ prądu lub zakłócenia elektromagnetyczne, uziemienie tutaj na tym monitorze różni się od uziemienia w telewizorze. Jako taki, kiedy poprowadzisz kabel, który zawiera uziemienie między nimi, przez ten grunt przepłynie prąd.

Ponadto wspólna masa staje się bieżącą ścieżką zwrotną dla twojego sygnału. Oznacza to, że faktycznie dodajesz hałas do linii uziemienia. Jeśli twój system komunikacyjny korzysta z wielu linii, skutecznie dzielą tę samą ścieżkę powrotną, a prądy stają się znacznie bardziej złożone, a hałas znacznie gorszy na wspólnej płaszczyźnie.

Im dłuższy kabel, tym większa różnica napięcia będzie widoczna wzdłuż tego kabla uziemiającego. Jeśli istnieje wystarczająca różnica, różnica między masą a napięciem sygnału spadnie tak nisko, że nie będziesz już w stanie odróżnić sygnału.

Poniższy obraz to pokazuje. Pamiętaj, że w oddali masz dwa światła nad ziemią. Widać, że przy ładnym, solidnym podłożu można dość łatwo stwierdzić w środkowej dwójce, które światło jest włączone. Jednak w sytuacji, gdy trudno jest ustalić granicę gruntu, nie można już stwierdzić, czy jest to światło wysokie, czy słabe.

Standardy takie jak ETHERNET i inne różnicowe systemy komunikacji wykorzystują inną technikę, która całkowicie eliminuje potrzebę uziemienia.

Wysyłając jako plus i minus sygnał przez dwa dedykowane przewody, odbiornik może wykryć sygnał, badając różnicę między tymi przewodami zamiast porównywać go z przejętym napięciem odniesienia. (tj. „Ground”). Poniższy obraz pokazuje, jak to działa. Zauważ, że nawet przy głośnych sygnałach po prawej nadal możesz stwierdzić, który sygnał jest wysyłany.

Ta technika nie tylko pozwala na przesyłanie sygnału na znacznie większą odległość, ale także zmniejsza podatność systemu na zakłócenia w trybie wspólnym. Ponieważ ścieżki każdego sygnału są również ograniczone do tych dwóch dedykowanych przewodów, współdzielenie ścieżki powrotnej między sygnałami jest wyeliminowane.

W przypadku Ethernetu transformatory są używane do łączenia z przewodami, co zapewnia całkowitą izolację między medium transmisyjnym a nadawcą / odbiornikiem.

W odpowiedzi do tej pory brakuje jednego kluczowego elementu: ekranowania hałasu par.

Standard Ethernet obejmuje zarówno UTP, jak i STP (skrętka nieekranowana / ekranowana) od dziesięcioleci.

IBM silnie wpłynął na pierwotne włączenie STP ze względu na jego kompatybilność z Token Ring. Twierdzono, że ekranowanie STP zapewnia dodatkową warstwę ochrony przed hałasem dla par różnicowych (okazja za jedyną 5-krotność ceny!) Jednak rzeczywiste doświadczenia szybko pokazały, że ekranowanie zapewnia gorszą wydajność. Punktowe źródła szumu elektrycznego były sprzężone z ekranowaniem, gdzie hałas miał wówczas całą długość kabla, który należy podłączyć do skręconych par.

Ekranowanie może również zwiększyć rozmowę. Pary są skręcone w nieco różnych stawkach - typowy harmonogram to 11/12/13/14 zwrotów na stopę. W ten sposób nie łączą się fizycznie ze sobą, tworząc pasożytniczy transformator, gdy kabel jest skręcony i pociągnięty podczas instalacji. To działa świetnie. O wiele lepiej niż się spodziewasz. Ale poruszenie spowoduje rozciągnięcie ekranu między parami, łącząc sygnał z ekranem i innymi parami.

Do mieszanki pytań i komentarzy z USB i Ethernet, takich jak dlaczego Ethernet jest izolowany galwanicznie, a USB nie jest:

Przeczytaj historię USB i jej mandaty. Miał to być port sygnalizacyjny „niski koszt”, „krótki dystans” (5 metrów) odpowiedni do komputerów w domu i firmie oraz niski koszt ponad wszelkie inne potrzeby. USB miał również mandat do poprawy wydajności przesyłu danych w porównaniu z portami drukarki równoległej i portami RS232.

USB miał zostać zainstalowany na wszystkich produkowanych komputerach. Czy użytkownik tego potrzebował, czy nie. Oznacza to, że musi to być niski koszt. Porty drukarek równoległych i porty RS232 oraz duże powiązane złącza miały poważne koszty finansowe na wszystkich popularnych komputerach. Dzięki temu komputery stacjonarne i laptopy są droższe, większe, cięższe i bardziej zużywają energię. USB, dlatego też ma być bardzo „tani”, nie ma transformatorów do izolacji galwanicznej. Ułatwia to zasilanie urządzeń peryferyjnych prądem stałym. Sygnalizacja danych USB, z powodu braku lepszego wyrażenia, jest „semi-różnicowa”. To jest prąd w liniach + i - kabla, są one w około 95% liczbowo przeciwnie dopasowane (+ i -, zawsze są nieco w błędzie, nie będąc idealnie przeciwną wartością prądu), ponieważ każdy inny zestaw tranzystorów napędza każdy netto, + i -.

Mandat Ethernet był i jest; „niezawodna”, „średnia odległość” komunikacja i niski koszt. Ale przede wszystkim niezawodny i średni dystans. Średnia odległość 100 metrów wymaga bardzo izolacji galwanicznej. Jeśli dwa urządzenia (takie jak przełącznik i komputer) zostaną podłączone do dwóch budynków z kilkoma woltami różnicy potencjałów uziemienia, jest to raczej zła rzecz i w tym kablu danych przepłynie niezamierzony, niechciany prąd uziemienia. I ten niepożądany przepływ gruntu może mieć różnego rodzaju złe skutki, szkodząc jakości danych i sprzętowi, a nawet zagrażając ludziom.

Ethernet ma również różne zestawy tranzystorów napędzające każdy + i -, jednak transformator sygnałowy zwiera + i - razem, a zatem końcowy przepływ prądu + i - jest prawie idealny, przeciwny, aż do prawie jednego elektronu. W ten sposób osiąga się prawdziwą różnicową sygnalizację. Prawdziwa sygnalizacja różnicowa pozwala na dalsze obniżenie poziomu napięcia sygnału, zwiększenie odległości kabla i zwiększenie niepożądanego zakłócenia elektromagnetycznego.

Później przyszedł PoE dla Ethernetu. Mandat PoE polegał na dostarczeniu „taniego” prądu stałego do urządzeń peryferyjnych, tj. Telefonów VoIP, kamer i urządzeń do drzwi. Zasilanie PoE zwykle wychodzi ze wspólnego przełącznika Ethernet do wielu urządzeń, do 100 metrów w przeciwnych kierunkach. To PoE (48 do 57) VDC jest połączeniem „gwiazdowym” do wszystkich urządzeń. Oznacza to, że wielokrotne zasilanie za pomocą urządzeń „PD”, wspólne źródło zasilania (NIE jest to izolowane zasilanie, na złącze RJ45 w PSE). Dlatego jest to ostrzeżenie, że PD powinny zachować izolację mocy (zgodnie ze standardem IEEE 802.3), nawet na wejściach zasilania PoE, poprzez zasilanie izolowanego przetwornika DC-DC w PD, lub PD jest w całości w nieprzewodzącym przypadku, i nigdy płaszczyzna uziemienia jego obwodu nie jest podłączona do lokalnego uziemienia budynku lub innych pobliskich urządzeń (takich jak naprawdę tanie tanie urządzenia peryferyjne). Niestety IEEE 802.3 w standardzie PoE nie wyjaśnia tego bardzo wyraźnie.

Podsumowanie: Ethernet ma transformatory na obu końcach. W przypadku awarii transformatora izolacja galwaniczna od zdalnego urządzenia PD do PSE w przełączniku Ethernet nie zostaje utracona.

PoE, rezygnuje z izolacji zasilania prądem stałym (ze względu na niski koszt) na przełączniku Ethernet i pozostawia tę izolację „do” producentowi urządzeń peryferyjnych PD. Nikt tak naprawdę nie sprawdza tych wyprodukowanych przedmiotów. Jeśli IEEE obciąży sprawców nagród nagrodą, poprawi to sytuację.

Nowy standard PoE, IEEE, zastanawia się nad jeszcze wyższymi napięciami i prądami, aby uzyskać większą moc PoE, powinien dążyć do poprawy jakości i bezpieczeństwa. Powinny być one stosowane tylko w instalacjach komercyjnych / przemysłowych lub lepszych: 1) pełna izolacja zasilania w PSE dla każdego złącza. 2) wymagane raporty z testów izolacji PSE i PD, które są gromadzone i dostępne do publicznego pobrania. Aby dołączyć schemat okablowania PI. 3) na koszt producenta, utrzymuj serwer z listą wszystkich PD, które spełniają nowy standard. 4) rozważyć utworzenie standardu przemysłowego, jeśli koszt tych ulepszeń jest zbyt wysoki dla rynków konsumenckich z niższej półki, a jednocześnie zapewnia poważny poziom standardów, bezpieczeństwa i identyfikowalności potrzeb przemysłowych.

Specyfikacja Ethernet wymaga, aby urządzenia były od siebie galwanicznie izolowane - ten post wyjaśnia bardziej szczegółowo implikacje izolacji.

Ponieważ wspomniano o źródłach zasilania i uziemieniu, artykuł w Wikipedii na temat zasilania przez Ethernet (PoE) może być dla Ciebie odpowiedni.

Zarówno RS-232, jak i USB mają sygnały odnoszące się do uziemienia, dlatego potrzebujesz takiego. (Tak, sygnały D + i D- w USB są używane niezależnie od siebie z GND jako odniesieniem podczas wykrywania urządzenia). Sygnały Ethernet są czysto różnicowe, więc nie jest potrzebne odniesienie GND.

Jeden z powodów DLACZEGO TP Ethernet, dzięki $ DEITY !, nie używa wspólnego odniesienia masy między stacjami, nie został wystarczająco wyraźnie wymieniony:

Kabel Ethernet może przebiegać ponad sto metrów, prawdopodobnie nawet łącząc dwa budynki.

Różnica potencjałów nawet w dobrze wykonanym systemie uziemiającym, jeśli jest mierzona w dwóch punktach w odległości dziesiątek lub setek metrów, jest daleka od gwarantowanej wartości nawet zbliżonej do 0 V - napięcie prądu stałego lub niskiej częstotliwości prądu przemiennego może być spowodowane przepływem prądu (z powodu do prądów upływowych, rzeczywistych prądów zwarciowych, stanów nieustalonych lub błędów / defektów okablowania ...) w systemie uziemienia i wszelkiego rodzaju zakłóceń.

Różnice potencjałów prądu przemiennego z łatwością spowodują zakłócenia, podczas gdy silny przepływ prądu przez uziemioną osłonę kabla może faktycznie zmienić się w zagrożenie pożarowe.

A wszystko to zakłada, że ​​sprzęt jest właściwie uziemiony, nawet gorsze rzeczy mogą się zdarzyć, jeśli już tak nie jest.

Nie najgorsze, ale zły przykład, co może się zdarzyć z uziemionymi (po obu stronach) ekranami: Jeden komputer został przypadkowo podłączony za pomocą dwużyłowego kabla IEC (jak wcześniej znaleziono na wolności!) Na komputerze bez RCD (stary TN -C-to-the-socket ...) system okablowania. Ten komputer rozwija wewnętrzną krótką, podłączoną do źródła zasilania, metalową obudowę, do której podłączone są wszystkie połączenia uziemienia w tym komputerze. Drugi koniec tego połączenia to urządzenie, w którym uziemienie zostało poprawnie zaimplementowane. Zastosowany kabel ethernetowy jest najlżejszy z możliwych, z cienkim materiałem ekranującym. I jest to 30-metrowy kawałek zwinięty w cewkę, ponieważ nie masz już 5m kabli. Przy tej długości ekranowanie mogłoby mieć odpowiedni opór (około 15 omów byłoby „idealne” w systemie 240 V), aby przepuścić prąd wystarczająco mały, aby nie przepalić bezpieczników ani automatów, ale wystarczająco duży, aby rozproszyć ponad 1000 watów na ekranie kabla. Co będzie oznaczać dużo dymu i nie jest mało prawdopodobne, aby wokół niego powstało niebezpieczeństwo zapłonu.

Co sprawia, że ​​myślisz, że nie ma ono uziemienia?

• „Uziemienie” z definicji stanowi odniesienie 0 V dla niektórych obwodów lokalnych.
• Ziemia jest ziemią połączoną z zewnętrzną terrafermą.

Jak zapewne wiesz, wszystkie laptopy / tablety mają pływające uziemienie, chyba że są podłączone do jakiegoś portu z zewnętrznym uziemieniem, takim jak kabel VGA, do 3-bolcowego monitora LCD ze względu na izolację transformatora galwanicznego w ładowarce.

Ethernet nie ma również sygnałów w dolnym spektrum, w tym DC, ze względu na metody kodowania dwufazowego.

Ważniejsze jest to, że dla integralności sygnału i redukcji EMI dla wejścia i wejścia sygnały są liniami przesyłowymi z zakończeniem 75 Ω i zrównoważonymi z transformatorem CM i transformatorem centralnym 1: 1. Zwiększa to impedancję CM po stronie użytkownika w celu izolacji, jednocześnie utrzymując różnicową impedancję po stronie kabla do lokalnego uziemienia w górnym spektrum, w którym istnieją sygnały.

Zobacz „połączenia uziemiające” poniżej

• przez nasadkę łączącą 1000pF i terminatory 75 Ohm