Почему кабель Ethernet не заземлен?

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 обычно остается ниже 1500 В. Характеристики изоляции трансформаторов.

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

Однако CAT6A часто имеет экранированный разъем. Затем экран заземляется на шасси с помощью маленьких клапанов внутри гнезда.

Исходное изображение

Почему Ethernet не заземлен? Есть две причины:

1. Это создаст контур заземления между устройствами.
2. Устройство также будет более восприимчиво к электростатическому разряду, который преобладает в кабелях, которые перемещаются или манипулируются (из-за трибоэлектрической зарядки кабеля).

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

1. Петли могут быть намного больше, чем у других кабелей, с расстоянием между устройствами 100 м. USB 5м, RS232 15м. Устройства Ethernet, скорее всего, будут находиться в разных комнатах, тогда как устройства USB обычно заземлены на компьютер (или концентратор) и находятся на той же земле или в той же комнате в одной и той же цепи питания.
2. Напряжение Ethernet ниже ±1 В при токе ~10 мА. RS232 намного выше при 5В или 15В. USB 3,3В. Это делает его более восприимчивым к ошибкам.

Компании и инженеры, которые разрабатывали спецификацию Ethernet, имели это в виду (много размышлений идет о спецификациях).

Если бы у вас было заземление между передатчиком и приемником, это создало бы контур заземления. Этот заземляющий контур будет образован кабелем, а обратный путь будет заземлением сети, как показано ниже. Любые магнитные поля, проходящие через петлю, будут создавать ток вдоль кабеля (и остальной части петли). Даже если вы изолируете сигнальные провода , это будет проблемой из-за взаимной индуктивности между проводами (провода, идущие рядом друг с другом, могут передавать токи от одного к другому). Это внесет шум (и вызовет потенциальную битовую ошибку и потерю пакетов).

Таким образом, если вы добавите изолирующий трансформатор между устройствами, вы разорвете петлю и по-прежнему сможете передавать высокоскоростной сигнал между передатчиком и приемником. Еще одним преимуществом гальванической развязки является также увеличение импеданса кабеля к устройству в случае сильного электростатического разряда.

Это пример изоляции между двумя устройствами, ethernet имеет два изолирующих трансформатора, но результат тот же, он разрывает контур заземления (и снижает синфазные помехи в связке с витой парой и синфазным дросселем ).

Изображения из Википедии о контурах заземления

1. Дифференциальная сигнализация означает, что нет необходимости в общем заземлении в качестве точки отсчета. Кроме того, отпадает необходимость в экранировании, которое обычно заземлено.
2. Отсутствие передачи мощности постоянного тока снова устраняет необходимость в общем заземлении и делает возможным пункт № 3.
3. Гальваническая развязка делает заземление контрпродуктивным. Спецификации прилагают значительные усилия для того, чтобы устройства с разным потенциалом могли работать вместе, поэтому добавление заземляющего провода в значительной степени сведет на нет эти усилия.

/ редактировать: как указал Том Карпентер, правильно реализованный POE с изолированными преобразователями постоянного тока по-прежнему сохраняет свойство гальванической развязки и «отсутствия провода с потенциалом земли». (Хорошо, POE ломает часть гальванической развязки и добавляет заземление, не явно видимое, но оно есть. Но POE — это хак поверх Ethernet, а не исходная часть спецификаций. Устройства без POE сохраняют первоначальные преимущества. .)

USB также имеет дифференциальную передачу сигналов, но также передает питание постоянного тока. Простое существование возможности приведения в действие делает необходимым общее основание.

RS-232 не передает питание, но сигнал не является автономной дифференциальной парой, это один провод, соединенный с землей, что делает необходимым общее заземление.

Заземление часто неправильно понимают как окончательное решение для соединения вещей. Однако в большинстве случаев, даже на коротких дистанциях, заземление создает 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 так.

Будь то из-за плохой проводки, утечки на землю или воздействия электромагнитных помех, земля здесь на этом мониторе отличается от земли там на вашем телевизоре. Таким образом, когда вы прокладываете кабель, который включает землю между ними, через эту землю будет течь ток.

Кроме того, точка соприкосновения 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 общем заземлении.

Чем длиннее кабель, тем больше разница в напряжении будет очевидна вдоль этого заземляющего кабеля. 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, что у вас есть два источника света над землей на расстоянии. Вы можете видеть, что на хорошей твердой земле вы можете довольно легко сказать, какой свет включен посередине. Однако в правой ситуации, когда границу земли трудно определить, уже невозможно сказать, является ли это сильным или слабым светом.

Такие стандарты, как ETHERNET и другие системы дифференциальной связи, используют другой метод, который полностью устраняет необходимость в заземлении.

Отправляя сигналы плюс и минус по двум выделенным проводам, приемник может выделить сигнал, исследуя разницу между этими проводами, а не сравнивая его с переданным эталонным напряжением. (т.е. «Земля»). На изображении ниже показано, как это работает. Обратите внимание, что даже по шумным сигналам справа вы все равно можете сказать, какой сигнал посылается.

Этот метод не только позволяет передавать сигнал на гораздо большее расстояние, но и снижает восприимчивость системы к синфазному шуму. Поскольку пути тока 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.

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

Ознакомьтесь с историей USB и его полномочиями. Это должен был быть «недорогой», «короткий» (5 метров) сигнальный порт, подходящий для компьютеров дома и в офисе, и низкая стоимость превыше всех других потребностей. У USB также была задача повысить скорость передачи данных по сравнению с портами параллельного принтера и RS232.

USB должен был быть поставлен на все выпускаемые ПК. Нужен он пользователю или нет. Это означает, что она должна быть низкой стоимости. Параллельные порты для принтеров и порты RS232, а также связанные с ними большие разъемы привели к серьезному снижению стоимости на всех популярных компьютерах. И это сделало ПК и ноутбуки более дорогими, большими, тяжелыми и потребляющими больше энергии. Таким образом, USB, чтобы быть очень «дешевым», не имеет трансформаторов для обеспечения гальванической развязки. И это упрощает подачу постоянного тока на периферийные устройства. Передача данных через USB, за неимением лучшей фразы, называется «полудифференциальной». То есть ток в + и - линиях кабеля примерно на 95% численно противоположен (+ и - всегда немного ошибаются, не являясь идеально противоположным значением тока), поскольку каждый из них управляется другим набором транзисторов. сеть, + и -.

Мандат Ethernet был и есть; "надежная", "средняя дистанция" связи и низкая стоимость. Но надежность и средняя дистанция на первом месте. Средняя дистанция в 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 в этом кабеле данных будет протекать непреднамеренный, нежелательный ток заземления. И этот нежелательный подземный поток может иметь всевозможные негативные последствия, ухудшая качество данных и нанося ущерб оборудованию, возможно, даже подвергая опасности людей.

Ethernet также имеет разные наборы транзисторов, управляющих каждым + и -, однако трансформатор сигналов закорачивает + и - вместе, и, таким образом, окончательный поток + и - тока является почти идеальным, противоположным совпадением, вплоть до почти одного электрона. Таким образом достигается истинная дифференциальная передача сигналов. Настоящая дифференциальная передача сигналов позволяет дополнительно снизить уровни напряжения сигнала, увеличить длину кабеля и уменьшить нежелательные электромагнитные помехи.

Позже появился PoE для Ethernet. Задача PoE заключалась в том, чтобы предоставить «недорогое» питание постоянного тока для периферийных устройств, т. е. телефонов VoIP, камер и устройств дверного доступа. Питание PoE обычно выходит из общего коммутатора Ethernet на несколько устройств на расстоянии до 100 метров в противоположных направлениях. Этот PoE (от 48 до 57) VDC представляет собой соединение «звездой» со всеми устройствами. Это означает, что устройства с несколькими источниками питания «PD» используют общий источник питания (это НЕ изолированное питание для каждого разъема RJ45 на PSE). Таким образом, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИНЫ «должно», чтобы PD поддерживали изоляцию питания (в соответствии со стандартом IEEE 802.3), даже на входах питания PoE, посредством изолированного питания преобразователя постоянного тока в PD, или PD полностью в непроводящем корпусе, и никогда его заземляющая плоскость цепей не подключается к местной земле здания или другому близлежащему оборудованию (например, очень дешевой периферии низкого уровня). К сожалению, стандарт IEEE 802.3 в стандарте PoE не очень четко определяет это.

Резюме: Ethernet имеет трансформаторы на обоих концах. Если даже произошел отказ трансформатора, гальваническая развязка между удаленным устройством PD и PSE в Ethernet-коммутаторе не теряется.

PoE отказывается от изоляции питания постоянного тока (ради низкой стоимости) на коммутаторе Ethernet и оставляет эту изоляцию на усмотрение производителя периферийных устройств PD. Никто на самом деле не проверяет эти промышленные товары. Если IEEE вознаградит нарушителей, это улучшит ситуацию.

Новый стандарт PoE, который IEEE рассматривает для еще более высоких напряжений и токов, для большей мощности PoE, должен двигаться в направлении некоторого улучшения качества и безопасности. Они должны быть только в установках коммерческого/промышленного класса или более высокого качества: 1) полная изоляция питания на PSE для каждого разъема. 2) обязательные отчеты об испытаниях изоляции питания PSE и PD, которые хранятся в файлах и могут быть загружены для общего доступа. Приложить схему подключения ИП. 3) за счет производителя содержать сервер со списком всех ПД, соответствующих новому стандарту. 4) рассмотреть вопрос о создании стандарта промышленного класса, если стоимость этих улучшений слишком высока для потребительских рынков с низким уровнем дохода, но при этом обеспечивает серьезный уровень стандартов, безопасности и прослеживаемости для промышленных нужд.

Ответ до сих пор упустил один ключевой элемент: шум экранирования пар.

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

IBM сильно повлияла на первоначальное включение STP из-за его совместимости с Token Ring. Заявление заключалось в том, что экранирование STP обеспечивает дополнительный уровень защиты от помех для дифференциальных пар (сделка всего в 5 раз дороже!). Однако реальный опыт быстро показал, что экранирование обеспечивает худшие характеристики. Точечные источники электрического шума были соединены с экраном, где шум затем распространялся по всей длине кабеля на витые пары.

Экранирование также может увеличить перекрестные помехи. Пары скручиваются с разной скоростью — обычно это 11/12/13/14 поворотов на фут. Таким образом, они физически не соединяются друг с другом, образуя паразитный трансформатор, когда кабель скручивается и вытягивается 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.

Спецификация Ethernet требует, чтобы устройства были гальванически изолированы друг от друга — в этом посте более подробно объясняются последствия изоляции.

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

Одна из причин, ПОЧЕМУ TP ethernet, слава БОЖЕСТВУ!, не использует общую ссылку на землю между станциями, не была упомянута достаточно ясно:

Кабель Ethernet может иметь длину более ста метров, возможно, даже соединяя два здания.

Разность потенциалов даже на хорошо выполненной системе заземления, если ее измерить в двух точках на расстоянии десятков или сотен метров друг от друга, далеко не гарантируется даже близкой к 0 В - может быть постоянное или низкочастотное переменное напряжение из-за протекания тока (из-за к токам утечки, фактическим токам повреждения, переходным процессам или ошибкам/дефектам проводки...) в системе заземления и всевозможным помехам.

Разность потенциалов переменного тока легко вызовет помехи, в то время как сильный ток, протекающий через заземленный экран кабеля, может привести к пожару.

И все это предполагает, что оборудование в первую очередь должным образом заземлено, и даже хуже может случиться, если это больше не так.

Не худший, но плохой пример того, что может произойти с заземленными (с обеих сторон) экранами: один ПК был случайно подключен двухжильным кабелем IEC (как это было раньше в дикой природе!) на RCD-less (старый TN -С-в-розетку...) система проводки. Этот ПК имеет внутренний короткий соединительный провод под напряжением к металлическому корпусу, к которому подключены все заземляющие соединения в этом ПК. Другой конец этого соединения — к устройству, заземление которого выполнено правильно. Используемый кабель Ethernet имеет максимально легкую конструкцию с тонким экранирующим материалом. И это 30-метровый кусок, намотанный в катушку, так как у вас закончились 5-метровые кабели. При такой длине этот экран может иметь как раз подходящее сопротивление (около 15 Ом было бы «идеальным»). в системе 240 В) для пропускания тока, который достаточно мал, чтобы не перегореть какие-либо предохранители или автоматы, но достаточно велик, чтобы рассеивать более 1000 Вт на экране кабеля. Это будет означать много дыма и не исключено, что вокруг него может возникнуть опасность воспламенения.

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

С чего вы взяли, что у него нет заземления?

• «Земля» по определению является ссылкой 0 В для некоторой локальной цепи.
• Земная земля связана с внешней террафермой.

Как вы, возможно, знаете, все ноутбуки/планшеты имеют плавающее заземление, если только они не подключены к какому-либо порту с внешним заземлением, например кабелем VGA к 3-контактному ЖК-монитору из-за гальванической развязки трансформатора в зарядном устройстве.

Ethernet также не имеет сигналов нижнего спектра, включая постоянный ток, из-за методов двухфазного кодирования.

Более важным является то, что для обеспечения целостности сигнала и уменьшения электромагнитных помех на входе и выходе сигналы представляют собой линии передачи с оконечной нагрузкой 75 Ом, сбалансированные с помощью трансформатора CM и трансформатора с центральным отводом 1:1. Это повышает импеданс CM на стороне пользователя для изоляции, сохраняя при этом дифференциальный импеданс на стороне кабеля относительно местной земли в верхнем спектре, где существуют сигналы.

См. «заземление» ниже

• через соединительный колпачок 1000 пФ и терминаторы 75 Ом