Warum ist ein Ethernet-Kabel nicht geerdet?

Wenn Sie die POE 48 Volt im Bild unten einfach ignorieren, können Sie sehen, dass Ethernet auf beiden Seiten Transformatoren verwendet .

Auf diese Weise ist keine gemeinsame Masse erforderlich, solange die Gleichtaktspannung im Allgemeinen unter 1500 V bleibt. Die Isolationsspezifikation der Transformatoren.

Und als Bonus wissen Sie jetzt auch, wie POE funktioniert. ( 802.3at )

CAT6A hat jedoch oft einen abgeschirmten Stecker. Die Abschirmung wird dann über die kleinen Klappen in der Buchse mit dem Gehäuse geerdet.

Quellbild

Warum ist Ethernet nicht geerdet? Es gibt zwei Gründe:

1. Es würde eine Masseschleife zwischen den Geräten erzeugen
2. Das Gerät wäre auch anfälliger für ESD, die in Kabeln vorherrscht, die bewegt oder gehandhabt werden (durch triboelektrische Aufladung des Kabels).

Der Grund, warum Ethernet anfälliger für Erdschleifen ist, ist folgender:

1. Die Schleifen könnten viel größer sein als andere Kabelspezifikationen, mit 100 m zwischen den Geräten. USB ist 5m, RS232 uns 15m. Ethernet-Geräte befinden sich eher in verschiedenen Räumen, während USB-Geräte normalerweise an einem Computer (oder Hub) geerdet sind und sich auf demselben Boden oder im selben Raum am selben Stromkreis befinden.
2. Die Spannung von Ethernet ist niedriger als ±1 V bei einem Strom von ~10 mA. RS232 ist mit 5 V oder 15 V viel höher. USB hat 3,3 V. Das macht sie anfälliger für Fehler.

Die Unternehmen und Ingenieure, die die Ethernet-Spezifikation entworfen haben, hatten dies im Sinn (es gibt viele Gedanken, die in die Spezifikationen einfließen).

Wenn Sie eine Masse zwischen Sender und Empfänger hätten, würde dies eine Masseschleife erzeugen. Diese Masseschleife würde durch das Kabel gebildet und der Rückweg wäre die Netzmasse, wie unten gezeigt. Alle Magnetfelder, die durch die Schleife fließen, würden einen Strom entlang des Kabels (und des Rests der Schleife) erzeugen. Selbst wenn Sie die Signaldrähte isolieren, wäre dies aufgrund der gegenseitigen Induktivität zwischen den Drähten ein Problem (drähte, die nebeneinander verlaufen, können Ströme von einem zum anderen koppeln). Dies würde Rauschen injizieren (und potenzielle Bitfehler und Paketverluste verursachen).

Wenn Sie also einen Trenntransformator zwischen den Geräten hinzufügen, unterbrechen Sie die Schleife und können immer noch ein Hochgeschwindigkeitssignal zwischen Sender und Empfänger übertragen. Ein weiterer Vorteil der galvanischen Trennung erhöht auch die Impedanz des Kabels zum Gerät im Falle einer großen elektrostatischen Entladung.

Dies ist ein Beispiel für die Isolierung zwischen zwei Geräten, Ethernet hat zwei Trenntransformatoren, aber das Ergebnis ist das gleiche, es unterbricht die Masseschleife (und reduziert das Gleichtaktrauschen in Verbindung mit dem verdrillten Paar und der Gleichtaktdrossel ).

Bilder aus Wikipedia zu Erdschleifen

1. Differenzielle Signalisierung bedeutet, dass keine gemeinsame Masse als Bezugspunkt benötigt wird. Verhindert auch die Notwendigkeit einer Abschirmung, die normalerweise geerdet ist.
2. Keine DC-Leistungsübertragung beseitigt wiederum die Notwendigkeit einer gemeinsamen Masse und macht Punkt #3 möglich.
3. Galvanische Trennung macht Erdung kontraproduktiv. Die technischen Daten haben erhebliche Anstrengungen unternommen, um Geräte mit unterschiedlichen Potenzialen in die Lage zu versetzen, zusammenzuarbeiten, sodass das Hinzufügen eines Erdungskabels diesen Aufwand ziemlich zunichte machen würde.

/ bearbeiten: Wie Tom Carpenter betonte, behält richtig implementiertes POE mit isolierten DC-DC-Wandlern immer noch die galvanische Trennung und die Eigenschaft "kein Draht auf Erdpotential". (Ok, POE bricht den galvanischen Trennungsteil und fügt eine Art Erdung hinzu, nicht deutlich sichtbar, aber es ist da. Aber POE ist ein Hack auf dem Ethernet, kein Originalteil der Spezifikationen. Nicht-POE-Geräte behalten die ursprünglichen Vorteile .)

USB hat auch eine differenzielle Signalisierung, aber es trägt auch Gleichstrom. Die bloße Existenz der Stromversorgungsmöglichkeit macht die gemeinsame Basis notwendig.

RS-232 führt keinen Strom, aber das Signal ist kein in sich geschlossenes Differenzpaar, sondern ein einzelner Draht, der gegen Masse referenziert ist - das macht die gemeinsame Masse erforderlich.

Erdung wird oft als Allheilmittel missverstanden, um Dinge miteinander zu verbinden. In den meisten Fällen fügt die Erdung jedoch selbst bei kurzen Läufen mehr Probleme hinzu, als sie löst.

Das Problem beim Teilen einer Masse über eine beliebige Entfernung besteht darin, dass Sie davon ausgehen, dass beide Enden auf demselben Massepotential liegen. In einer perfekten Welt mag das wahr sein, aber im wirklichen Leben ist es fast nie so.

Ob es nun an schlechter Verkabelung, Erdschluss oder EMI-Effekten liegt, die Erdung hier auf diesem Monitor unterscheidet sich von der Erdung dort drüben auf Ihrem Fernseher. Wenn Sie also ein Kabel verlegen, das Masse dazwischen enthält, fließt ein Strom durch diese Masse.

Darüber hinaus wird die gemeinsame Masse zum aktuellen Rückweg für Ihr Signal. Das bedeutet, dass Sie der Masseleitung tatsächlich Rauschen hinzufügen. Wenn Ihr Kommunikationssystem mehrere Leitungen verwendet, teilen sie sich effektiv den gleichen Rückweg und die Ströme werden viel komplexer und das Rauschen viel schlimmer in der gemeinsamen Masse.

Je länger das Kabel ist, desto mehr Spannungsunterschiede werden entlang dieses Erdungskabels sichtbar. Wenn die Differenz groß genug ist, fällt das Delta zwischen Masse und der Signalspannung so weit ab, dass Sie das Signal nicht mehr unterscheiden können.

Das Bild unten zeigt dies. Beachten Sie, dass Sie in der Ferne zwei Lichter über Ihrem Boden haben. Sie können sehen, dass Sie bei einem schönen festen Boden in den mittleren beiden ziemlich leicht erkennen können, welches Licht eingeschaltet ist. In der rechten Situation, in der die Bodengrenze schwer zu identifizieren ist, ist es jedoch nicht mehr möglich zu sagen, ob es sich um ein hohes oder niedriges Licht handelt.

Standards wie ETHERNET und andere differenzielle Kommunikationssysteme verwenden eine andere Technik, die die Notwendigkeit einer Erdung vollständig überflüssig macht.

Durch das Senden eines Plus- und Minussignals über zwei dedizierte Drähte kann der Empfänger das Signal erkennen, indem er den Unterschied zwischen diesen Drähten untersucht, anstatt es mit einer durchgelassenen Referenzspannung zu vergleichen. (dh "Boden"). Das Bild unten zeigt, wie dies funktioniert. Beachten Sie, dass Sie trotz der verrauschten Signale auf der rechten Seite immer noch erkennen können, welches Signal gesendet wird.

Diese Technik ermöglicht nicht nur die Übertragung des Signals über eine viel größere Entfernung, sondern reduziert auch die Anfälligkeit des Systems für Gleichtaktrauschen. Da die Strompfade jedes Signals auch auf diese beiden dedizierten Drähte beschränkt sind, wird die gemeinsame Nutzung des Rückpfads zwischen den Signalen eliminiert.

Insbesondere bei Ethernet werden Transformatoren verwendet, um die Drähte anzuschließen, was eine vollständige Trennung zwischen dem Übertragungsmedium und dem Sender/Empfänger ermöglicht.

Zu der Mischung aus Fragen und Kommentaren zu USB und Ethernet, z. B. warum Ethernet galvanisch getrennt ist und USB nicht:

Informieren Sie sich über die USB-Geschichte und ihre Mandate. Es sollte ein "kostengünstiger" Signalport für "kurze Distanz" (5 Meter) sein, der für Computer zu Hause und im Geschäft geeignet war und vor allen anderen Anforderungen kostengünstig war. USB hatte auch den Auftrag, die Datenratenleistung über parallele Drucker- und RS232-Ports zu verbessern.

USB sollte auf alle hergestellten PC's aufgesetzt werden. Ob der Benutzer es brauchte oder nicht. Das heißt, es muss kostengünstig sein. Parallele Druckerports und RS232-Ports und die großen zugehörigen Anschlüsse hatten bei allen gängigen Computern einen ernsthaften Kostennachteil. Und das machte PCs und Laptops teurer, größer, schwerer und energieintensiver. USB, also sehr "low cost", hat keine Transformatoren, um eine galvanische Trennung zu erreichen. Und es macht es einfach, das Peripheriegerät mit Gleichstrom zu versorgen. Die USB-Datensignalisierung ist mangels eines besseren Ausdrucks "semi-differenziell". Das heißt, der Strom in den + und - Leitungen des Kabels ist zu etwa 95% numerisch entgegengesetzt abgestimmt (die + und -, sind immer leicht fehlerhaft, da sie keinen perfekten entgegengesetzten Stromwert darstellen), da jeweils ein anderer Transistorsatz ansteuert Netto, + und -.

Das Mandat von Ethernet war und ist; "zuverlässige", "Mittelstrecken"-Kommunikation und niedrige Kosten. Aber Zuverlässigkeit und Mittelstrecke stehen an erster Stelle. Eine mittlere Entfernung von 100 Metern erfordert sehr viel galvanische Trennung. Wenn zwei Geräte (z. B. ein Switch und ein PC) über zwei Gebäude mit einer Erdpotentialdifferenz von wenigen Volt verbunden sind, ist das eine ziemlich schlechte Sache, und unbeabsichtigter, unerwünschter Erdstrom fließt in diesem Datenkabel. Und dieser unerwünschte Bodenfluss kann alle möglichen negativen Auswirkungen haben, indem er die Datenqualität und die Ausrüstung beeinträchtigt und möglicherweise sogar Menschen gefährdet.

Ethernet hat auch verschiedene Transistorsätze, die jeweils + und - ansteuern, jedoch schließt der Signaltransformator + und - kurz, und somit ist der endgültige Stromfluss von + und - nahezu eine perfekte, entgegengesetzte Übereinstimmung, bis auf fast ein einzelnes Elektron. Somit wird eine echte differentielle Signalisierung erreicht. Echte differenzielle Signalisierung ermöglicht eine weitere Reduzierung der Signalspannungspegel, eine Erhöhung der zurückgelegten Kabelentfernung und eine Reduzierung unerwünschter EMI.

Später kam PoE für Ethernet hinzu. Die Aufgabe von PoE bestand darin, Peripheriegeräte, dh VoIP-Telefone, Kameras und Türzugangseinheiten, mit „kostengünstigem“ Gleichstrom zu versorgen. Der PoE-Strom wird normalerweise über den gemeinsamen Ethernet-Switch an mehrere Geräte bis zu 100 Meter in entgegengesetzte Richtungen übertragen. Dieses PoE (48 bis 57) VDC ist eine „Stern“-Verbindung zu allen Geräten. Das bedeutet, dass sich die mehrfach stromverbrauchenden Geräte "PD" eine gemeinsame Versorgung teilen (dies ist KEINE isolierte Stromversorgung, per RJ45-Anschluss am PSE). Daher ist es ein GULT-Edged-Muss, dass die PDs die Stromisolierung (gemäß dem IEEE 802.3-Standard) aufrechterhalten müssen, selbst an den PoE-Stromeingängen, entweder über eine DC-zu-DC-isolierte Konverterversorgung im PD, oder die PD ist vollständig in einem nicht leitenden Fall, und niemals ist die Erdungsebene der Schaltkreise mit der lokalen Erdung des Gebäudes oder anderen nahe gelegenen Geräten (wie z. B. wirklich billigen Peripheriegeräten der unteren Preisklasse) verbunden. Leider macht IEEE 802.3 at PoE-Standard dies nicht sehr deutlich.

Zusammenfassung: Ethernet hat Transformatoren an beiden Enden. Selbst wenn ein Transformator ausgefallen ist, geht die galvanische Trennung vom PD-Remote-Gerät zum PSE im Ethernet-Switch nicht verloren.

PoE verzichtet (aus Kostengründen) auf die Gleichstromisolierung am Ethernet-Switch und überlässt diese Isolierung dem PD-Peripheriehersteller. Niemand kontrolliert diese hergestellten Artikel wirklich. Wenn IEEE den Übertretern eine Prämie auferlegt, würde das die Situation verbessern.

Der neue PoE-Standard, IEEE erwägt noch höhere Spannungen und Ströme, für mehr PoE-Leistung, sollte sich in Richtung einer verbesserten Qualität und Sicherheit bewegen. Diese sollten nur bei kommerziellen/industriellen oder besseren Installationen vorhanden sein: 1) vollständige Stromisolierung am PSE für jeden Anschluss. 2) Erforderliche Testberichte für die PSE- und PD-Leistungsisolierung, die archiviert und für die Öffentlichkeit herunterladbar sind. Um den Schaltplan des PI einzuschließen. 3) Betreiben Sie auf Kosten des Herstellers einen Server mit einer Liste aller PDs, die den neuen Standard erfüllen. 4) Erwägen Sie die Schaffung eines Standards in Industriequalität, wenn die Kosten dieser Verbesserungen für die Verbrauchermärkte im unteren Endbereich zu hoch sind, und bieten Sie dennoch das ernsthafte Niveau an Standards, Sicherheit und Rückverfolgbarkeit für industrielle Anforderungen.

Die bisherige Antwort hat ein Schlüsselelement übersehen: die Abschirmung von Rauschen.

Der Ethernet-Standard umfasst seit Jahrzehnten sowohl UTP als auch STP (Unshielded/Shielded Twisted Pair).

IBM hat die ursprüngliche Einbeziehung von STP wegen seiner Kompatibilität mit Token Ring stark beeinflusst. Die Behauptung war, dass die STP-Abschirmung eine zusätzliche Rauschschutzschicht für die Differentialpaare bietet (ein Schnäppchen zum nur 5-fachen Preis!). Die Praxiserfahrung zeigte jedoch schnell, dass die Abschirmung eine schlechtere Leistung lieferte. Punktquellen für elektrisches Rauschen wurden mit der Abschirmung gekoppelt, wo das Rauschen dann die gesamte Länge des Kabels hatte, um mit den verdrillten Paaren gekoppelt zu werden.

Abschirmung kann auch das Übersprechen erhöhen. Paare werden mit leicht unterschiedlichen Raten gedreht – ein typischer Zeitplan ist 11/12/13/14 Drehungen pro Fuß. Auf diese Weise verschachteln sie sich nicht physisch zu einem parasitären Transformator, wenn das Kabel während der Installation verdreht und gezogen wird. Das funktioniert super. Viel besser als Sie vielleicht erwarten. Aber das Wackeln dehnt die Abschirmung zwischen den Paaren und koppelt das Signal an die Abschirmung und an die anderen Paare.

Die Ethernet-Spezifikation verlangt, dass Geräte galvanisch voneinander getrennt werden – dieser Beitrag erklärt die Implikationen der Isolierung ausführlicher.

Da Sie Stromquellen und Erdung erwähnt haben, könnte der Wikipedia-Artikel über Power over Ethernet (PoE) für Sie relevant sein.

Ein Grund, WARUM TP-Ethernet, $DEITY sei Dank!, keine gemeinsame Massereferenz zwischen den Stationen verwendet, wurde nicht klar genug erwähnt:

Ein Ethernet-Kabel kann mehr als hundert Meter lang sein und wahrscheinlich sogar zwei Gebäude verbinden.

Die Potentialdifferenz selbst bei einem gut ausgeführten Erdungssystem, wenn sie an zwei Punkten gemessen wird, die zehn oder hundert Meter voneinander entfernt sind, ist bei weitem nicht garantiert, dass sie auch nur annähernd 0 V beträgt - es kann aufgrund des Stromflusses eine Gleich- oder niederfrequente Wechselspannung geben (aufgrund Kriechströme, tatsächliche Fehlerströme, Transienten oder Verdrahtungsfehler/-defekte...) im Erdungssystem und alle Arten von Interferenzen.

AC-Potenzialunterschiede verursachen leicht Störungen, während ein starker Stromfluss über eine geerdete Kabelabschirmung tatsächlich zu einer Brandgefahr werden kann.

Und all dies setzt voraus, dass die Geräte überhaupt ordnungsgemäß geerdet sind. Wenn dies nicht mehr der Fall ist, können noch schlimmere Dinge passieren.

Nicht schlimmes, aber schlechtes Fallbeispiel, was mit (beidseitig) geerdeten Schirmen passieren könnte: Ein PC wurde versehentlich mit einem zweiadrigen IEC-Kabel (wie es schon einmal in freier Wildbahn gefunden wurde!) an einen RCD-losen (alten TN -C-an-die-Steckdose ...) Bordnetz. Dieser PC entwickelt einen internen Kurzschluss, der das stromführende Netz mit dem Metallgehäuse verbindet, mit dem alle Erdungsanschlüsse in diesem PC verbunden sind. Das andere Ende dieser Verbindung führt zu einem Gerät, bei dem die Erdung korrekt implementiert wurde. Das verwendete Ethernet-Kabel ist so leicht wie möglich, mit dünnem Abschirmmaterial. Und es ist ein 30-Meter-Stück, das in einer Spule aufgewickelt ist, da Sie keine 5-Meter-Kabel mehr hatten. Bei dieser Länge könnte diese Abschirmung genau den richtigen Widerstand haben (ungefähr 15 Ohm wären "perfekt" in einem 240-V-System), um einen Strom zu leiten, der klein genug ist, um keine Sicherungen oder Automaten durchbrennen zu lassen, aber groß genug, um mehr als 1000 Watt an der Kabelabschirmung abzuleiten. Das bedeutet viel Rauch und nicht unwahrscheinlich eine Zündgefahr, wenn man es drum herum stopft.

Sowohl RS-232 als auch USB haben Signale, die auf Masse bezogen sind, deshalb brauchen Sie eines. (Ja, D+ und D- Signale in USB werden unabhängig voneinander mit GND als Referenz während der Geräteerkennung verwendet). Ethernet-Signale sind rein differentiell, daher ist keine GND-Referenz erforderlich.

Was lässt Sie glauben, dass es keine Masseverbindung hat?

• "Masse" ist definitionsgemäß eine 0-V-Referenz für einen lokalen Stromkreis.
• Erdung ist eine, die mit der äußeren Terraferma verbunden ist.

Wie Sie vielleicht wissen, haben alle Laptops/Tablets eine schwimmende Erdung, es sei denn, sie sind aufgrund der galvanischen Transformatortrennung im Batterieladegerät an einen Anschluss mit externer Erdung angeschlossen, z. B. ein VGA-Kabel an einen dreipoligen LCD-Monitor.

Ethernet hat aufgrund der Bi-Phase-Codierungsmethoden auch keine Signale im unteren Spektrum, einschließlich DC.

Wichtiger ist, dass für die Signalintegrität und die EMI-Reduzierung für Ein- und Ausgang die Signale Übertragungsleitungen mit 75-Ω-Terminierung sind und mit einem CM-Transformator und einem 1:1-Transformator mit Mittelanzapfung symmetrisch sind. Dies erhöht die CM-Impedanz auf der Benutzerseite zur Isolierung, während die differentielle Impedanz auf der Kabelseite zur lokalen Masse im oberen Spektrum beibehalten wird, wo Signale vorhanden sind.

Siehe "Masseverbindungen" unten

• über 1000pF Koppelkappe und 75 Ohm Terminatoren