Warum ist ein Ethernet-Kabel nicht geerdet?

In der klassischen Pinbelegung von Ethernet 8P8C ("RJ45") gibt es keine dedizierte GND. ^[1]

Warum enthält die Ethernet-Spezifikation keine Erdung, im Gegensatz zu vielen anderen Kabeltypen, die zum Verbinden von Geräten verwendet werden, bei denen möglicherweise auch eine unabhängige Stromquelle vorhanden ist, z. B. RS-232 oder USB ?

Wenn Sie die POE 48 Volt in der Abbildung unten einfach ignorieren, sehen Sie, 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 verfügt jedoch häufig über einen abgeschirmten Steckverbinder. Die Abschirmung wird dann über die kleinen Klappen in der Buchse mit dem Gehäuse verbunden.

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Warum ist Ethernet nicht geerdet? Es gibt zwei Gründe:
1. Es würde eine Erdschleife zwischen den Geräten entstehen.
2. Das Gerät wäre auch anfälliger für elektrostatische Entladungen, die bei Kabeln auftreten, die bewegt oder gehandhabt werden (durch triboelektrische Aufladung des Kabels).

Der Grund, warum Ethernet anfälliger für eine Erdschleife ist, liegt in folgenden Gründen:

1. Die Schleifen könnten viel größer sein als bei anderen Kabelspezifikationen, mit einem Abstand von 100 m zwischen den Geräten. USB ist 5m, RS232 uns 15m. Es ist wahrscheinlicher, dass sich Ethernet-Geräte in verschiedenen Räumen befinden, wohingegen USB-Geräte normalerweise an einem Computer (oder Hub) geerdet sind und sich am selben Boden oder im selben Raum am selben Netzstrom befinden.
2. Die Ethernet-Spannung beträgt weniger als ± 1 V bei ~ 10 mA Strom. RS232 ist bei 5V oder 15V viel höher. USB ist 3,3V. Dies macht es anfälliger für Fehler.

Die Unternehmen und Ingenieure, die die Ethernet-Spezifikation entwickelt haben, haben dies berücksichtigt (es gibt viele Überlegungen zu Spezifikationen).

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

Wenn Sie also einen Trenntransformator zwischen Geräten hinzufügen, unterbrechen Sie die Schleife und können dennoch ein schnelles Signal zwischen Sender und Empfänger übertragen. Ein weiterer Vorteil der galvanischen Trennung ist die Erhöhung der Impedanz des Kabels zum Gerät bei starker elektrostatischer Entladung.

Dies ist ein Beispiel für die Isolation zwischen zwei Geräten. Ethernet verfügt über zwei Isolationstransformatoren. Das Ergebnis ist jedoch dasselbe: Es unterbricht die Erdschleife (und reduziert das Gleichtaktrauschen in Verbindung mit dem Twisted Pair und der Gleichtaktdrossel ).

Bilder aus Wikipedia auf Bodenschleifen

1. Differenzsignalisierung bedeutet, dass keine gemeinsame Masse als Bezugspunkt erforderlich ist. Negiert auch die Notwendigkeit der Abschirmung, die normalerweise geerdet ist.
2. Keine Gleichstromübertragung beseitigt erneut die Notwendigkeit einer gemeinsamen Masse und macht Punkt 3 möglich.
3. Die galvanische Trennung macht die Erdung kontraproduktiv. Die technischen Daten erforderten erhebliche Anstrengungen, um Geräte mit unterschiedlichen Potentialen in die Lage zu versetzen, zusammenzuarbeiten. Das Hinzufügen eines Erdungskabels würde diesen Aufwand praktisch zunichte machen.

/ edit: Wie Tom Carpenter hervorhob, behält die ordnungsgemäß implementierte POE mit isolierten DC-DC-Wandlern die galvanische Trennung und die Eigenschaft "kein Draht auf Erdpotential" bei. (Okay, POE unterbricht den galvanischen Trennungsteil und fügt eine Art Erdung hinzu, die nicht klar erkennbar ist, aber dennoch vorhanden ist. POE ist ein Hack auf das Ethernet, kein Originalteil der Spezifikation. Nicht-POE-Geräte behalten die ursprünglichen Vorteile bei .)

USB verfügt ebenfalls über eine differentielle Signalisierung, überträgt jedoch auch Gleichstrom. Das bloße Vorhandensein der Antriebsmöglichkeit macht die gemeinsame Basis notwendig.

RS-232 führt keine Spannung, aber das Signal ist kein eigenständiges Differenzpaar. Es ist ein einzelner Draht, der auf Masse bezogen ist. Dies macht die gemeinsame Masse erforderlich.

Erdung wird oft missverstanden, um die endgültige Lösung für das Verbinden von Dingen zu sein. In den meisten Fällen verursacht die Erdung jedoch mehr Probleme, als sie löst.

Das Problem beim Teilen eines Bodens über eine beliebige Entfernung ist, dass Sie davon ausgehen, dass beide Enden dasselbe Bodenpotential haben. In einer perfekten Welt mag das wahr sein, aber im wirklichen Leben ist das so gut wie nie der Fall.

Ob es an einer schlechten Verkabelung, einem Erdschluss oder elektromagnetischen Störungen liegt, unterscheidet sich von der Erdung Ihres Fernsehgeräts. Wenn Sie also ein Kabel verlegen, das eine Erdung zwischen sich enthält, fließt ein Strom durch diese Erdung.

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

Je länger das Kabel ist, desto größer ist der Spannungsunterschied entlang des Erdungskabels. Bei ausreichender Differenz sinkt das Delta zwischen Masse und Signalspannung so weit ab, dass Sie das Signal nicht mehr unterscheiden können.

Das Bild unten zeigt dies. Beachten Sie, dass sich in der Ferne zwei Lichter über Ihrem Boden befinden. Sie können sehen, dass Sie mit einem schönen festen Untergrund 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 erkennen, ob dies ein hohes oder niedriges Licht ist.

Standards wie ETHERNET und andere differenzielle Kommunikationssysteme verwenden eine andere Technik, die die Notwendigkeit eines Bodens vollständig beseitigt.

Durch das Senden als Plus- und Minus-Signal über zwei dedizierte Drähte kann der Empfänger das Signal herausfinden, indem er den Unterschied zwischen diesen Drähten untersucht, anstatt es mit einer durchgelassenen Referenzspannung zu vergleichen. (dh "Ground"). Das Bild unten zeigt, wie das 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 verringert auch die Anfälligkeit des Systems für Gleichtaktrauschen. Da die Strompfade jedes Signals auch auf diese beiden dedizierten Drähte beschränkt sind, entfällt die gemeinsame Nutzung der Inter-Signal-Rückleitungspfade.

Insbesondere für Ethernet werden Transformatoren zum Anschließen der Drähte verwendet, wodurch eine vollständige Isolation zwischen dem Übertragungsmedium und dem Sender / Empfänger erreicht wird.

Die Antwort hat bisher ein Schlüsselelement übersehen: die Abschirmung des Lärms von Paaren.

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

IBM hat die ursprüngliche Integration von STP aufgrund der Kompatibilität mit Token Ring stark beeinflusst. Die Behauptung lautete, dass die STP-Abschirmung eine zusätzliche Lärmschutzschicht für die Differentialpaare bietet (ein Schnäppchen zum fünffachen Preis!). Die Erfahrungen aus der Praxis haben jedoch schnell gezeigt, dass die Abschirmung eine schlechtere Leistung erbringt. Punktquellen für elektrisches Rauschen wurden mit der Abschirmung gekoppelt, wobei das Rauschen dann die gesamte Länge des Kabels aufwies, um mit den verdrillten Paaren gekoppelt zu werden.

Die Abschirmung kann auch das Übersprechen erhöhen. Paare werden mit leicht unterschiedlichen Drehzahlen verdreht - ein typischer Zeitplan ist das Drehen am 13.11.14 pro Fuß. Auf diese Weise verschachteln sie sich nicht physisch und bilden einen 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 den Schirm zwischen den Paaren und koppelt das Signal an den Schirm und an die anderen Paare.

Zum Mix aus Fragen und Kommentaren von 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 sich um einen "kostengünstigen", "kurzen" (5 m) Signalanschluss handeln, der für Computer zu Hause und in der Geschäftswelt geeignet ist und vor allen anderen Anforderungen kostengünstig ist. USB hatte auch den Auftrag, die Datenratenleistung über parallele Drucker- und RS232-Ports zu verbessern.

USB sollte auf alle hergestellten PCs gesteckt werden. Ob der Benutzer es brauchte oder nicht. Das heißt, es muss kostengünstig sein. Parallele Druckeranschlüsse und RS232-Anschlüsse sowie die damit verbundenen großen Anschlüsse verursachten bei allen gängigen Computern erhebliche Kosteneinbußen. Dadurch wurden PCs und Laptops teurer, größer, schwerer und verbrauchsintensiver. USB, also sehr "kostengünstig", hat keine Transformatoren, um eine galvanische Trennung zu erreichen. Und es macht es einfach, das Peripheriegerät mit Gleichstrom zu versorgen. USB-Datensignalisierung ist mangels eines besseren Ausdrucks "semi-differential". Das heißt, der Strom in den + und - Leitungen des Kabels ist zu ca. 95% numerisch entgegengesetzt abgeglichen (die + und - sind immer leicht fehlerhaft, kein perfekter Gegenstromwert), da jeweils ein anderer Transistorsatz ansteuert netto, + und -.

Das Mandat von Ethernet war und ist; "Zuverlässige", "Mittelstrecken" -Kommunikation und niedrige Kosten. Aber zuverlässige und mittlere Distanz steht an erster Stelle. Mittlere Entfernungen von 100 Metern erfordern sehr viel galvanische Trennung. Wenn zwei Geräte (z. B. ein Switch und ein PC) mit einigen Volt Erdpotentialdifferenz über zwei Gebäude verbunden sind, ist dies eine ziemlich schlechte Sache, und in diesem Datenkabel fließt unbeabsichtigt unerwünschter Erdstrom. Und dieser unerwünschte Bodenfluss kann alle möglichen negativen Auswirkungen haben, indem er die Datenqualität und die Geräte schädigt und möglicherweise sogar Menschen gefährdet.

Ethernet hat auch unterschiedliche Transistorsätze, die jeweils + und - treiben. Der Signaltransformator schließt jedoch + und - kurz und somit ist der endgültige + und - Stromfluss nahezu perfekt, genau entgegengesetzt, bis hinunter zu fast einem einzelnen Elektron. Somit wird eine echte Differenzsignalisierung erreicht. Mit True Differential Signaling können die Signalspannungspegel weiter reduziert und die zurückgelegten Kabelstrecken vergrößert und unerwünschte elektromagnetische Störungen verringert werden.

Später kam PoE für Ethernet. Das Ziel von PoE bestand darin, Peripheriegeräten, dh VoIP-Telefonen, Kameras und Türsprechstellen, "kostengünstigen" Gleichstrom zuzuführen. Die PoE-Stromversorgung erfolgt normalerweise über den gemeinsamen Ethernet-Switch an mehrere Geräte mit einer Länge von bis zu 100 Metern in entgegengesetzte Richtungen. Das PoE (48 bis 57) -VDC ist eine "Stern" -Verbindung zu allen Geräten. Das bedeutet, dass die Mehrfachstromversorgung mit Geräten "PD" sich eine gemeinsame Stromversorgung teilen (dies ist KEINE isolierte Stromversorgung pro RJ45-Anschluss an der PSE). Daher ist es ein GUILT-Edged "Muss", dass die PDs selbst an den PoE-Leistungseingängen über eine isolierte DC / DC-Wandlerversorgung in der PD eine Leistungsisolierung (gemäß IEEE 802.3-Standard) aufrechterhalten. oder die PD ist vollständig in einem nicht leitenden Fall, und niemals sind die Erdungsebenen der Schaltkreise mit der lokalen Erdung des Gebäudes oder anderen in der Nähe befindlichen Geräten (wie z. B. wirklich billigen Peripheriegeräten) verbunden. Leider wird dies in IEEE 802.3 nach PoE-Standard nicht sehr deutlich dargestellt.

Zusammenfassung: Ethernet verfügt an beiden Enden über Transformatoren. Wenn auch nur ein Transformatorfehler aufgetreten ist, geht die galvanische Trennung vom PD-Remote-Gerät zur PSE im Ethernet-Switch nicht verloren.

PoE gibt die Gleichstromtrennung (aus Kostengründen) am Ethernet-Switch auf und überlässt diese Trennung dem Hersteller des PD-Peripheriegeräts. Niemand überprüft wirklich diese hergestellten Einzelteile. Wenn die IEEE eine Belohnung für die Übertreter ausstellen würde, würde dies die Situation verbessern.

Der neue PoE-Standard, den IEEE derzeit in Erwägung zieht, für noch höhere Spannungen und Ströme und für mehr PoE-Leistung, sollte eine Verbesserung der Qualität und Sicherheit angestrebt werden. Diese sollten nur für gewerbliche / industrielle oder bessere Installationen vorgesehen sein: 1) volle Leistungsisolierung an der PSE für jeden Steckverbinder. 2) Erforderliche Testberichte für die PSE- und PD-Isolierung, die archiviert und für die Öffentlichkeit herunterladbar sind. Um den Schaltplan des PI einzuschließen. 3) Warten Sie auf Kosten des Herstellers einen Server mit einer Liste aller PDs, die den neuen Standard erfüllen. 4) erwägen, einen Industriestandard zu schaffen, wenn die Kosten für diese Verbesserungen für die Märkte für Billigverbraucher zu hoch sind und dennoch ein hohes Maß an Standards, Sicherheit und Rückverfolgbarkeit für die Industriebedürfnisse bieten.

Die Ethernet-Spezifikation fordert, dass Geräte galvanisch voneinander getrennt werden. In diesem Beitrag werden die Auswirkungen der Isolation ausführlicher erläutert.

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

Sowohl bei RS-232 als auch bei USB sind die Signale auf Masse bezogen. Deshalb benötigen 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 wird keine GND-Referenz benötigt.

Ein Grund, warum TP-Ethernet, danke $ DEITY!, Keinen gemeinsamen Bezugspunkt zwischen Stationen verwendet, wurde nicht klar genug angegeben:

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

Selbst bei einem gut ausgeführten Erdungssystem liegt die Potentialdifferenz, wenn sie an zwei Punkten in einem Abstand von mehreren zehn oder hundert Metern gemessen wird, garantiert nicht bei annähernd 0 V - aufgrund des Stromflusses kann eine Gleichspannung oder eine niederfrequente Wechselspannung vorliegen (bedingt durch zu Ableitströmen, tatsächlichen Fehlerströmen, Transienten oder Verdrahtungsfehlern / -defekten ...) im Erdungssystem und allen Arten von Störungen.

Wechselstrom-Potentialunterschiede verursachen leicht Störungen, während ein starker Stromfluss über einen geerdeten Kabelschirm tatsächlich zu einer Brandgefahr führen kann.

Und all dies setzt voraus, dass die Geräte an erster Stelle ordnungsgemäß geerdet sind. Schlimmeres kann passieren, wenn dies nicht mehr der Fall ist.

Kein schlimmes, aber schlimmes Beispiel, was mit geerdeten (beidseitigen) Abschirmungen passieren könnte: Ein PC wurde versehentlich mit einem zweiadrigen IEC-Kabel (wie in der Wildnis zuvor festgestellt!) An einem FI-Schutzschalter (alte TN) angeschlossen -C-to-the-Socket ...) Verkabelungssystem. Dieser PC entwickelt einen internen Kurzschluss, der ein stromführendes Netz mit dem Metallgehäuse verbindet, an das alle Erdungsanschlüsse in diesem PC angeschlossen sind. Das andere Ende dieser Verbindung ist mit einem Gerät verbunden, bei dem die Erdung korrekt implementiert wurde. Das verwendete Ethernet-Kabel ist so leicht wie möglich und besteht aus dünnem Abschirmmaterial. Und es ist ein 30-Meter-Stück, das in einer Spule aufgewickelt ist, da Sie keine 5-Meter-Kabel mehr hatten. In dieser Länge könnte diese Abschirmung genau den richtigen Widerstand haben (etwa 15 Ohm wären "perfekt" bei einem 240-V-System), um einen Strom durchzulassen, der klein genug ist, um keine Sicherungen oder Automaten durchzubrennen, aber groß genug ist, um mehr als 1000 Watt auf den Kabelschirm abzuleiten. Was bedeutet, dass viel Rauch und nicht unwahrscheinlich eine Zündgefahr vorhanden ist.

Was lässt Sie denken, dass es keine Masseverbindung hat?

• "Masse" ist per Definition eine 0-V-Referenz für einen lokalen Stromkreis.
• Erdboden ist ein mit der Außenseite verbundener Terraferma.

Wie Sie vielleicht wissen, verfügen alle Laptops / Tablets aufgrund der galvanischen Trennung des Transformators im Batterieladegerät über eine potentialfreie Erdung, es sei denn, sie sind an einem Anschluss mit einer externen Erdung wie einem VGA-Kabel mit einem dreipoligen LCD-Monitor verbunden.

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

Wichtiger ist, dass die Signale für die Signalintegrität und die EMI-Reduzierung für den Aus- und Eingang Übertragungsleitungen mit 75 Ω-Abschluss sind und mit CM-Transformator und 1: 1-Transformator mit Mittenabgriff symmetriert sind. Dies erhöht die CM-Impedanz auf der Benutzerseite zur Isolation, während die differentielle Impedanz auf der Kabelseite zur lokalen Masse im oberen Spektrum, wo Signale vorhanden sind, beibehalten wird.

Siehe "Erdungsanschlüsse" unten

• über 1000pF Koppelkappe und 75 Ohm Abschlusswiderstände