Tại sao cáp Ethernet không được nối đất?

Không có GND chuyên dụng trong sơ đồ chân Ethernet 8P8C ("RJ45") cổ điển. ^[1]

Tại sao thông số kỹ thuật Ethernet không bao gồm mặt đất, không giống như nhiều loại cáp khác được sử dụng cho các thiết bị kết nối, cả hai đều có thể có nguồn năng lượng độc lập, ví dụ RS-232 hoặc USB ?

Nếu bạn bỏ qua POE 48 Volts trong hình ảnh bên dưới, bạn có thể thấy Ethernet sử dụng máy biến áp ở cả hai bên .

Cách này không cần có mặt bằng chung miễn là điện áp chế độ chung vẫn ở dưới 1500V. Các đặc điểm kỹ thuật cách ly của máy biến áp.

Và như một phần thưởng bây giờ bạn cũng biết POE hoạt động như thế nào. ( 802.3at )

Tuy nhiên, CAT6A thường có đầu nối được che chắn. Tấm khiên sau đó được nối đất với khung bằng cách sử dụng các nắp nhỏ bên trong ổ cắm.

Nguồn hình ảnh

Tại sao Ethernet không được nối đất? Có hai lý do:
1. Nó sẽ tạo ra một vòng lặp nối đất giữa các thiết bị
2. Thiết bị cũng dễ bị nhiễm trùng hơn với các loại cáp đang được di chuyển hoặc xử lý (từ sạc điện ba chiều của cáp)

Lý do Ethernet dễ bị vòng lặp mặt đất hơn là vì:

1. Các vòng có thể lớn hơn nhiều so với các thông số kỹ thuật cáp khác, với 100m giữa các thiết bị. USB là 5m, cách chúng tôi 15m. Các thiết bị Ethernet có nhiều khả năng ở trong các phòng khác nhau, trong khi các thiết bị USB thường được nối đất với máy tính (hoặc hub) và nằm trên cùng mặt đất hoặc trong cùng một phòng trên cùng một mạch chính.
2. Điện áp của ethernet thấp hơn ± 1V với ~ 10mA dòng điện. RS232 cao hơn nhiều ở 5V hoặc 15V. USB là 3,3V. Điều này làm cho nó dễ bị lỗi hơn.

Các công ty và kỹ sư thiết kế thông số kỹ thuật ethernet đã nghĩ đến điều này (có rất nhiều suy nghĩ đi sâu vào thông số kỹ thuật)

Nếu bạn có một mặt đất ở giữa máy phát và máy thu thì nó sẽ tạo ra một vòng lặp mặt đất. Vòng lặp mặt đất này sẽ được hình thành bởi cáp và đường dẫn trở lại sẽ là mặt đất chính như hình dưới đây. Bất kỳ từ trường nào chảy qua vòng lặp sẽ tạo ra dòng điện dọc theo cáp (và phần còn lại của vòng lặp). Ngay cả khi bạn cách ly các dây tín hiệu thì đây cũng sẽ là một vấn đề do độ tự cảm lẫn nhau giữa các dây (các dây chạy dọc nhau có thể ghép dòng điện từ cái này sang cái khác). Điều này sẽ gây nhiễu (và gây ra lỗi bit và mất gói tiềm năng).

Vì vậy, nếu bạn thêm một biến áp cách ly giữa các thiết bị, bạn phá vỡ vòng lặp và vẫn có thể truyền tín hiệu nhanh giữa máy phát và máy thu. Một lợi ích khác của cách ly điện, cũng làm tăng trở kháng của cáp với thiết bị trong trường hợp phóng tĩnh điện lớn.

Đây là một ví dụ về sự cách ly giữa hai thiết bị, ethernet có hai máy biến áp cách ly, nhưng kết quả là như nhau, nó phá vỡ vòng lặp mặt đất (và giảm tiếng ồn chế độ chung kết hợp với cặp xoắn và cuộn cảm chế độ chung ).

Hình ảnh từ wikipedia trên các vòng trên mặt đất

1. Tín hiệu khác biệt có nghĩa là không cần một điểm chung làm điểm tham chiếu. Ngoài ra, phủ nhận sự cần thiết phải che chắn, thường là có căn cứ.
2. Không có chuyển đổi nguồn DC một lần nữa loại bỏ sự cần thiết cho một điểm chung và làm cho điểm số 3 có thể.
3. Tách Galvanic làm cho nền tảng phản tác dụng. Thông số kỹ thuật đặt nỗ lực đáng kể vào việc làm cho các thiết bị ở các tiềm năng khác nhau có thể hoạt động cùng nhau, vì vậy việc thêm một dây nối đất sẽ làm mất khá nhiều nỗ lực này.

/ chỉnh sửa: như Tom Carpenter đã chỉ ra, POE đã triển khai đúng cách, với các bộ chuyển đổi DC-DC bị cô lập, vẫn giữ được sự cách ly điện và thuộc tính "không có dây ở tiềm năng mặt đất". (Ok, POE phá vỡ phần tách điện và thêm loại nối đất, không nhìn thấy rõ, nhưng nó vẫn ở đó. Nhưng POE là một bản hack trên Ethernet, không phải là một phần gốc của thông số kỹ thuật. Các thiết bị không POE vẫn giữ được các ưu điểm ban đầu. .)

USB cũng có tín hiệu vi sai, nhưng nó cũng mang nguồn DC. Sự tồn tại đơn thuần của khả năng cung cấp năng lượng làm cho mặt bằng chung là cần thiết.

RS-232 không mang nguồn, nhưng tín hiệu không phải là cặp vi sai khép kín, đó là một dây duy nhất được nối với mặt đất - điều này làm cho mặt bằng chung trở nên cần thiết.

Nối đất thường bị hiểu nhầm là giải pháp cuối cùng để kết nối mọi thứ lại với nhau. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, ngay cả trên các bước chạy ngắn, việc nối đất còn gây ra nhiều vấn đề hơn nó giải quyết.

Vấn đề với việc chia sẻ mặt bằng trên bất kỳ khoảng cách nào là bạn cho rằng cả hai đầu đều có cùng tiềm năng mặt đất. Trong một thế giới hoàn hảo có thể là sự thật, nhưng trong cuộc sống thực, điều đó gần như không bao giờ.

Cho dù đó là do hệ thống dây xấu, rò rỉ mặt đất hoặc EMI ảnh hưởng đến mặt đất ở đây trên màn hình này khác với mặt đất trên TV của bạn. Như vậy, khi bạn chạy một dây cáp bao gồm mặt đất giữa chúng, sẽ có một dòng điện chạy qua mặt đất đó.

Ngoài ra, điểm chung trở thành đường dẫn trả về hiện tại cho tín hiệu của bạn. Điều đó có nghĩa là bạn đang thực sự thêm tiếng ồn vào đường mặt đất. Nếu hệ thống liên lạc của bạn sử dụng nhiều đường truyền, chúng có chung đường dẫn trở lại và dòng điện trở nên phức tạp hơn rất nhiều và tiếng ồn tệ hơn nhiều, trong mặt bằng chung.

Cáp càng dài thì sự chênh lệch điện áp sẽ càng rõ rệt dọc theo cáp nối đất đó. Nếu có đủ sự khác biệt, đồng bằng giữa mặt đất và điện áp tín hiệu sẽ giảm xuống quá thấp, bạn không còn có thể phân biệt tín hiệu.

Hình ảnh dưới đây chứng minh điều này. Lưu ý rằng bạn có hai đèn trên mặt đất của bạn ở xa. Bạn có thể thấy rằng với một mặt đất vững chắc, bạn có thể dễ dàng biết được ở giữa hai đèn nào được bật. Tuy nhiên, trong tình huống bên tay phải nơi khó xác định ranh giới mặt đất, không thể biết đó là ánh sáng cao hay thấp.

Các tiêu chuẩn như ETHERNET và các hệ thống truyền thông khác biệt sử dụng một kỹ thuật khác giúp loại bỏ hoàn toàn nhu cầu về mặt đất.

Bằng cách gửi tín hiệu cộng và trừ qua hai dây chuyên dụng, người nhận có thể chọn tín hiệu bằng cách kiểm tra sự khác biệt giữa các dây đó thay vì so sánh nó với điện áp tham chiếu đã qua. (tức là "Mặt đất"). Hình ảnh dưới đây cho thấy làm thế nào điều này hoạt động. Lưu ý ngay cả với các tín hiệu nhiễu bên phải, bạn vẫn có thể biết tín hiệu nào đang được gửi.

Kỹ thuật này không chỉ cho phép tín hiệu được truyền qua khoảng cách lớn hơn nhiều mà còn làm giảm tính nhạy cảm của hệ thống đối với nhiễu chế độ chung. Vì mỗi đường dẫn tín hiệu hiện tại cũng bị hạn chế ở hai dây chuyên dụng đó, việc chia sẻ đường dẫn tín hiệu trở lại được loại bỏ.

Đối với Ethernet nói riêng, các máy biến áp được sử dụng để kết nối với các dây cung cấp sự cách ly hoàn toàn giữa môi trường truyền và người gửi / người nhận.

Câu trả lời cho đến nay đã bỏ lỡ một yếu tố quan trọng: che chắn tiếng ồn của các cặp vợ chồng.

Tiêu chuẩn Ethernet đã bao gồm cả UTP và STP (cặp xoắn không được che chắn / được bảo vệ) trong nhiều thập kỷ.

IBM đã ảnh hưởng nặng nề đến sự bao gồm ban đầu của STP, vì khả năng tương thích với Token Ring. Khiếu nại là tấm chắn STP cung cấp thêm một lớp chống ồn cho các cặp vi sai (một món hời chỉ với giá gấp 5 lần!) Tuy nhiên kinh nghiệm thực tế nhanh chóng chứng minh rằng tấm chắn cung cấp hiệu suất kém hơn. Các nguồn gây nhiễu điện được ghép với tấm chắn, trong đó nhiễu sau đó có toàn bộ chiều dài của cáp được ghép với các cặp xoắn.

Che chắn cũng có thể làm tăng cuộc nói chuyện chéo. Các cặp được xoắn với tốc độ hơi khác nhau - một lịch trình điển hình là 11/12/13/14 xoắn mỗi chân. Bằng cách này, chúng không làm tổ vật lý với nhau để tạo thành một máy biến áp ký sinh khi cáp bị xoắn và kéo trong khi cài đặt. Điều này làm việc tuyệt vời. Cách tốt hơn bạn có thể mong đợi. Nhưng sự rung lắc sẽ kéo căng tấm chắn giữa các cặp, ghép tín hiệu với tấm khiên và với các cặp khác.

Đối với sự pha trộn giữa các câu hỏi và nhận xét của USB và Ethernet, chẳng hạn như tại sao Ethernet bị cô lập về mặt điện và USB thì không:

Đọc về lịch sử USB và các nhiệm vụ của nó. Đó là một cổng báo hiệu "chi phí thấp", "khoảng cách ngắn" (5 mét) phù hợp cho máy tính ở nhà và doanh nghiệp, và chi phí thấp hơn tất cả các nhu cầu khác. USB cũng có nhiệm vụ cải thiện hiệu suất tốc độ dữ liệu trên các cổng máy in và máy in song song.

USB đã được đưa vào tất cả các PC được sản xuất. Cho dù người dùng có cần hay không. Điều đó có nghĩa là nó phải có chi phí thấp. Các cổng máy in song song và cổng RS232 và các đầu nối lớn có liên quan, đã bị phạt nghiêm trọng đối với tất cả các máy tính phổ biến. Và điều đó làm cho PC và máy tính xách tay, đắt hơn, to hơn, nặng hơn và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn. USB, do đó rất "chi phí thấp", không có máy biến áp để thực hiện cách ly điện. Và nó giúp dễ dàng cung cấp nguồn DC cho thiết bị ngoại vi. Tín hiệu dữ liệu USB, vì thiếu một cụm từ tốt hơn là "bán vi sai". Đó là dòng điện trong các dòng + và - của cáp, có khoảng 95% đối xứng về số (khớp với + và -, luôn có một chút lỗi, không phải là một giá trị hiện tại đối nghịch hoàn hảo), vì một bộ bóng bán dẫn khác nhau điều khiển mỗi mạng, + và -.

Nhiệm vụ của Ethernet đã và đang; Giao tiếp "đáng tin cậy", "khoảng cách trung bình" và chi phí thấp. Nhưng khoảng cách đáng tin cậy và trung bình đến đầu tiên. Khoảng cách trung bình 100 mét cần cách ly điện rất nhiều. Nếu hai thiết bị (như công tắc và PC) được kết nối qua hai tòa nhà với một vài volt khác biệt tiềm năng mặt đất, thì đó là một điều khá tồi tệ và dòng điện mặt đất không mong muốn, không mong muốn, sẽ chảy trong cáp dữ liệu đó. Và dòng chảy mặt đất không mong muốn đó, có thể có tất cả các loại tác động xấu của việc làm tổn hại đến chất lượng dữ liệu và gây hại cho thiết bị, thậm chí có thể gây nguy hiểm cho mọi người.

Ethernet, cũng có các bộ bóng bán dẫn khác nhau điều khiển mỗi + và -, tuy nhiên, bộ biến đổi tín hiệu rút ngắn + và - cùng nhau, và do đó, dòng + và - cuối cùng gần như là một kết hợp hoàn hảo, ngược lại, xuống gần một electron. Do đó tín hiệu khác biệt thực sự là đạt được. Tín hiệu vi sai thực sự cho phép giảm mức điện áp tín hiệu và khoảng cách cáp đi được tăng lên và giảm EMI không mong muốn.

Sau này đến PoE cho Ethernet. Nhiệm vụ của PoE là mang nguồn DC "chi phí thấp" cho các thiết bị ngoại vi, tức là điện thoại VoIP, Máy ảnh và thiết bị truy cập cửa. Nguồn điện PoE thường thoát khỏi bộ chuyển mạch Ethernet thông thường, tới nhiều thiết bị, lên tới 100 mét theo hướng ngược lại. VDC PoE (48 đến 57) đó là kết nối "sao" cho tất cả các thiết bị. Điều đó có nghĩa là nhiều nguồn sử dụng các thiết bị "PD", chia sẻ một nguồn cung cấp chung (đây KHÔNG phải là nguồn điện bị cô lập, trên mỗi đầu nối RJ45 tại PSE). Do đó, "phải" GUILT-Edged rằng PD sẽ duy trì cách ly công suất (theo tiêu chuẩn IEEE 802.3), ngay cả trên các đầu vào nguồn PoE, bằng cách cung cấp bộ chuyển đổi cách ly DC-DC trong PD, hoặc PD hoàn toàn trong trường hợp không dẫn điện, và không bao giờ là mặt phẳng mạch của nó được kết nối với mặt đất cục bộ của tòa nhà hoặc các thiết bị khác gần đó (chẳng hạn như các thiết bị ngoại vi giá rẻ thực sự cấp thấp). Thật không may, IEEE 802.3 ở tiêu chuẩn PoE không đánh vần rõ ràng điều này.

Tóm tắt: Ethernet có máy biến áp ở cả hai đầu. Nếu thậm chí xảy ra lỗi máy biến áp, cách ly điện từ thiết bị từ xa PD, đến PSE trong bộ chuyển mạch Ethernet không bị mất.

PoE, từ bỏ cách ly nguồn DC, (vì chi phí thấp) tại bộ chuyển mạch Ethernet và để lại sự cách ly này "sẽ" cho nhà sản xuất thiết bị ngoại vi PD. Không ai thực sự kiểm tra các mặt hàng sản xuất này. Nếu IEEE đặt tiền thưởng cho những người vi phạm, điều đó sẽ cải thiện tình hình.

Tiêu chuẩn PoE mới, IEEE đang cân nhắc về điện áp và dòng điện cao hơn, để có nhiều năng lượng PoE hơn, nên hướng tới một số chất lượng và an toàn được cải thiện. Chúng chỉ nên ở cấp thương mại / công nghiệp hoặc cài đặt tốt hơn: 1) cách ly toàn bộ năng lượng tại PSE, cho mỗi đầu nối. 2) các báo cáo thử nghiệm cần thiết để cách ly nguồn PSE & PD, được nộp và có thể tải xuống cho công chúng. Để bao gồm sơ đồ nối dây của PI. 3) với chi phí của nhà sản xuất, duy trì một máy chủ, với một danh sách tất cả các PD đáp ứng tiêu chuẩn mới. 4) xem xét việc đưa ra một tiêu chuẩn cấp công nghiệp, nếu chi phí cho những cải tiến này là quá nhiều cho thị trường tiêu dùng cấp thấp, nhưng vẫn cung cấp mức độ nghiêm trọng của tiêu chuẩn, an toàn và truy xuất nguồn gốc của nhu cầu công nghiệp.

Đặc tả Ethernet yêu cầu các thiết bị được cách ly với nhau - bài viết này giải thích các hàm ý cách ly chi tiết hơn.

Vì bạn đã đề cập đến các nguồn năng lượng và nối đất, bài viết Wikipedia về Cấp điện qua Ethernet (PoE) có thể phù hợp với bạn.

Cả RS-232 và USB đều có tín hiệu được nối đất, đó là lý do tại sao bạn cần một tín hiệu. (Có, tín hiệu D + và D- trong USB được sử dụng độc lập với nhau với GND làm tài liệu tham khảo trong quá trình khám phá thiết bị). Tín hiệu Ethernet hoàn toàn khác biệt, do đó không cần tham chiếu GND.

Một lý do TẠI SAO TP ethernet, cảm ơn $ DEITY!, Không sử dụng tham chiếu mặt bằng chung giữa các trạm chưa được đề cập rõ ràng:

Một cáp ethernet có thể chạy vượt quá một trăm mét, thậm chí có thể kết nối hai tòa nhà.

Sự khác biệt tiềm năng trên ngay cả một hệ thống nối đất được thực hiện tốt, nếu được đo ở hai điểm cách nhau hàng chục hoặc hàng trăm mét, không được đảm bảo thậm chí gần với 0V - có thể có điện áp xoay chiều DC hoặc tần số thấp do dòng điện (do đến dòng rò, dòng sự cố thực tế, quá độ hoặc lỗi / lỗi nối dây ...) trong hệ thống nối đất và tất cả các loại nhiễu.

Sự khác biệt tiềm năng AC sẽ dễ dàng gây nhiễu, trong khi dòng chảy mạnh qua tấm chắn cáp nối đất thực sự có thể biến thành nguy cơ hỏa hoạn.

Và tất cả điều này giả định rằng thiết bị đã được nối đất ngay từ đầu, thậm chí những điều tồi tệ hơn có thể xảy ra nếu đó không còn là trường hợp nữa.

Không phải là tồi tệ nhất, nhưng ví dụ về trường hợp xấu có thể xảy ra với các lá chắn nối đất (ở cả hai bên): Một PC đã vô tình được kết nối với cáp IEC hai dây (như đã được tìm thấy trong tự nhiên trước đây!) Trên một RCD (TN cũ) -C-to-the-socket ...) hệ thống dây. PC này phát triển một kết nối ngắn bên trong kết nối trực tiếp với vỏ kim loại, trong đó tất cả các kết nối mặt đất trong PC đó được kết nối. Đầu kia của kết nối đó là một thiết bị nơi việc nối đất đã được thực hiện chính xác. Cáp ethernet được sử dụng là loại nhẹ nhất có thể, với vật liệu che chắn mỏng. Và nó là một mảnh 30 mét cuộn lên trong một cuộn dây kể từ khi bạn ra khỏi cáp 5m. Ở độ dài đó, lớp chắn này có thể có lực cản phù hợp (khoảng 15 ohms sẽ là "hoàn hảo" trên hệ thống 240V) để truyền một dòng điện đủ nhỏ để không thổi bất kỳ cầu chì hoặc máy tự động nào, nhưng cũng đủ lớn để tiêu tan vượt quá 1000 watt trên tấm chắn cáp. Điều đó sẽ có nghĩa là rất nhiều khói và không có khả năng gây nguy hiểm đánh lửa cho những thứ xung quanh nó.

Điều gì làm cho bạn nghĩ rằng nó không có kết nối mặt đất?

• "Mặt đất" theo định nghĩa là một tham chiếu 0V cho một số mạch cục bộ.
• Trái đất là một kết nối với terraferma bên ngoài.

Như bạn có thể biết, tất cả máy tính xách tay / máy tính bảng đều có mặt đất trừ khi được kết nối với một cổng nào đó với mặt đất bên ngoài như cáp VGA với màn hình LCD 3 cạnh do cách ly máy biến áp điện trong bộ sạc pin.

Ethernet cũng không có tín hiệu trong phổ thấp hơn bao gồm cả DC do các phương thức mã hóa Bi-Phase.

Quan trọng hơn là đối với tính toàn vẹn tín hiệu và giảm EMI khi đi ra và vào, các tín hiệu là các đường truyền có đầu cuối 75 and và được cân bằng với biến áp CM và biến áp trung tâm 1: 1. Điều này làm tăng trở kháng CM ở phía người dùng để cách ly trong khi duy trì trở kháng vi sai ở phía cáp đến mặt đất cục bộ trong phổ phía trên nơi tồn tại tín hiệu.

Xem "kết nối mặt đất" dưới đây

• thông qua nắp khớp 1000pF và đầu mối 75 Ohm