¿Por qué un cable Ethernet no está conectado a tierra?

No hay GND dedicado en el pinout clásico de Ethernet 8P8C ("RJ45"). ^[1]

¿Por qué la especificación de Ethernet no incluye una conexión a tierra, a diferencia de muchos otros tipos de cables utilizados para interconectar dispositivos que pueden tener su fuente de alimentación independiente, por ejemplo, RS-232 o USB ?

Si simplemente ignora los 48 voltios del POE en la imagen a continuación, puede ver que Ethernet usa transformadores en ambos lados .

De esta manera, no hay necesidad de una conexión a tierra común siempre que el voltaje del modo común permanezca por debajo de 1500V en general. La especificación de aislamiento de los transformadores.

Y como beneficio adicional, ahora también sabe cómo funciona POE. ( 802.3at )

Sin embargo, CAT6A a menudo tiene un conector blindado. El escudo se conecta a tierra al chasis utilizando las pequeñas aletas dentro del zócalo.

Imagen de origen

¿Por qué Ethernet no está conectado a tierra? Hay dos razones:
1. Crearía un bucle de tierra entre los dispositivos
2. El dispositivo también sería más susceptible a ESD, que prevalece en los cables que se mueven o manejan (de la carga triboeléctrica del cable)

La razón por la que Ethernet es más susceptible a un bucle de tierra es porque:

1. Los bucles podrían ser mucho más grandes que otras especificaciones de cable, con 100 m entre dispositivos. USB es de 5 m, RS232 us 15 m. Es más probable que los dispositivos Ethernet estén en habitaciones diferentes, mientras que los dispositivos USB generalmente están conectados a una computadora (o concentrador) y están en la misma tierra o en la misma habitación en el mismo circuito de red.
2. El voltaje de ethernet es más bajo ± 1V con ~ 10mA de corriente. RS232 es mucho más alto a 5V o 15V. USB es 3.3V. Esto lo hace más susceptible al error.

Las compañías e ingenieros que diseñaron la especificación de ethernet tenían esto en mente (se piensa mucho en las especificaciones)

Si tuviera una conexión a tierra entre el transmisor y el receptor, se crearía un bucle de conexión a tierra. Este bucle de tierra estaría formado por el cable y la ruta de retorno estaría conectada a tierra como se muestra a continuación. Cualquier campo magnético que fluya a través del bucle crearía una corriente a lo largo del cable (y el resto del bucle). Incluso si aisló los cables de señal, esto sería un problema debido a la inductancia mutua entre los cables (los cables que corren uno al lado del otro pueden acoplar corrientes de uno a otro). Esto inyectaría ruido (y causaría un posible error de bit y pérdida de paquetes).

Entonces, si agrega un transformador de aislamiento entre dispositivos, rompe el bucle y aún puede transmitir una señal rápida entre el transmisor y el receptor. Otro beneficio del aislamiento galvánico, también aumenta la impedancia del cable al dispositivo en caso de una gran descarga electrostática.

Este es un ejemplo de aislamiento entre dos dispositivos, ethernet tiene dos transformadores de aislamiento, pero el resultado es el mismo, rompe el bucle de tierra (y reduce el ruido de modo común junto con el par trenzado y el estrangulador de modo común ).

Imágenes de wikipedia en bucles de tierra

1. La señalización diferencial significa que no hay necesidad de una tierra común como punto de referencia. Además, niega la necesidad de blindaje, que generalmente está conectado a tierra.
2. Ninguna transferencia de energía de CC elimina nuevamente la necesidad de una conexión a tierra común y hace posible el punto # 3.
3. La separación galvánica hace que la conexión a tierra sea contraproducente. Las especificaciones ponen un esfuerzo considerable en hacer que los dispositivos con diferentes potenciales puedan trabajar juntos, por lo que agregar un cable a tierra prácticamente anularía este esfuerzo.

/ editar: como señaló Tom Carpenter, POE implementado adecuadamente, con convertidores CC-CC aislados, aún conserva el aislamiento galvánico y la propiedad "sin cables en el potencial de tierra". (Ok, POE rompe la parte de separación galvánica y agrega un tipo de conexión a tierra, no claramente visible, pero está ahí. Pero POE es un truco en la parte superior de Ethernet, no una parte original de las especificaciones. Los dispositivos que no son POE conservan las ventajas originales .)

El USB también tiene señalización diferencial, pero también tiene alimentación de CC. La mera existencia de la posibilidad de poder hace necesario el terreno común.

RS-232 no transporta energía, pero la señal no es un par diferencial autónomo, es un solo cable referenciado contra la tierra, lo que hace que la tierra común sea necesaria.

La conexión a tierra a menudo se malinterpreta como la solución final para conectar las cosas juntas. Sin embargo, en la mayoría de los casos, incluso en tiradas cortas, la conexión a tierra agrega más problemas de los que resuelve.

El problema al compartir un terreno a cualquier distancia es que está asumiendo que ambos extremos tienen el mismo potencial de terreno. En un mundo perfecto que puede ser cierto, pero en la vida real casi nunca lo es.

Ya sea debido a un mal cableado, fuga a tierra o efectos EMI, la tierra aquí en este monitor es diferente de la tierra allá en su televisor. Como tal, cuando pasa un cable que incluye tierra entre ellos, habrá una corriente que atraviesa esa tierra.

Además, el terreno común se convierte en el camino de retorno actual para su señal. Eso significa que en realidad está agregando ruido a la línea de tierra. Si su sistema de comunicación usa varias líneas, comparten efectivamente la misma ruta de retorno y las corrientes se vuelven mucho más complejas, y el ruido es mucho peor, en el terreno común.

Cuanto más largo sea el cable, mayor será la diferencia de voltaje a lo largo de ese cable de tierra. Si hay suficiente diferencia, el delta entre tierra y el voltaje de la señal caerá tan bajo que ya no podrá distinguir la señal.

La imagen a continuación lo demuestra. Tenga en cuenta que tiene dos luces sobre su suelo en la distancia. Puedes ver que con una buena tierra sólida puedes decir con bastante facilidad en el medio dos qué luz está encendida. Sin embargo, en la situación de la mano derecha donde el límite del suelo es difícil de identificar, ya no es posible saber si se trata de una luz alta o baja.

Los estándares como ETHERNET y otros sistemas de comunicación diferencial utilizan una técnica diferente que elimina por completo la necesidad de un terreno.

Al enviar una señal positiva y negativa a través de dos cables dedicados, el receptor puede seleccionar la señal al examinar la diferencia entre esos cables en lugar de compararla con un voltaje de referencia pasado. (es decir, "Tierra"). La imagen a continuación indica cómo funciona esto. Observe que incluso con las señales ruidosas a la derecha, aún puede saber qué señal se está enviando.

Esta técnica no solo permite que la señal se transmita a una distancia mucho mayor, sino que también reduce la susceptibilidad del sistema al ruido de modo común. Dado que las rutas actuales de cada señal también están restringidas a esos dos cables dedicados, se elimina la ruta compartida de retorno entre señales.

Para Ethernet en particular, los transformadores se utilizan para conectarse a los cables, lo que proporciona un aislamiento completo entre el medio de transmisión y el emisor / receptor.

La respuesta hasta ahora ha perdido un elemento clave: proteger el ruido de las parejas.

El estándar Ethernet ha incluido UTP y STP (par trenzado sin blindaje / blindado) durante décadas.

IBM influyó mucho en la inclusión original de STP, por su compatibilidad con Token Ring. La afirmación era que el blindaje STP proporciona una capa adicional de protección contra el ruido para los pares diferenciales (¡una ganga a solo 5 veces el precio!) Sin embargo, la experiencia de la vida real demostró rápidamente que el blindaje proporcionó un peor rendimiento. Las fuentes puntuales de ruido eléctrico se acoplan al blindaje, donde el ruido tiene que acoplar toda la longitud del cable a los pares trenzados.

El blindaje también puede aumentar la conversación cruzada. Los pares están retorcidos a tasas ligeramente diferentes: un horario típico es de 11/12/13/14 giros por pie. De esta forma, no se anidan físicamente juntos para formar un transformador parásito cuando el cable se retuerce y tira durante la instalación. Esto funciona muy bien. Mucho mejor de lo que cabría esperar. Pero el meneo estirará el escudo entre los pares, acoplando la señal al escudo y a los otros pares.

A la combinación de preguntas y comentarios de USB y Ethernet, como por qué Ethernet está aislada galvánicamente y USB no:

Lea sobre el historial de USB y sus mandatos. Debía ser un puerto de señalización de "bajo costo", "corta distancia" (5 metros) apto para computadoras en el hogar y el negocio, y de bajo costo por encima de todas las demás necesidades. USB también tenía el mandato de mejorar el rendimiento de la velocidad de datos sobre la impresora paralela y los puertos RS232.

El USB se colocaría en todas las PC fabricadas. Si el usuario lo necesitaba o no. Eso significa que debe ser de bajo costo. Los puertos de impresora paralela y los puertos RS232 y los conectores asociados de gran tamaño tenían una seria penalización de costos en todas las computadoras populares. Y eso hizo que las PC y las computadoras portátiles fueran más costosas, más grandes, más pesadas y consumieran más energía. El USB, por lo tanto, de muy bajo costo, no tiene transformadores para lograr el aislamiento galvánico. Y facilita el suministro de corriente continua al periférico. Señalización de datos USB, a falta de una mejor frase es "semi-diferencial". Esa es la corriente en las líneas + y - del cable, son aproximadamente 95% numéricamente opuestas (las + y -, siempre tienen un error leve, de no ser un valor de corriente opuesto perfecto), ya que un conjunto de transistores diferente impulsa cada uno neto, + y -.

El mandato de Ethernet era y es; comunicación "confiable", "media distancia" y bajo costo. Pero la distancia confiable y media es lo primero. La distancia media de 100 metros necesita mucho aislamiento galvánico. Si dos dispositivos (como un interruptor y una PC) se conectan a través de dos edificios con una diferencia de potencial de tierra de unos pocos voltios, eso es algo bastante malo, y la corriente a tierra no deseada, no deseada, fluirá en ese cable de datos. Y ese flujo de tierra no deseado, puede tener todo tipo de efectos negativos de dañar la calidad de los datos y dañar el equipo, incluso posiblemente poner en peligro a las personas.

Ethernet también tiene diferentes conjuntos de transistores que controlan cada + y -, sin embargo, el transformador de señal acorta los + y - juntos y, por lo tanto, el flujo de corriente final + y - es casi una combinación perfecta, opuesta, hasta casi un solo electrón. De este modo se logra una señalización diferencial verdadera. La señalización diferencial verdadera permite que los niveles de voltaje de la señal se reduzcan aún más, y las distancias recorridas por los cables, se incrementen, y que la EMI no deseada se reduzca.

Más tarde llegó PoE para Ethernet. El mandato de PoE era llevar energía de CC de "bajo costo" a los dispositivos periféricos, es decir, teléfonos VoIP, cámaras y unidades de acceso de puerta. El PoE normalmente sale del conmutador Ethernet común, a múltiples dispositivos, hasta 100 metros en direcciones opuestas. Ese PoE (48 a 57) VDC es una conexión "estrella" a todos los dispositivos. Eso significa que la energía múltiple que usa dispositivos "PD" comparte una fuente común (esto NO es energía aislada, por conector RJ45 en el PSE). Por lo tanto, es un "deber" con GUILT Edged que los PD deben mantener el aislamiento de energía (según el estándar IEEE 802.3), incluso en las entradas de energía PoE, a través de un suministro de convertidor aislado de CC a CC en el PD, o el PD está completamente en un caso no conductivo, y sus circuitos nunca se conectan a la tierra local del edificio u otros equipos cercanos (como periféricos realmente baratos). Desafortunadamente, IEEE 802.3 en el estándar PoE no explica esto muy claramente.

Resumen: Ethernet tiene transformadores en ambos extremos. Si incluso ocurrió una falla en el transformador, no se pierde el aislamiento galvánico del dispositivo remoto PD al PSE en el conmutador Ethernet.

PoE, abandona el aislamiento de la alimentación de CC (por el bajo costo) en el conmutador Ethernet y deja este aislamiento "debe" al fabricante del periférico PD. Nadie está realmente controlando estos artículos fabricados. Si el IEEE otorga una recompensa a los infractores, eso mejoraría la situación.

El nuevo estándar PoE, IEEE está considerando voltajes y corrientes aún mayores, para obtener más potencia PoE, debería avanzar hacia una mejor calidad y seguridad. Deben realizarse solo en instalaciones comerciales / industriales o mejores: 1) aislamiento de potencia total en el PSE, para cada conector. 2) informes de prueba requeridos para el aislamiento de energía PSE y PD, que se archivan y se pueden descargar para el público. Para incluir el diagrama de cableado del PI. 3) al costo del fabricante, mantenga un servidor, con una lista de todos los PD que cumplan con el nuevo estándar. 4) considere hacer un estándar de grado industrial, si el costo de estas mejoras es demasiado para los mercados de consumidores de bajo nivel, y aún así proporciona el nivel serio de estándares, seguridad y trazabilidad de las necesidades industriales.

La especificación de Ethernet exige que los dispositivos estén aislados galvánicamente entre sí; esta publicación explica las implicaciones de aislamiento con más detalle.

Como mencionó las fuentes de alimentación y la conexión a tierra, el artículo de Wikipedia sobre alimentación a través de Ethernet (PoE) puede ser relevante para usted.

Tanto el RS-232 como el USB tienen señales referenciadas a tierra, por eso necesita una. (Sí, las señales D + y D- en USB se usan independientemente una de otra con GND como referencia durante el descubrimiento del dispositivo). Las señales de Ethernet son puramente diferenciales, por lo que no se necesita una referencia GND.

Una razón por la que TP ethernet, ¡gracias a $ DEITY !, no está usando una referencia de tierra común entre estaciones no se ha mencionado con suficiente claridad:

Un cable de ethernet puede correr más de cien metros, probablemente incluso conectando dos edificios.

La diferencia de potencial incluso en un sistema de puesta a tierra bien ejecutado, si se mide en dos puntos separados por decenas o cientos de metros, está lejos de garantizarse que sea incluso cercana a 0V: puede haber voltaje de CA de CC o de baja frecuencia debido al flujo de corriente (debido a corrientes de fuga, corrientes de falla reales, transitorios o errores / defectos de cableado ...) en el sistema de conexión a tierra y todo tipo de interferencia.

Las diferencias de potencial de CA provocarán fácilmente interferencias, mientras que un fuerte flujo de corriente a través de un blindaje de cable a tierra podría convertirse en un peligro de incendio.

Y todo esto supone que el equipo está correctamente conectado a tierra en primer lugar, incluso pueden suceder cosas peores si ese ya no es el caso.

No es el peor, pero es un mal ejemplo de lo que podría suceder con los blindajes con conexión a tierra (en ambos lados): una PC se ha conectado accidentalmente con un cable IEC de dos hilos (¡como se ha encontrado antes en la naturaleza!) En un RCD sin (viejo TN -C-a la toma ...) sistema de cableado. Esta PC desarrolla una conexión de red interna corta conectada a la carcasa metálica, a la que están conectadas todas las conexiones a tierra de esa PC. El otro extremo de esa conexión es a un dispositivo donde la conexión a tierra se ha implementado correctamente. El cable de Ethernet utilizado es de la construcción más ligera posible, con material de protección delgado. Y es una pieza de 30 metros enrollada en una bobina ya que no tenías cables de 5 m. A esa longitud, este blindaje podría tener la resistencia adecuada (alrededor de 15 ohmios sería "perfecto" en un sistema de 240 V) para pasar una corriente que sea lo suficientemente pequeña como para no fundir ningún fusible o automático, pero lo suficientemente grande como para disipar más de 1000 vatios en el blindaje del cable. Lo que significará mucho humo y no es improbable un peligro de ignición para las cosas a su alrededor.

¿Qué te hace pensar que no tiene conexión a tierra?

• "Tierra", por definición, es una referencia de 0V para algún circuito local.
• La tierra es una conectada al terraferma exterior.

Como ya sabrá, todas las computadoras portátiles / tabletas tienen conexión a tierra flotante, a menos que estén conectadas a algún puerto con conexión a tierra externa, como un cable VGA a un monitor LCD de 3 puntas debido al aislamiento del transformador galvánico en el cargador de batería.

Ethernet tampoco tiene señales en el espectro inferior, incluida DC, debido a los métodos de codificación Bi-Phase.

Más importante es que para la integridad de la señal y la reducción de EMI para la entrada y salida, las señales son líneas de transmisión con terminación de 75 Ω y balanceadas con transformador CM y transformador de derivación central 1: 1. Esto aumenta la impedancia CM en el lado del usuario para el aislamiento mientras se mantiene la impedancia diferencial en el lado del cable a tierra local en el espectro superior donde existen señales.

Vea las "conexiones a tierra" a continuación

• a través de una tapa de acoplamiento de 1000 pF y terminadores de 75 ohmios