Por que um cabo Ethernet não está aterrado?

Não há GND dedicado na pinagem clássica da Ethernet 8P8C ("RJ45"). ^[1]

Por que a especificação Ethernet não inclui um terra, ao contrário de muitos outros tipos de cabos usados ​​para dispositivos de interconexão que também podem ter sua fonte de energia independente, por exemplo, RS-232 ou USB ?

Se você simplesmente ignorar o POE 48 Volts na imagem abaixo, poderá ver a Ethernet usar transformadores nos dois lados .

Dessa forma, não há necessidade de terra comum, desde que a tensão do modo comum permaneça abaixo de 1500V em geral. A especificação de isolamento dos transformadores.

E como bônus, agora você também sabe como o POE funciona. ( 802.3at )

No entanto, o CAT6A geralmente possui um conector blindado. A blindagem é então aterrada ao chassi usando as pequenas abas dentro do soquete.

Imagem de origem

Por que a Ethernet não está aterrada? Há duas razões:
1. Isso criaria um loop de aterramento entre os dispositivos
2. O dispositivo também seria mais suscetível a ESD, predominante em cabos que estão sendo movidos ou manipulados (devido à carga triboelétrica do cabo)

A razão pela qual a Ethernet é mais suscetível a um loop de aterramento é porque:

1. Os loops podem ser muito maiores do que outras especificações de cabos, com 100m entre os dispositivos. USB é 5m, RS232 nos 15m. É mais provável que os dispositivos Ethernet estejam em salas diferentes, enquanto os dispositivos USB geralmente são aterrados em um computador (ou hub) e estão no mesmo chão ou na mesma sala no mesmo circuito de alimentação.
2. A tensão da Ethernet é mais baixa ± 1V com ~ 10mA de corrente. RS232 é muito maior em 5V ou 15V. USB é 3.3V. Isso o torna mais suscetível a erros.

As empresas e engenheiros que projetaram as especificações de ethernet tinham isso em mente (há muita reflexão sobre as especificações)

Se você tivesse um terra entre o transmissor e o receptor, isso criaria um loop de terra. Esse loop de aterramento seria formado pelo cabo e o caminho de retorno seria o aterramento, como mostrado abaixo. Quaisquer campos magnéticos que fluem através do loop criariam uma corrente ao longo do cabo (e no restante do loop). Mesmo se você isolasse os fios do sinal, isso seria um problema devido à indutância mútua entre os fios (os fios correm ao lado do outro podem acoplar correntes de um para o outro). Isso injetaria ruído (e causaria um erro de bit em potencial e perda de pacotes).

Portanto, se você adicionar um transformador de isolamento entre os dispositivos, interromperá o loop e ainda poderá transmitir um sinal rápido entre o transmissor e o receptor. Outro benefício do isolamento galvânico também aumenta a impedância do cabo ao dispositivo no caso de uma grande descarga eletrostática.

Este é um exemplo de isolamento entre dois dispositivos, a Ethernet possui dois transformadores de isolamento, mas o resultado é o mesmo, ele interrompe o loop de aterramento (e reduz o ruído do modo comum em conjunto com o par trançado e o afogador do modo comum ).

Imagens da wikipedia em loops de terra

1. Sinalização diferencial significa que não há necessidade de um terreno comum como ponto de referência. Além disso, nega a necessidade de blindagem, que geralmente é aterrada.
2. Nenhuma transferência de energia CC remove novamente a necessidade de um terreno comum e torna possível o ponto 3.
3. A separação galvânica torna o aterramento contraproducente. As especificações fazem um esforço considerável para tornar dispositivos com diferentes potenciais capazes de trabalhar juntos, portanto, adicionar um fio terra anula esse esforço.

/ edit: como Tom Carpenter apontou, o POE corretamente implementado, com conversores DC-DC isolados, ainda mantém o isolamento galvânico e a propriedade "sem fio no potencial de aterramento". (Ok, o POE quebra a parte de separação galvânica e adiciona um tipo de aterramento, não claramente visível, mas está lá. Mas o POE é um hack na parte superior da Ethernet, não uma parte original das especificações. Os dispositivos não POE mantêm as vantagens originais .)

O USB também possui sinalização diferencial, mas também carrega energia CC. A mera existência da possibilidade de poder torna necessário o terreno comum.

O RS-232 não carrega energia, mas o sinal não é um par diferencial autônomo, é um único fio referenciado contra o terra - que torna necessário o aterramento comum.

O aterramento é frequentemente mal interpretado como a solução definitiva para conectar as coisas. No entanto, na maioria dos casos, mesmo em pequenas tiragens, o aterramento adiciona mais problemas do que resolve.

O problema de compartilhar um terreno a qualquer distância é que você está assumindo que as duas extremidades têm o mesmo potencial de terra. Em um mundo perfeito que pode ser verdade, mas na vida real quase nunca é.

Seja devido a fiação incorreta, vazamento de terra ou EMI, o efeito de terra aqui neste monitor é diferente do solo de sua TV. Como tal, quando você passa um cabo que inclui terra entre eles, haverá uma corrente passando por ele.

Além disso, o terreno comum se torna o caminho de retorno atual para o seu sinal. Isso significa que você está realmente adicionando ruído à linha de base. Se o seu sistema de comunicação usa várias linhas, ele efetivamente compartilha o mesmo caminho de retorno e as correntes ficam muito mais complexas e o ruído muito pior no terreno comum.

Quanto mais longo o cabo, mais diferença de tensão será evidente ao longo desse cabo de aterramento. Se houver diferença suficiente, o delta entre o terra e a tensão do sinal cairá tão baixo que você não poderá mais distinguir o sinal.

A imagem abaixo demonstra isso. Observe que você tem duas luzes acima do solo à distância. Você pode ver que, com um solo sólido e agradável, você pode facilmente dizer no meio dois que luz está acesa. No entanto, na situação da mão direita em que o limite do solo é difícil de identificar, não é mais possível saber se essa é uma luz alta ou baixa.

Padrões como o ETHERNET e outros sistemas de comunicação diferencial usam uma técnica diferente que elimina totalmente a necessidade de um aterramento.

Ao enviar como sinal de mais e menos por dois fios dedicados, o receptor pode captar o sinal examinando a diferença entre esses fios, em vez de compará-lo a uma tensão de referência passada. (ou seja, "Ground"). A imagem abaixo indica como isso funciona. Observe que, mesmo com os sinais ruidosos à direita, você ainda pode dizer qual sinal está sendo enviado.

Essa técnica não apenas permite que o sinal seja transmitido a uma distância muito maior, mas também reduz a suscetibilidade do sistema ao ruído no modo comum. Como os caminhos de corrente de cada sinal também são restritos a esses dois fios dedicados, o compartilhamento do caminho de retorno entre sinais é eliminado.

Para a Ethernet, em particular, os transformadores são usados ​​para conectar os fios, o que fornece isolamento completo entre o meio de transmissão e o remetente / receptor.

A resposta até agora perdeu um elemento-chave: proteger o ruído dos casais.

O padrão Ethernet inclui UTP e STP (par trançado não blindado / blindado) há décadas.

A IBM influenciou fortemente a inclusão original do STP, por sua compatibilidade com o Token Ring. A alegação era de que a blindagem STP fornece uma camada extra de proteção contra ruído para os pares diferenciais (uma pechincha a apenas 5x do preço!). No entanto, a experiência da vida real demonstrou rapidamente que a blindagem proporcionava desempenho pior. As fontes pontuais de ruído elétrico foram acopladas à blindagem, onde o ruído teve todo o comprimento do cabo a ser acoplado aos pares trançados.

A blindagem também pode aumentar a conversa cruzada. Os pares são torcidos a taxas ligeiramente diferentes - uma programação típica é 11/12/13/14 torções por pé. Dessa forma, eles não se aninham fisicamente para formar um transformador parasita quando o cabo é torcido e puxado durante a instalação. Isso funciona muito bem. Muito melhor do que você poderia esperar. Mas a oscilação esticará o escudo entre os pares, acoplando o sinal ao escudo e aos outros pares.

Para a mistura de perguntas e comentários de USB e Ethernet, como por que a Ethernet é galvanicamente isolada e o USB não é:

Leia o histórico do USB e seus mandatos. Seria uma porta de sinalização de "baixo custo", "curta distância" (5 metros) adequada para computadores em casa e nos negócios e baixo custo acima de todas as outras necessidades. O USB também tinha o mandato de melhorar o desempenho da taxa de dados nas portas de impressora paralela e RS232.

O USB deveria ser colocado em todos os PCs fabricados. Se o usuário precisava ou não. Isso significa que deve ser de baixo custo. As portas de impressora paralela e as portas RS232 e os grandes conectores associados tiveram uma séria penalidade de custo em todos os computadores populares. E isso tornou os PCs e laptops mais caros, maiores, mais pesados ​​e com maior consumo de energia. O USB, portanto, por ser muito "baixo custo", não possui transformadores para realizar o isolamento galvânico. E facilita o fornecimento de energia CC ao periférico. A sinalização de dados USB, por falta de uma frase melhor, é "semi-diferencial". Essa é a corrente nas linhas + e - do cabo, são cerca de 95% numericamente opostos correspondentes (os + e -, sempre estão levemente errados, por não serem um valor perfeito de corrente oposta), pois um conjunto de transistor diferente aciona cada líquido, + e -.

O mandato da Ethernet foi e é; comunicação "confiável", "média distância" e baixo custo. Mas a distância confiável e média vem em primeiro lugar. A distância média de 100 metros requer muito isolamento galvânico. Se dois dispositivos (como um comutador e um PC) foram conectados através de dois prédios com uma diferença de potencial de terra de alguns volts, isso é uma coisa muito ruim e a corrente de terra indesejada e indesejada fluirá nesse cabo de dados. E esse fluxo de solo indesejado pode ter todos os tipos de efeitos negativos, prejudicando a qualidade dos dados e prejudicando o equipamento, possivelmente colocando em risco as pessoas.

A Ethernet também possui diferentes conjuntos de transistores que acionam cada + e -, no entanto, o transformador de sinal liga + e - juntos e, portanto, o fluxo final de + e - é quase uma combinação perfeita e oposta, chegando a quase um único elétron. Assim, a verdadeira sinalização diferencial é alcançada. A sinalização diferencial verdadeira permite que os níveis de tensão do sinal sejam reduzidos ainda mais, e as distâncias percorridas pelos cabos sejam aumentadas e que o EMI indesejado seja reduzido.

Mais tarde veio o PoE para Ethernet. O mandato do PoE era trazer energia CC de "baixo custo" para dispositivos periféricos, como telefones VoIP, câmeras e unidades de acesso à porta. O PoE normalmente sai do comutador Ethernet comum, para vários dispositivos, até 100 metros em direções opostas. Esse PoE (48 a 57) VDC é uma conexão "estrela" para todos os dispositivos. Isso significa que a energia múltipla que utiliza dispositivos "PD" compartilha uma fonte comum (NÃO é energia isolada, por conector RJ45 no PSE). Portanto, é um "dever" com borda GUILT que os PDs devem manter o isolamento de energia (conforme a norma IEEE 802.3), mesmo nas entradas de energia PoE, por meio de uma fonte de conversor isolado de CC para CC no PD, ou o PD está inteiramente em um caso não condutor, e nunca o plano de aterramento de seus circuitos está conectado ao aterramento local do edifício ou a outros equipamentos próximos (como periféricos baratos realmente baixos). Infelizmente, o IEEE 802.3 no padrão PoE não explica isso claramente.

Resumo: a Ethernet possui transformadores nas duas extremidades. Se ocorrer uma falha no transformador, o isolamento galvânico do dispositivo remoto PD para o PSE no comutador Ethernet não será perdido.

O PoE desiste do isolamento de energia DC (por uma questão de baixo custo) no comutador Ethernet e deixa esse isolamento "deve" ao fabricante de periféricos PD. Ninguém está realmente verificando esses itens fabricados. Se o IEEE oferecer recompensa aos infratores, isso melhorará a situação.

O novo padrão PoE, o IEEE, está pensando em tensões e correntes ainda mais altas, para obter mais energia PoE, deve avançar em direção a uma melhor qualidade e segurança. Elas devem ser apenas para instalações comerciais / industriais ou melhores: 1) isolamento total de energia no PSE, para cada conector. 2) relatórios de teste necessários para o isolamento de energia do PSE e PD, que são arquivados e podem ser baixados para o público. Para incluir o diagrama de fiação do PI. 3) ao custo dos fabricantes, mantenha um servidor, com uma lista de todos os PDs que atendem ao novo padrão. 4) considere criar um padrão de classe industrial, se o custo dessas melhorias for muito alto para os mercados consumidores de baixa renda, e ainda assim fornecer o nível sério de padrões, segurança e rastreabilidade das necessidades industriais.

A especificação Ethernet exige que os dispositivos sejam isolados galvanicamente um do outro - este post explica as implicações de isolamento com mais detalhes.

Como você mencionou as fontes de energia e o aterramento, o artigo da Wikipedia sobre Power over Ethernet (PoE) pode ser relevante para você.

Tanto o RS-232 quanto o USB têm sinais referenciados ao terra, é por isso que você precisa de um. (Sim, os sinais D + e D- em USB são usados ​​independentemente um do outro com o GND como referência durante a descoberta do dispositivo). Os sinais Ethernet são puramente diferenciais, portanto, nenhuma referência GND é necessária.

Uma razão pela qual a Ethernet TP, graças a $ DEITY !, não está usando uma referência de terra comum entre estações, não foi mencionada com clareza suficiente:

Um cabo Ethernet pode ultrapassar os cem metros, provavelmente até conectando dois edifícios.

A diferença de potencial em um sistema de aterramento bem executado, se medido em dois pontos a dezenas ou centenas de metros de distância, está longe de garantir uma proximidade de 0V - pode haver tensão CC ou CA de baixa frequência devido ao fluxo de corrente (devido a correntes de fuga, correntes de falha reais, transientes ou erros / defeitos na fiação ...) no sistema de aterramento e todos os tipos de interferência.

As diferenças de potencial de CA causam interferência rapidamente, enquanto um forte fluxo de corrente através de uma blindagem de cabo aterrada pode realmente se transformar em risco de incêndio.

E tudo isso pressupõe que os equipamentos estejam adequadamente aterrados em primeiro lugar, coisas ainda piores podem acontecer se esse não for mais o caso.

Não é o pior, mas um exemplo de caso ruim o que poderia acontecer com blindagens aterradas (nos dois lados): Um PC foi acidentalmente conectado com um cabo IEC de dois fios (como já foi encontrado antes!) Em um RCD-less (TN antigo) -C ao soquete ...). Este PC desenvolve um curto interno conectando a rede elétrica principal à caixa de metal, à qual todas as conexões de terra desse PC estão conectadas. A outra extremidade dessa conexão é um dispositivo em que o aterramento foi implementado corretamente. O cabo Ethernet usado é da construção mais leve possível, com fino material de blindagem. E é uma peça de 30 metros enrolada em uma bobina desde que você estava sem cabos de 5m. Nesse período, essa blindagem poderia ter a resistência certa (cerca de 15 ohms seria "perfeita" em um sistema de 240V) para passar uma corrente pequena o suficiente para não queimar nenhum fusível ou automático, mas grande o suficiente para dissipar mais de 1000 watts na blindagem do cabo. O que significa muita fumaça e não é um risco de ignição improvável para as coisas ao seu redor.

O que faz você pensar que ele não tem conexão de terra?

• "Ground", por definição, é uma referência de 0V para alguns circuitos locais.
• O aterramento é aquele conectado ao terraferma externo.

Como você deve saber, todos os laptops / tablets têm aterramento flutuante, a menos que estejam conectados a alguma porta com um aterramento externo, como um cabo VGA a um monitor LCD de 3 pinos, devido ao isolamento do transformador galvânico no carregador de bateria.

A Ethernet também não possui sinais no espectro inferior, incluindo DC devido aos métodos de codificação bifásica.

Mais importante é que, para integridade do sinal e redução de EMI para saída e entrada, os sinais são linhas de transmissão com terminação de 75 and e balanceadas com o transformador CM e o transformador central 1: 1. Isso aumenta a impedância CM no lado do usuário para isolamento, mantendo a impedância diferencial no lado do cabo para o terra local no espectro superior onde existem sinais.

Veja as "conexões de aterramento" abaixo

• via tampa de acoplamento 1000pF e terminadores de 75 Ohm