Perché un cavo Ethernet non è collegato a terra?

Non esiste GND dedicato nel pinout Ethernet 8P8C ("RJ45") classico. ^[1]

Perché le specifiche Ethernet non includono una messa a terra, a differenza di molti altri tipi di cavi utilizzati per i dispositivi di interconnessione che potrebbero avere anche una fonte di alimentazione indipendente, ad esempio RS-232 o USB ?

Se ignori il POE 48 Volt nell'immagine qui sotto, puoi vedere che Ethernet utilizza i trasformatori su entrambi i lati .

In questo modo non è necessaria la messa a terra comune fintanto che la tensione di modo comune rimane generalmente inferiore a 1500 V. Le specifiche di isolamento dei trasformatori.

E come bonus ora sai anche come funziona POE. ( 802.3at )

Tuttavia, CAT6A ha spesso un connettore schermato. Lo scudo viene quindi messo a terra sul telaio utilizzando i piccoli lembi all'interno della presa.

Immagine sorgente

Perché Ethernet non è collegato a terra? Ci sono due ragioni:
1. Creerebbe un circuito di terra tra i dispositivi
2. Il dispositivo sarebbe anche più suscettibile all'ESD che è prevalente nei cavi che vengono spostati o manipolati (dalla carica triboelettrica del cavo)

La ragione per cui Ethernet è più suscettibile a un loop di terra è perché:

1. I loop potrebbero essere molto più grandi di altre specifiche dei cavi, con 100 m tra i dispositivi. USB è 5m, RS232 us 15m. È più probabile che i dispositivi Ethernet si trovino in stanze diverse, mentre i dispositivi USB sono generalmente collegati a un computer (o hub) e si trovano sulla stessa terra o nella stessa stanza sullo stesso circuito di rete.
2. La tensione di Ethernet è inferiore a ± 1 V con ~ 10 mA di corrente. RS232 è molto più alto a 5 V o 15 V. USB è 3.3V. Questo lo rende più suscettibile all'errore.

Le aziende e gli ingegneri che hanno progettato le specifiche Ethernet avevano questo in mente (ci sono molti pensieri che vanno nelle specifiche)

Se si avesse una massa tra il trasmettitore e il ricevitore, si creerebbe un anello di massa. Questo anello di messa a terra sarebbe formato dal cavo e il percorso di ritorno sarebbe la messa a terra come mostrato di seguito. Qualsiasi campo magnetico che fluisce attraverso il circuito creerebbe una corrente lungo il cavo (e il resto del circuito). Anche se si isolassero i fili del segnale, questo sarebbe un problema a causa della reciproca induttanza tra i fili (i fili che scorrono uno accanto all'altro possono accoppiare le correnti l'una dall'altra). Ciò inietterebbe rumore (e causerebbe potenziali errori di bit e perdita di pacchetti).

Quindi, se aggiungi un trasformatore di isolamento tra i dispositivi, interrompi il loop e sei ancora in grado di trasmettere un segnale veloce tra il trasmettitore e il ricevitore. Un altro vantaggio dell'isolamento galvanico, aumenta anche l'impedenza del cavo al dispositivo in caso di una grande scarica elettrostatica.

Questo è un esempio di isolamento tra due dispositivi, Ethernet ha due trasformatori di isolamento, ma il risultato è lo stesso, interrompe il circuito di massa (e riduce il rumore di modo comune in combinazione con la coppia attorcigliata e lo starter di modo comune ).

Immagini da Wikipedia su anelli di terra

1. La segnalazione differenziale indica che non è necessario un terreno comune come punto di riferimento. Inoltre, annulla la necessità di schermare, che di solito è a terra.
2. Nessun trasferimento di energia CC elimina nuovamente la necessità di una messa a terra comune e rende possibile il punto 3.
3. La separazione galvanica rende controproducente la messa a terra. Le specifiche fanno un notevole sforzo per rendere i dispositivi con diversi potenziali in grado di lavorare insieme, quindi l'aggiunta di un filo di terra annullerebbe praticamente questo sforzo.

/ modifica: come ha sottolineato Tom Carpenter, il POE correttamente implementato, con convertitori CC-CC isolati, mantiene ancora l'isolamento galvanico e la proprietà "nessun filo al potenziale di terra". (Ok, POE rompe la parte di separazione galvanica e aggiunge un tipo di messa a terra, non chiaramente visibile, ma è lì. Ma POE è un hack sulla parte Ethernet, non una parte originale delle specifiche. I dispositivi non POE mantengono i vantaggi originali .)

L'USB ha anche un segnale differenziale, ma trasporta anche corrente continua. La semplice esistenza della possibilità di potenziamento rende necessaria la base comune.

RS-232 non trasporta energia, ma il segnale non è una coppia differenziale autonoma, è un singolo filo referenziato a terra - che rende necessaria la messa a terra comune.

La messa a terra è spesso fraintesa come la soluzione definitiva per connettere le cose insieme. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, anche su brevi tiri, la messa a terra aggiunge più problemi di quanti ne risolva.

Il problema con la condivisione di un terreno su qualsiasi distanza è che stai assumendo che entrambe le estremità abbiano lo stesso potenziale di terra. In un mondo perfetto che può essere vero, ma nella vita reale non lo è quasi mai.

Che si tratti di un cattivo cablaggio, dispersione a terra o effetti EMI, la terra qui su questo monitor è diversa da quella sulla TV. Pertanto, quando si esegue un cavo che include la terra tra loro, ci sarà una corrente che attraversa quella terra.

Inoltre, il terreno comune diventa l'attuale percorso di ritorno per il tuo segnale. Ciò significa che stai effettivamente aggiungendo rumore nella linea di terra. Se il tuo sistema di comunicazione utilizza più linee, condividono effettivamente lo stesso percorso di ritorno e le correnti diventano molto più complesse e il rumore molto peggio, nel terreno comune.

Più lungo è il cavo, maggiore sarà la differenza di tensione lungo quel cavo di terra. Se c'è abbastanza differenza, il delta tra massa e tensione del segnale scenderà così in basso da non riuscire più a distinguere il segnale.

L'immagine qui sotto lo dimostra. Nota che hai due luci sopra il terreno in lontananza. Puoi vedere che con un bel terreno solido puoi abbastanza facilmente capire nel mezzo due quale luce è accesa. Tuttavia, nella situazione della mano destra in cui è difficile identificare il limite del terreno, non è più possibile stabilire se si tratta di una luce alta o bassa.

Standard come ETHERNET e altri sistemi di comunicazione differenziale utilizzano una tecnica diversa che elimina completamente la necessità di un terreno.

Inviando come segnale più e meno su due fili dedicati, il ricevitore può rilevare il segnale esaminando la differenza tra tali fili anziché confrontarlo con una tensione di riferimento passata. (es. "Terra"). L'immagine seguente indica come funziona. Notare anche con i segnali rumorosi sulla destra è ancora possibile sapere quale segnale viene inviato.

Questa tecnica non solo consente di trasmettere il segnale su distanze molto maggiori, ma riduce anche la suscettibilità dei sistemi al rumore di modo comune. Dato che ogni percorso di segnali è limitato anche a quei due fili dedicati, la condivisione del percorso di ritorno tra segnali viene eliminata.

Per Ethernet, in particolare, i trasformatori vengono utilizzati per il collegamento ai fili che fornisce un completo isolamento tra il mezzo di trasmissione e il mittente / destinatario.

Finora la risposta ha perso un elemento chiave: proteggere il rumore delle coppie.

Lo standard Ethernet ha incluso sia UTP che STP (doppino non schermato / schermato) per decenni.

IBM ha fortemente influenzato l'inclusione originale di STP, per la sua compatibilità con Token Ring. L'affermazione era che la schermatura STP fornisce un ulteriore livello di protezione dal rumore per le coppie differenziali (un affare a soli 5 volte il prezzo!) Tuttavia l'esperienza della vita reale ha rapidamente dimostrato che la schermatura ha fornito prestazioni peggiori. Le fonti puntuali di rumore elettrico erano accoppiate alla schermatura, dove il rumore aveva quindi l'intera lunghezza del cavo da accoppiare alle coppie intrecciate.

La schermatura può anche aumentare il cross-talk. Le coppie sono contorte a velocità leggermente diverse: un programma tipico è 11/11/13/14 colpi di scena per piede. In questo modo non si annidano fisicamente insieme per formare un trasformatore parassita quando il cavo viene attorcigliato e tirato durante l'installazione. Funziona benissimo. Molto meglio di quanto ti aspetti. Ma l'oscillazione allungherà lo scudo tra le coppie, accoppiando il segnale allo scudo e alle altre coppie.

Al mix di domande e commenti di USB ed Ethernet, come ad esempio perché Ethernet è galvanicamente isolata, e USB non lo è:

Leggi la cronologia USB e i suoi mandati. Doveva essere una porta di segnalazione "a basso costo", "a breve distanza" (5 metri) adatta per computer a casa e in ufficio e a basso costo sopra ogni altra esigenza. L'USB aveva anche il mandato di migliorare le prestazioni della velocità di trasmissione dati su porte parallele per stampante e RS232.

USB doveva essere messo su tutti i PC fabbricati. Se l'utente ne ha avuto bisogno o meno. Ciò significa che deve essere a basso costo. Le porte per stampanti parallele e le porte RS232 e i grandi connettori associati avevano una grave penalità sui costi su tutti i computer più diffusi. E ciò ha reso PC e laptop, più costosi, più grandi, più pesanti e più consumati. L'USB, quindi per essere molto "a basso costo", non ha trasformatori per realizzare l'isolamento galvanico. E semplifica la fornitura di corrente continua alla periferica. La segnalazione dati USB, per mancanza di una frase migliore è "semi-differenziale". Questa è la corrente nelle linee + e - del cavo, sono circa il 95% accoppiate numericamente opposte (il + e -, sono sempre leggermente in errore, di non essere un valore di corrente opposto perfetto), poiché un diverso set di transistor guida ciascuno netto, + e -.

Il mandato di Ethernet era ed è; Comunicazione "affidabile", "media distanza" e basso costo. Ma l'affidabilità e la media distanza vengono prima di tutto. Una distanza media di 100 metri richiede molto l'isolamento galvanico. Se due dispositivi (come uno switch e un PC) fossero collegati tra due edifici con qualche volt di differenza di potenziale di terra, questa è una cosa piuttosto negativa e una corrente di terra non intenzionale, indesiderata, fluirà in quel cavo dati. E quel flusso di terra indesiderato, può avere tutti i tipi di effetti nocivi che danneggiano la qualità dei dati e danneggiano le apparecchiature, forse anche mettendo in pericolo le persone.

Ethernet, inoltre, ha diversi set di transistor che guidano ogni + e -, tuttavia il trasformatore di segnale mette in corto + e - insieme, e quindi il flusso finale + e - è quasi una corrispondenza perfetta, opposta, fino a quasi un singolo elettrone. In questo modo si ottiene una vera segnalazione differenziale. La vera segnalazione differenziale consente di ridurre ulteriormente i livelli di tensione del segnale, di aumentare le distanze dei cavi e di ridurre le EMI indesiderate.

Più tardi arrivò PoE per Ethernet. Il mandato di PoE era di fornire alimentazione CC "a basso costo" ai dispositivi periferici, ad esempio telefoni VoIP, telecamere e unità di accesso alla porta. Il PoE in genere esce dallo switch Ethernet comune, a più dispositivi, fino a 100 metri in direzioni opposte. Quel VDC PoE (da 48 a 57) è una connessione "a stella" a tutti i dispositivi. Ciò significa che l'alimentazione multipla che utilizza i dispositivi "PD", condivide un'alimentazione comune (questa NON è alimentazione isolata, per connettore RJ45 sul PSE). Pertanto è un "deve" bordato da GUILT che i PD mantengano l'isolamento di potenza (secondo lo standard IEEE 802.3), anche sugli ingressi di alimentazione PoE, tramite un alimentatore isolato da CC a CC nel PD, o il PD è interamente in un caso non conduttivo, e i suoi circuiti non sono mai collegati al suolo locale dell'edificio o ad altre apparecchiature vicine (come periferiche economiche davvero di fascia bassa). Sfortunatamente, IEEE 802.3 allo standard PoE non lo spiega chiaramente.

Riepilogo: Ethernet ha trasformatori ad entrambe le estremità. Se si verifica persino un guasto del trasformatore, non si perde l'isolamento galvanico dal dispositivo remoto PD al PSE nello switch Ethernet.

PoE, rinuncia all'isolamento dell'alimentazione CC, (per motivi di basso costo) sullo switch Ethernet, e lascia questo isolamento "deve" al produttore della periferica PD. Nessuno sta davvero controllando questi articoli fabbricati. Se l'IEE conferisse una ricompensa ai trasgressori, ciò migliorerebbe la situazione.

Il nuovo standard PoE, IEEE sta valutando tensioni e correnti ancora più elevate, per una maggiore potenza PoE, dovrebbe spostarsi verso un miglioramento della qualità e della sicurezza. Questi dovrebbero essere solo su installazioni di livello commerciale / industriale o migliori: 1) isolamento a piena potenza sul PSE, per ciascun connettore. 2) richiesto rapporti di prova per l'isolamento dell'alimentazione PSE e PD, archiviati e scaricabili per il pubblico. Per includere lo schema elettrico del PI. 3) a spese del produttore, mantenere un server, con un elenco di tutti i PD che soddisfano il nuovo standard. 4) prendere in considerazione la creazione di uno standard di livello industriale, se il costo di questi miglioramenti è eccessivo per i mercati dei consumatori di fascia bassa, pur fornendo ancora il livello serio di standard, sicurezza e tracciabilità delle esigenze industriali.

Le specifiche Ethernet richiedono che i dispositivi siano galvanicamente isolati l'uno dall'altro - questo post spiega le implicazioni dell'isolamento in modo più dettagliato.

Dato che hai menzionato fonti di alimentazione e messa a terra, l' articolo di Wikipedia su Power over Ethernet (PoE) potrebbe essere pertinente per te.

Sia RS-232 che USB hanno segnali riferiti a terra, ecco perché ne hai bisogno. (Sì, i segnali D + e D- in USB vengono utilizzati indipendentemente l'uno dall'altro con GND come riferimento durante il rilevamento del dispositivo). I segnali Ethernet sono puramente differenziali, quindi non è necessario alcun riferimento GND.

Un motivo per cui TP Ethernet, grazie a $ DEITY !, non utilizza un riferimento di terra comune tra le stazioni non è stato menzionato abbastanza chiaramente:

Un cavo Ethernet può superare i cento metri, probabilmente anche collegando due edifici.

La differenza di potenziale anche su un sistema di messa a terra ben eseguito, se misurata a due punti di decine o centinaia di metri di distanza, è lungi dall'essere garantita anche vicino a 0 V - può esserci tensione CC o CA a bassa frequenza a causa del flusso di corrente (dovuto a correnti di dispersione, correnti di guasto effettive, transitori o errori / difetti di cablaggio ...) nel sistema di messa a terra e ogni tipo di interferenza.

Le differenze di potenziale CA causeranno facilmente interferenze, mentre un forte flusso di corrente attraverso una schermatura del cavo con messa a terra potrebbe effettivamente trasformarsi in un pericolo di incendio.

E tutto ciò presuppone che le apparecchiature siano correttamente messe a terra, in primo luogo, possono accadere cose anche peggiori se non è più così.

Niente di peggio, ma cattivo esempio di cosa potrebbe accadere con schermi a terra (su entrambi i lati): un PC è stato accidentalmente collegato con un cavo IEC a due fili (come è stato trovato in natura prima!) Su un RCD-less (vecchio TN -C-to-the-socket ...) sistema di cablaggio. Questo PC sviluppa un cortocircuito interno che collega l'alimentazione in tensione alla custodia metallica, a cui sono collegati tutti i collegamenti di terra in quel PC. L'altra estremità di tale connessione è un dispositivo in cui la messa a terra è stata correttamente implementata. Il cavo Ethernet utilizzato è della costruzione più leggera possibile, con materiale schermante sottile. Ed è un pezzo di 30 metri avvolto in una bobina da quando eri senza cavi da 5m. A quella lunghezza, questa schermatura potrebbe avere la giusta resistenza (circa 15 ohm sarebbe "perfetto" su un sistema a 240 V) per far passare una corrente abbastanza piccola da non bruciare micce o automatici, ma abbastanza grande da dissipare oltre 1000 watt sulla schermatura del cavo. Il che significa un sacco di fumo e non è improbabile un rischio di innesco per cose intorno ad esso.

Cosa ti fa pensare che non abbia una connessione di terra?

• "Terra" per definizione è un riferimento 0 V per alcuni circuiti locali.
• La terra è collegata alla terraferma esterna.

Come forse saprai, tutti i laptop / tablet hanno una massa mobile a meno che non siano collegati a una porta con una messa a terra esterna come un cavo VGA a un monitor LCD a 3 poli a causa dell'isolamento del trasformatore galvanico nel caricabatterie.

Anche Ethernet non ha segnali nello spettro inferiore incluso DC a causa dei metodi di codifica Bi-Phase.

Ancora più importante è che per l'integrità del segnale e la riduzione EMI per l'uscita e l'ingresso, i segnali sono linee di trasmissione con terminazione 75 Ω e bilanciate con trasformatore CM e trasformatore con attacco centrale 1: 1. Ciò aumenta l'impedenza del CM sul lato utente per l'isolamento mantenendo l'impedenza differenziale sul lato del cavo a terra locale nello spettro superiore dove esistono segnali.

Vedere i "collegamenti di terra" di seguito

• tramite tappo di accoppiamento da 1000pF e terminatori da 75 Ohm