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

Si simplemente ignora el POE de 48 voltios 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 de modo común permanezca por debajo de 1500 V 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. Luego, el escudo se conecta a tierra al chasis usando 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 manipulan (debido a la carga triboeléctrica del cable)

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

1. Los bucles pueden ser mucho más grandes que otras especificaciones de cable, con 100 m entre dispositivos. USB es 5m, RS232 us 15m. Es más probable que los dispositivos Ethernet estén en diferentes habitaciones, mientras que los dispositivos USB generalmente están conectados a tierra a una computadora (o concentrador) y están en el mismo suelo o en la misma habitación en el mismo circuito de alimentación.
2. El voltaje de ethernet es más bajo ±1V con ~10mA de corriente. RS232 es mucho más alto a 5V o 15V. El USB es de 3,3 V. Esto lo hace más susceptible a errores.

Las empresas y los ingenieros que diseñaron la especificación de ethernet tenían esto en mente (se piensa mucho en las especificaciones)

Si tuviera una tierra entre el transmisor y el receptor, crearía un bucle de tierra. Este bucle de tierra estaría formado por el cable y la ruta de retorno sería la tierra principal 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 aísla 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 error de bit potencial y pérdida de paquetes).

Entonces, si agrega un transformador de aislamiento entre dispositivos, rompe el bucle y aún puede transmitir una señal de alta velocidad 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 sobre 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 nuevamente elimina la necesidad de una conexión a tierra común y hace posible el punto n.° 3.
3. La separación galvánica hace que la puesta a tierra sea contraproducente. Las especificaciones hacen un esfuerzo considerable para 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 correctamente, con convertidores CC-CC aislados, aún conserva el aislamiento galvánico y la propiedad "sin cable en el potencial de tierra". (Ok, POE rompe la parte de separación galvánica y agrega una especie de conexión a tierra, no claramente visible, pero está ahí. Pero POE es un truco sobre Ethernet, no una parte original de las especificaciones. Los dispositivos que no son POE conservan las ventajas originales .)

USB también tiene señalización diferencial, pero también lleva alimentación de CC. La mera existencia de la posibilidad de poder hace necesaria la base común.

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

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

El problema de compartir una tierra a cualquier distancia es que se supone que ambos extremos tienen el mismo potencial de tierra. En un mundo perfecto eso puede ser cierto, pero en la vida real casi nunca lo es.

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

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

Cuanto más largo sea el cable, más diferencia de voltaje será evidente 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 de abajo demuestra esto. Tenga en cuenta que tiene dos luces sobre su suelo en la distancia. Puede ver que con un buen suelo sólido puede decir con bastante facilidad en los dos medios 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 una conexión a tierra.

Al enviar una señal positiva y negativa a través de dos cables dedicados, el receptor puede detectar la señal examinando la diferencia entre esos cables en lugar de compararla con un voltaje de referencia pasado. (es decir, "Tierra"). La siguiente imagen indica cómo funciona esto. Tenga en cuenta 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 de los sistemas al ruido de modo común. Dado que las rutas de corriente de cada señal también están restringidas a esos dos cables dedicados, se elimina el uso compartido de la ruta de retorno entre señales.

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

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

Lea sobre la historia 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 la empresa, y de bajo costo por encima de todas las demás necesidades. USB también tenía el mandato de mejorar el rendimiento de la tasa de datos sobre impresoras paralelas y puertos RS232.

El USB debía instalarse en todas las PC fabricadas. Si el usuario lo necesitaba o no. Eso significa que debe ser de bajo costo. Los puertos de impresora paralelos y los puertos RS232 y los grandes conectores asociados tenían una penalización de costos importante en todas las computadoras populares. Y eso hizo que las PC y las laptops fueran más costosas, más grandes, más pesadas y con un mayor consumo de energía. El USB, por ser de muy "bajo costo", no tiene transformadores para lograr el aislamiento galvánico. Y facilita el suministro de alimentación de CC al periférico. La señalización de datos USB, a falta de una frase mejor, es "semidiferencial". Esa es la corriente en las líneas + y - del cable, son aproximadamente 95% numéricamente opuestos (el + y -, siempre tienen un ligero error, 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. Distancia media de 100 metros necesita mucho aislamiento galvánico. Si dos dispositivos (como un interruptor y una PC) se conectaron a través de dos edificios con unos pocos voltios de diferencia de potencial de tierra, eso es algo bastante malo, y la corriente de tierra involuntaria y no deseada fluirá en ese cable de datos. Y ese flujo de tierra no deseado puede tener todo tipo de efectos negativos al dañar la calidad de los datos y dañar el equipo, e incluso posiblemente poner en peligro a las personas.

Ethernet, también tiene diferentes conjuntos de transistores que impulsan cada + y -, sin embargo, el transformador de señal corta el + y - juntos y, por lo tanto, el flujo de corriente final + y - es casi una combinación opuesta perfecta, hasta casi un solo electrón. Por lo tanto, se logra una verdadera señalización diferencial. La verdadera señalización diferencial permite reducir aún más los niveles de voltaje de la señal, aumentar las distancias recorridas por el cable y reducir las EMI no deseadas.

Más tarde vino PoE para Ethernet. El mandato de PoE era brindar alimentación de CC de "bajo costo" a los dispositivos periféricos, es decir, teléfonos VoIP, cámaras y unidades de puerta de acceso. Por lo general, la energía PoE sale del conmutador Ethernet común a varios dispositivos, hasta 100 metros en direcciones opuestas. Que PoE (48 a 57) VDC es una conexión "estrella" a todos los dispositivos. Eso significa que los múltiples dispositivos que usan energía "PD" comparten un suministro común (esta NO es energía aislada, por conector RJ45 en el PSE). Por lo tanto, es un "deber" de GUILT-Edged que los PD mantengan el aislamiento de energía (según el estándar IEEE 802.3), incluso en las entradas de energía PoE, mediante un suministro de convertidor aislado de CC a CC en el PD, o el PD está completamente en un caso no conductor, y nunca se conecta el plano de tierra de sus circuitos 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. Incluso si ocurriera una falla del transformador, el aislamiento galvánico desde el dispositivo remoto PD hasta el PSE en el conmutador Ethernet no se pierde.

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

El nuevo estándar PoE, IEEE, está considerando voltajes y corrientes aún más altos, para más potencia PoE, debería avanzar hacia una calidad y seguridad mejoradas. Estos deben estar 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 de PSE y PD, que se archivan y se pueden descargar para el público. Incluir el esquema eléctrico del PI. 3) a costo del fabricante, mantener un servidor, con una lista de todos los PD que cumplan con el nuevo estándar. 4) considerar hacer un estándar de grado industrial, si el costo de estas mejoras es demasiado para los mercados de consumidores de gama baja, y aún así proporcionar el nivel serio de estándares, seguridad y trazabilidad de las necesidades industriales.

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

El estándar Ethernet ha incluido tanto UTP como STP (par trenzado blindado/sin blindaje) 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 proporcionaba un peor rendimiento. Las fuentes puntuales de ruido eléctrico se acoplaron al blindaje, donde el ruido se extendió por toda la longitud del cable para acoplarse a los pares trenzados.

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

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

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

Una de las razones por las que TP ethernet, ¡gracias a $DEITY!, no utiliza una referencia a tierra común entre las estaciones no se ha mencionado con suficiente claridad:

Un cable de ethernet puede extenderse 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 esté cerca de 0 V; puede haber voltaje de CC o de CA de baja frecuencia debido al flujo de corriente (debido a a corrientes de fuga, corrientes de defecto reales, transitorios, o errores/defectos de cableado...) en el sistema de puesta a tierra, y todo tipo de interferencias.

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

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

No es el peor, pero es un mal ejemplo de caso de lo que podría suceder con blindajes conectados 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 RCD (antiguo TN -C-a-la-toma...) sistema de cableado. Esta PC desarrolla un cortocircuito interno que conecta la red viva a la carcasa metálica, a la que se conectan 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 ethernet utilizado es de la construcción más liviana posible, con un material de protección delgado. Y es un trozo de 30 metros enrollado en bobina ya que te quedaste sin cables de 5m. Con 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 lo suficientemente pequeña como para no quemar ningún fusible o autómata, pero lo suficientemente grande como para disipar más de 1000 vatios en el blindaje del cable. Lo que significará una gran cantidad de humo y no es improbable un peligro de ignición para las cosas que lo rodean.

Tanto el RS-232 como el USB tienen señales referenciadas a tierra, por eso necesitas uno. (Sí, las señales D+ y D- en USB se utilizan de forma independiente con GND como referencia durante la detección de dispositivos). Las señales de Ethernet son puramente diferenciales, por lo que no se necesita una referencia GND.

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

• "Tierra" por definición es una referencia de 0V para algún circuito local.
• La tierra física es aquella conectada a la terraferma exterior.

Como 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 la CC, debido a los métodos de codificación bifásicos.

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

Consulte las "conexiones a tierra" a continuación.

• mediante tapa de acoplamiento de 1000pF y terminadores de 75 ohmios