Pourquoi un câble Ethernet n'est-il pas mis à la terre?

Il n’existe pas de GND dédié dans le brochage Ethernet 8P8C ("RJ45") classique. ^[1]

Pourquoi la spécification Ethernet ne comprend-t-elle pas de masse, contrairement à de nombreux autres types de câbles utilisés pour interconnecter des périphériques pouvant également disposer de leur source d'alimentation indépendante, par exemple RS-232 ou USB ?

Si vous ignorez simplement le POE 48 volts dans l'image ci-dessous, vous pouvez voir que Ethernet utilise des transformateurs des deux côtés .

De cette façon, la mise à la terre commune n’est pas nécessaire tant que la tension de mode commun reste inférieure à 1500 V en général. La spécification d'isolement des transformateurs.

Et en prime, vous savez maintenant comment fonctionne POE. ( 802.3at )

Cependant, CAT6A a souvent un connecteur blindé. Le blindage est ensuite mis à la terre sur le châssis à l’aide des petits rabats à l’intérieur de la prise.

Image source

Pourquoi Ethernet n'est-il pas mis à la terre? Il y a deux raisons:
1. Cela créerait une boucle de masse entre les périphériques.
2. Le périphérique serait également plus sensible aux décharges électrostatiques, ce qui est courant dans les câbles déplacés ou manipulés (lors du chargement triboélectrique du câble).

La raison pour laquelle Ethernet est plus susceptible à une boucle de masse est la suivante:

1. Les boucles pourraient être beaucoup plus grandes que les autres spécifications de câble, avec 100 m entre les périphériques. USB est à 5m, RS232 nous à 15m. Il est plus probable que les périphériques Ethernet se trouvent dans des pièces différentes, tandis que les périphériques USB sont généralement mis à la terre sur un ordinateur (ou un concentrateur) et se trouvent sur le même sol ou dans la même pièce, sur le même circuit électrique.
2. La tension d'Ethernet est inférieure à ± 1V avec ~ 10mA de courant. RS232 est beaucoup plus élevé à 5V ou 15V. USB est 3.3V. Cela le rend plus susceptible d'erreur.

Les entreprises et les ingénieurs qui ont conçu les spécifications Ethernet avaient cela à l'esprit (beaucoup de réflexion a été faite dans les spécifications).

Si vous aviez une terre entre l'émetteur et le récepteur, cela créerait une boucle de masse. Cette boucle de masse serait formée par le câble et la voie de retour serait la terre principale, comme indiqué ci-dessous. Tout champ magnétique traversant la boucle créerait un courant le long du câble (et du reste de la boucle). Même si vous isoliez les fils de signal, cela poserait un problème en raison de la mutuelle inductance des fils (les fils juxtaposés peuvent coupler les courants de l'un à l'autre). Ceci injecterait du bruit (et causerait une erreur de bit potentielle et une perte de paquet).

Donc, si vous ajoutez un transformateur d'isolement entre les appareils, vous coupez la boucle et vous pouvez toujours transmettre un signal rapide entre l'émetteur et le récepteur. Un autre avantage de l'isolation galvanique, augmente également l'impédance du câble à l'appareil dans le cas d'une décharge électrostatique importante.

Il s'agit d'un exemple d'isolation entre deux périphériques. Ethernet comporte deux transformateurs d'isolation, mais le résultat est identique. Il coupe la boucle de masse (et réduit le bruit en mode commun en conjonction avec la paire torsadée et l'étranglement en mode commun ).

Images de wikipedia sur les boucles de masse

1. La signalisation différentielle signifie qu'il n'est pas nécessaire de disposer d'une terre commune comme point de référence. En outre, élimine le besoin de blindage, qui est généralement mis à la terre.
2. L'absence de transfert d'alimentation CC élimine à nouveau la nécessité d'une terre commune et rend possible le point 3.
3. La séparation galvanique rend la mise à la terre contre-productive. Les spécifications mettent beaucoup d’efforts à faire en sorte que les dispositifs à différents potentiels puissent fonctionner ensemble. L’ajout d’un fil de terre viderait donc cet effort.

/ edit: comme le souligne Tom Carpenter, le POE correctement mis en œuvre, avec convertisseurs DC-DC isolés, conserve toujours l’isolation galvanique et la propriété "pas de fil au potentiel de la terre". (Ok, POE casse la partie de séparation galvanique et ajoute un type de mise à la terre, pas clairement visible, pourtant il est. Mais POE est un hack sur Ethernet, pas une partie originale des spécifications. Les périphériques non-POE conservent les avantages originaux. .)

L'USB a également une signalisation différentielle, mais il est également alimenté en courant continu. La simple existence de la possibilité d'alimentation rend nécessaire la mise au point d'un terrain d'entente.

RS-232 ne transporte pas d’alimentation, mais le signal n’est pas une paire différentielle autonome, c’est un simple fil référencé à la terre - ce qui rend la mise à la terre commune nécessaire.

La mise à la terre est souvent mal comprise pour être la solution ultime pour relier les choses entre elles. Cependant, dans la plupart des cas, même sur de courtes distances, la mise à la terre ajoute plus de problèmes qu'elle n'en résout.

Le problème avec le partage d’un sol sur n’importe quelle distance est que vous supposez que les deux extrémités sont au même potentiel terrestre. Dans un monde parfait, cela peut être vrai, mais dans la vie réelle, ce n'est presque jamais le cas.

Que ce soit en raison d'un mauvais câblage, d'une fuite à la terre ou des interférences électromagnétiques, la mise à la terre ici sur ce moniteur est différente de celle de votre téléviseur. En tant que tel, lorsque vous utilisez un câble qui relie la terre entre eux, un courant circule dans cette terre.

De plus, la terre commune devient le chemin de retour actuel de votre signal. Cela signifie que vous ajoutez en fait du bruit dans la ligne de sol. Si votre système de communication utilise plusieurs lignes, elles partagent effectivement le même chemin de retour et les courants deviennent beaucoup plus complexes et le bruit bien pire, dans le sol commun.

Plus le câble est long, plus la différence de tension sera évidente le long de ce câble de masse. Si la différence est suffisante, le delta entre la masse et la tension du signal chutera si bas que vous ne pourrez plus distinguer le signal.

L'image ci-dessous montre cela. Notez que vous avez deux lumières au-dessus de votre sol au loin. Vous pouvez voir qu’avec un beau sol solide, vous pouvez facilement dire au milieu de quelle lumière est allumée. Cependant, dans la situation de droite où la limite au sol est difficile à identifier, il n'est plus possible de dire s'il s'agit d'une lumière haute ou basse.

Des normes telles qu'ETHERNET et d'autres systèmes de communication différentielle utilisent une technique différente qui élimine totalement le besoin d'une mise à la terre.

En envoyant un signal positif et négatif sur deux fils dédiés, le récepteur peut détecter le signal en examinant la différence entre ces fils plutôt qu'en le comparant à une tension de référence transmise. (c'est à dire "Ground"). L'image ci-dessous indique comment cela fonctionne. Notez que même avec les signaux bruyants à droite, vous pouvez toujours savoir quel signal est envoyé.

Cette technique permet non seulement de transmettre le signal sur une distance beaucoup plus grande, mais réduit également la susceptibilité des systèmes au bruit de mode commun. Etant donné que chaque trajet de signal est également limité à ces deux fils dédiés, le partage de trajet de retour entre signaux est éliminé.

Pour Ethernet en particulier, les transformateurs sont utilisés pour se connecter aux câbles, ce qui assure une isolation complète entre le support de transmission et l'émetteur / récepteur.

La réponse à ce jour a manqué un élément clé: protéger le bruit des couples.

La norme Ethernet inclut les protocoles UTP et STP (paires torsadées non blindées / blindées) depuis des décennies.

IBM a fortement influencé l'inclusion initiale de STP pour sa compatibilité avec Token Ring. L'affirmation était que le blindage STP fournissait une couche supplémentaire de protection contre le bruit pour les paires différentielles (une aubaine à seulement 5 fois le prix!). Cependant, l'expérience réelle a rapidement démontré que le blindage offrait de moins bonnes performances. Des sources ponctuelles de bruit électrique ont été couplées au blindage, le bruit devant alors être couplé sur toute la longueur du câble aux paires torsadées.

Le blindage peut également augmenter les interférences. Les paires sont tordues à des vitesses légèrement différentes - un horaire typique est de 11/12/13/14 torsades par pied. De cette façon, ils ne s'emboîtent pas physiquement pour former un transformateur parasite lorsque le câble est tordu et tiré pendant l'installation. Cela fonctionne très bien. Bien mieux que ce à quoi vous pourriez vous attendre. Mais le fait de bouger va étirer le bouclier entre les paires, couplant le signal au bouclier et aux autres paires.

Pour le mélange de questions et de commentaires de l'USB et de l'Ethernet, par exemple pourquoi Ethernet est isolé galvaniquement, et l'USB n'est pas:

Renseignez-vous sur l'historique de l'USB et ses mandats. Ce port devait être un port de signalisation "à faible coût", "courte distance" (5 mètres), adapté aux ordinateurs domestiques et professionnels, ainsi qu'à un coût inférieur à tous les autres besoins. L'USB avait également pour mandat d'améliorer les performances de débit de données sur les ports d'imprimante parallèle et RS232.

La clé USB devait être installée sur tous les ordinateurs fabriqués. Que l'utilisateur en ait besoin ou non. Cela signifie que cela doit être peu coûteux. Les ports d’imprimante parallèles, les ports RS232 et les grands connecteurs associés entraînaient une grave pénalité de coût pour tous les ordinateurs courants. Et cela rendait les PC et les ordinateurs portables plus coûteux, plus gros, plus lourds et plus énergivores. L’USB, donc très économique, n’a pas de transformateur permettant l’isolation galvanique. Et cela facilite l’alimentation en courant continu du périphérique. La signalisation de données USB, faute d'une meilleure expression, est "semi-différentielle". C’est-à-dire que le courant dans les lignes + et - du câble, sont appariés numériquement à environ 95% (les + et -, sont toujours légèrement erronés, de ne pas être une valeur de courant opposée parfaite), puisqu'un ensemble de transistors différent entraîne chacun net, + et -.

Le mandat d'Ethernet était et est; "fiable", "moyenne distance" de communication et à faible coût. Mais fiable et moyenne distance viennent en premier. Une distance moyenne de 100 mètres nécessite beaucoup d'isolement galvanique. Si deux périphériques (un commutateur et un PC, par exemple) étaient connectés dans deux bâtiments avec une différence de potentiel de terre de quelques volts, c'est une mauvaise chose, et un courant de masse non souhaité et indésirable circulera dans ce câble de données. Et cet écoulement au sol indésirable peut avoir toutes sortes d'effets néfastes sur la qualité des données et sur l'équipement, voire sur des personnes.

Ethernet dispose également de différents ensembles de transistors contrôlant chacun des + et des -, mais le transformateur de signaux court-circuite les + et -, de sorte que le flux final de courant + et - correspond presque parfaitement au contraire, jusqu'à presque un électron. Ainsi, la vraie signalisation différentielle est obtenue. La vraie signalisation différentielle permet de réduire davantage les niveaux de tension du signal et d'augmenter les distances parcourues, ainsi que de réduire les interférences électromagnétiques indésirables.

Plus tard est venu PoE pour Ethernet. Le mandat de PoE consistait à fournir une alimentation CC «à faible coût» aux périphériques, tels que les téléphones VoIP, les caméras et les unités d’accès de porte. Le PoE sort généralement du commutateur Ethernet commun vers plusieurs périphériques, jusqu’à 100 mètres dans des directions opposées. Ce PoE (48 à 57) VDC est une connexion "en étoile" à tous les périphériques. Cela signifie que l'alimentation multiple utilisant des périphériques "PD" partage une alimentation commune (il ne s'agit pas d'une alimentation isolée, par connecteur RJ45 au niveau du PSE). Par conséquent, c’est un "doit" que le PD doit maintenir l’isolement de l’alimentation (conformément à la norme IEEE 802.3), même sur les entrées d’alimentation PoE, par le biais d’une alimentation de convertisseur isolé DC / DC dans le PD, ou le PD est entièrement dans un boîtier non conducteur, et ses circuits ne sont jamais reliés à la terre du bâtiment ou à d’autres équipements proches (tels que des périphériques très bas de gamme). Malheureusement, IEEE 802.3 au standard PoE n’explique pas cela très clairement.

Résumé: Ethernet a des transformateurs aux deux extrémités. Si même une défaillance du transformateur se produit, l'isolation galvanique du périphérique distant PD vers le PSE du commutateur Ethernet n'est pas perdue.

PoE, abandonne l’isolation de l’alimentation en courant continu (par souci de faible coût) au niveau du commutateur Ethernet et laisse cette isolation "doit" au fabricant du périphérique PD. Personne ne vérifie vraiment ces articles manufacturés. Si l'IEEE accordait une prime de récompense aux contrevenants, la situation s'en trouverait améliorée.

Le nouveau standard PoE, IEEE, envisage des tensions et des courants encore plus élevés, pour plus de puissance PoE, devrait évoluer vers une amélioration de la qualité et de la sécurité. Celles-ci ne doivent être installées que sur des installations de niveau commercial / industriel ou de meilleure qualité: 1) isolation pleine alimentation au niveau du PSE, pour chaque connecteur. 2) rapports de test requis pour l'isolement de l'alimentation PSE & PD, classés et téléchargeables pour le public. Pour inclure le schéma de câblage du PI. 3) au coût du fabricant, maintenez un serveur, avec une liste de tous les PD conformes à la nouvelle norme. 4) envisager de créer une norme de qualité industrielle, si le coût de ces améliorations est trop élevé pour les marchés de consommation bas de gamme, tout en garantissant le niveau élevé de normes, de sécurité et de traçabilité des besoins industriels.

La spécification Ethernet demande que les périphériques soient isolés galvaniquement les uns des autres - cet article explique les implications de l'isolation de manière plus détaillée.

Puisque vous avez mentionné les sources d’alimentation et la mise à la terre, l’article de Wikipedia sur l’alimentation sur Ethernet (PoE) peut vous intéresser.

RS-232 et USB ont des signaux référencés à la masse, c’est pourquoi vous en avez besoin. (Oui, les signaux D + et D- en USB sont utilisés indépendamment l'un de l'autre avec GND comme référence lors de la découverte du périphérique). Les signaux Ethernet étant purement différentiels, aucune référence GND n'est nécessaire.

Une des raisons pour lesquelles TP Ethernet, grâce à $ DEITY !, n’utilise pas une référence de masse commune entre les stations n’a pas été mentionnée assez clairement:

Un câble Ethernet peut dépasser une centaine de mètres et peut-être même connecter deux bâtiments.

La différence de potentiel même sur un système de mise à la terre bien exécuté, si elle est mesurée en deux points distants de plusieurs dizaines de mètres, est loin d'être garantie même si elle est proche de 0 V - il peut y avoir une tension alternative ou continue basse fréquence courants de fuite, courants de défaut réels, transitoires, erreurs de câblage ...) dans le système de mise à la terre et toutes sortes d’interférences.

Les différences de potentiel alternatif vont facilement provoquer des interférences, alors qu'un fort courant à travers un blindage de câble mis à la terre pourrait en fait devenir un risque d'incendie.

Et tout cela suppose que l’équipement soit correctement mis à la terre, des choses encore pires peuvent se produire si ce n’est plus le cas.

Pas le pire exemple, mais le mauvais exemple de ce qui pourrait arriver avec des blindages mis à la terre (des deux côtés): Un PC a été accidentellement connecté à un câble IEC à deux fils (comme on l’avait déjà trouvé à l’état sauvage!) Sur un -C-à-la-prise ...) système de câblage. Ce PC développe un court-circuit de connexion interne au boîtier métallique, auquel toutes les connexions à la terre de ce PC sont connectées. L’autre extrémité de cette connexion concerne un appareil dont la mise à la terre a été correctement mise en œuvre. Le câble Ethernet utilisé est le plus léger possible, avec un matériau de blindage fin. Et il s’agit d’une pièce de 30 mètres enroulée dans une bobine puisque vous n’avez plus de câbles de 5 m. A cette longueur, ce blindage pourrait avoir la bonne résistance (environ 15 ohms serait "parfait" sur un système 240V) pour laisser passer un courant suffisamment petit pour ne pas faire exploser les fusibles ou les automates, mais suffisamment grand pour dissiper plus de 1000 watts sur le blindage du câble. Ce qui signifiera beaucoup de fumée et un risque d'inflammation peu probable.

Qu'est-ce qui vous fait penser qu'il n'a pas de connexion à la terre?

• "Terre" est par définition une référence 0V pour un circuit local.
• La terre est une terre connectée à la terraferma extérieure.

Comme vous le savez peut-être, tous les ordinateurs portables / tablettes ont une masse flottante, sauf s'ils sont connectés à un port doté d'une masse externe, telle qu'un câble VGA, à un moniteur LCD à 3 broches, en raison de l'isolation du transformateur galvanique dans le chargeur de batterie.

Ethernet n’a pas non plus de signaux dans le spectre inférieur, y compris en courant continu, en raison des méthodes de codage biphasé.

Plus important encore, pour l’intégrité du signal et la réduction des interférences électromagnétiques en sortie et en entrée, les signaux sont des lignes de transmission avec terminaison 75 Ω et équilibrés avec transformateur CM et transformateur à prise centrale 1: 1. Ceci augmente l'impédance du CM côté utilisateur pour l'isolation tout en maintenant l'impédance différentielle du côté câble vers la terre dans la partie supérieure du spectre où des signaux existent.

Voir les "connexions à la terre" ci-dessous

• via capuchon de couplage 1000pF et terminaisons 75 Ohm