Alles über Bezugserde und Chassis-Erde im Elektronikdesign

Die Konzepte der Erdungstechniken, Erdung, Herstellung von PCB-Erdverbindungen und PCB-Chassis-Erdung sind in der Elektronik trotz internationaler Standards, die versucht haben, Konzepte und Terminologie zu trennen, alle sehr verworren. Erdung ist in jedem Aspekt des Elektronikdesigns, der Elektroarbeit und natürlich im PCB-Design wichtig. Alle Schaltkreise benötigen eine Referenzverbindung, die wir als Erde bezeichnen, aber die genaue Referenz wird für verschiedene Systeme unterschiedlich definiert.

Wenn Sie unsicher sind, wie PCB-Erden in verschiedenen Arten von Elektronik funktionieren und wie man Erdverbindungen nutzt, gibt es keine einfache Antwort, die auf jedes System zutrifft. Verschiedene Arten von Elektronik werden ihre potenzielle Referenz unterschiedlich definieren, und alle Erden sind nicht immer auf demselben Potential, entgegen dem, was Sie vielleicht in einer Einführungsklasse zur Elektronik gelernt haben. In diesem Artikel werden wir einen systemorientierten Ansatz zur Definition und Integration von digitalen Erden, analogen Erden, Chassis-Erden und letztendlich einer Erdverbindung verfolgen. Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wie die Erde letztendlich mit Ihrer PCB verbunden wird und letztlich zu jedem Bauteil in Ihrem System.

Was ist eine Erdreferenz in einem Schaltkreis und was macht sie?

Es gibt einige Möglichkeiten, den Begriff "Erde" zu definieren, je nachdem, wen man fragt. Physiker definieren ihn auf eine bestimmte Weise (meist theoretisch), während Elektriker und Elektroingenieure damit buchstäblich den Boden unter Ihren Füßen meinen (Erdung). In der Elektronik beziehen wir uns manchmal auf die Erde, da sie verschiedene Funktionen austauschbar ausführt. Hier sind einige der primären Funktionen von Erde in der Elektronik:

• Erde bietet einen Referenzpunkt, der zur Messung von Spannungen verwendet wird. Alle Spannungen werden in Bezug auf das elektrische Feld (und die potenzielle Energie) zwischen zwei Punkten definiert. Einer dieser Punkte kann als "0 V" definiert werden, und es ist so, dass wir diesen 0 V-Referenzpunkt "Erde" nennen. Das ist einer der Gründe, warum wir sagen, dass eine Erdungsebene in einer PCB eine "Referenzebene" ist.
• Erde kann verwendet werden, um einen Pfad für den Rückstrom zur Stromquelle zu bieten und somit einen Stromkreis zu schließen.
• Konzeptionell wirkt die Erde wie ein großes Reservoir an Ladung, das auch die Richtung des Stromflusses definiert. Da wir die Erde als unseren 0 V-Referenzpunkt nehmen, werden Spannungen über oder unter diesem Wert (positiv oder negativ) den Stromfluss in unterschiedlichen Richtungen in Bezug auf die Lage der Erde antreiben.
• Masse bietet einen Punkt, an dem elektrische Felder enden. Dies ist wirklich eine Variation des ersten Punktes. Wenn Sie jemals Probleme mit der Methode der Spiegelbilder in einer Elektromagnetik-Vorlesung lösen mussten, sollten Sie sich daran erinnern, dass die Masse als eine Äquipotentialfläche definiert wird, die speziell auf 0 V gehalten wird. Beachten Sie, dass diese Definition auch für jeden Leiter gilt, der auf eine spezifische Spannung gehalten wird (z.B. eine Stromebene in einer PCB).
• Der Spannungsabfall über einen perfekten Masseleiter beträgt 0 V. Mit anderen Worten, wenn Sie die Spannung zwischen zwei beliebigen Punkten in einem Massebezug messen, sollten Sie immer 0 V messen. Dies ist eine Wiederholung des Punktes 2 oben.

Im PCB-Design sprechen wir oft über Masse in Bezug auf die Punkte 1 und 3, da dies definiert, wie Strom zu Komponenten geliefert wird und wie digitale/analoge Signale in einem Design gemessen werden. EMI/EMC-Leute werden manchmal in Bezug auf Punkt 4 über Masse sprechen, da dies im Grunde die Funktion von Abschirmmaterialien beschreibt. Jeder akzeptiert Punkt 5 als Evangelium, obwohl Punkt 5 in der Realität nicht eintritt.

Jetzt, da wir diese Punkte abgedeckt haben, gibt es einige Dinge über Erdung und verschiedene Arten von Erden in der Elektronik zu realisieren.

Alle Erden sind unvollkommen

Obwohl alle Erdungsregionen dazu bestimmt sind, die oben genannten Eigenschaften zu haben, funktionieren Leiter in der Realität anders, wenn sie als Erdungsreferenz verwendet werden. Darüber hinaus bestimmt die Geometrie einer Erdungsregion, wie sie mit elektrischen und magnetischen Feldern interagiert, was wiederum beeinflusst, wie Strom in eine Erdungsregion eintritt und sich innerhalb dieser bewegt. Deshalb haben verschiedene Signale einen bestimmten Rückweg, der von ihrem Frequenzinhalt abhängt. Außerdem haben alle Erdungen einen nicht-null Widerstand, was zum nächsten Punkt über reale Erdungen führt.

Nicht alle Erdungen liegen bei 0 V

Leiter, die frei schweben, oder Leiter in einem System, die auf unterschiedliche Stromquellen bezogen sind, haben möglicherweise nicht dasselbe 0 V-Potenzial. Mit anderen Worten, Sie könnten zwei Erdungsreferenzen für zwei verschiedene Geräte haben, beide an dieselbe Referenz angeschlossen, aber wenn Sie das Potenzial zwischen ihnen messen, würden Sie eine Nicht-Null-Spannung messen.

Dies kann sogar passieren, wenn zwei Geräte denselben Leiter als Erdungsverbindung verwenden. Wenn Sie die Potenzialdifferenz entlang eines langen Leiters messen würden (z.B. mit einem Multimeter), könnte diese ungleich Null sein, was bedeutet, dass ein Strom entlang des Leiters getrieben wird. Diese Differenz im Potenzial entlang eines großen Erdungsleiters oder zwischen zwei Erdungsverbindungen wird als "Erdungsdifferenz" bezeichnet. In größeren Mehrplatinensystemen oder in Bereichen wie Industrie- und Netzwerkgeräten ist die Erdungsdifferenz einer der Gründe für die Verwendung von differentieller Signalübertragung (z.B. CAN-Bus, Ethernet usw.). Da differentielle Protokolle die Spannungsdifferenz über zwei Drähte nutzen, sind ihre jeweiligen Erdungsreferenzen irrelevant, und Signale können dennoch interpretiert werden.

Arten von Erdungen in der Elektronik

In der Elektronik kann es für einen neuen Designer leicht sein, sich von der verschiedenen Terminologie für Erdungen, die im PCB-Design verwendet werden, verwirren zu lassen: digital, analog, System, Signal, Gehäuse und Erde. Hinzu kommt, dass Symbole zur Darstellung von Erdungen gemischt und oft falsch verwendet werden, etwas, wofür ich sicherlich aus Bequemlichkeit schuldig bin. Ungeachtet dessen gibt es einige standardisierte Erdungssymbole, die in der Elektro- und Elektroniktechnik verwendet werden, einschließlich in Ihren Elektronikschaltplänen.

Verschiedene Arten von Erdungsverbindungen werden in Schaltplänen mit Symbolen dargestellt, die in den IEC 60417-Normen definiert sind. Die üblicherweise in PCB-Designs verwendeten Symbole sind unten aufgeführt:

Das Symbol für Signalmasse kann sowohl für digitale als auch für analoge Masse verwendet werden, achten Sie nur darauf, den richtigen Netznamen zu verwenden (ich benutze manchmal AGND für analoge Masse und DGND für digitale Masse). Die PCB-Chassismasse wird manchmal zurück zur Erdmasse geführt, abhängig davon, wie das System aufgebaut ist und wie es mit Strom versorgt wird. Schließlich kann die Sicherheitsmasse manchmal direkt über einen Neutralleiter mit der Erde verbunden werden, oder mit dem Chassis, oder möglicherweise mit der Erde über eine niederinduktive Chassisverbindung.

Erdmasse

Der Begriff "Erdung" oder einfach "Erde" in der Elektronik bezieht sich auf eine wörtliche Verbindung zur Erde. Mit anderen Worten, das Potential der Erde wird als unser 0 V Erdungsreferenz verwendet. Wenn Sie jemals einen Versorgungsmast betrachtet haben, der Stromleitungen trägt, können Sie manchmal ein Kabel sehen, das an der Seite des Mastes herunterläuft und in die Erde geht. Dies ist eine Erdungsverbindung, die unvollkommen ist, da der Widerstand im Boden entlang des Kabels hoch sein kann. Die Verwendung der Erde bietet jedoch das große Ladungsreservoir, das für eine wünschenswerte Erdungsverbindung charakteristisch ist. Diese Verbindung ist nicht dafür vorgesehen, Strom zu führen, wenn Lasten Strom ziehen, sie führt nur Strom, wenn sie sporadische Ströme ableitet (z.B. Störungen oder ESD-Ereignisse).

PCB-Chassis-Erdungsverbindungen

Ein wichtiger Punkt, den man in der Elektronik beachten sollte, ist, dass nicht alle Systeme eine Chassis-Erdung haben. Normalerweise bezieht sich dieser Begriff auf ein Metallgehäuse, das sich in einem Gehäuse befindet, und eine Verbindung zum Chassis hergestellt wird. In 3-Draht-Wechselstromsystemen (Phase, Neutralleiter und Erdung) oder in 3-Draht-Gleichstromsystemen (DC+, DC-Masse und Erdung) ist die Chassis-Erdung normalerweise mit der Erde am Punkt verbunden, an dem der Strom in das System eintritt. Ein Teil des Systems kann auch mit der PCB-Chassis-Erdung verbunden werden, um Störungen abzuleiten oder aus Sicherheitsgründen (z.B. ESD-Schutz), wie im unten gezeigten Beispiel. Diese Anordnung bietet eine gemeinsame Modus-Rauschfilterung für einen Wechselstrom- oder Gleichstromeingang bei einer 3-Draht-Verbindung.

Diese Art der Erdungsverbindung bietet drei Funktionen:

1. Da das Chassis nun auf ein globales 0 V Erdungspotenzial gesetzt ist, wirkt das Chassis nun als Faraday-Käfig und bietet breitbandige Abschirmung.
2. Es bietet eine Sicherheitsfunktion, die streunende Ströme (ESD, Kurzschlüsse oder Geräusche) zur Erde ableitet. Das ist ein Grund, warum wir die Chassis-Erdung manchmal als "Sicherheitserde" bezeichnen.
3. Es kann eine niederohmige Senke für gemeinsame Modusstörungen auf diesem Eingangs-EMI-Filter bereitstellen, ohne eine Ferritperle oder eine große Drossel auf der Platine platzieren zu müssen.

In einem batteriebetriebenen System oder in einem System mit einer einfachen 2-Draht-Gleichstromversorgung kann die PCB-Massefläche über Montagelöcher mit dem Gehäuse verbunden werden. Die Idee hier ist sicherzustellen, dass es keinen schwebenden Leiter gibt, da ein ungeerdeter Leiter als Strahler fungieren kann aufgrund der kapazitiven Kopplung des Stroms in das Gehäuse. Ein ungeerdetes Gehäuse oder andere schwebende Leiter auf der Platine können Quellen von abgestrahlten EMI sein, die leicht durch Verbindung mit einer Masse eliminiert werden können.

Analoge und digitale Masse

Analoge und digitale Massen sind zwei verschiedene Themen von Erd- und Gehäusemassenverbindungen. Typischerweise können Sie auf der PCB eine Gehäusemassenverbindung haben, wie oben beschrieben, und die Verbindung zur Erdmasse aus Sicherheitsgründen. In der Zwischenzeit sollten Sie eine Massefläche auf der PCB haben, die sowohl analoge als auch digitale Rückwege unterstützt; Sie sollten keine physisch getrennten Masse-Netze haben. Diese physisch getrennten Massen können starke abgestrahlte Emissionen erzeugen, wenn sie im Stackup überlappt sind, insbesondere bei Frequenzen von parallelen Plattenwellenleitern. Stattdessen machen Sie alles über eine einzige Masse-Referenz in Ihrer PCB

Um mehr über diese Punkte bezüglich analogem und digitalem Massepotenzial zu erfahren, lesen Sie diesen Artikel über Stern-Masseverbindungen, da er die wichtigsten Gründe erklärt, warum Sie physisch getrennte Masseebenen nicht verwenden sollten.

Sollten Sie das Signal-Massepotenzial mit der Erde verbinden?

Es kommt nicht sehr oft vor, dass Sie dies direkt tun werden. Dies könnte im Fall von Hochspannungs-DC-Batterien/Netzteilen oder ähnlichen Systemen, die getestet werden, angemessen sein. Allgemein könnte das Chassis mit der Erde verbunden sein, die dann mit einem Schaltkreis verbunden ist, der auf der Eingangsseite eine PCB-Masseebene referenziert (z.B. der Eingangs-EMI-Filter vor einem Gleichrichter). In einem nicht-isolierten 3-Draht-AC-System oder in einem 3-Draht-AC-System, das zu DC gleichgerichtet wird, wenn Sie den Signalreferenzgrund in einem Schaltkreis mit der Erde verbinden, kurzschließen Sie einfach den negativen Draht in der AC- oder DC-Leitung. Tun Sie dies nicht, denn jetzt kann das Chassis ein großer stromführender Leiter sein! Es besteht nun ein Risiko eines Schocks (in Hochspannungs-/Stromsystemen) oder intensiver EMI (in Hochfrequenzsystemen). Wenn dies getan wird, wird der Strom zurück zur Erdverbindung fließen, solange dies der Weg des geringsten Widerstands zurück zur Erde ist, und dieser Weg könnte durch jemanden führen, der das Gerät berührt, während es hohen Strom führt.

In einem 2-Draht-System (ohne Erdungsverbindung) gibt es unterschiedliche Richtlinien, wie oder ob der Signalgrund zurück an das Gehäuse angeschlossen werden soll. Einige Richtlinien besagen, dass eine Mehrpunkterdung in Ordnung ist, andere empfehlen die Verwendung eines einzelnen Punktes in der Nähe der I/O, und wieder andere raten dazu, einen einzelnen Punkt in der Nähe des Stromanschlusses aus Sicherheitsgründen zu verwenden. Wenn RF-Störungen im gesamten System ein Problem darstellen, können Sie mehrere Verbindungen zum Gehäuse herstellen, um Störungen zu dissipieren, aber wahrscheinlich haben Sie ein größeres Problem mit Ihrem Layout, weil Sie den Stackup nicht korrekt aufgebaut haben, und das Gerät empfängt einfach zu viel Radioenergie. Konzentrieren Sie sich darauf, den Stackup korrekt aufzubauen, und Sie müssen vielleicht nicht überall auf der Platine Verbindungen zu Befestigungslöchern herstellen, sondern nur an einigen wenigen Punkten. In diesem Fall sollten Sie keine Verbindung zurück zur Erde herstellen.

Zusammenfassung der Erdungstechniken für PCBs

Da eine PCB das Gefäß ist, das Ihre Elektronik enthält, ist es wichtig, das Chassis-Grounding korrekt zu bekommen. Wie wir oben besprochen haben, ist Ihre Chassis-Grounding-Strategie relevant für Sicherheit, EMI/EMC und Systemdesign, daher ist es wichtig, dies richtig zu machen. Obwohl das Vorhandensein mehrerer PCB-Grounds in Ihrem Design verwirrend erscheinen mag, helfen Ihnen die besten Schaltplan-Editor-Tools und PCB-Layout-Software dabei, während des Designs die Übersicht über Ground-Netze zu behalten, während Sie Ihr physisches Layout erstellen.

Die besten PCB-Design-Tools in Altium Designer^® bieten Ihnen alles, was Sie benötigen, um das Chassis-Grounding im Elektronikdesign und in Ihrem PCB-Layout zu implementieren. Wenn Sie bereit sind, Ihr Design zur Fertigung zu senden, können Sie Ihre Design-Daten ganz einfach mit der Altium 365^™-Plattform an Ihren Hersteller freigeben. Altium 365 und Altium Designer bieten Ihnen alles, was Sie benötigen, um eine Designprüfung zu bestehen, Testanforderungen zu kommunizieren und Designänderungen zu kommunizieren.