Todo sobre la referencia a tierra y la tierra del chasis en el diseño electrónico

Los conceptos de técnicas de conexión a tierra, puesta a tierra, realización de conexiones a tierra en PCB y conexión a tierra del chasis del PCB son todos muy complicados en electrónica, a pesar de las normas internacionales que han intentado separar conceptos y terminología. La conexión a tierra es importante en cada aspecto del diseño electrónico, el trabajo eléctrico y, por supuesto, en el diseño de PCB. Todos los circuitos necesitarán una conexión de referencia, algo a lo que llamamos tierra, pero la referencia exacta se define de diferentes maneras para varios sistemas.

Si no estás seguro de cómo funcionan las tierras de PCB en diferentes tipos de electrónica y cómo usar conexiones a tierra, no hay una respuesta simple que se aplique a cada sistema. Diferentes tipos de electrónica tendrán diferentes maneras de definir su referencia potencial, y todas las tierras no siempre están al mismo potencial, contrario a lo que podrías haber aprendido en una clase introductoria de electrónica. En este artículo, adoptaremos un enfoque a nivel de sistemas para definir e integrar tierras digitales, tierras analógicas, tierras de chasis y, finalmente, una conexión a tierra física. Sigue leyendo para aprender cómo la tierra finalmente se conecta a tu PCB y, en última instancia, a cada componente en tu sistema.

¿Qué es la Referencia de Tierra en un Circuito y Qué Hace?

Existen varias formas de definir tierra, dependiendo de a quién le preguntes. Los físicos la definen de una manera particular (principalmente teórica), mientras que los electricistas e ingenieros eléctricos podrían estar refiriéndose literalmente al suelo bajo tus pies (tierra física). En electrónica, a veces nos referimos a tierra como si desempeñara varias funciones de manera intercambiable. Aquí están algunas de las funciones principales de tierra en electrónica:

• Tierra proporciona un punto de referencia que se utiliza para medir voltajes. Todos los voltajes se definen en términos del campo eléctrico (y energía potencial) entre dos puntos. Uno de estos puntos puede definirse como "0 V", y resulta que a esta referencia de 0 V la llamamos "tierra". Esta es una de las razones por las que decimos que un plano de tierra en un PCB es un "plano de referencia".
• Tierra puede usarse para proporcionar un camino para la corriente de retorno hacia la fuente de alimentación, completando así un circuito.
• Conceptualmente, tierra actúa como un gran reservorio de carga que también define la dirección del flujo de corriente. Dado que tomamos a tierra como nuestra referencia de 0 V, los voltajes por encima o por debajo de este valor (positivos o negativos) impulsarán el flujo de corriente en diferentes direcciones con respecto a la ubicación de tierra.
• La tierra proporciona un punto donde los campos eléctricos terminan. Esto es realmente una variación del primer punto. Si alguna vez tuviste que resolver problemas de método de imágenes en una clase de electromagnetismo, deberías recordar que la tierra se define como una superficie equipotencial mantenida específicamente a 0 V. Nota que esta definición también se aplica a cualquier conductor mantenido a un voltaje específico (por ejemplo, un plano de potencia en un PCB).
• La caída de voltaje a través de un conductor de tierra perfecto es de 0 V. En otras palabras, si mides el voltaje entre cualquier dos puntos en una referencia de tierra, siempre deberías medir 0 V. Esto es una reafirmación del punto 2 anterior.

En el diseño de PCB, a menudo hablamos de tierra en términos de los puntos 1 y 3 porque define cómo se suministra energía a los componentes, y cómo se miden las señales digitales/análogas en un diseño. Los especialistas en EMI/EMC a veces hablan de tierra en términos del punto 4, ya que esto básicamente describe la función de los materiales de blindaje. Todos aceptan el punto 5 como un evangelio, aunque el punto 5 no ocurre en la realidad.

Ahora que hemos cubierto estos puntos, hay algunas cosas que darse cuenta sobre la conexión a tierra y los diversos tipos de tierras en la electrónica.

Todas las Tierras Son Imperfectas

Aunque todas las regiones de tierra están destinadas a tener las características mencionadas anteriormente, la naturaleza real de los conductores significa que funcionan de manera diferente cuando se utilizan como referencia de tierra. Además, la geometría de una región de tierra determina cómo interactúa con los campos eléctricos y magnéticos, lo que luego influye en cómo se mueve la corriente hacia y dentro de una región de tierra. Es por esto que diferentes señales tendrán un camino de retorno particular que depende de su contenido de frecuencia. Además, todas las tierras tienen una resistencia no nula, lo que lleva al siguiente punto sobre las tierras reales.

No todas las tierras están a 0 V

Los conductores que se dejan flotando, o los conductores en un sistema que se refieren a diferentes fuentes de alimentación, pueden no tener el mismo potencial de 0 V. En otras palabras, podrías tener dos referencias de tierra para dos piezas diferentes de equipo, ambas conectadas a la misma referencia, pero si mides el potencial entre ellas, medirías un voltaje no nulo.

Esto puede suceder incluso cuando dos dispositivos hacen referencia al mismo conductor como una conexión a tierra. Si se midiera la diferencia de potencial a lo largo de un conductor largo (por ejemplo, con un multímetro), podría no ser cero, lo que significa que se está impulsando cierta corriente a lo largo del conductor. Esta diferencia de potencial a lo largo de una tierra grande o entre dos conexiones a tierra se llama "desplazamiento de tierra". En sistemas multitarjeta más grandes, o en áreas como equipos industriales y de redes, el desplazamiento de tierra es uno de los factores que impulsan el uso de señalización diferencial (por ejemplo, bus CAN, Ethernet, etc.). Debido a que los protocolos diferenciales utilizan la diferencia de voltaje a través de dos cables, sus respectivas referencias a tierra son irrelevantes, y las señales aún pueden interpretarse.

Tipos de Tierras en Electrónica

En electrónica, es fácil para un diseñador nuevo confundirse con la variada terminología utilizada para las tierras involucradas en el diseño de PCB: digital, analógica, del sistema, de señal, de chasis y de tierra física. A eso se suma el hecho de que los símbolos para representar la tierra son mixtos y a menudo mal utilizados, algo de lo que ciertamente soy culpable de hacer puramente por conveniencia. Sin embargo, hay algunos símbolos de tierra estándar que se utilizan en ingeniería eléctrica y electrónica, incluidos en sus esquemas electrónicos.

Los diferentes tipos de conexiones a tierra se indican en los esquemáticos utilizando símbolos definidos en las normas IEC 60417. Los símbolos comunes normalmente utilizados en el diseño de PCB se muestran a continuación:

El símbolo de tierra de señal se puede utilizar para tierra digital o analógica, solo asegúrate de aplicar el nombre de red correcto (a veces uso AGND para tierra analógica y DGND para tierra digital). La tierra del chasis del PCB a veces se conecta de vuelta a la tierra física, dependiendo de cómo esté construido el sistema y cómo reciba energía. Finalmente, la tierra de seguridad a veces se puede conectar directamente a la tierra a través de un cable neutro, o al chasis, o posiblemente a la tierra a través de una conexión de chasis de baja inductancia.

Tierra Física

El término "conexión a tierra" o simplemente "tierra" en electrónica, se refiere a una conexión literal con la tierra. En otras palabras, se utiliza el potencial de la tierra como nuestra referencia de tierra de 0 V. Si alguna vez has mirado un poste de servicios públicos que lleva líneas de energía, a veces puedes ver un cable que baja por el lado del poste y entra en la tierra. Esta es una conexión a tierra que es imperfecta ya que la resistencia en el suelo a lo largo del cable puede ser alta. Sin embargo, usar la tierra proporciona el gran reservorio de carga que es característico de una conexión a tierra deseable. Esta conexión no está destinada a llevar corriente cuando las cargas consumen energía, solo lleva corriente cuando disipa corrientes espurias (por ejemplo, ruido o eventos de ESD).

Conexiones a Tierra del Chasis del PCB

Un punto importante a tener en cuenta en electrónica es que no todos los sistemas tendrán conexión a tierra del chasis. Normalmente, este término se refiere a un chasis metálico que está en una carcasa, y se realiza una conexión al chasis. En sistemas de CA de 3 cables (cables de fase, neutro y tierra), o en sistemas de CC de 3 cables (CC+, común de CC y cables de tierra) el chasis normalmente está conectado a tierra en el punto donde la energía entra al enchufe en el sistema. Una parte del sistema también puede estar conectada a tierra del chasis de la PCB para drenar ruido o por razones de seguridad (por ejemplo, protección ESD), como el ejemplo mostrado a continuación. Esta disposición proporciona filtración de ruido de modo común para una entrada de CA o CC en una conexión de 3 cables.

Este tipo de conexión a tierra proporciona tres funciones:

1. Debido a que el chasis ahora está establecido a un potencial de referencia de tierra global de 0 V, el chasis actúa como una jaula de Faraday y proporciona blindaje de banda ancha.
2. Proporciona una función de seguridad que disipa corrientes espurias (ESD, cortocircuitos o ruidos) de vuelta a la tierra. Esta es una razón por la que a veces llamamos a la tierra del chasis "tierra de seguridad".
3. Puede proporcionar un sumidero de baja impedancia para el ruido de modo común en este filtro EMI de entrada sin colocar un ferrita o un inductor grande en la placa.

En un sistema alimentado por batería, o en un sistema con una simple conexión de alimentación de CC de 2 hilos, el plano de tierra del PCB puede conectarse de nuevo al chasis a través de los orificios de montaje. La idea aquí es asegurarse de que no haya un conductor flotante ya que un conductor no conectado a tierra puede actuar como un radiador debido al acoplamiento capacitivo de corriente en el chasis. Un chasis no conectado a tierra u otros conductores flotantes en la placa pueden ser fuentes de EMI radiada que pueden eliminarse fácilmente conectándolos a tierra.

Tierra Analógica y Digital

Las tierras analógicas y digitales son cuestiones diferentes de las conexiones a tierra del chasis y la tierra física. Típicamente en el PCB, puedes tener una conexión a tierra del chasis como se describió anteriormente y la conexión a la tierra física por seguridad. Mientras tanto, deberías tener un plano de tierra en el PCB que soporte tanto los caminos de retorno analógicos como digitales; no deberías tener redes de tierra físicamente separadas. Estas tierras separadas físicamente pueden crear emisiones radiadas fuertes cuando se superponen en el apilamiento, particularmente en frecuencias de guía de onda de placa paralela. En su lugar, haz todo sobre una única referencia de tierra en tu PCB

Para aprender más sobre estos puntos acerca de tierra analógica y digital, lee este artículo sobre conexión a tierra en estrella ya que explica las principales razones por las que no deberías usar planos de tierra físicamente separados.

¿Deberías conectar la tierra de señal a tierra?

No es muy frecuente que hagas esto directamente. Esto podría ser apropiado en el caso de baterías de CC de alto voltaje/fuentes de alimentación o sistemas similares que están siendo probados. Generalmente, la tierra del chasis podría conectarse a la tierra, que luego se conecta a un circuito que referencia un plano de tierra de PCB en el lado de entrada (por ejemplo, el filtro EMI de entrada antes de un rectificador). En un sistema de CA de 3 hilos no aislado, o en un sistema de CA de 3 hilos que se rectifica a CC, si conectas la tierra de referencia de señal en un circuito a la tierra, simplemente estás cortocircuitando el cable negativo en la línea de CA o CC. No hagas esto porque ahora el chasis puede ser un gran conductor de corriente. ¡Ahora hay un riesgo de choque (en sistemas de alto voltaje/corriente) o EMI intenso (en sistemas de alta frecuencia). Cuando esto se hace, la corriente se moverá de regreso a la conexión a tierra mientras ese sea el camino de menor reactancia de regreso a tierra, y ese camino podría ser a través de alguien que toque el dispositivo mientras este lleva alta corriente.

En un sistema de 2 cables (sin conexión a tierra física), existen diversas directrices sobre cómo o si conectar la tierra de señal de vuelta al chasis. Algunas directrices indican que la conexión a tierra multipunto está bien, otras dicen usar un punto único cerca del I/O, y otras sugieren usar un punto único cerca del conector de alimentación por seguridad. Si el ruido RF es un problema en todo el sistema, puedes conectar de vuelta al chasis en múltiples puntos para disipar el ruido, pero probablemente tengas un problema mayor en tu diseño porque no construiste el apilado de capas correctamente, y el dispositivo está recibiendo demasiada energía de radio. Concéntrate en construir el apilado de capas correctamente y quizás no necesites coser conexiones de orificios de montaje por toda la placa, solo necesitarás hacerlo en algunos puntos. No debes hacer una conexión de vuelta a tierra en este caso.

Resumen sobre Técnicas de Conexión a Tierra en PCB

Con una PCB siendo el recipiente que contiene tus electrónicos, es importante acertar con la conexión a tierra del chasis. Como discutimos anteriormente, tu estrategia de conexión a tierra del chasis es relevante para la seguridad, EMI/EMC y el diseño de sistemas, por lo que es importante hacerlo correctamente. Aunque la presencia de múltiples tierras en tu diseño pueda parecer confusa, las mejores herramientas de edición de esquemáticos y software de diseño de PCB te ayudarán a mantener un seguimiento de las redes de tierra a lo largo del diseño mientras creas tu disposición física.

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