¿Qué es la tierra en estrella y para qué se usaría?)

Si exploras un poco en internet, encontrarás unas cuantas recomendaciones interesantes de aterramiento y, a veces, algunos términos que se usan de forma ligera y se aplican a las PCB sin comprender realmente el contexto adecuado o el comportamiento eléctrico real. Las recomendaciones para DC se aplican en AC, las de baja corriente se aplican para alta corriente y viceversa... y la lista no para. Una de las técnicas de aterramiento más comunes que se recomiendan, incluso en populares blogs de ingeniería del sector, es el uso de tierras en estrella para PCB.

El término no es exclusivo para el diseño de PCB, y se utiliza en una variedad de contextos que no tienen que ver directamente con la definición de una tierra en la PCB. Es un término de análisis de sistemas, y parece que el término se les ha aplicado a las PCB sin prestar realmente atención a los aspectos prácticos del hacer conexiones a tierra en una placa de circuitos real. Existen algunas disposiciones en las que se puede imitar una tierra en estrella, pero esto termina por ser un ejercicio poco práctico cuando se piensa un poco en ello. La manera adecuada de diseñar la placa es usar planos de tierra, excepto en algunos casos en los que se tiene muy poco o ningún control sobre las rutas de retorno o en dónde hace falta tener aislamiento.

Si bien la implementación de la tierra en estrella en una PCB es difícil y no siempre es necesaria, es algo que sí se hace, de algún modo, en los tendidos eléctricos industriales, comerciales o residenciales. En un sistema de múltiples placas, posiblemente en uno que precise de aislamiento o de conexiones largas mediante cables, también puedes implementar algunos diseños interesantes que siguen la filosofía de la tierra en estrella para PCB, solo que a una escala mayor. Profundicemos un poco en esta idea de la tierra en estrella: veremos una instancia en la que este método de aterramiento se puede aplicar a PCB bajo ciertas condiciones.

¿Qué es una tierra en estrella?

Las tierras en estrella se utilizan normalmente para conectar múltiples módulos, instrumentos o algunos otros equipos a un único punto de tierra, de manera que todos tengan el mismo potencial. Los enchufes conectados en cadena margarita (daisy chain) que se usan en los tendidos eléctricos de las viviendas están colocados en una configuración de estrella, en la que la tierra es el punto de referencia de seguridad. La misma idea se suele aplicar a múltiples módulos o instrumentos que están conectados al mismo circuito de potencia, similar a lo que ocurre con los tendidos eléctricos residenciales (que no están en cadena margarita).

Cuando este término se aplica a las PCB, fomenta el uso de una estrategia de aterramiento que es perjudicial para el trazado de pistas (especialmente para el trazado de impedancia controlada),para el EMI y frecuentemente también es malo para la distribución de energía. El único caso en que se puede crear un sistema de señal mixta libre de EMI es mediante la implementación de una tierra en estrella en una PCB, pero esto termina por convertirse en un caso trivial que no aporta beneficios al diseñador. También hay una base con un ejemplo práctico de diseño para múltiples placas que implica el uso de tierras en estrella, pero esto tiene la misma topología que la disposición anterior. Otros casos, como DC o baja corriente, o audio analógico de baja frecuencia podrían ser adecuados para tierra en estrella en una PCB, pero depende de qué otras funciones estén incluidas en el sistema.

Claramente, la tierra en estrella no es para todo el mundo o para todos los diseños que existen, pero veo que se sigue recomendando como una panacea para todos los problemas de EMI, incluyendo en sistemas de señal mixta. Entonces, ¿por qué se sigue recomendando para PCBs, incluso considerando que no estaba pensada para su uso en una PCB?

¿Por qué querría alguien recomendar la tierra en estrella en una PCB?

Existen dos motivos por los que se continúan recomendando las tierras en estrella para PCB. Estos son: brindar aislamiento entre analógicas de alta frecuencia y digitales, y evitar los bucles de tierra. Examinemos un poco ambos puntos.

No necesitas una tierra en estrella para tu aislamiento

Esta recomendación data de una antigua directriz de diseño bastante mala: que se deben colocar divisiones o separaciones entre planos para evitar la interferencia digital y de alta frecuencia. Esta directriz es mala para el trazado de pistas y mala para la EMI, y particularmente te lleva a elecciones raras de disposición, que no siempre tienen sentido.

La idea de la tierra en estrella es colocar un obstáculo de alta impedancia en la ruta de retorno de un tipo de señal (DC, AC de baja frecuencia) y otro tipo de señal (alta velocidad, alta frecuencia, etc.) o entre dos tipos de circuitos que se deseen aislar en sus propios polígonos de tierra. Puedo ver tres casos en los que esto podría tener sentido:

1. Los bloques de circuitos están totalmente aislados y solamente comparten una conexión única a tierra en la alimentación; no hay pistas entre las secciones o interfaces que sirvan de puente entre estas (no hay convertidores A/D o D/A, etc.).
2. Estás usando señales DC o de muy baja velocidad (como circuitos RC de carga/descarga lenta), especialmente cuando es muy importante el garantizar unos valores elevados de SNR (por ejemplo, para la medición de precisión).
3. Debes separar las señales analógicas de bajo nivel y baja frecuencia (en el rango de los kHz o menores) de una sección digital de alta o baja frecuencia.

Fuera de estos casos específicos, en general no se justifica el uso de tierras en estrella en una PCB debido a potenciales problemas de EMI y diafonía. Esencialmente, cualquier señal que se enrute a través de la brecha entre las dos secciones encontrará un bucle de muy alta inductancia que definirá su ruta de retorno.

Si estás trabajando con MHz o altas frecuencias y estás usando señales digitales estandarizadas que deben ser enrutadas a través de una interfaz cerca de la sección analógica, no necesitarás una tierra en estrella si dispones tu placa con inteligencia. El aislamiento de rutas de retorno no será problema; las rutas de retorno se acoplan capacitivamente de manera natural cerca de las pistas, en vez de dispersarse en el plano de tierra. Seccionar adecuadamente tanto los componentes como los circuitos analógicos y digitales en diferentes regiones sobre un plano de tierra continuo es la mejor opción.

Acerca del caso #2 antes mencionado, esto funciona bien siempre y cuando la interconexión y la placa estén completamente apantalladas, pero no es buena idea si hace falta hacer mediciones que tengan gran inmunidad ante el ruido. En este caso, el apantallamiento a nivel de la placa y a nivel de la carcasa podrían ser la respuesta, porque permiten alcanzar un alto nivel de efectividad de apantallamiento.

Las tierras en estrella en una PCB no sirven para los bucles de tierra

El otro motivo por el que la tierra en estrella se recomienda en una PCB es para eliminar los bucles de tierra, o más bien para evitar que se produzcan en absoluto. Si tu diseño tiene un problema con los bucles de tierra, entonces seguramente existe otro problema en el diseño que no se puede resolver con una tierra en estrella. Esta es otra área en la que el diseño de PCB ha adoptado términos de otras áreas en la electrónica y las ha usado de maneras imprevistas:

1. Los diseñadores de PCB a veces se refieren al bucle de tierra como un bucle literal que lleva una corriente de retorno. Esto puede ocurrir mediante (a) pistas de GND que dibujan un gran círculo o, (b) en aterramientos de múltiples puntos mediante orificios de montaje de PCB en una carcasa. Cuando la hay.
2. Los ingenieros de sistemas de potencia usan esto para describir flujos de corriente imprevistos en sistemas con aterramiento, que podrían estar separados por grandes distancias (no en la misma PCB). Con frecuencia se hace referencia a esto en los postes de luz que están, literalmente, conectados a la tierra. Debido a que la resistencia de estas conexiones a tierra es diferente de cero, no debería resultar sorprendente que surjan diferencias en el potencial de tierra entre equipos conectados a diferentes puntos de tierra.

Los bucles de tierra, tal como se describen en el #2, pueden ocurrir en una PCB tal como se muestra en el #1 (b) en donde dos conexiones entre una red de tierra dada y la carcasa, o cuando el GND y dos capas diferentes están conectadas con conexiones de alta impedancia, y existe un potencial diferente de cero entre estos elementos.

En la PCB se tiene una situación análoga, solo que a menor escala, que puede ocurrir ya sea solo en la sección digital, solo en la sección analógica, en ambas o entre ambas (esto último en caso de que haya una carcasa). Un ejemplo que ocurre solamente en la sección digital de nuestra hipotética PCB con tierra en estrella se muestra a continuación.

Este problema en equipos separados entre sí es una de las principales motivaciones para usar la transmisión diferencial de señales en cables largos, en vez de usar grupos de señales de salida simple en largos cables apantallados. Los cables apantallados funcionan bien en distancias cortas que no experimentan grandes diferencias de tierra. ¡Sin embargo, cuando los blindajes estén conectados a tierra en ambos extremos y exista un desfase respecto a tierra, tu cable apantallado ahora lleva una corriente en un bucle de tierra! Esto es un problema de seguridad, puesto que cualquiera que toque el apantallamiento o la conexión al chasis en ambos lados podría crear una ruta a tierra y recibir una descarga, o el cable podría quemarse.

En la PCB, prácticamente no tendremos estos problemas, a no ser que se tenga una alta impedancia en las conexiones a tierra que creen algún potencial de desfase en el plano de tierra. Un sitio en el que esto podría ocurrir es en la carcasa, en donde se usa aterramiento de múltiples puntos en la situación equivocada (por ejemplo, con alto nivel de corriente DC en vez de para RF). Solo se convierte en un problema de seguridad cuando:

• Todas las conexiones de múltiples puntos a tierra en una única región de tierra tienen un alto nivel de impedancia al retorno de tierra del sistema.
• El sistema opera a un alto nivel de corriente
• El usuario interactúa y puede tocar el conductor que lleva el bucle de tierra

Ten presente que ni siquiera hemos hablado de la posibilidad de tener diferentes regiones de tierra: todo queda dentro de la misma región de tierra (plano único). El punto es este: puedes tener tierras en estrella y bucles de tierra, pero si tienes bucles de tierra que están causándote problemas con la integridad de tu señal, entonces seguramente haya una serie de problemas que simplemente no se pueden resolver con una tierra en estrella. Para la mayoría de las PCB, el principal problema con los bucles de tierra será un poco de ruido de banda ancha que podría interferir con señales analógicas de bajo nivel (típicamente provenientes de sensores), y que llevan a un alto nivel de SNR en cualquier señal de muestra, además de a datos imprecisos.

Adopta un enfoque de tierra

Las PCB bien diseñadas tienen circuitos de tierra que se basan en un enfoque preciso para suministrar una ruta de retorno de baja impedancia para la corriente. Para contrarrestar el ruido, un diseño puede basarse en un plano de tierra como ruta de retorno para la corriente. No coloques ninguna separación entre la región de tierra analógica y la región digital para lograr el aislamiento. La única excepción a esto es con audiofrecuencias, en las que necesitarás separar la alimentación DC de todo lo demás, y si solamente estás trabajando en DC en todos los puntos de la placa. Estoy seguro de que existen otras excepciones de baja frecuencia.

Para la mayoría de los diseños con una sección digital, debes enfocarte en disponer correctamente la placa en un plano de tierra, en vez de dividir las regiones de tierra y crear un arreglo de tierra en estrella con un mal enrutamiento. En este artículo podrás ver más información acerca de los diversos casos posibles para las tierras y los problemas con la tierra en estrella. Como verás, el caso principal en el diseño de PCB en donde la tierra en estrella es aceptable es totalmente trivial; implementarlo no te reportará ningún beneficio y podrías fácilmente poner cada sección del diseño en su propia placa. Si haces una buena disposición en tu placa, podrás reducir la EMI irradiada mediante un buen trazado de pistas.

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