Tutto sul Riferimento di Terra e la Terra del Telaio nel Design Elettronico

I concetti di tecniche di messa a terra, collegamento alla terra, realizzazione di collegamenti a terra su PCB e messa a terra del telaio del PCB sono tutti molto complicati nell'elettronica, nonostante gli standard internazionali che hanno cercato di separare concetti e terminologia. La messa a terra è importante in ogni aspetto della progettazione elettronica, del lavoro elettrico e, naturalmente, nella progettazione dei PCB. Tutti i circuiti avranno bisogno di un collegamento di riferimento, che è qualcosa che chiamiamo terra, ma il riferimento esatto è definito in modi diversi per vari sistemi.

Se non sei sicuro di come funzionano i collegamenti a terra dei PCB in diversi tipi di elettronica e come utilizzare i collegamenti a terra, non c'è una risposta semplice che si applica a ogni sistema. Diversi tipi di elettronica avranno modi diversi di definire il loro riferimento potenziale, e tutte le terre non sono sempre allo stesso potenziale, contrariamente a quanto potresti aver imparato in una classe di elettronica introduttiva. In questo articolo, adotteremo un approccio a livello di sistema per definire e integrare terre digitali, terre analogiche, terre del telaio e, infine, un collegamento alla terra. Continua a leggere per scoprire come alla fine la terra viene collegata al tuo PCB e, in ultima analisi, a ogni componente nel tuo sistema.

Che cos'è il Riferimento di Terra in un Circuito e Cosa Fa?

Ci sono diversi modi per definire il "ground" (terra), a seconda di chi lo si chieda. I fisici lo definiscono in un modo particolare (prevalentemente teorico), mentre gli elettricisti e gli ingegneri elettrici potrebbero riferirsi letteralmente al terreno sotto i nostri piedi (terra fisica). Nell'elettronica, a volte ci riferiamo al ground come se svolgesse varie funzioni in modo interscambiabile. Ecco alcune delle funzioni principali del ground nell'elettronica:

• Il ground fornisce un punto di riferimento che viene utilizzato per misurare le tensioni. Tutte le tensioni sono definite in termini di campo elettrico (e energia potenziale) tra due punti. Uno di questi punti può essere definito come "0 V", ed è proprio per questo che chiamiamo questo riferimento a 0 V un "ground". Questo è uno dei motivi per cui diciamo che un piano di ground in un PCB è un "piano di riferimento".
• Il ground può essere utilizzato per fornire un percorso per la corrente di ritorno alla fonte di alimentazione, completando così un circuito.
• Concettualmente, il ground agisce come un grande serbatoio di carica che definisce anche la direzione del flusso di corrente. Poiché consideriamo il ground come il nostro riferimento a 0 V, le tensioni sopra o sotto questo valore (positive o negative) guideranno il flusso di corrente in direzioni diverse rispetto alla posizione del ground.
• Il ground fornisce un punto in cui i campi elettrici terminano. Questa è in realtà una variazione del primo punto. Se avete mai dovuto risolvere problemi di metodo delle immagini in una classe di elettromagnetismo, dovreste ricordare che il ground è definito come una superficie equipotenziale mantenuta specificamente a 0 V. Notate che questa definizione si applica anche a qualsiasi conduttore mantenuto a una specifica tensione (ad esempio, un piano di alimentazione in un PCB).
• La caduta di tensione attraverso un conduttore di ground perfetto è 0 V. In altre parole, se misurate la tensione tra qualsiasi due punti in un riferimento di ground, dovreste sempre misurare 0 V. Questa è una riaffermazione del punto 2 sopra.

Nel design dei PCB, spesso parliamo di ground in termini dei punti 1 e 3 perché definisce come l'alimentazione viene fornita ai componenti, e come i segnali digitali/analogici sono misurati in un progetto. Gli esperti di EMI/EMC a volte parlano di ground in termini del punto 4 poiché ciò descrive sostanzialmente la funzione dei materiali di schermatura. Tutti accettano il punto 5 come un dogma, sebbene il punto 5 non si verifichi nella realtà.

Ora che abbiamo coperto questi punti, ci sono alcune cose da realizzare riguardo al grounding e ai vari tipi di ground nell'elettronica.

Tutti i Ground Sono Imperfetti

Sebbene tutte le regioni di terra siano destinate ad avere le caratteristiche sopra menzionate, la vera natura dei conduttori significa che funzionano diversamente quando utilizzati come riferimento di terra. Inoltre, la geometria di una regione di terra determina come interagisce con i campi elettrici e magnetici, il che poi influenza come la corrente si muove dentro e all'interno di una regione di terra. Questo è il motivo per cui segnali diversi avranno un particolare percorso di ritorno che dipende dal loro contenuto di frequenza. Inoltre, tutte le terre hanno una resistenza non nulla, che porta al punto successivo riguardante le terre reali.

Non Tutte le Terre Sono a 0 V

I conduttori lasciati flottanti, o conduttori in un sistema che sono riferiti a diverse fonti di alimentazione, potrebbero non avere lo stesso potenziale di 0 V. In altre parole, potresti avere due riferimenti di terra per due diversi pezzi di attrezzatura, entrambi collegati allo stesso riferimento, ma se misuri il potenziale tra di loro, misureresti una tensione non nulla.

Questo può accadere anche quando due dispositivi fanno riferimento allo stesso conduttore come connessione a terra. Se si misurasse la differenza di potenziale lungo un conduttore lungo (ad esempio, con un multimetro), potrebbe non essere zero, il che significa che una certa corrente viene trasmessa lungo il conduttore. Questa differenza di potenziale lungo un ampio terra o tra due connessioni a terra si chiama "offset di terra". Nei sistemi multiboard più grandi, o in aree come le attrezzature industriali e di rete, l'offset di terra è uno dei fattori che spingono all'uso della segnalazione differenziale (ad es., CAN bus, Ethernet, ecc.). Poiché i protocolli differenziali utilizzano la differenza di tensione tra due fili, i loro rispettivi riferimenti a terra sono irrilevanti e i segnali possono comunque essere interpretati.

Tipi di Terra nell'Elettronica

Nell'elettronica, è facile per un nuovo progettista confondersi con la varia terminologia usata per i collegamenti a terra coinvolti nella progettazione di PCB: digitale, analogico, di sistema, di segnale, di chassis e di terra. A ciò si aggiunge il fatto che i simboli per rappresentare la terra sono misti e spesso usati in modo improprio, cosa di cui sono certamente colpevole di fare puramente per comodità. Indipendentemente da ciò, esistono alcuni simboli standard di terra che vengono utilizzati in ingegneria elettrica ed elettronica, inclusi nei vostri schemi elettronici.

I diversi tipi di connessioni di terra sono indicati negli schemi utilizzando simboli definiti nelle norme IEC 60417. I simboli comunemente utilizzati nella progettazione PCB sono mostrati di seguito:

Il simbolo di terra del segnale può essere utilizzato per la terra digitale o analogica, assicurati solo di applicare il nome della rete corretto (a volte uso AGND per la terra analogica e DGND per la terra digitale). La terra del telaio PCB è talvolta collegata alla terra effettiva, a seconda di come è costruito il sistema e di come riceve alimentazione. Infine, la terra di sicurezza può talvolta essere collegata direttamente alla terra tramite un filo neutro, o al telaio, o possibilmente alla terra tramite una connessione al telaio a bassa induttanza.

Terra Effettiva

Il termine "terra" in elettronica, o semplicemente "terra", si riferisce a una connessione letterale con la terra. In altre parole, il potenziale della terra viene utilizzato come nostro riferimento di terra a 0 V. Se avete mai osservato un palo della luce che trasporta linee elettriche, a volte si può vedere un filo che scende lungo il lato del palo e si infila nel terreno. Questa è una connessione a terra che è imperfetta poiché la resistenza nel suolo lungo il cavo può essere alta. Tuttavia, l'utilizzo della terra fornisce il grande serbatoio di carica che è caratteristico di una connessione di terra desiderabile. Questa connessione non è intesa per trasportare corrente quando i carichi prelevano potenza, trasporta corrente solo quando dissipa correnti spurie (ad esempio, rumore o eventi ESD).

Connessioni di Terra del Chassis PCB

Un punto importante da notare nell'elettronica è che non tutti i sistemi avranno una connessione a terra del telaio. Normalmente, questo termine si riferisce a un telaio metallico che si trova in un involucro, e viene realizzata una connessione al telaio. Nei sistemi AC a 3 fili (fili caldo, neutro e terra) o nei sistemi DC a 3 fili (DC+, DC comune e fili di terra) il collegamento a terra del telaio è normalmente connesso alla terra fisica nel punto in cui l'alimentazione entra nella spina del sistema. Una parte del sistema può anche essere connessa alla terra del telaio del PCB per dissipare il rumore o per motivi di sicurezza (ad esempio, protezione ESD), come nell'esempio mostrato di seguito. Questo arrangiamento fornisce una filtrazione del rumore in modo comune per un ingresso AC o DC su una connessione a 3 fili.

Questo tipo di connessione a terra fornisce tre funzioni:

1. Poiché il telaio è ora impostato su un potenziale di riferimento di terra globale a 0 V, il telaio agisce come una gabbia di Faraday e fornisce una schermatura a banda larga.
2. Fornisce una funzione di sicurezza che dissipa le correnti spurie (ESD, cortocircuiti o rumori) verso la terra. Questo è uno dei motivi per cui talvolta chiamiamo la terra del telaio "terra di sicurezza".
3. Può fornire un pozzo a bassa impedenza per il rumore in modo comune su questo filtro EMI di ingresso senza dover posizionare una ferrite o un'induttanza di grandi dimensioni sulla scheda.

In un sistema alimentato a batteria, o in un sistema con una semplice connessione di alimentazione DC a 2 fili, il piano di massa della PCB può essere collegato al telaio tramite fori di montaggio. L'idea qui è di assicurarsi che non ci sia un conduttore fluttuante poiché un conduttore non collegato a terra può agire come un radiatore a causa del accoppiamento capacitivo della corrente nel telaio. Un telaio non collegato a terra o altri conduttori fluttuanti nella scheda possono essere fonti di EMI irradiata che possono essere facilmente eliminate collegandoli a una massa.

Terra Analogica e Digitale

Le masse analogiche e digitali sono questioni diverse rispetto ai collegamenti a terra del telaio e della terra. Tipicamente sulla PCB, si può avere un collegamento a terra del telaio come descritto sopra e il collegamento alla terra per sicurezza. Nel frattempo, dovresti avere un piano di massa sulla PCB che supporta entrambi i percorsi di ritorno analogici e digitali; non dovresti avere reti di massa fisicamente separate. Queste masse fisicamente separate possono creare forti emissioni irradiate quando sovrapposte nello stackup, in particolare alle frequenze di guida d'onda a piastre parallele. Invece, fai tutto su un unico riferimento di massa nella tua PCB

Per saperne di più su questi punti riguardanti la terra analogica e digitale, leggi questo articolo sulla messa a terra a stella poiché spiega le principali ragioni per cui non dovresti usare piani di massa fisicamente separati.

Dovresti collegare la massa del segnale alla terra?

Non è molto frequente che si faccia ciò direttamente. Questo potrebbe essere appropriato nel caso di batterie/PSU in corrente continua ad alta tensione o sistemi simili che vengono testati. Generalmente, la massa del telaio potrebbe connettersi alla terra, che poi si collega a un circuito che fa riferimento a un piano di massa del PCB sul lato di ingresso (ad esempio, il filtro EMI di ingresso prima di un raddrizzatore). In un sistema AC non isolato a 3 fili, o in un sistema AC a 3 fili che viene raddrizzato in DC, se colleghi la massa di riferimento del segnale in un circuito alla terra, stai semplicemente cortocircuitando il filo negativo sulla linea AC o DC. Non farlo perché ora il telaio può diventare un grande conduttore di corrente! Ora c'è un rischio di scossa (in sistemi ad alta tensione/corrente) o di EMI intensa (in sistemi ad alta frequenza). Quando ciò avviene, la corrente si muoverà verso il collegamento a terra finché questo non sarà il percorso di minore reattanza verso il terreno, e quel percorso potrebbe essere attraverso qualcuno che tocca il dispositivo mentre trasporta alta corrente.

In un sistema a 2 fili (senza collegamento a terra), ci sono diverse linee guida su come o se collegare il segnale di terra al telaio. Alcune linee guida affermano che è accettabile un collegamento multipunto, altre suggeriscono di usare un punto singolo vicino all'I/O, e altre ancora di usare un punto singolo vicino al connettore di alimentazione per sicurezza. Se il rumore RF è un problema in tutto il sistema, puoi collegarti al telaio in più punti per dissipare il rumore, ma probabilmente hai un problema più grande nel tuo layout perché non hai costruito correttamente lo stackup, e il dispositivo sta semplicemente ricevendo troppa energia radio. Concentrati su costruire correttamente lo stackup e potresti non aver bisogno di cucire collegamenti dei fori di montaggio su tutta la scheda, ne avrai bisogno solo in alcuni punti. In questo caso, non dovresti effettuare un collegamento di ritorno alla terra.

Riassunto sulle Tecniche di Messa a Terra delle PCB

Con un PCB che rappresenta il contenitore dei tuoi componenti elettronici, è importante eseguire correttamente la messa a terra del telaio. Come abbiamo discusso sopra, la tua strategia di messa a terra del telaio è rilevante per la sicurezza, l'EMI/EMC e la progettazione dei sistemi, quindi è importante farlo nel modo giusto. Sebbene la presenza di molteplici masse nel tuo progetto possa sembrare confusa, i migliori strumenti di editor schematico e software di layout PCB ti aiuteranno a tenere traccia delle reti di terra durante la progettazione mentre crei il tuo layout fisico.

I migliori strumenti di progettazione PCB in Altium Designer ti offrono tutto ciò che è necessario per implementare la messa a terra del telaio nella progettazione elettronica e nel tuo layout PCB. Quando sei pronto per inviare il tuo progetto in produzione, puoi facilmente rilasciare i dati di progettazione al tuo produttore con la piattaforma Altium 365. Altium 365 e Altium Designer ti offrono tutto ciò di cui hai bisogno per superare una revisione del progetto, comunicare i requisiti di test e comunicare le modifiche al design.