Cos’è la Messa a Terra a Stella e Quando si Può Usare?

Cercando su Internet, è possibile trovare svariati consigli per la messa a terra. A volte però, la terminologia elettrica viene applicata alla progettazione di circuiti stampati senza il contesto appropriato o la piena comprensione del reale comportamento elettrico. Le raccomandazioni DC vengono applicate all'AC, la bassa corrente viene applicata all'alta corrente e viceversa... insomma, gli esempi sono molteplici. Una delle tecniche di messa a terra che viene più spesso proposta, anche su blog di ingegneria autorevoli, è la messa a terra a stella per i circuiti stampati.

Il termine non è esclusivo della progettazione PCB, e viene utilizzato in una varietà di contesti che non hanno direttamente a che fare con la messa a terra dei circuiti stampati. Il termine proviene dall'analisi dei sistemi, e sembra che sia stato applicato ai PCB senza prestare particolare attenzione agli aspetti pratici della realizzazione di collegamenti a terra in un vero circuito stampato. Esistono alcuni layout su cui è possibile riprodurre una messa a terra a stella, ma questo è spesso un esercizio impraticabile. Il modo corretto per progettare la scheda è quello di utilizzare i piani di massa, tranne rare eccezioni: quando si ha poco o nessun controllo sui percorsi di ritorno o quando è necessario ottimizzare l'isolamento.

Sebbene l'implementazione della messa a terra a stella in un PCB sia difficile e non sempre necessaria, è una tecnica che viene utilizzata anche nel cablaggio domestico, commerciale o industriale. In un sistema multischeda, magari uno che richiede isolamento o lunghi collegamenti via cavo, è possibile implementare alcune tecniche interessanti ispirate ai principi della messa a terra a stella per PCB, solo su scala leggermente più ampia. Diamo quindi un'occhiata alla messa a terra a stella per i circuiti stampati. In quest'articolo esamineremo un esempio di come questo metodo di messa a terra possa essere applicato ai circuiti stampati, in determinate condizioni.

Cos'è la Messa a Terra a Stella?

La messa a terra a stella viene normalmente utilizzata per collegare più moduli, strumenti o altre apparecchiature a un singolo punto di terra, in modo che abbiano tutti lo stesso potenziale. Le spine concatenate in daisy-chain utilizzate nel cablaggio residenziale sono fondamentalmente disposte a stella, con la terra come sicurezza e ultimo punto di riferimento. Lo stesso principio può essere applicato a più moduli o strumenti collegati in uno stesso circuito d'alimentazione, analogamente al cablaggio residenziale (ma senza il collegamento in daisy-chain).

Questo principio, applicato a un PCB, incoraggia l'uso di una strategia di messa a terra dannosa per il routing (in particolare per il routing a impedenza controllata), per l'EMI, e spesso dannosa anche per la distribuzione dell'alimentazione. C'è un unico caso in cui si potrebbe riuscire a creare un sistema a segnale misto libero da interferenze utilizzando questo tipo di messa a terra su un PCB, ma si rivela solitamente di poca utilità, senza fornire alcun reale beneficio ai progettisti. Oppure il caso in cui questo tipo di messa a terra venga applicato a un contenitore multischeda, ma avrebbe comunque la stessa topologia vista appena sopra. Casi come DC o analogico/audio a bassa corrente e bassa frequenza potrebbero essere adatti per la messa a terra a stella, ma dipende dalle altre funzionalità incluse nel sistema.

Chiaramente, la messa a terra a stella non è adatta a tutti i progetti, eppure continuo a vederla raccomandata come una sorta di panacea per tutti i problemi EMI, anche nei sistemi a segnale misto. Perché viene ancora consigliata nella progettazione dei circuiti stampati nonostante non sia questa la sua applicazione ideale?

Perché si Dovrebbe Utilizzare la Messa a Terra a Stella in un PCB?

Sono due le ragioni per cui molti continuano a raccomandare la messa a terra a stella nei circuiti stampati: per fornire isolamento tra digitale e analogico ad alta frequenza e per prevenire i loop di massa. Esaminiamo entrambi i punti.

Non è Necessaria la Messa a Terra a Stella per l'Isolamento.

Questa raccomandazione risale a vecchie linee guida di progettazione ormai obsolete che affermavano che per prevenire le interferenze ad alta frequenza e digitali, fosse necessario posizionare interruzioni o cutout nei piani. Questa indicazione è dannosa sia per il routing che per l'EMI ma, soprattutto, porta a scelte di layout poco maneggevoli e non necessarie.

L'obiettivo, nella messa a terra a stella, è quello di porre un ostacolo ad alta impedenza tra il percorso di ritorno di un segnale (DC, AC a bassa frequenza) e uno di un altro tipo (alta velocità, alta frequenza, ecc.), o tra due diversi gruppi di circuiti che si desidera isolare sui loro poligoni di terra. Sono tre i casi in cui questo potrebbe avere senso:

1. Blocchi circuitali totalmente isolati che condividono un singolo collegamento a terra all'alimentazione; non vi sono routing né interfacce fra le sezioni (nessun convertitore A/D o D/A, ecc.)
2. Si stanno utilizzando segnali DC o a velocità molto bassa (circuiti RC a carica/scarica lenta), in particolare quando è fondamentale garantire valori SNR elevati (la misurazione di precisione ne è un esempio)
3. È necessario separare i segnali analogici a basso livello e a bassa frequenza (cioè kHz o frequenze inferiori) da una sezione digitale a bassa o alta velocità

Esclusi questi casi particolari, non è generalmente giustificabile l'uso della messa a terra a stella in un PCB come soluzione ai problemi EMI e di diafonia. Con una messa a terra a stella che coinvolge segnali digitali, non è infatti possibile sbrogliare tra le sezioni della scheda poiché si creerebbero interferenze elettromagnetiche irradiate significative. In sostanza, qualsiasi segnale sbrogliato fra due sezioni è destinato a incontrare un anello di induttanza molto elevato che definisce il suo percorso di ritorno.

Se si ha a che fare con MHz o alte frequenze, e si stanno utilizzando segnali digitali standard che devono essere instradati in un'interfaccia vicino alla sezione analogica, non è necessario ricorrere a una messa a terra a stella se si è creato un layout intelligente della scheda. L'isolamento del percorso di ritorno non sarà infatti un problema; i percorsi di ritorno si accoppieranno naturalmente in modo capacitivo vicino alle tracce, piuttosto che espandersi nel piano di massa. Sezionare correttamente circuiti e componenti analogici e digitali in diverse regioni, sopra un piano di massa continuo, è la scelta vincente.

Per quanto riguarda il secondo caso, l'utilizzo di una messa a terra a stella è accettabile a patto che l'interconnessione e la scheda siano completamente schermate, ma è sconsigliabile se sono necessarie misurazioni sensibili che richiedono un'elevata immunità ai rumori. In questo caso, la schermatura a livello di scheda e involucro potrebbe essere la soluzione migliore.

La Messa a Terra a Stella in un PCB non Influisce sui Loop di Massa

Un'altra ragione per cui spesso si consiglia la messa a terra a stella è per eliminare i loop di massa, o meglio, per impedire che essi si creino. Se il tuo progetto ha problemi con i loop di massa, questo è sintomo di un errore progettuale che non verrà risolto con la messa a terra a stella. Questa è un altro esempio di come la progettazione PCB abbia adottato la terminologia di altri campi dell'elettronica utilizzandola in modo improprio.

1. I progettisti PCB a volte si riferiscono a un loop di massa come a un vero e proprio anello che trasporta una corrente di ritorno. Questo può verificarsi tramite (a) tracce di connessione GND sbrogliate in un grande cerchio o (b) nella messa a terra multipunto attraverso i fori di montaggio PCB placcati in un involucro.
2. Gli ingegneri dei sistemi di alimentazione usano il termine loop di massa per descrivere il flusso di corrente involontario presente in sistemi con messa a massa/terra, che potrebbero essere separati da lunghe distanze (non sullo stesso PCB). Viene spesso menzionato parlando di pali delle utenze letteralmente collegati alla terra. A causa della resistenza diversa da zero di questi collegamenti a terra, non dovrebbe sorprendere che possano verificarsi offset del potenziale di terra tra apparecchiature collegate a diversi punti di messa a terra.

I loop di terra come descritto nel secondo punto possono verificarsi in un PCB come descritto nel punto n.1 (b), tra una data connessione di massa e l'involucro, o quando la massa su due layer diversi è collegata con connessioni ad alta impedenza e c'è un potenziale diverso da zero tra questi elementi.

Sul PCB si ha una situazione analoga, solo su scala minore, che può verificarsi nella sola sezione digitale, nella sola sezione analogica, in entrambe le sezioni, o tra entrambe le sezioni (quando è coinvolto l'involucro). Di seguito è mostrato un esempio che si verifica solo nella sezione digitale del nostro ipotetico PCB con messa a massa a stella.

TQuesto problema nelle apparecchiature separate è una delle ragioni principali per l'utilizzo di segnali differenziali su cavi lunghi, piuttosto che l'utilizzo di gruppi di segnali single-ended su lunghi cavi schermati. I cavi schermati sono infatti più adatti per brevi tratti che non subiscono un elevato offset di massa. Tuttavia, se le schermature sono collegate a massa ad entrambe le estremità e c'è un offset di terra, il cavo schermato trasporterà una corrente in un loop di massa. Questo è un problema per la sicurezza in quanto, se qualcuno afferrasse la schermatura o la connessione dello chassis su entrambi i lati, si potrebbe creare un percorso verso terra con un conseguente uno shock elettrico o incendio del cavo.

Sul PCB non si ha praticamente mai questo problema, a meno che non si abbia un'alta impedenza nelle connessioni di massa che creano un potenziale offset nel piano di massa. Un punto in cui ciò potrebbe accadere è nell'involucro se si utilizza la messa a terra multipunto nella situazione sbagliata (ad esempio, in CC ad alta corrente anziché per RF). Questo diventa un problema di sicurezza solo quando:

• Tutte le connessioni di terra multipunto in una singola regione di massa hanno un'alta impedenza verso qualunque massa di ritorno nel sistema
• Il sistema funziona ad alta corrente
• L'utente interagisce e può toccare il conduttore che trasporta il loop di massa

Si noti che non ho nemmeno menzionato la possibilità di utilizzare diverse regioni di massa: è tutto all'interno della stessa regione di massa (singolo piano). Il punto è che si possono anche avere una messa a terra a stella e un loop di massa, ma se si rilevano problemi di integrità del segnale a causa di un loop di massa, allora i problemi sono probabilmente di altro tipo, e non verranno risolti con una messa a terra a stella. Per la maggior parte dei PCB, il problema principale dato dai loop di massa è il rumore a banda larga che potrebbe interferire con i segnali analogici di basso livello (di solito provenienti da alcuni sensori), il che porta a un SNR elevato in qualsiasi segnale campionato e dati imprecisi.

Rimani con i Piedi per Terra

I PCB ben progettati hanno circuiti di massa ben studiati per fornire un percorso di ritorno a bassa impedenza alla corrente. Per contrastare il rumore, si potrebbe fare affidamento su un piano di massa come percorso della corrente di ritorno. È bene non interporre alcuna interruzione tra la regione di massa analogica e la regione digitale per creare l'isolamento. Le eccezioni a questa regola sono: le frequenze audio, quando è necessario separare l'alimentazione CC dal resto e se si lavora unicamente in DC ovunque sulla scheda. Sono sicuro che esistano altre eccezioni a bassa frequenza.

Per quanto riguarda i progetti con una sezione digitale, è meglio concentrarsi sul layout corretto della scheda disponendola su un piano di massa, piuttosto che dividere le regioni di massa e creare una disposizione a stella con un routing scadente. Puoi leggere di più sui vari tipi di messa a terra e dei problemi con la messa a terra a stella in questo articolo. Come vedrai, l'applicazione della messa a terra a stella nei PCB è piuttosto insignificante; non si ottiene alcun vantaggio implementandola, e anzi, si rischia di compromettere le funzionalità della scheda. Con un layout corretto della scheda, sarà possibile minimizzare l'EMI irradiata attraverso un routing di qualità.

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