Tudo Sobre Referência de Terra e Terra do Chassi no Design de Eletrônicos

Os conceitos de técnicas de aterramento, aterramento propriamente dito, realização de conexões de terra em PCBs e aterramento do chassis do PCB são todos muito complexos na eletrônica, apesar dos padrões internacionais que tentaram separar conceitos e terminologia. O aterramento é importante em todos os aspectos do design eletrônico, trabalho elétrico e, claro, no design de PCBs. Todos os circuitos precisarão de uma conexão de referência, algo que chamamos de terra, mas a referência exata é definida de maneiras diferentes para vários sistemas.

Se você não tem certeza de como os aterramentos de PCB funcionam em diferentes tipos de eletrônicos e como usar conexões de terra, não há uma resposta simples que se aplique a todos os sistemas. Diferentes tipos de eletrônicos terão diferentes maneiras de definir sua referência de potencial, e todos os terras não estão sempre no mesmo potencial, ao contrário do que você pode ter aprendido em uma aula introdutória de eletrônica. Neste artigo, adotaremos uma abordagem de nível de sistema para definir e integrar terras digitais, terras analógicas, terras de chassis e, eventualmente, uma conexão de terra. Continue lendo para aprender como o terra eventualmente se conecta ao seu PCB e, finalmente, a cada componente em seu sistema.

O que é Referência de Terra em um Circuito e o que Ela Faz?

Existem algumas maneiras de definir terra, dependendo de quem você perguntar. Físicos definem de uma maneira particular (maioritariamente teórica), enquanto eletricistas e engenheiros elétricos podem estar literalmente se referindo ao solo sob seus pés (terra como aterramento). Em eletrônica, às vezes nos referimos ao terra como desempenhando várias funções de forma intercambiável. Aqui estão algumas das funções primárias do terra em eletrônica:

• Terra fornece um ponto de referência que é usado para medir tensões. Todas as tensões são definidas em termos do campo elétrico (e energia potencial) entre dois pontos. Um desses pontos pode ser definido como "0 V", e acontece que chamamos essa referência de 0 V de "terra". Esta é uma das razões pelas quais dizemos que um plano de terra em uma PCB é um "plano de referência".
• Terra pode ser usado para fornecer um caminho para a corrente de retorno à fonte de alimentação, completando assim um circuito.
• Conceitualmente, terra age como um grande reservatório de carga que também define a direção do fluxo de corrente. Como consideramos o terra como nossa referência de 0 V, tensões acima ou abaixo deste valor (positivas ou negativas) irão direcionar o fluxo de corrente em diferentes direções com relação à localização do terra.
• A terra proporciona um ponto onde os campos elétricos terminam. Isso é realmente uma variação do primeiro ponto. Se você já teve que resolver problemas de método de imagens em uma aula de eletromagnetismo, deve se lembrar que a terra é definida como uma superfície equipotencial mantida especificamente a 0 V. Note que essa definição também se aplica a qualquer condutor mantido em uma tensão específica (por exemplo, um plano de alimentação em uma PCB).
• A queda de tensão através de um condutor de terra perfeito é 0 V. Em outras palavras, se você medir a tensão entre quaisquer dois pontos em uma referência de terra, você deve sempre medir 0 V. Isso é uma reafirmação do ponto 2 acima.

No design de PCB, muitas vezes falamos sobre terra em termos dos pontos 1 e 3 porque define como a energia é fornecida aos componentes, e como sinais digitais/análogos são medidos em um design. Pessoas de EMI/EMC às vezes falam sobre terra em termos do ponto 4, pois isso basicamente descreve a função dos materiais de blindagem. Todos aceitam o ponto 5 como verdade absoluta, embora o ponto 5 não aconteça na realidade.

Agora que cobrimos esses pontos, há algumas coisas a perceber sobre aterramento e vários tipos de terras na eletrônica.

Todos os Aterramentos São Imperfeitos

Embora todas as regiões de terra sejam destinadas a ter as características acima, a natureza real dos condutores significa que eles funcionam de maneira diferente quando usados como referência de terra. Além disso, a geometria de uma região de terra determina como ela interage com campos elétricos e magnéticos, o que então influencia como a corrente se move para dentro e dentro de uma região de terra. É por isso que diferentes sinais terão um caminho de retorno particular que depende do seu conteúdo de frequência. Além disso, todas as terras têm resistência não nula, o que leva ao próximo ponto sobre terras reais.

Nem Todas as Terras Estão a 0 V

Condutores que são deixados flutuando, ou condutores em um sistema que são referenciados a diferentes fontes de energia, podem não ter o mesmo potencial de 0 V. Em outras palavras, você poderia ter duas referências de terra para dois equipamentos diferentes, ambos sendo conectados à mesma referência, mas se você medir o potencial entre eles, mediria uma voltagem não nula.

Isso pode acontecer até mesmo quando dois dispositivos referenciam o mesmo condutor como uma conexão de terra. Se você medisse a diferença de potencial ao longo de um condutor longo (por exemplo, com um multímetro), ela poderia ser diferente de zero, significando que alguma corrente está sendo conduzida ao longo do condutor. Essa diferença de potencial ao longo de um grande terra ou entre duas conexões de terra é chamada de "deslocamento de terra". Em sistemas multiboard maiores, ou em áreas como equipamentos industriais e de rede, o deslocamento de terra é um dos motivos para o uso de sinalização diferencial (por exemplo, CAN bus, Ethernet, etc.). Como os protocolos diferenciais usam a diferença de tensão entre dois fios, suas respectivas referências de terra são irrelevantes, e os sinais ainda podem ser interpretados.

Tipos de Terras em Eletrônica

Na eletrônica, é fácil para um novo designer se confundir com a variedade de terminologias usadas para terras envolvidas no design de PCB: digital, analógico, sistema, sinal, chassis e terra. Além disso, o fato de que os símbolos para representar terra são misturados e frequentemente mal utilizados, algo do qual eu certamente sou culpado de fazer puramente por conveniência. Independentemente disso, existem alguns símbolos de terra padrão que são usados em engenharia elétrica e eletrônica, incluindo em seus esquemas eletrônicos.

Diferentes tipos de conexões de terra são indicados em esquemáticos usando símbolos definidos nas normas IEC 60417. Os símbolos comuns normalmente usados no design de PCB são mostrados abaixo:

O símbolo de terra de sinal pode ser usado para terra digital ou analógica, apenas certifique-se de aplicar o nome de rede correto (às vezes uso AGND para terra analógica e DGND para terra digital). O terra do chassis do PCB às vezes é conectado de volta ao terra da terra, dependendo de como o sistema é construído e como recebe energia. Finalmente, o terra de segurança às vezes pode ser conectado diretamente à terra via um fio neutro, ou ao chassis, ou possivelmente à terra via uma conexão de chassis de baixa indutância.

Terra

O termo "aterramento", ou simplesmente "terra" em eletrônica, refere-se a uma conexão literal com a terra. Em outras palavras, o potencial da terra está sendo usado como nossa referência de 0 V para terra. Se você já observou um poste de utilidade que carrega linhas de energia, às vezes pode ver um fio descendo pelo lado do poste e entrando na terra. Esta é uma conexão de aterramento que é imperfeita, pois a resistência no solo ao longo do cabo pode ser alta. No entanto, usar a terra fornece o grande reservatório de carga que é característico de uma conexão de terra desejável. Esta conexão não é destinada a transportar corrente quando as cargas consomem energia, ela só transporta corrente ao dissipar correntes espúrias (por exemplo, ruído ou eventos de ESD).

Conexões de Terra do Chassi da PCB

Um ponto importante a ser observado na eletrônica é que nem todos os sistemas terão conexão com aterramento de chassi. Normalmente, este termo refere-se a um chassi metálico que está em uma caixa, e uma conexão é feita com o chassi. Em sistemas de CA de 3 fios (fios fase, neutro e terra) ou em sistemas de CC de 3 fios (CC+, CC comum e fios de terra), o aterramento do chassi é normalmente conectado ao aterramento da terra no ponto onde a energia entra no plugue do sistema. Uma parte do sistema também pode ser conectada ao aterramento do chassi da PCB para drenar ruídos ou por razões de segurança (por exemplo, proteção ESD), como o exemplo mostrado abaixo. Este arranjo fornece filtragem de ruído de modo comum para uma entrada de CA ou CC em uma conexão de 3 fios.

Este tipo de conexão de aterramento da terra fornece três funções:

1. Como o chassi agora está definido para um potencial de referência de terra de 0 V global, o chassi agora atua como uma gaiola de Faraday e fornece blindagem de banda larga.
2. Ele fornece uma função de segurança que dissipa correntes espúrias (ESD, curtos ou ruídos) de volta para a terra. Esta é uma razão pela qual às vezes chamamos o aterramento do chassi de "aterramento de segurança".
3. Pode fornecer um sumidouro de baixa impedância para ruído de modo comum neste filtro EMI de entrada sem a necessidade de colocar um ferrite ou um indutor grande na placa.

Em um sistema alimentado por bateria, ou em um sistema com uma simples conexão de energia DC de 2 fios, o plano de terra da PCB pode ser conectado de volta ao chassis através de furos de montagem. A ideia aqui é garantir que não haja condutor flutuante, pois um condutor não aterrado pode atuar como um radiador devido ao acoplamento capacitivo da corrente no chassis. Um chassis não aterrado ou outros condutores flutuantes na placa podem ser fontes de EMI radiada que podem ser facilmente eliminados conectando-se a um terra.

Terra Analógico e Digital

Os terras analógico e digital são questões diferentes dos conexões de terra do chassis e da terra para segurança. Tipicamente na PCB, você pode ter uma conexão de terra do chassis como descrito acima e a conexão ao terra para segurança. Enquanto isso, você deve ter um plano de terra na PCB que suporte tanto os caminhos de retorno analógico quanto digital; você não deve ter redes de terra fisicamente separadas. Essas terras fisicamente separadas podem criar emissões radiadas fortes quando sobrepostas no empilhamento, particularmente em frequências de guia de onda de placas paralelas. Em vez disso, faça tudo sobre uma única referência de terra na sua PCB

Para saber mais sobre esses pontos em torno do terra analógico e digital, leia este artigo sobre aterramento em estrela, pois ele explica as principais razões pelas quais você não deve usar planos de terra fisicamente separados.

Deve Conectar o Terra de Sinal à Terra?

Não é muito comum fazer isso diretamente. Isso pode ser apropriado no caso de baterias de CC de alta tensão/PSUs ou sistemas similares que estão sendo testados. Geralmente, o aterramento do chassi pode se conectar à terra, que então se conecta a um circuito que referencia um plano de terra da PCB no lado de entrada (por exemplo, o filtro EMI de entrada antes de um retificador). Em um sistema CA de 3 fios não isolado, ou em um sistema CA de 3 fios que é retificado para CC, se você conectar o terra de referência do sinal em um circuito à terra, você está apenas curto-circuitando o fio negativo na linha CA ou CC. Não faça isso porque agora o chassi pode ser um grande condutor de corrente! Há agora um risco de choque (em sistemas de alta tensão/corrente) ou EMI intenso (em sistemas de alta frequência). Quando isso é feito, a corrente se moverá de volta para a conexão com a terra, desde que esse seja o caminho de menor reatância de volta ao solo, e esse caminho pode ser através de alguém que toque o dispositivo enquanto ele transporta alta corrente.

Em um sistema de 2 fios (sem conexão com a terra), existem diretrizes variadas sobre como ou se deve conectar o terra do sinal de volta ao chassis. Algumas diretrizes dizem que o aterramento multiponto é aceitável, outras dizem para usar um ponto único próximo ao I/O, e ainda outras dizem para usar um ponto único próximo ao conector de energia por segurança. Se o ruído RF é um problema em todo o sistema, você pode conectar de volta ao chassis em vários pontos para dissipar o ruído, mas provavelmente você tem um problema maior no seu layout porque não construiu o empilhamento corretamente, e o dispositivo está apenas recebendo energia de rádio em excesso. Foque em construir o empilhamento corretamente e você pode não precisar costurar conexões de furos de montagem por toda a placa, você só precisará disso em alguns pontos. Você não deve fazer uma conexão de volta para a terra neste caso.

Resumo sobre Técnicas de Aterramento de PCB

Com uma PCB sendo o recipiente que abriga seus componentes eletrônicos, é importante acertar o aterramento do chassi. Como discutimos acima, sua estratégia de aterramento do chassi é relevante para segurança, EMI/EMC e design de sistemas, então é importante acertar isso. Embora a presença de múltiplos aterramentos de PCB em seu projeto possa parecer confusa, as melhores ferramentas de editor de esquemáticos e software de layout de PCB ajudarão você a acompanhar as redes de terra ao longo do projeto enquanto você cria seu layout físico.

As melhores ferramentas de design de PCB em Altium Designer oferecem tudo o que você precisa para implementar o aterramento do chassi no design eletrônico e no seu layout de PCB. Quando estiver pronto para enviar seu projeto para fabricação, você pode facilmente liberar seus dados de design para seu fabricante com a plataforma Altium 365. Altium 365 e Altium Designer oferecem tudo o que você precisa para passar por uma revisão de design, comunicar requisitos de teste e comunicar alterações de design.