DISPOSICIÓN ESQUEMÁTICA E CONEXIÓN A TERRA

1. DISPOSICIÓN ESQUEMÁTICA E CONEXIÓN A TERRA Miguel Brasa Patricia Vicente

2. INTRODUCCIÓN A compatibilidade electromagnética (EMC), é a rama da tecnoloxía electrónica que se ocupa das interferencias entre equipos eléctricos e electrónicos. Defínese como: a capacidade de calquera aparello, equipo ou sistema para funcionar de xeito satisfactorio no seu entorno electromagnético sen provocar perturbacións electromagnéticas sobre calquera cousa dese entorno. Polo tanto, podemos dicir que a compatibilidade electromagnética debe ocuparse de dous problemas diferentes: • Inmunidade ou susceptibilidade electromagnética: ese aparato, equipo ou sistema debe ser capaz de funcionar adecuadamente no seu entorno sen ser interferido por outros. • Emisións electromagnéticas: non debe ser fonte de interferencias que afecten a outros equipos do seu entorno.

3. INTRODUCCIÓN Co cal, o obxectivo principal dun deseño é controlar o fluxo parásito que entra e sae do equipo. Unha posibilidade para mellorar a EMC sería colocar barreiras e camiños de correntes de maneira que as interferencias que chegasen fosen desviadas ou absorbidas antes de entrar no circuíto, e así mesmo facelo propio coas interferencias saíntes.

4. INTRODUCCIÓN As medidas de control pódense concibir como aplicábeis en tres niveis: • Primario: (estas medidas poden ser suficientes por si soas para os circuítos de escaso comportamento funcional e para os que non teñen cables de conexión). • Desacoplamento • Configuracións equilibradas • Ancho de banda • Limitación da velocidade • Disposición da placa* • Conexión a masa* • Secundario: neste nivel considéranse as interconexións entre circuítos internos e cables externos xa que é a ruta principal das interferencias. É moi importante a elección e a montaxe dos conectores. • Terciario: consiste nun apantallamento total da caixa. Como é unha elección cara só se debe escoller esta opción cando o problema persista tras aplicar as medidas dos niveis primario e secundario. Mais, como non é doado predecir a eficacia das outras medidas cómpre deixar a posibilidade de ter que apantallar a caixa. Neste nivel débese garantir: • Que as aberturas e as xuntas se poidan conectar axeitadamente. • Que as conexións a masa se poidan facer nos lugares axeitados. • Que o deseño da caixa permita aplicar dun xeito sinxelo unha capa conductora. * A nivel primario son as medidas máis importantes.

5. INTRODUCCIÓN Unha boa analoxía é pensar no circuíto como nunha cidade na que o tráfico (interferencia), se procura levar ó redor dela grazas a un desvío (medidas de control EMC).

6. DISPOSICIÓN ESQUEMÁTICA E CONEXIÓN A MASA DO EQUIPO

7. 1.DISPOSICIÓN ESQUEMÁTICA E CONEXIÓN A MASA DO EQUIPO Un sistema ben deseñado pode ofrecer unha boa inmunidade. O 90% dos problemas despois de realizado o deseño EMC débese a unha distribución do sistema e dunha conexión a masa inadecuados. O máis económico é ter en conta a distribución do sistema e o procedemento da conexión a masa dende o primeiro momento porque non se engade ningún custo a un sistema por deseñalo e provelo de conexión a masa. Os principios máis importantes son para deseñar un sistema son: • Partición do sistema para permitir o control das correntes parásitas. • Considerar a masa como un camiño para o fluxo de corrente, tanto das interferencias internas do equipo como das conducidas • Colocar coidadosamente os puntos de conexión a masa, minimizando a impedancia propia da masa e a súa impedancia de transferencia ó circuíto. • Reducir ó máximo posíbel as emisións do equipo e a susceptibilidade dos bucles.

8. 1.1. PARTICIÓN DO SISTEMA O primeiro paso no deseño é dividir o sistema. Nun sistema mal dividido as interconexións entre os seus subsistemas estarán mal definidas e os portos externos estarán dispersos pola periferia. Cousa que non convén porque a dispersión dos portos significa que as distancias entre os portos de lados contrarios son grandes, o que conleva: • Altas tensións inducidas de masa • Acoplamento eficaz ós cables das emisións xeradas internamente O único xeito de controlar as emisións e a inmunidade do sistema é colocar unha pantalla total ó seu redor e filtrar cada interfaz.

9. 1.1. PARTICIÓN DO SISTEMA A partición separa o sistema en seccións: • Seccións críticas: conteñen fontes radiantes (ex: microprocesador) ou son susceptíbeis ás interferencias importadas (ex: circuítos analóxicos de baixo nivel) • Seccións non críticas: son aquelas cuxos niveis de ancho de sinal, ancho de banda e funcións do circuíto non son susceptíbeis á interferencia nin capaces de causalas. As seccións críticas pódense controlar da seguinte maneira: • Pódense introducir nunha caixa apantallada para controlar as conexións externas. • Reducindo ó mínimo o número de interconexións e conectándoas fisicamente todas xuntas. (é o obxectivo principal) • Filtrando as interconexións. (engade un custo adicional o producto)

10. 1.2. CONEXIÓN A MASA Unha vez que se partiu o sistema adecuadamente, hai que asegurarse de que está ben conectado a masa. A definición clásica dunha toma de masa é: “punto ou plano equipotencial que serve como referencia a un circuíto ou sistema”. Pero esta definición non significa nada en presencia dun fluxo de corrente de masa. Sábese que un bo sistema de conexión a masa reducirá ao máximo estas diferenzas potenciais en comparación cos niveis de funcionamento do circuíto, pero non pode eliminalas. Logo unha definición alternativa para unha conexión a masa sería: “ un camiño de baixa impedancia polo que a corrente pode retornar a súa fonte”. En resumo dicir, que a función EMC dun sistema de conexión a masa é reducir ao mínimo as tensións parásitas nos puntos críticos comparadas co sinal útil.

11. 1.2. CONEXIÓN A MASA 1.2.1. Corrente a través da impedancia de masa. Cando se deseña un esquema de conexión a masa, débese coñecer a traxectoria real da corrente de retorno a masa. Exemplo: amplificador no que se produce un acoplamento por impedancia común. A saída de corrente ∆I, volve a fonte de alimentación pola traxectoria Z1-Z2-Z3. Polo que en Z2 prodúcese unha fonte de tensión non desexada provocando que o circuíto oscile.

12. 1.2. CONEXIÓN A MASA 1.2.1. Corrente a través da impedancia de masa. Referíndonos a EMC, o problema son as tensións parásitas Vn que se desenvolveron ó longo das impedancias. Nas frecuencias altas, a impedancia é primordialmente inductiva e aumenta coa frecuencia, e por iso o ruído da masa tamén aumenta a medida que a frecuencia crece. Na seguinte figura amósase o efecto de engadir conexións externas: a corrente parásita In inducida, flúe a través do sistema de conexión a masa atravesando Z2, o que produce unha tensión en serie coa entrada non desexada.

13. 1.2. CONEXIÓN A MASA 1.2.1. Corrente a través da impedancia de masa. Para solucionar este problema, só hai que garantir que non se permita o fluxo das correntes parásitas a través da parte sensíbel da rede de masas. => cambiar o deseño do circuíto. Sobre un esquema, é dicir, teoricamente estes dous circuítos son idénticos, sen embargo na práctica, cando se colocan na placa do circuíto son diferentes.

14. 1.2. CONEXIÓN A MASA • 1.2.2. Impedancia de transferencia. (Zt) • Zt determina a intensidade da fonte non desexada no circuíto do sinal. As traxectorias de corrente están deseñadas para obter unha baixa impedancia de transferencia Zt, para minimizar as tensións que interfiren nas interconexións sensíbeis. • A estructura pódese facer de diferentes formas: • Cuberta apantallada • Prancha de chasis • Capa plana na placa de circuíto impreso • Conducto de cables • Ect... • sen embargo, non todas nos proporcionan as mesmas vantaxes. • Por exemplo, na seguinte figura móstranse posíbeis estructuras, ordenadas de esquerda a dereita en función de maior Zt. Polo que a mellor opción para evitar problemas de EMC é empregar a estructura do tubo de conducción.

15. 1.3. Sistemas de puesta a masa • Obviando la necesidad de una toma de tierra de seguridad • El sistema de conexión a masa puede configurarse como • Punto único • Multipunto • Híbrido de ambos

16. 1.3. Sistemas de puesta a masa Punto único Es el más simple, conceptualmente • Elimina el acoplamiento por impedancia común a masa y los bucles de masa de baja frecuencia • Cada módulo de circuito tiene sus propias conexiones a una masa individual • Cada sub-unidad tiene una conexión con el chasis

17. 1.3. Sistemas de puesta a masa • Este sistema funciona bien hasta los MHz • Las distancias a cada conexión significan desarrollo de los potenciales al aumentar la frecuencia • A distancias de múltiplos impares de un cuarto de longitud de onda, los circuitos están aislados de manera eficaz unos de otros • Planteamos una modificación:

18. 1.3. Sistemas de puesta a masa • Unir los módulos del circuito con características similares • Llevar cada punto común a una sola conexión a masa • Los circuitos más ruidosos están más cerca del punto común • Reduce al mínimo los efectos de la impedancia común • Un módulo individual que tenga más de una conexión a masa • Deben unirse con diodos en oposición para evitar daños cuando el circuito sea desconectado

19. 1.3. Sistemas de puesta a masa Multipunto • Necesaria para los sistemas de alta frecuencia de importante señal y para los digitales • Módulos y circuitos están unidos con muchos enlaces cortos (< 0.1l) • Minimizar las tensiones en modo común de conexión a masa • También se pueden hacer enlaces cortos al chasis, plano de masa o cualquier otra parte conductora de baja impedancia • El subsistema se reduce a una conexión a masa de punto único en el sistema global

20. 1.3. Sistemas de puesta a masa

21. 1.3. Sistemas de puesta a masa Híbrido • Utiliza componentes reactivos (condensadores o inductancias) • Hacer que el sistema de conexión a masa actúe de manera diferente en bajas frecuencias y en RF • La pantalla de un cable largo se conecta a la masa del chasis mediante condensadores • Los condensadores bloquean la DC y las bajas frecuencias • Evitando la formación de un bucle adicional no deseado entre los dos módulos • Se debe tener cuidado de que las resonancias parásitas no se introduzcan en los componentes reactivos

22. 1.3. Sistemas de puesta a masa Mapa de masa • Herramienta fundamental durante todo el diseño del producto • Es un diagrama que muestra los puntos de referencia a masa y las trayectorias de conexión a masa de todo el equipo • Se omiten todas las demás funciones o se muestran en forma de bloques

23. 1.4. Conexión a masa y estructuración de grandes sistemas • El tratamiento de grandes sistemas es difícil • Las distancias son fracciones significativas de las longitudes de onda • Se deben incorporar, al menos, dos conexiones a masa separadas, sin contar • La toma de tierra de seguridad • El retorno de masa para los circuitos electrónicos • Un chasis a masa para las estructuras mecánicas

24. 1.4. Conexión a masa y estructuración de grandes sistemas • El chasis proporciona una buena masa para las corrientes de retorno de alta frecuencia • Todas las piezas metálicas deben estar unidas sólidamente • La masa electrónica puede dividirse en masa de retorno “limpia” y “sucia” para los circuitos sensibles y para los ruidosos • Permite una conexión a masa en punto único

25. 1.4. Conexión a masa y estructuración de grandes sistemas Impedancia de los cables de masa • Un cable de conexión a masa que discurre junto a un plano de masa o un chasis antes de conectarse a él • Se comporta como una línea de transmisión • Equivalente a una red RLC en donde los componentes L y C determinan la impedancia característica de la línea Z0

26. 1.4. Conexión a masa y estructuración de grandes sistemas • Al aumentar la frecuencia de funcionamiento • La reactancia inductiva supera a la resistencia del cable • La impedancia aumenta hasta el primer punto resonante paralelo • Después de la primera resonancia • La impedancia para un circuito sin pérdidas sigue la ley

27. 1.4. Conexión a masa y estructuración de grandes sistemas • Para baja impedancia se encuentran frecuencias resonantes en serie • Para alta impedancia, en paralelo • Cuando las pérdidas aumentan, los picos resonantes y los puntos de valor nulo se atenúan • Para permanecer como un conductor eficaz, el cable de conexión a masa debe ser menor de 1/20 de la longitud de onda de funcionamiento más corta

28. 1.4. Conexión a masa y estructuración de grandes sistemas Toma de masa de seguridad • En general, no es necesaria para la finalidad que persigue la CEM • Aparatos a pilas • Pero si se consideran las emisiones de la red o las perturbaciones que entran por la toma de red, sí es necesaria una toma de tierra • Es la trayectoria de retorno para corrientes parásitas • Problema de EMC • Puede que sea necesario sacar la toma de masa de seguridad fuera del circuito RF • Trayectoria alternativa a las corrientes parásitas, • Interrumpirla es una manera sencilla de mejorar la CEM

29. Resumen • Frecuencias por debajo de 1 MHz • Conexión a masa de punto único • Por encima de 100 MHz • Inductancia de cable y pista elevan la impedancia de masa • Altas frecuencias • Multipunto a un plano de masa de baja inductancia • Circuitos muy sensibles • Tratar en forma híbrida

30. Resumen Principios de a puesta a masa • Todos los conductores tienen una impedancia finita que aumenta con la frecuencia • Dos puntos de masa físicamente separados no están al mismo potencial a menos que no fluya entre ellos nada de corriente • A frecuencias altas no existe nada similar a un punto único de masa

31. TRAZADO DA PLACA DO CIRCUITO IMPRESO

32. 2.TRAZADO DA PLACA DO CIRCUITO IMPRESO O xeito en que se deseña unha placa de circuíto impreso pode supor unha gran diferencia con respecto ao comportamento EMC global do producto que a incorpora. O deseñador do circuíto debe supervisar o debuxante da estructura, sobre todo cando o material gráfico se xera por medio dun sistema de deseño asistido por ordenador. Xa que normalmente o software do deseño asistido por ordenador funciona nodo a nodo, => tratará o sistema de conexión a masa como un nodo=> resultados moi malos para o comportamento da frecuencia. A forma máis segura de estructurar unha placa de circuíto impreso é comezar debuxando as pistas de masa e a continuación incorporar os sinais críticos. É importante ter en conta que a información que se adxunta co esquema do circuíto ao delineante do proxecto debe incluír: • Partición física dos submódulos funcionais sobre a placa. • Requisitos para situar os compoñentes sensíbeis e os portos de E/S. • Marcadores no diagrama do circuíto. • Lugares nos que os nodos de masa se poden poñer xuntos. • Que pistas do sinal se deben levar preto das pistas de masa.

33. 2.1. TRAZADO DA MASA SEN UN PLANO DE MASA • 2.1.1. Impedancia da pista. • Unha coidadosa colocación das conexións a masa consegue grandes logros na reducción das tensións parásitas que se desenvolven a través das impedancias de masa, pero nun circuíto impreso complexo non é práctico eliminar totalmente as correntes de masa circulantes. Polo que outro aspecto importante é a reducción da propia impedancia de masa. • A inductancia dunha conexión pódese reducir de dúas maneiras: • Reducindo ó mínimo a lonxitude do conductor e aumentando a súa anchura. • Levando a súa traxectoria de retorno paralela e cerca dela. • A inductancia dunha pista vén dada por: • onde w=ancho e h=altura • Exp: debido á relación logarítmica da inductancia e ancho; ó dobrar o ancho só produce unha reducción do 75% na inductancia. • Outro caso: nos conductores finos espaciados a máis dun centímetro, os efectos de inductancia mútua son desprezables.

34. 2.1. TRAZADO DA MASA SEN UN PLANO DE MASA • 2.1.2.Masas en forma de reixa. • En lugar de colocar pistas en paralelo podemos trazar as masas en forma de reixa para reducir a inductancia de masa. • Este esquema é útil para trazados complicados. • É preferible pista ancha para lograr unha inductancia mínima. • Este tipo de esquema lógrase mellor colocando a reixa antes de colocar as pistas de sinal ou de alimentación.

35. 2.1. TRAZADO DA MASA SEN UN PLANO DE MASA • Modelo de masa segundo o tipo de circuíto: • Os circuítos analóxicos de precisión non deben compartir a mesma conexión a masa cos circuítos dixitais xa que o ruído destes pode corromper o seu funcionamento. • O único tipo de configuración de masa que non se debe empregar en ningunha clase de circuíto é a do tipo “peite”. • Este tipo de configuración forza ás correntes de retorno a fluír nun bucle ancho, incluso cando a pista do sinal é curta e directa, e contribúe por tanto a un maior acoplamento por radiación. • A solución sería converter o peite nunha reixa, nada máis doado que engadir pistas de punteo a intervalos entre as “púas”.

36. 2.2. El plano de masa • Limitación a la utilización de masa de rejilla • Cuando hay un gran número de trayectorias paralelas y el conductor de masa debe ser continuo • Plano de masa • Fácil de llevar a cabo • Una placa de varias capas • Ofreciendo la menor inductancia de masa posible

37. 2.2. El plano de masa • Finalidad principal • Proporcionar una masa de baja impedancia y un camino de retorno de alimentación • Reducir al mínimo el ruido de masa inducido • Para un punto de masa finito, los puntos centrales verán la impedancia ideal • Los cercanos al exterior verán valores mucho más altos • No se deben colocar componentes o pistas críticos cerca del borde exterior

38. 2.2. El plano de masa Placa de circuito impreso de doble cara • Es posible realizar un plano de masa parcial • Se debe colocar por debajo o por encima de las pistas que necesiten el retorno de baja inductancia • A frecuencias altas la corriente de retorno fluirá en la en la vecindad de su trazado de señal • No por la trayectoria más corta • Esa ruta encierra el área más pequeña • Menor inductancia total. • La utilización global de un plano de masa garantiza que la trayectoria óptima de retorno siempre está disponible

39. 2.2. El plano de masa Interrupciones en el plano de masa • Se desea que el plano sea continuo en la dirección del flujo de corriente • Cualquier desviación aumenta el área del bucle y por tanto, la inductancia • Una interrupción anula el efecto beneficioso del plano de masa si interrumpe el flujo de corriente • Se construyen capas múltiples con un plano de masa interno • Las pistas de puenteo deben discurrir contiguas a las pistas críticas

40. 2.2. El plano de masa Diafonía • Fenómeno de EMC interno • Acoplamiento provocado por las rutas de impedancia de masa común inductivas y capacitivas • El plano de masa reduce de manera significativa la impedancia común de masa • Entre 40 y 70 dB • Nunca es tan buena • También reduce el acoplamiento por inductancia mutua • Asegura que los bucles de corriente acoplados no sean coplanares

41. 2.3. Área del bucle • La principal ventaja de un plano de masa es que permite reducir área de un bucle radiante • Garantiza • Mínima emisión en modo diferencial de la placa de circuito impreso • Captación mínima de los campos radiados • También contribuyen a minimizar las consecuencias de los bucles • Componentes de pequeñas dimensiones • Distancia de separación tan pequeña como sea posible • No deben tener origen y destino muy separados

42. 2.3. Área del bucle Tecnología del montaje superficial (SMT) • Ofrece componentes de menor tamaño • Reduce el acoplamiento parásito • Para beneficiarse totalmente, es necesaria una placa de capas múltiples con un plano de masa • Otra ventaja es que se puede reducir la superficie necesaria para una función • No sólo aprovecharse de la reducción de componentes • Más espacio para definir zonas tranquilas de E/S

43. CONFIGURACIÓN DE MASA DE E/S Para reducir as correntes en modo común que aparecen nos cables requiren unha zona limpa de masa. (sen ruído) Para iso: - Agrúpanse tódolos cables E/S nunha zona e conéctanse as súas proteccións e condensadores de acoplamento a un plano de masa separado nesta zona. -Esta masa limpa só se debe conectar a masa lóxica interna nun punto. -Isto evita que as correntes de ruído flúan a través do plano de masa limpo e non contamine. Conexión limpa a masa nunha praca de circuíto impreso

44. 2.4. CONFIGURACIÓN DA MASA DE E/S 2.4.1. Circuítos separados de masa. Non se debe extender nunca un plano de masa dixital sobre unha sección analóxica da placa porque acopla ruído. Pódense conectar por punto no conversor analóxico/dixital do sistema. Unha forma barata é utilizar un CI separador que poida ser referenciado á masa de E/S. 2.4.2. Conexión da pantalla do cable. O desacoplamento de entrada/saída é vital para manter as correntes parásitas en modo común do cable ó mínimo. Se a pantalla do cable se toma no punto incorrecto xérase unha tensión de ruído que aparece como emisión radiada. As pantallas dos cables débense levar sempre ó punto do menor ruído con respecto á masa de referencia.