DISPOSICIN ESQUEMTICA E CONEXIN 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. gt 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 (lt 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, gt tratará o sistema de
  conexión a masa como un nodogt 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 wancho e haltura
• 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.