DISPOSICIÓN
ESQUEMÁTICA E
CONEXIÓN A TERRA
Miguel Brasa
Patricia Vicente
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.
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.
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.
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).
DISPOSICIÓN ESQUEMÁTICA E CONEXIÓN A
MASA DO EQUIPO
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.
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.
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)
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.
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.
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.
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.
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.
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

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
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:
1.3. Sistemas de puesta a masa

Unir los módulos del circuito con características similares


Los circuitos más ruidosos están más cerca del punto común


Llevar cada punto común a una sola conexión a masa
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
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
1.3. Sistemas de puesta a masa
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
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
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
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
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
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
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
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
Resumen

Frecuencias por debajo de 1 MHz


Por encima de 100 MHz


Inductancia de cable y pista elevan la impedancia de masa
Altas frecuencias


Conexión a masa de punto único
Multipunto a un plano de masa de baja inductancia
Circuitos muy sensibles

Tratar en forma híbrida
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
TRAZADO DA PLACA DO CIRCUITO IMPRESO
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.
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.
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.
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”.
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

2.2. El plano de masa

Finalidad principal

Proporcionar una masa de baja impedancia y un camino de retorno de
alimentación


Para un punto de masa finito, los puntos centrales verán la
impedancia ideal


Reducir al mínimo el ruido de masa inducido
Los cercanos al exterior verán valores mucho más altos
No se deben colocar componentes o pistas críticos cerca del
borde exterior
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
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
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
2.3. Área del bucle


La principal ventaja de un plano de masa es que
permite reducir área de un bucle radiante
Garantiza



También contribuyen a minimizar las consecuencias de
los bucles



Mínima emisión en modo diferencial de la placa de circuito
impreso
Captación mínima de los campos radiados
Componentes de pequeñas dimensiones
Distancia de separación tan pequeña como sea posible
No deben tener origen y destino muy separados
2.3. Área del bucle
Tecnología del montaje superficial (SMT)

Ofrece componentes de menor tamaño



Otra ventaja es que se puede reducir la superficie
necesaria para una función


Reduce el acoplamiento parásito
Para beneficiarse totalmente, es necesaria una placa de capas
múltiples con un plano de masa
No sólo aprovecharse de la reducción de componentes
Más espacio para definir zonas tranquilas de E/S
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
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.
Descargar

DISPOSICIÓN ESQUEMÁTICA E CONEXIÓN A TERRA