A volte, potrebbe esserci una tolleranza di tensione o corrente nei collegamenti elettrici. Queste situazioni non sono insolite. Possono effettivamente causare danni al circuito. Tuttavia, uno dei modi migliori per risolvere questo problema è utilizzare la messa a terra (GND) nei dispositivi elettronici.
GND è l'abbreviazione di messa a terra. Sebbene non sia direttamente collegato alla terra fisica, è fondamentale per ogni circuito. In questo caso, il termine "messa a terra" potrebbe confondervi. Tuttavia, lo usiamo spesso nel cablaggio degli edifici.
Il GND di solito crea un percorso di ritorno per la corrente di guasto nel circuito stampato. Ciò significa che se il PCB presenta una corrente di guasto, può scaricarla, senza influire sugli altri componenti. La maggior parte dei circuiti stampati si basa sul GND. Tuttavia, i dispositivi alimentati a batteria o flottanti possono funzionare senza GND.
La massa (GND) garantisce anche la qualità del segnale. Facciamo un esempio. Potresti aver già notato il crepitio dell'altoparlante. Sai perché succede? Sì, hai ragione. È dovuto principalmente a una messa a terra scadente.
La terra è generalmente di vari tipi. Il tipo specifico dipende in genere dal suo utilizzo. In questo articolo, imparerai a conoscere la terra (GND) e le sue diverse tipologie. Imparerai anche l'importanza della messa a terra e le sue numerose applicazioni.
Perché una corretta messa a terra è fondamentale nella progettazione dei PCB?
Lo scopo principale di un GND (o messa a terra) è proteggere i dispositivi elettronici dalle correnti di guasto. Tuttavia, è anche necessario per la qualità del segnale, la riduzione del rumore e la stabilità della tensione. Esistono diversi tipi di messa a terra, a seconda dell'utilizzo.
Supponiamo di progettare un PCB senza prevedere alcuna messa a terra. Cosa può succedere quando ci si fa passare elettricità? Se si passa la giusta quantità di tensione e corrente, si potrebbe non notare alcun problema. Tuttavia, problemi come picchi di tensione, loop di massa o riferimenti flottanti possono verificarsi in qualsiasi momento. Di conseguenza, si può verificare del rumore nel PCB. In questo modo, i componenti potrebbero gradualmente malfunzionare prima del previsto. Di conseguenza, si potrebbe non ottenere la longevità adeguata.
È fondamentale notare che i circuiti ad alta frequenza richiedono un percorso di ritorno a bassa induttanza. Se questo non viene mantenuto, la qualità del segnale non potrà mai essere mantenuta. Pertanto, è fondamentale utilizzare PCB con messa a terra. Nei PCB multistrato, è necessario un piano intero per la messa a terra.
Una corretta messa a terra è una delle soluzioni principali per ottenere la stabilità di potenza. Una messa a terra inadeguata può causare rimbalzi di corrente. Quando più circuiti integrati commutano rapidamente, si crea un'improvvisa sovratensione nel piano di massa.
Inoltre, se nel percorso di terra sono presenti induttanza e alta impedenza, si verificherà una caduta di tensione. Per questi motivi, si possono verificare instabilità o fluttuazioni di potenza nel segnale. Pertanto, è fondamentale garantire una corretta messa a terra.
Tecniche comuni di messa a terra dei PCB nella progettazione dei PCB
Come accennato in precedenza, il tipo di messa a terra può variare a seconda delle esigenze, che possono derivare anche dai requisiti di progettazione del PCB. Di seguito sono riportati sette tipi di messa a terra utilizzati nei circuiti stampati (PCB).
#1 Messa a terra a punto singolo
Come si può capire dal nome, queste messe a terra terminano in un punto. Ogni traccia di massa del PCB si incontra in un punto di massa. Si possono osservare principalmente nei circuiti a bassa frequenza.
#2 messa a terra multi-punto
Questo tipo di messa a terra prevede più di un punto di massa. Questi punti di massa vengono creati in base alle esigenze o alla posizione dei diversi componenti. Questo tipo di messa a terra (GND) è più comune nei circuiti stampati (PCB) ad alta frequenza.
#3 Piano di terra
Questo tipo di messa a terra utilizza un intero piano del PCB. In genere si tratta di uno strato ampio, denso e conduttivo. I PCB multistrato utilizzano questo tipo di messa a terra.
#4 Star Grounding
Il sistema collega tutti i collegamenti di terra secondo uno schema a stella. Il suo compito principale è bloccare l'accoppiamento di rumore tra i sottocircuiti. Questo tipo di messa a terra è adatto per sistemi analogici e audio sensibili.
#5 Getti a terra
Un ground pour è un'ampia area riempita di rame. Si collega a terra e garantisce il flusso verso gli altri componenti. Questo tipo di collegamento GND è ideale per la dissipazione del calore e la riduzione delle interferenze elettromagnetiche (EMI).
#6 Tracce di guardia
Questo tipo di messa a terra si trova accanto alla linea del segnale. Questa posizione unica riduce principalmente il rumore e previene la diafonia. Questo tipo di messa a terra è ideale per dispositivi con alta impedenza o segnali sensibili.
#7 Piano di terra diviso
Questo tipo di messa a terra è presente in diverse sezioni del circuito stampato. I collegamenti di messa a terra si trovano in stati isolati lungo tutto il circuito. Utilizza una messa a terra separata per i circuiti analogici, digitali e di potenza per ridurre le interferenze.
Migliori pratiche per la messa a terra del PCB durante la progettazione di un PCB
Oltre ad altre regole, posizionare correttamente il GND è fondamentale nella progettazione di un PCB. Ecco alcuni suggerimenti da tenere in considerazione durante la progettazione del PCB.
#1. Puoi utilizzare un piano di massa solido se il tuo PCB richiede una qualità del segnale ad alte prestazioni. Come sai, il piano di massa solido è spesso presente in un PCB multistrato.
#2 Se il PCB presenta circuiti analogici o misti sensibili, è possibile ridurre i loop di terra. In questo caso, è possibile separare i percorsi di ritorno ad alta e bassa corrente. In questo modo, è possibile evitare la messa a terra a cascata.
#3 Se il PCB contiene circuiti integrati con pin, c'è un'alta probabilità di generare rumore di frequenza. In tali situazioni, è possibile stabilizzarne la tensione posizionando i condensatori di bypass il più vicino possibile.
#4 Se il PCB richiede una messa a terra a bassa impedenza, è possibile instradare la massa anche su un singolo strato. È possibile utilizzare delle vie per ridurre l'induttanza se il PCB ha una struttura multistrato.
#5 Alcuni PCB utilizzano segnali misti, come quelli analogici e digitali. In tali situazioni, è possibile utilizzare la tecnica di messa a terra a stella.
#6 Alcuni PCB presentano carichi di corrente dinamici. In tali situazioni, è possibile considerare l'utilizzo di piste più spesse per la massa (GND).
#7 Se il PCB presenta circuiti ad alta tensione, è possibile migliorare la sicurezza e l'isolamento acustico. In tali situazioni, il piano di massa separato è l'ideale.
Sintesi
Il GND è una delle parti più critiche di un PCB. È tipicamente necessario per la sicurezza, la qualità del segnale e la stabilità dell'alimentazione. L'articolo precedente ha menzionato vari tipi di GND per PCB. Ha anche riassunto alcuni suggerimenti da considerare nella progettazione di un GND in elettronica.
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