Fizycznie, w jaki sposób podłączenie płytki drukowanej do uziemienia obudowy zmniejsza hałas?

Zdaję sobie sprawę, że może się to zdublować. Czy uziemienie podwozia powinno być podłączone do uziemienia cyfrowego? ale odpowiedzi w tym wątku nie wyjaśniają, dlaczego należy podłączyć obudowę do uziemienia płytki drukowanej, poza oczywistymi obawami dotyczącymi bezpieczeństwa, które rozumiem.

Moja logika jest następująca: jeśli mam płytkę drukowaną z czułym obwodem analogowym, powinienem umieścić ją w metalowej obudowie i chronić ją przed płytką drukowaną. Podwozie działa jak klatka Faradaya, która chroni moją płytkę drukowaną przed hałasem z zewnątrz EM, a także chroni przed hałasem pochodzącym z mojej (powiedzmy) RF PCB. Nie widzę powodu, aby połączyć te dwa elementy, jeśli bezpieczeństwo nie stanowi problemu. Wydaje się, że odpowiedź draeth w powyższym linku jest z tym zgodna.

Jednak konwencjonalna wiedza bardzo dobrze poinformowanych osób mówi, że należy ustanowić ścieżkę o niskiej impedancji do metalowej obudowy, aby zmniejszyć hałas i zakłócenia elektromagnetyczne.

Dlaczego należy to zrobić? Wygląda na to, że łącząc moją masę z podwoziem, można by wystawić obwód na hałas z zewnątrz. A także narażaj otoczenie na hałas!

To będzie kolejne kontrowersyjne pytanie, więc pozwólcie, że sparafrazuję i czasami cytuję ze źródła (podręcznika), które uważam za wiarygodne, EMC i płytki drukowanej Marka Montrose'a. Najpierw przejdźmy do zwykłej terminologii:

• uziemienie bezpieczeństwa = ziemia połączona ścieżką o niskiej impedancji z ziemią
• napięcie sygnału (odniesienie) do masy, np. płaszczyzna uziemienia na płytce drukowanej

Teraz potencjalnie szokujący cytat (s. 249):

Połączenie dwóch metod uziemienia może być nieodpowiednie dla konkretnego zastosowania i może zaostrzyć problemy EMC. [...] Istnieją powszechne nieporozumienia dotyczące uziemienia. Większość analityków uważa, że ​​uziemienie jest bieżącą ścieżką powrotną, że dobre uziemienie zmniejsza szumy w obwodzie. To przekonanie powoduje, że wielu zakłada, że ​​możemy zatapiać głośny prąd o częstotliwości radiowej w ziemi, ogólnie poprzez główną strukturę uziemiającą budynku. Jest to ważne, jeśli mówimy o uziemieniu bezpieczeństwa, a nie referencyjnym napięciu odniesienia. Chociaż droga powrotna RF jest obowiązkowa, nie musi mieć potencjału ziemi. Wolna przestrzeń nie ma potencjału gruntu .

(Podkreśl moje).

Po ustaleniu, że (jeśli trzeba to powiedzieć), co z podłączeniem PCB (lub w przypadku urządzenia wielopłytkowego, kilku PCB) do uziemienia metalowej obudowy / podstawy, nawet jeśli ta ostatnia nie jest podłączona do uziemienia / uziemienie bezpieczeństwa? (Na przykład możesz mieć klatkę Faradaya umieszczoną w plastikowej obudowie).

Najpierw musimy wyjaśnić coś innego: jeśli masz system wielopłytkowy, uziemienie jednopunktowe (inaczej „święte” uziemienie, bez żartów) jest odpowiednie, gdy prędkość sygnałów / elementów wynosi 1 MHz lub mniej , zwykle w obwody audio, systemy zasilania sieciowego itp. W przypadku wyższych częstotliwości roboczych, np. komputera, stosuje się uziemienie wielopunktowe. W przypadku częstotliwości mieszanych oba są łączone w hybrydowej technice uziemienia, jak pokazano poniżej (rysunek z książki Montrose):

I oto w zasadzie dlaczego chcesz wielopunktowego uziemienia dla systemów wysokiej częstotliwości, co w książce Montrose'a (s. 274) jest wyjaśnione w kontekście systemu z płytami głównymi (np. Typowym komputerem stacjonarnym):

Pola RF generowane z PCB [...] połączą się ze strukturą metaliczną. W rezultacie prądy wirowe RF będą się rozwijać w strukturze i będą krążyć w jednostce, tworząc rozkład pola. Ten rozkład pola może łączyć się z innymi obwodami [...] Te prądy wirowe są sprzężone z klatką karty poprzez impedancje przenoszenia rozdzielczego, a następnie poprzez próby zamknięcia pętli przez sprzężenie z powrotem do płyty montażowej. Jeżeli impedancja odniesienia wspólnego trybu między płytą montażową a koszykiem karty nie jest znacznie niższa niż w rozdzielnym „źródle napędowym” (prądów wirowych), między płytą montażową a koszykiem karty powstanie napięcie RF. [...] Mówiąc najprościej, potencjał widmowy w trybie wspólnym między płytą montażową a kartą karty musi zostać zwarty.

Jeśli zastanawiasz się, dlaczego płyta główna komputera stacjonarnego ma połączenia elektryczne za pomocą wszystkich śrub mocujących ją do (metalowej) obudowy, właśnie dlatego tam są.

Uwaga: Podstawy uziemienia Joffe i Locka podają prawie takie samo wyjaśnienie w części zatytułowanej „Cel zszywania płyt powrotnych do podwozia PCB” , więc myślę, że eksperci się z tym zgadzają.

Mówiąc dokładniej, konwencjonalną mądrością jest posiadanie dokładnie jednego połączenia o niskiej impedancji z masą podwozia. Często jest bardzo blisko regulatora napięcia.

Ważne jest, aby było tylko jedno połączenie. Nad i wokół obudowy będą płynąć prądy szumowe, pod warunkiem, że obudowa jest metalowa i całkowicie zamknięta, a zatem działa jak klatka Faradaya. Jednak dopóki podłączasz się tylko w jednym miejscu, wszelkie prądy płynące wokół obudowy nie mogą przepływać przez twoje obwody. Nie mogą, bo nie ma ścieżki.

Jeśli jednak masz dwa połączenia, to jeśli między tymi dwoma punktami występuje napięcie (co jest prawdopodobne, biorąc pod uwagę cały hałas), wówczas prąd szumu może przepływać przez twoje obwody.

Dlaczego więc nie zerować połączeń? Pomyśl o tym. Jak dostaniesz jakieś przewody? Podejrzewam, że jeśli jest zasilany bateriami i nie ma żadnych wejść ani wyjść, możesz umieścić wszystko w klatce Faradaya, a to może działać całkiem dobrze. Z pewnością nie jest to wykonalne w przypadku większości obwodów, które mają co najmniej kilka połączeń zewnętrznych, z których niektóre odnoszą się do uziemienia, więc musisz gdzieś się z nimi połączyć.

Dlaczego te połączenia zewnętrzne nie przechodzą przez otwór w obudowie przez izolowane złącze, aby nie były elektrycznie połączone z obudową? No cóż, wszelkie szumy wspólne w tych kablach będą po prostu przechodzić przez otwór i wewnątrz obudowy. Równie dobrze możesz nie mieć żadnej sprawy.

Idealnie, ekran wszelkich kabli wejściowych i wyjściowych jest podłączony do metalowej obudowy. Jeśli pomyślisz o tym topologicznie, obudowa jest jak grubsza część ekranu kabla, a twoje obwody znajdują się wewnątrz kabla.

Powinieneś zadać sobie pytanie, co jeszcze poza pudełkiem jest przymocowane do płytki drukowanej. Jeśli kabel jest podłączony do płytki drukowanej, zniszczyłbyś ekranowanie, wpuszczając hałas przez kabel do płytki drukowanej. Teraz naprawdę zależy od sytuacji, czy pomoże to dodać ścieżkę o niskiej impedancji z uziemienia sygnałowego do obudowy, aby pozbyć się bałaganu, który wpuszczono przez przewody kablowe. Jeśli pozbędziesz się szumu bezpośrednio w miejscu, w którym wchodzi on do obudowy przez kondensatory i 360-stopniowe połączenie ekranu kabla, nadal masz rację. Przeważnie nie jest to zbyt praktyczne i należy zalecić, aby uziemienie sygnału było częścią ścieżki hałasu do podwozia.