Die Erdungsfläche auf einer Leiterplatte ist in der Regel ein großer Metallbereich, der mit der Schaltungserde verbunden ist. Dieser Metallbereich kann nur einen kleinen Teil der Platine einnehmen oder sich bei mehrschichtigen Designs über eine gesamte Schicht erstrecken. Je nach Designanforderungen kann er sogar mehrere Schichten umfassen.
Einfach ausgedrückt ist die Erdung die Festlegung eines „Referenz-Nullpunkts” für einen Stromkreis. Dieser „Nullpunkt” hat zwei Zwecke: erstens, einen klaren Rückleitungsweg für den Strom bereitzustellen, und zweitens, die Spannung des Stromkreises zu stabilisieren und Störgeräusche zu unterdrücken. Aus technischer Sicht beinhaltet die Erdung die Einrichtung eines Referenzpotenzialpunkts mit niedriger Impedanz, der in der Regel mit dem gemeinsamen Knotenpunkt des Systems oder direkt mit einem Erdungsstab verbunden ist.
Die Erdung von Leiterplatte ist jedoch nicht auf einen einzigen Modus beschränkt, sondern umfasst mehrere Arten mit jeweils einzigartigen Funktionen und Anwendungsbereichen:
Signalerdung: Die Signalerdung bietet eine stabile „Referenzleitung“ für analoge oder digitale Signale und verhindert so Signalabweichungen. In den meisten Fällen werden Signalerdung und Stromerdung kombiniert, aber in einigen Präzisionsschaltungen mit extrem hohen Genauigkeitsanforderungen wird die Signalerdung separat eingerichtet. Schaltungen mit extrem hoher Signalempfindlichkeit, wie z. B. Audioverstärker, verwenden häufig eine Signalerdung.
Stromerdung: Die Stromerdung übernimmt die Aufgabe, hohe Ströme im Stromkreis zu leiten und eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten. Aufgrund des hohen Stromflusses muss der Stromerdungspfad robust und stabil ausgelegt sein, da es sonst zu Spannungsabfällen kommt, wenn hohe Ströme fließen. Die Stromerdung findet sich häufig in Schaltungen, die eine hohe Leistung erfordern, wie z. B. Leistungsmodule und Motorantriebe.
Sicherheitserdung: Die Sicherheitserdung verbindet das Gehäuse des Geräts mit dem Erdungssystem. Im Falle eines Fehlers, der zu einem Leckstrom führt, leitet sie den Strom schnell um, um Verletzungen durch Stromschläge zu verhindern. Die Sicherheitserdung ist in der Regel direkt mit der Erde verbunden und entspricht streng den Sicherheitsstandards. Haushaltsgeräte und Industrieanlagen müssen alle mit einer Sicherheitserdung ausgestattet sein, um eine sichere Verwendung zu gewährleisten.
Abschirmungserdung: Bei der Abschirmungserdung wird die Abschirmungsschicht geerdet, um externe elektromagnetische Störungen zu blockieren. Um die Bildung von Störschleifen zu vermeiden, wird bei der Abschirmungserdung in der Regel eine Einpunkt-Erdungsmethode verwendet. In Szenarien mit hohen Anforderungen an die elektromagnetische Umgebung, wie z. B. HF-Schaltungen und abgeschirmte Kabel, spielt die Abschirmungserdung eine entscheidende Rolle.
Virtuelle Masse: Was ist die Funktion einer virtuellen Masse? Nehmen wir als Beispiel einen Operationsverstärker, der intern über einen „analogen Nullpunkt“ verfügt. Dieser „Nullpunkt“ ist nicht tatsächlich mit der Erde verbunden, aber sein Potenzial entspricht dem tatsächlichen Nullpunkt. Eine virtuelle Masse wird durch Rückkopplungssteuerung erreicht, und es fließt kein Strom durch sie hindurch. Das Konzept der virtuellen Masse wird häufig im analogen Schaltungsdesign und bei der Leistungsanalyse von Verstärkern verwendet.
Wechselstromerdung: Die Wechselstromerdung bietet ein stabiles Referenzpotential für den Stromversorgungseingang und widersteht gleichzeitig hochfrequenten Störungen. Sie hat eine niedrige Gleichstromimpedanz und hält das Potential auch in hochfrequenten Umgebungen stabil. Die Wechselstromerdung wird häufig in Schaltungen verwendet, die mit Wechselstromumwandlung zu tun haben, wie z. B. Schaltnetzteile und Transformatorschaltungen.
Die Massefläche auf einer Leiterplatte hat drei wichtige Funktionen:
Spannungsrückleitung: Die meisten Bauteile auf einer Leiterplatte sind mit dem Stromnetz verbunden, und die Rückleitung der Spannung erfolgt über das Massennetz. Bei Leiterplatten mit nur einer oder zwei Schichten erfordert das Massennetz in der Regel breitere Leiterbahnen für das Routing. Durch die Verwendung einer gesamten Schicht für die Massefläche auf einer mehrschichtigen Leiterplatte wird jedoch der Anschluss jedes Bauteils an das Massennetz vereinfacht.
Signalrückführung: Auch reguläre Signale müssen zurückgeführt werden, und bei Hochgeschwindigkeitsdesigns ist ein klarer Rückführungsweg auf der Masse sehr wichtig. Ohne einen solchen klaren Rückführungsweg können diese Signale erhebliche Störungen im Rest der Leiterplatte verursachen.
Reduzierung von Rauschen und Störungen: Mit zunehmender Signalgeschwindigkeit werden auch die Schaltzustände digitaler Schaltungen häufiger. Dies erzeugt Rauschimpulse über den Erdungskreis, die andere Teile der Schaltung beeinträchtigen können. Eine Erdungsschicht mit einer größeren leitfähigen Fläche trägt zur Reduzierung solcher Störungen bei, da sie im Vergleich zur Verlegung des Erdungsnetzes über Leiterbahnen eine geringere Impedanz aufweist.
Methoden zur Umsetzung der PCB-Erdung
Die PCB-Erdung kann auf verschiedene Weise umgesetzt werden, darunter vor allem Einpunkt-Erdung, Mehrpunkt-Erdung, Floating-Erdung und Hybrid-Erdung. Jede Erdungsmethode hat ihre eigenen Anwendungsbereiche und Vor- und Nachteile, und Entwickler müssen die geeignete Erdungsstrategie auf der Grundlage der spezifischen Anwendungsanforderungen und Schaltungseigenschaften auswählen.
Einpunkt-Erdung:
Die Einpunkt-Erdung bezieht sich auf ein System, bei dem nur ein physischer Punkt als Erdungsreferenzpunkt definiert ist und alle anderen Punkte, die geerdet werden müssen, direkt mit diesem Punkt verbunden sind. Diese Methode ist besonders effektiv in Niederfrequenzschaltungen, da die Länge der Leiter und parasitäre Effekte bei niedrigen Frequenzen nur minimale Auswirkungen haben. Die Einpunkt-Erdung reduziert die Gleichtaktimpedanzkopplung und Niederfrequenz-Erdschleifeninterferenzen, kann jedoch in Hochfrequenzschaltungen neue Probleme verursachen.
Mehrpunkt-Erdung:
Mehrpunkt-Erdung bezeichnet die direkte Verbindung jedes Erdungspunkts in einem elektronischen Gerät mit der nächstgelegenen Erdungsfläche (z. B. der Metallgrundplatte des Geräts). Diese Methode ist in Hochfrequenzschaltungen häufiger anzutreffen, da die Auswirkungen von parasitärer Kapazität und Induktivität bei hohen Frequenzen erheblich sind. Die Mehrpunkt-Erdung reduziert Störungen durch gemeinsame Erdungsimpedanz und minimiert die Auswirkungen von parasitärer Kapazität und Induktivität auf die Signalintegrität.
Floating Ground:
Die Floating-Ground-Technologie bezeichnet eine PCB-Erdung, die nicht direkt über einen Leiter mit der Erde verbunden ist. Diese Erdungsmethode isoliert den Schaltkreis von den elektrischen Eigenschaften der Erde und sorgt für einen hohen Isolationswiderstand zwischen der Stromerdung und der Signalerdung, wodurch elektromagnetische Störungen wirksam blockiert werden. Allerdings ist Floating Ground anfällig für die Auswirkungen parasitärer Kapazitäten, die zu Schwankungen des Erdungspotenzials führen und induzierte Störungen in analogen Schaltkreisen verstärken können.
Gemischte Erdung:
Die gemischte Erdung ist eine Kompromisslösung, die die Eigenschaften der Einpunkt- und Mehrpunkt-Erdung kombiniert, um unterschiedlichen Frequenzanforderungen gerecht zu werden. In breitbandempfindlichen Schaltungen optimiert die gemischte Erdung die Leistung, indem sie bei niedrigen und hohen Frequenzen unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Beispielsweise verhindert die Trennung der Gleichstromerdung von der HF-Erdung über einen Kondensator die Bildung von Erdschleifen und sorgt gleichzeitig für niederohmige Verbindungen an Hochfrequenz-Signalpunkten.
Die Erdung von Leiterplatte ist eine grundlegende, aber komplexe Kunst im Bereich des elektronischen Schaltungsdesigns. Dabei geht es nicht nur um die Bereitstellung einer einfachen „Nullpotenzial”-Referenz, sondern auch um die effektive Rückführung von Strom, die Stabilität der Systemspannung, die Unterdrückung von Störgeräuschen und die Optimierung der elektromagnetischen Verträglichkeit.
