Físicamente, ¿cómo la conexión de una PCB a la tierra del chasis reduce el ruido?

Esta será otra pregunta controvertida, así que permítanme parafrasear y ocasionalmente citar una fuente (libro de texto) que considero creíble, EMC y el tablero de circuito impreso de Mark Montrose. Primero, vamos a introducir la terminología habitual:

• tierra de seguridad = una tierra que está conectada por un camino a tierra de baja impedancia
• tierra de la señal (referencia) a tierra, p. ej. plano de tierra en un PCB

Ahora una cita potencialmente impactante (pág. 249):

  

La conexión de los dos métodos de tierra puede no ser adecuada para una aplicación en particular y puede exacerbar los problemas de EMC. [...] Existen conceptos erróneos comunes con respecto a la puesta a tierra. La mayoría de los analistas creen que la conexión a tierra es un camino de retorno actual que una buena conexión a tierra reduce el ruido del circuito. Esta creencia hace que muchos asuman que podemos hundir una corriente de RF ruidosa en la tierra, generalmente a través de la estructura de puesta a tierra principal de un edificio. Esto es válido si estamos hablando de conexión a tierra de seguridad, no de referencia de voltaje de señal. Aunque una ruta de retorno de RF es obligatoria, no necesita estar a un potencial de tierra. El espacio libre no está en el potencial de tierra .

(Énfasis mío).

Habiendo establecido que (si es necesario decirlo), ¿qué pasa con la conexión de una PCB (o en el caso de un dispositivo de varias tarjetas, varias PCB) conectadas a tierra a la caja / chasis metálico, incluso si esta última no está conectada? a la tierra / tierra de seguridad? (Podría tener una jaula de Faraday alojada en una caja de plástico, por ejemplo).

Primero necesitamos aclarar algo más: si tiene un sistema de múltiples tarjetas, la conexión a tierra de un solo punto (también conocida como "tierra santa", no es broma) es adecuada cuando la velocidad de las señales / componentes es 1 Mhz o menos , que generalmente se encuentra en circuitos de audio, sistemas de alimentación de red, etc. Para frecuencias de funcionamiento más altas, por ejemplo Se utiliza una computadora, puesta a tierra multipunto. Para frecuencias mixtas, ambas se combinan en una técnica de conexión a tierra híbrida como se muestra a continuación (figura del libro de Montrose):

Yaquíesbásicamenteporquédeseaunaconexiónatierrademúltiplespuntosparasistemasdealtafrecuencia,queenellibrodeMontrose(pág.274)seexplicaenelcontextodeunsistemacontablassecundarias(porejemplo,sucomputadoradeescritoriotípica):

  

LoscamposdeRFgeneradosdesdeunaPCB[...]seacoplaránaunaestructurametálica.Comoresultado,lascorrientesdeFoucaultdeRFsedesarrollaránenlaestructuraycircularándentrodelaunidadcreandounadistribucióndecampo.Estadistribucióndecampopuedeacoplarseaotroscircuitos[...]  Estas[corrientesdeEddy]seacoplanalajauladelatarjetaatravésdeimpedanciasdetransferenciadistributivasyluegoatravésdelosintentosdecerrarelbuclemedianteelacoplamientodenuevoalbackplane.Silaimpedanciadereferenciaenmodocomúnentrelaplacaposteriorylacajadelatarjetanoessignificativamentemenorquela"fuente de conducción" distributiva (de las corrientes de Foucault), se desarrollará un voltaje de RF entre la placa posterior y la caja de la tarjeta. [...] En pocas palabras, el potencial espectral de modo común entre la placa posterior y la caja de tarjetas debe cortarse. Esto puede tomar la forma de conectar con frecuencia el plano de tierra del plano posterior al alojamiento de la tarjeta (chasis) a intervalos regulares alrededor del perímetro del plano posterior.

Si te preguntaste por qué la placa base de tu computadora de escritorio tiene conexiones eléctricas a través de todos los tornillos que la sujetan al estuche (metálico), es por eso que están ahí.

NB: Grounds for Grounding de Joffe and Lock ofrece prácticamente la misma explicación en su sección titulada " Propósito de unir PCB Devolución de planos al chasis ", por lo que creo que los expertos están de acuerdo con esto.

Más específicamente, la sabiduría convencional es tener exactamente una conexión de baja impedancia a tierra del chasis. Con frecuencia está muy cerca del regulador de voltaje.

Es importante que solo haya una conexión. Habrá corrientes de ruido que fluyen sobre y alrededor del estuche, siempre que el estuche sea metálico y completamente cerrado, y por lo tanto esté actuando como una jaula de Faraday. Sin embargo, siempre que se conecte en un solo lugar, las corrientes que fluyen alrededor del chasis no pueden fluir a través de su circuito. No pueden, porque no hay camino.

Sin embargo, si tiene dos conexiones, entonces si hay algún voltaje entre esos dos puntos (lo cual es probable, dado todo el ruido), entonces la corriente de ruido puede fluir a través de su circuito.

Entonces, ¿por qué no cero conexiones? Bueno, piensa en eso. ¿Cómo conseguirás los cables? Supongo que si funciona con baterías y no tiene entradas ni salidas, entonces puedes poner todo en una jaula de Faraday y eso podría funcionar bastante bien. Sin embargo, esto no es factible para la mayoría de los circuitos, que tienen al menos algunas conexiones externas, algunas de las cuales están referenciadas a tierra, por lo que necesita conectarse a ellas en algún lugar.

¿Por qué no hacer que esas conexiones externas pasen por un orificio en la caja a través de un conector aislado para que no estén conectadas eléctricamente a la caja? Bien, entonces, cualquier ruido de modo común en esos cables simplemente pasará a través del orificio y dentro de la caja. Bien podría no tener ningún caso en absoluto.

Lo ideal es que el blindaje de cualquier cable que esté dentro o fuera esté conectado al chasis metálico. Si piensa en esto topológicamente, el caso es como una sección más gruesa del blindaje del cable, y su circuito está dentro del cable.

Debería preguntarse qué otra cosa fuera de la caja se adjunta a la PCB. Si un cable está conectado a la PCB, destruiría el blindaje de manera deficiente dejando pasar el ruido a su PCB por medio del cable. Ahora realmente depende de la situación si ayuda a agregar una ruta de baja impedancia desde la conexión a tierra de la señal al chasis para deshacerse del desorden que deja pasar a través de los cables. Si elimina el ruido directamente en el punto en el que entra en el chasis mediante condensadores y el acoplamiento de 360 grados del blindaje del cable, todavía tiene razón. En general, esto no es muy práctico y se recomienda dejar que la conexión a tierra de la señal forme parte de la ruta de ruido del chasis.