Conexión a tierra de PCB dentro de una caja de aluminio

He estado investigando un poco sobre esta pregunta y, aunque encontré varias preguntas aquí que preguntan algo similar, no obtengo la comparación lado a lado que estoy buscando. Por lo tanto, decidí hacer mi propia versión de la pregunta.

Estoy diseñando una PCB que eventualmente se colocará dentro de una caja de aluminio y se usará al aire libre expuesta a los elementos. Una serie de otros dispositivos están conectados a esta caja a través de longitudes de cable potencialmente largas. Dado que este dispositivo estará expuesto, debo hacer todo lo posible para proteger la PCB de los rayos cercanos y eventos similares. El gabinete en sí tiene una lengüeta de conexión a tierra de cobre grande a la que se conecta una correa de conexión a tierra externa. La correa de conexión a tierra está conectada a una gran varilla de conexión a tierra clavada profundamente en la tierra. Mi pregunta se refiere a la conexión entre la PCB y la caja de aluminio.

Hay dos opciones que me gustaría comparar:

  1. Un cable de alta resistencia de aproximadamente 3 a 6 pulgadas de largo se suelda directamente a una almohadilla de tierra grande en la placa de circuito impreso que se conecta a un vertido de cobre que cubre las capas superior e inferior de la placa. Este cable luego se conecta a la parte posterior de uno de los tornillos de montaje de la lengüeta de conexión a tierra con un conector de crimpado de anillo grande.

  2. El contacto a tierra se realiza entre la placa de circuito impreso y la carcasa de aluminio mediante cuatro tornillos de montaje grandes enchapados en cobre que aseguran la placa en la caja a través de los orificios de montaje roscados provistos. Los orificios/almohadillas de montaje en la placa de circuito impreso están enchapados y conectan la placa de circuito impreso a tierra mediante los tornillos revestidos de cobre.

¿Cuál de estas dos opciones se prefiere para conectar a tierra la PCB y proteger contra EMI y/o grandes sobretensiones? Obviamente, estoy buscando la opción de impedancia más baja, cuya intuición me diría que es aquella en la que la conexión a tierra se realiza a través de los tornillos de montaje, pero ha habido cierta discusión sobre lo contrario.

Esta pregunta es casi imposible de responder. No sabemos nada sobre los diámetros (impedancias) de las soluciones propuestas. En mi opinión: si realmente necesita la opción de impedancia más baja, ¿por qué no aplica ambas opciones?
¿Podría colocar un pararrayos cerca de su dispositivo en lugar de utilizar su dispositivo como un pararrayos?
El aluminio no debe entrar en contacto con la tierra/suelo y no puede estar en contacto con alcalinos ni incrustarse directamente en el hormigón. Necesitará elementos bimetálicos calificados para la transición entre cobre y aluminio. El agua que sale del cobre también oxidará el aluminio. Y aún puede obtener un destello lateral/arco dentro de una caja. Quizás más de lo que quiera leer, pero quizás consulte NFPA 780, UL 96 y 96A y LPI 175.
@StefanWyss Entendido, supongo que hay muchas más variables a considerar además de las que mencioné. El cable de tierra soldado a la almohadilla de tierra es un cable trenzado #12 AWG, aunque no podría decirle cuántos hilos. Los tornillos enchapados en cobre son #10-32, y los orificios de montaje de PCB tienen un diámetro de aproximadamente 7 mm con almohadillas de 10 mm de diámetro. El tablero tiene un grosor de 2,2 mm. Sin embargo, esta probablemente no sea suficiente información para comenzar, supongo que solo estoy buscando una idea general. Estoy tratando de evitar tener que soldar el cable porque con la basura sin plomo, soldar una almohadilla tan grande es muy complicado.
@AndrewMorton Caen rayos cercanos , ¡no golpes directos! Los cables largos que entran en esta caja actúan como antenas y si cae un rayo (incluso dentro de un par de millas) puede inducir corriente en los cables, causando un pico de voltaje significativo. Tengo protección contra sobretensiones en el tablero (tubos de descarga de gas, estranguladores, diodos TVS, etc.) que desvían el exceso de energía a tierra. Sin embargo, nada de eso sobreviviría a un ataque directo, y soy muy consciente de eso.
@jonk Esto también se me pasó por la cabeza. Hay muchos problemas potenciales (sin juego de palabras) con metales diferentes, y ese también es un problema que deberá resolverse. Gracias por el material de referencia sin embargo.
@DerStrom8 Tenga en cuenta que el voltaje de tierra cercano puede saltar bastante alto, con grandes gradientes de voltios / metro también. (Puede tener corrosión galvánica forzada de metales nobles, que normalmente no es el caso. Esto sería un problema a corto plazo, a menos que se encuentre en un área donde las altas corrientes de tierra son la norma, como las que pueden causar las fundiciones cercanas). En una instalación visité, todo el edificio saltaba 7 kV cuando se activaba una (gran) máquina de rayos X. Por lo tanto, es posible que también se deba prestar atención a las distancias a través de las cuales las cosas están conectadas galvánicamente. Sin embargo, parece que tienes control sobre las cosas.
@jonk Correcto, no esperaría que este dispositivo vea corriente a tierra muy a menudo, y cuando lo hace, sería un transitorio muy breve. Me imagino que el contacto directo sería mi única preocupación en este momento, a menos que las pruebas a largo plazo sugieran lo contrario.

Respuestas (1)

Usando el método n.º 1 como base, se supone que el cable debe ir a un gran vertido que NO es el plano de tierra en la PCB, pero se separa de él y aún así se conecta en un punto. Todas las demás cosas que pueden verse afectadas por eventos transitorios también deben conectarse a este plano (como carcasas traseras de conectores y blindajes de cables).

El propósito de esto es proporcionar un camino para que las corrientes transitorias fluyan a tierra mientras se mantiene el PCB al mismo potencial que el transitorio, pero sin permitir que el transitorio fluya a través del PCB en su camino a tierra.

Esto descarta automáticamente el #2 porque tener múltiples conexiones a tierra significa que la corriente transitoria podría fluir A TRAVÉS de la PCB en su camino a tierra. Incluso si el plano de tierra está separado de los planos de tierra, el hecho de que se superpongan introduce un acoplamiento capacitivo entre los planos.

La conexión a un solo punto en la PCB sin plano de división tiene un problema similar en el sentido de que la corriente se propaga cuando está en el plano de tierra y esto puede fluir debajo de los componentes, razón por la cual desea la división y la conexión al plano de tierra en un solo punto.

Si puede encontrar una copia del libro de Henry Ott, cubre esto con más detalle en el Capítulo 15.

Aquí hay una tabla que compara la impedancia de las conexiones soldadas frente a las atornilladas. No es directamente aplicable a su escenario, pero creo que indica que el método de tornillo de cobre y elevador debería estar bien, siempre que solo esté conectado a un punto en la PCB. Dado que es solo una conexión de un solo punto, también se puede conectar directamente al plano de tierra en este caso, ya que las corrientes transitorias en el gabinete no deberían fluir a través del elevador. No necesita un mini plano de tierra en la PCB (esa es la carcasa conductora en sí).

Este punto de conexión al gabinete debe estar lo más cerca posible de todas las conexiones de blindaje de cables al gabinete, si las tiene.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Tomado de Compatibilidad electromagnética, Henry Ott 2009

Soy muy consciente de que la conexión a tierra no es lo mismo que la conexión a tierra del circuito. Está conectado a la tierra del circuito por medio de una conexión Kelvin cerca de la almohadilla de tierra. El vertido en las capas superior e inferior está destinado a actuar como una especie de "escudo", mientras tengo mi circuito conectado a tierra en un plano interno. Esto descarta su exclusión del n. ° 2 porque las cuatro conexiones están en el vertido de tierra, no en el plano de tierra del circuito. Por lo tanto, mi pregunta sigue siendo válida.
¿El vertido de tierra se superpone con los vertidos de tierra en el escenario n.º 2? Porque eso aún presentaría un problema similar debido al acoplamiento capacitivo entre los planos.
Hmm, ese es un punto justo que no tomé en consideración. De hecho, se superponen, lo que permitiría el acoplamiento capacitivo. Había otra opción que podría resolver este problema: tener una pequeña isla de cobre alrededor de uno de los orificios de montaje en la red de conexión a tierra. Esta isla se conectaría a la tierra del circuito a través de una conexión Kelvin, como antes. Los tres orificios de montaje restantes estarían aislados. Esto proporciona un único punto de conexión a tierra que no se superpone a la conexión a tierra del circuito. ¿Quizás esto sería mejor que tener un cable de 12 AWG soldado a la placa?
¿Sería correcto decir que eso reduce la pregunta de si un cable soldado directamente frente a un tornillo de cobre sería mejor para una conexión de un solo punto para la PCB a tierra? Déjame revisar mi libro. Creo recordar que tenía comparaciones de la impedancia asociada con diferentes tipos de conexiones.
Esa es efectivamente la pregunta, aunque realmente el objetivo es determinar si una conexión de tornillo funcionaría lo suficientemente bien como para reemplazar la conexión soldada, que es más costosa y requiere más esfuerzo para hacerla.
¡Bonita mesa! Esa es muy buena información. En este punto, solo estoy tratando de identificar qué opción va con qué entrada de la tabla. Usando el cable #12 AWG soldado a la placa, luego soldado/engarzado a un terminal de anillo, que luego se conecta a la lengüeta de tierra de cobre, parece que puede encajar en la tercera fila de la tabla. El tornillo que monta la placa de circuito impreso directamente en el gabinete suena como si encajara en la última fila. ¿Estarías de acuerdo? ¿Los estoy clasificando mal?
No creo que haya una comparación 1:1 aquí debido a las diferentes aplicaciones. Publiqué esto más para mostrar cuán cerca están el uno del otro, no para calificarlos entre sí. Creo que el blindaje del cable en la tabla es más parecido a su plano de PCB que a un cable de tierra. La última fila no tiene nada, ni siquiera soldadura, entre el escudo y la carcasa que no parece coincidir con nada en su escenario. Su configuración siempre tendrá algo adicional, como un cable con soldadura o terminal de anillo, un elevador y un tornillo, o tal vez una carcasa trasera del conector presionada contra la carcasa.
Conexión a tierra de PCB dentro de una caja de aluminio
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