Profesyonel bir Ground Plane nasıl oluşturulur ve metal gövdeye nasıl bağlanır ?

[musti463]

  Merhaba arkadaşlar.Ben bu ground plane oluşturma ve ground plane'yi metal gövdeye bağlama konusuna takmış durumdayım.Yabancı kaynaklarıda araştırdım.Belli miktarda kaynak edindim.Fakat henüz hepsini inceleme fırsatı bulamadım.Yeni bilgiler edindikçe eklediğim şemaları düzenleyip tekrar burada paylaşacağım.Forumdaki bilgili ve tecrübeli üyelerimizinde yardımıyla bu konuya kesin bir çözüm getirebilmek için bu konuyu açtım inşallah sonuç alırız.

  Özet olarak yabancı kaynaklarda da gördüklerime göre ground havuzunu(ground plane), metal gövde vasıtasıyla toprağa bağlama konusunda farklı fikirler var.Bazısı ince bir yol ile direk bağlayın diyor,bazısı 0 ohm direnç,bazısı kapasiteibazısı hiç bağlama vs vs.Picproje.org da daha önce açtığım bir konuda bu bağlama işinin kapasitörler vasıtasıyla yapıldığını  öğrenmiştim.Yabancı kaynaklarda da aynısına rastladım.Fakat kapasitörlerle farklı noktalardan mı? yoksa tek bir noktadan mı? metal gövdeye bağlamalıyız.Bir kaynakta mümkün olduğunca tek bir noktadan metal gövdeye bağlanması söylenmiş.Ben tam tersini düşünmüştüm,sizin bu konuda fikriniz nedir?İncelediğiniz endüstriyel kartlarda çok noktadan mı? yoksa tek noktadan mı? şaseye bağlanmış?

Bende edindiğim bilgilere göre basit bir şema oluşturdum konunun daha iyi anlaşılması için.Şemada bağımsız iki kaynak var birisi mcu'lu devreyi diğeri analog devreyi besliyor.Haliyle Toprak Havuzları da(Ground Plane) ayrı.Devre-1'de metal gövdeye(şaseye) çok noktadan bağlantı yapılmış.Fakat edindiğim bilgilere göre power olsun data olsun hiçbir hat iki farklı toprak havuzunu(ground plane) kesmemesi gerekiyor.Aşağıdaki devrede hem MCU hemde farklı hatlar iki  farklı toprak havuzunu kesiyor.Bu nedenle alttaki PCB çizimi yanlış

[IMG]http://i43.tinypic.com/2ufq36g.png[/img]

Devre-2 de ise Devre-1 deki elemanların yerleri ve hatların güzergahları değiştirilerek PCB şeması biraz daha iyileştirildi.Bu sayede hiçbir hat iki farklı toprak havuzunu(ground plane) kesmiyor.

[IMG]http://i43.tinypic.com/2itnfgw.png[/img]

Devre-3 de ise toprak havuzlarını mümkün oldukça tek noktadan metal kutuya bağlamaya çalıştım.Sol üstteki kare pad hariç diğer padların görüldüğü gibi toprak havuzlarıyla bir bağlantısı yok.

[IMG]http://i40.tinypic.com/30mwx8j.png[/img]


Sonuç olarak ben Devre-3'ün en sağlıklı dijital toprak ve metal kutu bağlantısı olduğu kanaatindeyim.Sizin yukarıdaki çizimler hakkındaki olumlu ve olumsuz görüşleriniz nelerdir? Fikirlerimizi paylaşarak en doğru yöntemi veya yöntemleri bularak bu konuya kesin bir çözüm getirmiş oluruz diye düşünüyorum

[Mnemonic]

 Musti merhaba;
daha önce açmış olduğun konuda da konuşmuştuk hatırlarsın. bende zamanında bu power plane ve groun plane olayları ile oldukça fazla ilgilenmiştir ve farklı pcbler yaparak deneme şansım olmuştı
benim deneyimlerim ve okuduğum bir çok yerde karşıma çıkan sonuç GND ile earth arası kondansatörün sadece tek bir noktandan ve mümükün olduğunca toprak bağlantı noktasına yakın olması gerektiği sonucudur. Gerekçe olarakda 2 farklı noktadan earth bağlantısı yapıldığı zaman mikro düzeyde de olsa omaj ve gerilim farklarından kaynaklı GND hattınıza geriye feedback akım oluşabiliyor ve GND üzerinde gürültü oluşabiliyor. üstelik bu EMC ve EMI yönündende devreyi kötü etkileyen bir şey.
yani kısacası benim deneyimlediğim GND plane ile toprak sadece bir tok noktadan bağlanmalı ve oda toprağa mümkün olan en kısa noktadan indirilmelidir
kondansatör değerine gelince onunla ilgili net bir şeyi bende malesef bulamadım biraz deneyimleyerek ve biraz GND gürültüsünü ölçerek değer değiştirmeyle doğru değeri elde ediyorum

[mustafaelektro]

bir kaç örnek de ben vereyim,
http://www.hartmann-electronic.com/images/contentimages/image_20_4_563.jpg
linkde bulunan kartta her slot başına GND-SASE arasına bir kapasite koyulmuş ve tüm devrede sadece bir tane GND -SASE arası direnç konulmuş.
bu kart üzerinde bulunan çiviler şaseye bağlı.

http://snebulos.mit.edu/projects/reference/NASA-Generic/NASA-HDBK-4001.pdf
bu dokumanda da nasanın araçlarında kullandığı grounding yöntemleri ve karşılaştırmalı bilgileri var.

bu bilgileri Ulusal Metroloji Enstitüsü  EMC eğitimine gelen yetkiliye gösterdiğimizde ona mantıklı gelmediğini söyledi ve testlerde takılan cihazlarda genelde gnd ile SASE arasını bağlıyoruz ve testleri geçiyorlar diyor. çok noktadan iyice bağlamayı tavsiye ediyor.

kanımca kullanılan yere özel yöntemler uygulamak gerekiyor.
gürültü nereden kaynaklanıyor? nereyi korumak istiyorsun? gürültünün türüne göre nasıl bir hat ile istediğin bölgeden uzaklaştırmayı sağladın?

biz genelde üzerine uğraştığımız konuyu anlatan dokumanlardan en güvenilir olduğunu düşündüklerimizi uyguluyoruz.

[z]

Devrenin GND sini topraga dogrudan baglaman sakinca yaratmiyorsa kondansatorlerle falan ugrasma. Dogrudan topraga bagla. Cihazin metal dis kutusuna da bagli olsun.

Buradaki sakinca gurultu falan degil. Kacak yapip insani carpma durumu vs varsa sakinca var yoksa dogrudan bagla.

[mustafaelektro]

bu bağlantı çarpılmamak içindir diyenlere söyleyecek birşeyim yok, sorun o ise çözüm güzel.

devre tasarımının her aşamasında bu konuya dikkat ederek ilerlemek gerekiyor.
kutu dışından bir gürültü gelme ihtimali varsa bunun da içeriye girmesini istemiyorsak o gürültüye daha kısa olan(direnci az) bir yol gösterip "buradan buyur abi, saygılar..." demek en akıllıca yöntem olur. bunun için kutu dışına bir bağlantı yapman gerektiğinde gürültüden etkilenen hatları (analog hat ve o hatta ait Ground vb..) kutu dışına direk temas ettirmek yerine önce güzel bir noktadan dijital hatlara bağlayabiliriz. iyice filtreledikten sonra o filtrelenen noktadan dış kutuya bağlantı yapabiliriz.

yada içeride bir gürültü varsa dışarı çıkartmak istemiyorsan(dışarı derken kutu dışı da olabilir yakındaki gürültünün zarar verebileceği devre parçasıda) bir an önce sönümlendirmeye uğraşırız.yada üretilen sinyal kullanıldığı yere giderken  tehlikeli yerlerden geçirmeyerek güzergahlar tasarlarız.

Ground Loop olayı da bu konulardaki bağlantı yöntemini hazırlarken dikkat edilmesi gereken etken.

[musti463]

Aslında bende Mnemonic hocam gibi tek noktadan bağlama taraftarıyım.Fakat mustafaelektro hocamın paylaştığı " http://www.hartmann-electronic.com/images/contentimages/image_20_4_563.jpg " linkinde de görüldüğü gibi c21,c31,c41,c51 vs vs diye çok noktadan kartı çevreleyecek şekilde bağlantı yapılmış ve de kendilerine gelen EMC eğitim yetkilisi de çok noktadan bağlanmasını tavsiye etmiş.

Ayrıca gtekdemir arkadaşımızda bir başka konuda "Modicom bir plc' nin gnd ile toprağı arasında pcbnin farklı noktalarından bağlanmış 3-4 tane 4n7 kondansatör görmüştüm. 4n7 50V olan bu kapasitelerin kılıfı neredeyse 1watt smd direnç (2512) ile aynı boyuttaydı. O zaman şaşırmıştım bu kondansatör ne den bu kadar büyük diye, muhtemelen Y2 tipinde bir kondansatördü." şöyle bir yorumu olmuştu.

@mustafaelektro hocam çok noktadan bağlamamız gerekiyorsa bu işi benim paylaştığım 2 numaralı devredeki gibi mi yapmalıyız? 2 numaralı devreye başka ne tavsiye edersiniz? Ben birde 2 numaralı devrede PCB yi çevreleyecek şekilde 2 cm aralıklı via lar yerleştirmeyi düşünüyordum nitekim sizin paylaştığınız resimdede böyle yapmışlar.

@Mnemonic hocam siz de PCB'nizi 3 numaralı PCB'deki gibi mi kuruyorsunuz? Başka ne gibi farklılılar var?

Benim, şuan tasarım aşamasında olan devrem, 24VDC ile beslenecek ve bu 24V'yi 2576(SMPS) ile 12V ve 5V'a dönüştürecek.Bu benim ilk profesyönel çalışmam(bana göre).İlerde EMC testine de sokmak istiyorum.Yorumlarınızı biraz da bu söylediklerimi dikkate alarak yapabilirseniz mutlu olurum

Birde genel anlamda paylaştığım devreler hakkında düşünceleriniz nelerdir paylaşırmısınız?

[OG]

Tek nokta bağlantısı, 0 potansiyelin tam doğru kullanılabilmesi için, GND nin uzanan bakır yollarındaki farklı değerlere sebebiyet vermemek için. Bu SMPS'lerde falan da kullanılır. Toprak baralarında falan da kullanılır. Ancak o iş çizdiğiniz pcb şekilleri sebebiyle pratikte o kadar kolay değil.

[musti463]

Tek nokta bağlantısı, 0 potansiyelin tam doğru kullanılabilmesi için, GND nin uzanan bakır yollarındaki farklı değerlere sebebiyet vermemek için. Bu SMPS'lerde falan da kullanılır. Toprak baralarında falan da kullanılır. Ancak o iş çizdiğiniz pcb şekilleri sebebiyle pratikte o kadar kolay değil.

Peki nasıl yapmalıyız hocam, paylaştığım devrelerde hata gördünüz galiba?

[OG]

Metal kasa buyukluğu aşağı yukarı devrenin büyüklüğü kadar ise çok noktadan temas yapabilirsin.

Metal kasa büyükçe olup, içinde birden fazla devre barındırıyor ise, o devrelerin Y kapasitesinden geçmiş ana toprakları (senin "şase gnd havuzu" olarak isimlendirdiğin nokta) birer kablo ile, kasanın aynı noktasında toplanırlar, kasaya vidalanırlar. Yani çok sayıda şase var ise ana dış kasada tek noktada toplanır.

Veya benzer şekilde, büyük metal kasada birden fazla küçük metal kasalı devreler var ise, küçüklerin gövdeleri, büyüğe tek noktadan irtibatlanır. Tabi küçük kasalar kendi içindeki devrelerin bağlantısına da dikkat edilmeli.

---

Çizimlerinden 2 nolu devre en itinalı olan gibi.

Ancak bu konu üzerine niçin bu kadar çok gidiyorsun bilmiyorum, bu konudan önemli sorunlar yaşaman daha mıhtemel, mesela opto ile analog transferde istenen sonuçları alabilecekmisin, gibi.

[Mnemonic]

@Mnemonic hocam siz de PCB'nizi 3 numaralı PCB'deki gibi mi kuruyorsunuz? Başka ne gibi farklılılar var?

Musti hocam aslında bı yapı devreye göre farklılık gözteriyor GND earth arası bağlantıyı tek noktadan en büyük power planenin olduğu yerden ve earth bağlantısına en yakın yerden yapmaya çalışıyorum.
ancak konu power plane kurmaya gelince devreye üzerindeki sinyallere ne kadar hassas olmasısı gerektiği gibi başlıkları değerlendirip akabinde
kaç adalı power plane yapılacak yollara ne kadar yakın olacak hangi entegre bacaklarına yakın olacak hangilerine olmayacak ortamda faraday kafesi oluşturacak bir kutu varmı geri besleme istenmeyen akımları varmı ve GND gürültüsü ne kadar az olması gerekiyor cevaplar ile farklı power planelerler kuruyorum
ama dediğim gibi ben bugüne kadar GND earth arası bağlantıyı hep tek noktadan GND'nin alan olarak en büyük olduğu yerden ve gürültüyü en çok oluşturabilecek komponente yakın yerden yaptım
hatta bazı devrelerde zaman zaman power plane kullanmanın kötü olduğunu görüp kaldırdığım bile oldu

[musti463]

Metal kasa buyukluğu aşağı yukarı devrenin büyüklüğü kadar ise çok noktadan temas yapabilirsin.

Metal kasa büyükçe olup, içinde birden fazla devre barındırıyor ise, o devrelerin Y kapasitesinden geçmiş ana toprakları (senin "şase gnd havuzu" olarak isimlendirdiğin nokta) birer kablo ile, kasanın aynı noktasında toplanırlar, kasaya vidalanırlar. Yani çok sayıda şase var ise ana dış kasada tek noktada toplanır.

Veya benzer şekilde, büyük metal kasada birden fazla küçük metal kasalı devreler var ise, küçüklerin gövdeleri, büyüğe tek noktadan irtibatlanır. Tabi küçük kasalar kendi içindeki devrelerin bağlantısına da dikkat edilmeli.

---

Çizimlerinden 2 nolu devre en itinalı olan gibi.

Ancak bu konu üzerine niçin bu kadar çok gidiyorsun bilmiyorum, bu konudan önemli sorunlar yaşaman daha mıhtemel, mesela opto ile analog transferde istenen sonuçları alabilecekmisin, gibi.

opto ile analog transferde ne gibi sorunlar çıkabilir hocam? Benim aklıma kullanılan op-amp ın giriş kayma geriliminin çıkışta sonucu etkileyecek derecede kayma oluşturması gibi bir sorun olabilir bunuda düşük giriş kayma gerilimi olan rail-to-rail bir op-amp kullanarak çözmeyi düşünüyorum.Siz ne gibi sorunlar çıkabilir diye düşünüyorsunuz hocam?Birde piyasada bu izolasyon nasıl yapılıyor hiç fikrim yok internetten bulduğum bir devreyi kullanacağım devremde.ISIS'de test ettim aslında izole ediyor gibiydi ama pratikte ne gibi sorunlar çıkabilir bilemiyorum açıkçası

@Mnemonic hocam power plane kullanmanın kötü olduğunu nasıl saptadınız acaba?

[Mnemonic]

genelde yüksel gerilim ve lojik kontrolün bir arada olduğu devrelerde mesela motor sürücü devrelerinde motorun üretmiş olduğu harmonikler bara gerilimine kadar vuruyor ve gnd üzerinde ciddi gürültüler oluşturabiliyor. bu tazr durumlarda power planei şase ile ilintileyip mcu çevresine yakın tutarsanız mcu resetlemesi yada osc üzerinde hatalar yapmasın neden olabiliyor. zamanlamanın ns bazında hassas olduğu bir devre tasarladığınızı düşünürseniz bu osc frekans kaymaları çalışmada sorun çıkartıyor

[OG]

Mnemonic'in dediği gibi motor sürücüler ıvır zıvır gürültü kaynakları olsa GND yapısı ile uğraş. Ama senin devrende birşey yok ki.

ne gibi sorunlar çıkabilir diye düşünüyorsunuz

Ne aktaracağını bilmiyoruz ki.
Linearite, transfer karakteristikleri şu bu. Bunlarda daha çok sıkıntı çekebilirsin.

[musti463]

Mnemonic'in dediği gibi motor sürücüler ıvır zıvır gürültü kaynakları olsa GND yapısı ile uğraş. Ama senin devrende birşey yok ki.
Ne aktaracağını bilmiyoruz ki.
Linearite, transfer karakteristikleri şu bu. Bunlarda daha çok sıkıntı çekebilirsin.

ilk aşamada birinden 0-5V,birinden 0-12V bilgi aktarılacak.Sonraki aşamada bu bilgileri RS485 ile iletmeyi düşünüyorum

[musti463]

Birde hocam padları ground planeye nasıl bağlıyorsunuz şekilde iki farklı bağlantı var.Hangisi ne zaman kullanılıyor? Farkları neler?

[IMG]http://i42.tinypic.com/24ax5s8.png[/img]