Símbolos de Terra Explicados: Terra, Chassi, Sinal, Analógica, Digital e Mais

O símbolo de terra é provavelmente a marca mais familiar em qualquer esquema, pelo que é fácil assumir que todos os símbolos de terra significam a mesma coisa. Mas, na realidade, não significam.

Terra, terra de proteção, chassis e terra de sinal servem propósitos diferentes. Confundi-los pode variar desde problemas de integridade de sinal, como laços de terra, desvios de tensão e EMI, até riscos de segurança como um invólucro inadequadamente ligado à terra. Compreender o que cada símbolo realmente especifica é o primeiro passo para evitar ambos.

Neste guia, irá aprender:

• Tipos de símbolos de terra: Terra, terra de proteção, chassis e sinal
• Porque é que terra, chassis e terra de sinal utilizam símbolos diferentes
• Como distinguir terra analógica, digital e de potência num esquema
• Que regras de segurança dos símbolos de terra realmente exigem a sua utilização
• Como os símbolos de terra esquemáticos se mapeiam em redes, planos e ligações de costura de PCB

Tabela de símbolos de terra (referência rápida)

Seis símbolos de terra cobrem quase todos os esquemas e etiquetas de equipamento que encontrará. Quatro deles são numerados na IEC 60417, e os dois últimos vêm da IEEE 315. A tabela seguinte separa-os num relance.

Figura: Uma tabela de referência rápida etiquetada mostrando todos os seis símbolos de terra

Tabela de símbolos de terra: todos os seis símbolos comparados

O que é um símbolo de terra?

Um símbolo de terra marca o nó que um circuito trata como a sua referência de zero volts. Para a terra de sinal, este nó serve tipicamente também como percurso de retorno de corrente; para terras de proteção e de ligação à terra, não transporta corrente em funcionamento normal.

Figura: Os quatro símbolos IEC 60417 de terra e chassis, 5017, 5018, 5019 e 5020

Um símbolo de terra pode comunicar quatro coisas ao mesmo tempo:

• Referência: Pode definir o ponto de referência contra o qual as tensões do circuito são medidas.
• Retorno: Pode proporcionar um percurso de retorno para a corrente que flui através do circuito.
• Ligação: Num esquema, símbolos de terra coincidentes podem indicar a mesma rede elétrica sem um fio desenhado entre eles.
• Declaração: Um símbolo de terra de proteção comunica uma ligação relacionada com segurança, não simplesmente uma preferência de desenho.

É por isso que os símbolos de terra não são intercambiáveis. Os primeiros três descrevem comportamento elétrico — referência, retorno e conetividade. O quarto comunica o que a ligação significa para o hardware físico e, no caso da terra de proteção, para a segurança.

Símbolo de terra de proteção (IEC 60417-5017)

O símbolo de terra de proteção é uma haste vertical que encontra três barras horizontais que encurtam à medida que descem.

A IEC 60417-5017 identifica um terminal ou ligação de terra e é distinta dos símbolos para terra de proteção e terra funcional.

A IEEE Std 315, Cláusula 3.9.1, define esta convenção gráfica como um símbolo de terra geral e dá-lhe um âmbito mais amplo do que o símbolo de terra IEC sozinho poderia sugerir.

Abrange dois casos distintos:

1. Uma ligação condutora direta à terra, ou a uma massa de água que dela faça parte.
2. Uma ligação condutora a uma estrutura que desempenhe uma função semelhante, como um quadro de veículo aéreo, espacial ou terrestre que não esteja condutoramente ligado à terra.

Leia novamente o segundo caso, porque é o que surpreende as pessoas. Um avião em voo não tem qualquer ligação ao planeta, mas a sua fuselagem é uma legítima terra 5017 segundo a IEEE 315. O símbolo descreve o papel que o condutor desempenha, não a sua altitude.

Como desenhar o símbolo de terra de proteção corretamente

Três detalhes separam um 5017 correto de um descuidado.

• Três barras, centradas na haste, cada uma mais curta que a anterior.
• A haste vertical termina no centro da barra superior.
• Não adicione um círculo, arco ou outros elementos gráficos; estes podem alterar o significado do símbolo ou transformá-lo num símbolo normalizado diferente.

Figura: O símbolo de terra de proteção

Símbolo de terra de proteção (IEC 60417-5019)

O símbolo de terra de proteção é o símbolo de terra encerrado dentro de um círculo.

A IEC 60417-5019 identifica um terminal destinado à ligação a um condutor de proteção externo, que proporciona um percurso para a corrente de falha e ajuda a garantir a desconexão automática em caso de falha.

Ao contrário dos outros símbolos de terra neste guia, este tem um significado direto de segurança e regulamentar. Não está simplesmente a descrever como o circuito funciona; identifica uma ligação relacionada com segurança cuja implementação pode ser verificada durante testes ou inspeção de segurança.

Regras de marcação do símbolo de terra de proteção (IEC 60204-1)

A IEC 60204-1 cláusula 8.2.6 rege a forma como um ponto de ligação de condutor de proteção é marcado e nomeia o símbolo gráfico em primeiro lugar.

No desenho normalizado, a haste vertical para antes do círculo e nunca o toca. Esse único detalhe é o erro mais amplamente copiado na indústria, e a secção de erros abaixo mostra onde começou.

Esta marcação pode ser encontrada em blocos de terminais de terra de proteção, abas de ligação à terra, terminais de ligação à terra e outros pontos de ligação de condutor de proteção. Também pode navegar em componentes relevantes na Biblioteca de Peças da JLCPCB.

Figura: O símbolo de terra de proteção

Símbolo de terra de chassis/quadro (IEC 60417-5020)

O símbolo de terra de chassis é uma única barra horizontal com três traços curtos angulares por baixo. A IEC 60417-5020 tem o título "Quadro ou chassis" e identifica o terminal de quadro ou chassis.

A IEEE Std 315, Cláusula 3.9.2, também utiliza esta convenção gráfica para uma ligação de chassis equivalente numa placa de circuito impresso e nota que o chassis ou quadro pode estar a um potencial substancial em relação à terra ou à estrutura à sua volta.

Figura: O símbolo de terra de chassis

Onde o símbolo de terra de chassis é utilizado

• Automóvel: a carroçaria ou chassis do veículo é frequentemente utilizada como percurso de retorno comum para partes do sistema elétrico.
• RF e micro-ondas: blindagens, carcaças de conectores e paredes de cavidades são comummente ligadas ao chassis para controlar a blindagem e os percursos de corrente de retorno.
• Equipamento de rack e painel: o chassis metálico ou estrutura de rack onde um card cage ou conjunto de PCB está montado.
• Aeroespacial: a fuselagem pode servir como estrutura elétrica comum ou percurso de retorno para partes do sistema.

Se esse chassis é também terra é uma decisão separada que tem de tomar. Num produto Classe I, o chassis é ligado à terra de proteção através de um condutor definido. Deixe essa ligação implícita e duas coisas correm mal. O montador não tem instrução para instalar a fita de ligação, e o revisor não consegue dizer se a metalomecânica está ligada à terra ou flutuante.

Símbolo de terra de sinal (IEEE 315)

O símbolo de terra de sinal é um símbolo gráfico triangular utilizado para identificar uma ligação comum ou de referência de sinal.

A IEEE Std 315, Cláusula 3.9.3, define o símbolo como uma ligação comum; os pontos marcados com a mesma designação são tratados como eletricamente comuns no esquema. A cláusula também especifica como o símbolo pode ser etiquetado com um valor identificativo, letra, número ou outra marca.

Variantes do símbolo de terra de sinal

Nota: Essa última linha é a armadilha. A maioria das bibliotecas de portas de alimentação EDA aponta o gráfico para cima para uma alimentação e para baixo para um retorno, pelo que um símbolo a apontar para cima etiquetado +3V3 é uma linha de alimentação.

Figura: Símbolos de terra de sinal sólidos e vazados (GND)

Símbolo de terra funcional (IEC 60417-5018)

O símbolo de terra funcional é a marca de terra desenhada sob um arco semicircular.

A IEC 60417-5018 identifica um terminal de ligação à terra funcional utilizado para suportar o funcionamento correto, o desempenho EMC ou a precisão de medição do equipamento.

A atual base de dados IEC 60417 intitula-o "Functional earthing". A literatura mais antiga refere-se frequentemente a conceitos semelhantes de terra funcional como "clean earth", "noiseless earth" ou "low-noise ground". A IEEE Std 315, Cláusula 3.9.1.1, inclui um símbolo de terra de baixo ruído e faz referência cruzada à designação IEC de terra funcional.

• Instrumentos de medição com um perno de terra de baixo ruído separado.
• Salas blindadas e câmaras EMC, onde a terra limpa é um sistema projetado.
• Equipamento de telecomunicações e médico distingue frequentemente ligações de terra funcional de ligações de terra de proteção.

Nota: A terra funcional não é terra de proteção. Um terminal 5018 nunca deve ser utilizado para a ligação de terra de segurança, e trocar os dois é uma falha de conformidade e não uma minudência de desenho.

Símbolos de terra analógica, digital e de potência (AGND, DGND, PGND)

AGND, DGND e PGND não são símbolos normalizados separados. São designações de rede comummente mostradas utilizando um símbolo de terra ou comum com o nome correspondente anexado ou incluído.

Estas designações podem ser utilizadas para distinguir redes de terra separadas que são intencionalmente ligadas num ponto definido no esquema ou layout da PCB.

Figura: Símbolos de terra de sinal etiquetados AGND, DGND e PGND.

Veja a diferença entre um nome de pino e um nome de rede. As folhas de dados etiquetam os pinos AGND e DGND em conversores e amplificadores operacionais, mas essa etiquetagem não os torna automaticamente redes separadas. Onde essas redes se encontram no cobre é uma questão de layout e não uma questão de símbolo. Compreender a terra analógica e digital no projeto de PCB cobre esse lado na íntegra.

Terra de proteção vs terra de chassis vs terra de sinal: comparação de símbolos

Terra, chassis e terra de sinal utilizam convenções de símbolos diferentes porque representam papéis elétricos e tipos de ligação diferentes.

Um refere-se à terra ou a uma estrutura que desempenhe esse papel, um identifica o quadro ou chassis do equipamento, e um identifica um comum de circuito ou referência de sinal.

Porque é que estes símbolos de terra não são intercambiáveis

Desenhe um símbolo de chassis onde o comum do circuito pertence, e comprometeu silenciosamente o 0 V da placa com qualquer potencial em que o invólucro esteja.

O erro inverso custa o mesmo. Um símbolo de terra num produto alimentado por bateria reivindica uma ligação que não existe, e o primeiro revisor perguntará para onde vai o condutor de terra.

IEC 60417 vs IEEE 315 símbolos de terra

A IEC 60417 abrange símbolos gráficos para utilização em equipamentos e produtos. A IEEE Std 315 fornece símbolos gráficos para diagramas elétricos e eletrónicos.

Figura: Comparação das convenções de símbolos de terra IEC 60417 e IEEE 315

Do lado IEC, os símbolos de diagrama residem na IEC 60617 e não na IEC 60417. É por isso que um esquema europeu e uma etiqueta de equipamento europeia podem ambos estar corretos enquanto desenham a mesma terra de forma diferente.

Símbolos de terra em KiCad, Altium Designer e EasyEDA

Na maioria das ferramentas EDA, a conetividade elétrica é determinada pela designação de rede do símbolo e pelas regras de conetividade da ferramenta, não simplesmente pela aparência gráfica do símbolo.

Uma forma gráfica de terra não determina por si só o nome da rede. Se um símbolo EDA estiver configurado para se ligar à rede GND, alterar a sua aparência não cria necessariamente uma rede elétrica diferente.

O nome da rede determina a que rede uma porta de alimentação se liga, não o estilo do símbolo. Três portas desenhadas como Earth, Bar e Signal Ground ligam-se todas a GND se todas as três se chamarem GND.

Como criar uma rede de terra genuinamente separada

1. Coloque um símbolo de terra e dê-lhe o seu próprio nome de rede, como AGND.
2. Reutilize esse nome exato em todos os locais onde o retorno analógico pertence, em todas as folhas.
3. Ligue AGND a GND num único ponto, utilizando uma ligação de 0 Ω ou um componente net-tie.
4. Execute o ERC e confirme que a ferramenta reporta duas redes ligadas uma vez, e não uma rede fundida.

Salte o passo três e as duas redes separam-se, o que a ferramenta assinalará, mas a bancada não.

Como ler símbolos de terra num diagrama de circuito

Leia as terras numa única passagem antes de traçar qualquer sinal. Identifique cada símbolo distinto, leia a etiqueta em cada um, agrupe símbolos com a mesma etiqueta em redes, e depois encontre o ponto onde essas redes se encontram.

1. Liste os símbolos distintos na folha. Três barras, um ancinho, um triângulo e uma terra em círculo são quatro declarações diferentes.
2. Leia a etiqueta dentro ou ao lado de cada símbolo. AGND e DGND são redes separadas embora a forma seja idêntica.
3. Agrupe símbolos com a mesma etiqueta. A IEEE 315 cláusula 3.9.3 torna todos os pontos com a mesma designação ligados, pelo que nenhum fio é desenhado entre eles.
4. Encontre o ponto de ligação. Retornos separados têm de se juntar em algum lugar. Se nunca se juntarem, um deles está flutuante.
5. Sinalize cada terra em círculo. Um símbolo 5019 é uma afirmação de segurança e precisa de um condutor de proteção real por trás.
6. Trace o retorno de maior corrente por último, da carga de volta à fonte, e verifique se evita nós sensíveis.

O passo seis é onde vêm a maioria das conclusões de revisão. Um retorno de motor encaminhado através da secção analógica não mostra erro em nenhuma ferramenta, porque a netlist está correta e apenas o percurso físico está errado.

Do símbolo de terra ao plano de terra da PCB

Um símbolo de terra torna-se uma ligação física de PCB através de vários passos de projeto.

O símbolo estabelece a ligação elétrica pretendida, a netlist transporta essa conetividade para o layout da PCB, o layout atribui cobre à rede, e as vias podem ligar esse cobre entre camadas.

Ligação à terra em ponto único vs multiponto

• Ligação à terra em ponto único, ou estrela, traz todos os retornos a um nó. Adequa-se a placas de baixa frequência e de sinal misto onde os percursos de retorno são previsíveis.
• A ligação à terra multiponto proporciona múltiplas ligações de baixa impedância a um plano ou estrutura de referência comum. Em frequências mais altas e taxas de transição mais rápidas, os planos de referência contínuos e os percursos de retorno fortemente acoplados são frequentemente preferíveis às longas ligações de terra em estrela. A corrente de retorno tende a seguir o percurso de menor impedância, que é frequentemente concentrado no plano de referência diretamente sob ou adjacente à pista de sinal quando está disponível um plano de referência contínuo.

Conclusão

Um símbolo de terra é mais do que um desenho num esquema. Identifica uma ligação elétrica, enquanto o nome da rede e o layout da PCB determinam para onde essa ligação vai. Utilize o símbolo correto para a sua função pretendida, mantenha redes de terra distintas claramente definidas e verifique os seus percursos de retorno antes do fabrico.

Perguntas frequentes sobre símbolos de terra