Suche Informationen zur Massefläche

[A. R. (redegle)]

Hallo,

ich suche ein paar Informationen darüber, wann man eine Massefläche wozu 
einsetzt. Währe nett, wenn sich ein paar Links finden lassen.

Speziell geht es um ein Layout mit 2 Seiten. Also so, dass keine 
durchgehende Massefläche möglich ist, weil sich auf beiden Seiten auch 
Signalpfade befinden.

Setzt man eine Massefläche primär ein, um die Masse niederinduktiv zu 
bekommen oder sollte über die Masse kein Strom fließen, so dass diese 
primär zur Schirmung genutzt wird?

Macht es Sinn, um einen Schaltregler herum eine geschlossene Massefläche 
zu platzieren, um die Störwirkung auf benachbarte Bauteile zu reduzieren 
oder schließe ich damit die Induktivität des Schaltreglers kurz, weil 
sich Ströme in der Schirmung induzieren?

[G.M. (Gast)]

A. R. schrieb:
> Macht es Sinn, um einen Schaltregler herum eine geschlossene Massefläche
> zu platzieren, um die Störwirkung auf benachbarte Bauteile zu reduzieren
> oder schließe ich damit die Induktivität des Schaltreglers kurz, weil
> sich Ströme in der Schirmung induzieren?

Die Störstrahlung von Schaltregler reduzierst du am besten, indem du 
dafür sorgst, dass die beiden vom Schalten betroffenen Stromschleifen 
möglichst keine Fläche einschließen.

[A. R. (redegle)]

Ich habe mal ein Bild angehangen.
Gelb ist die Stromschleife während der Schaltregler durchschaltet.
Blau ist die Stromschleife während der Schaltregler sperrt.

Da auf der Rückseite keine großen Bauteile sein dürfen wird es schwer 
hier noch weiter zu optimieren.

Oben im Bild befindet sich ein 10µF Folienkondensator den man nur halb 
erkennt.

Ich habe nun um den Schaltregler herum eine Massefläche angelegt, die 
ich von allen Stellen fern gehalten habe, wo schnelle Spannungsänderngen 
stattfinden. Hiermit wollte ich vermeiden, dass es parasitäre 
Kapazitäten zur Massefläche gibt und gleichzeitig wollte ich einen 
analogen Schaltungsteil welcher sich unten rechts befindet etwas 
Abschirmen.

Macht das Konzept so Sinn?

[Anja (Gast)]

A. R. schrieb:
> Da auf der Rückseite keine großen Bauteile sein dürfen wird es schwer
> hier noch weiter zu optimieren.

L3 um 180 Grad Drehen ergibt weitere Optimierung

Gruß Anja

[Falk B. (falk)]

@  A. R. (redegle)

>Setzt man eine Massefläche primär ein, um die Masse niederinduktiv zu
>bekommen

Ja.

> oder sollte über die Masse kein Strom fließen, so dass diese
>primär zur Schirmung genutzt wird?

Nein.

>Macht es Sinn, um einen Schaltregler herum eine geschlossene Massefläche
>zu platzieren, um die Störwirkung auf benachbarte Bauteile zu reduzieren

Kaum.

>oder schließe ich damit die Induktivität des Schaltreglers kurz, weil
>sich Ströme in der Schirmung induzieren?

Eher nicht.

[A. R. (redegle)]

Da haben mir ja direkt die beiden Formenexperten geantwortet.

@ Anja,

wenn ich die Spule um 180° drehe müssen die Leiterbahnen gekreuzt 
werden. Ich sehe nicht wirklich wie du eine Verkleinerung der 
Leiterschleife erzielen möchtest.


@ Falk Brunner,

könntest du die Antworten bitte noch begründen?

1. Es ist klar, dass die Masseflächen eine niederinduktive Anbindung 
ermöglichen.

2. Dadurch, dass sich die Massefläche auf einem festen Potential 
befindet lässt sich doch ein Übersprechen zwischen zwei Leitungen sehr 
gut verhindern. Also sollte sich Masseflächen auch für Schirmzwecke 
einsetzten lassen.
Zudem stelle mir das ganze etwas problematisch vor, da Ströme trotz der 
niederimpedanten Verbindung Spannungsabfälle erzeugen. Bei einer 
Massenfläche die einfach irgendwo platziert wird entstehen doch zum Teil 
"unvorhersehbare" Spannungsabflälle.

4. Wiso wird kein Strom induziert?
Die Spule auf dem Bild ist in der XY-Ebene gewickelt. Das heißt, dass 
der magnetische Fluss in Richtung der Z-Achse fließt. Wenn ich nun um 
die Spule herum eine geschlossene Massefläche in der XY-Ebene erstelle 
wird in dieser Leiterschleife ein Strom induziert. Aufgrund der 
unterschiedlichen Windungszahl wird zwar keine hohe Spannung induziert 
aber der Widerstand der Leiterschleife sollte relativ gering sein.

3. Kannst du das auch nocheinmal kurz erklären?

[Anja (Gast)]

A. R. schrieb:
> wenn ich die Spule um 180° drehe müssen die Leiterbahnen gekreuzt
> werden. Ich sehe nicht wirklich wie du eine Verkleinerung der
> Leiterschleife erzielen möchtest.

Überleg mal was die Rechte-Hand-Regel aus der Schule in dem Zusammenhang 
bedeutet.
(Kleine Hilfe: die Flächen mit entgegengesetzter Stromrichtung 
subtrahieren sich).

Gruß Anja

[Falk B. (falk)]

@  A. R. (redegle)

>1. Es ist klar, dass die Masseflächen eine niederinduktive Anbindung
>ermöglichen.

OK.

>2. Dadurch, dass sich die Massefläche auf einem festen Potential
>befindet lässt sich doch ein Übersprechen zwischen zwei Leitungen sehr
>gut verhindern. Also sollte sich Masseflächen auch für Schirmzwecke
>einsetzten lassen.

Ja, aber das ist nicht immer und allgemein so. Da muss man auf den 
jeweiligen Fall anwenden. Wo liegt die Massefläche, wo die beiden zu 
schirmenden Leitungen. Induktive oder kapazitive Abschirmung?

>Zudem stelle mir das ganze etwas problematisch vor, da Ströme trotz der
>niederimpedanten Verbindung Spannungsabfälle erzeugen. Bei einer
>Massenfläche die einfach irgendwo platziert wird entstehen doch zum Teil
>"unvorhersehbare" Spannungsabflälle.

Deswegen wird man den Schaltregler als Modul eher punktförmig an die 
Masse ankoppeln (meist am Ausgangskondensator) und die geschalteten 
Ströme durch einzelne, möglichst kurze, breite (Masse)leitungen führen.

>4. Wiso wird kein Strom induziert?

Zuerst mal wird immer nur Spannung induziert. Ob ein Strom fließt 
entscheidet der Scheifenwiderstand. Und um eine Spannung zu induzieren, 
müsste deine Spule ein starkes Streufeld haben. Ja, sowas gibt es, 
Spulen mit offenem Kern, werden auch häufig für Schaltregler eingesetzt, 
so wie deine. Aber auch deren Streufeld ist praktisch nie so groß, dass 
damit die Spule als solche kurzgeschlossen wird, wie in einem Trafo. 
Dafür ist die Kopplung um Größenordungen zu schlecht. Aber das Streufeld 
ist groß genug, um viel EMV-Dreck in die Gegend zu pusten. Spulen mit 
geschlossenem Kern sind zu bevorzugen. Im Idealfall eine Spule mit 
geschlossenem Kern UND einer metallischen Abschirmung, welche das 
restliche Streufeld praktisch komplett kurzschließt und damit im Kern 
hält.

>Die Spule auf dem Bild ist in der XY-Ebene gewickelt. Das heißt, dass
>der magnetische Fluss in Richtung der Z-Achse fließt. Wenn ich nun um
>die Spule herum eine geschlossene Massefläche in der XY-Ebene erstelle
>wird in dieser Leiterschleife ein Strom induziert. Aufgrund der
>unterschiedlichen Windungszahl wird zwar keine hohe Spannung induziert
>aber der Widerstand der Leiterschleife sollte relativ gering sein.

Es wird Spannung induziert, aber nennenswert Leistung wird da nicht 
umgesetzt. Kritisch ist eher die Störpsannungseinkopplung in hochohmige 
Schaltungsteile, z.B. den Spannungsteiler der Rückkopplung.

MFG
Falk

[Reinhard Kern (Gast)]

A. R. schrieb:
> sollte über die Masse kein Strom fließen, so dass diese
> primär zur Schirmung genutzt wird?

Das geht rein physikalisch garnicht. Wenn z.B. eine Signal-Leiterbahn 
zwischen Masseflächen geführt wird, fliesst der Rückstrom dieses Signals 
in der nächstgelegen Massefläche und zwar direkt über/unter der 
Leiterbahn. Genau darauf beruht die Schirmwirkung: die von Signalweg und 
Rückweg umschlossene Fläche minimiert sich sozusagen von selbst. 
Schirmwirkung ohne Strom gibt es nicht.

Eine andere Frage ist, ob man über die gleiche Fläche die 
GND-Versorgungspins anschliesst, aber darüber sollte man nur in 
absoluten Extremfällen wie superschnellen Bustreibern nachdenken, denn 
die GND-Flächen müssen schliesslich verbunden sein und dann fliesst der 
Strom nicht da wo der Designer es will sondern sucht sich wie 
beschrieben den günstigsten Weg selbst. I.A. gilt daher, dass alle 
Masseflächen mit möglichst vielen Vias verbunden werden sollen.

Unterbrochene Masseflächen sind nur begrenzt sinnvoll, wird z.B. der 
oben beschriebene Rückweg von einer Leiterbahn unterbrochen, wird die 
Schirmwirkung aufgehoben, da der Rückstrom einen u.U. langen Umweg 
nehmen muss. Da muss man schon ganz genau wissen was man tut, Voodoo ist 
es allerdings entgegen vielen Gerüchten nicht.

Gruss Reinhard