En ingeniería eléctrica , un plano de tierra es una superficie eléctricamente conductora , generalmente conectada a tierra eléctrica .
El término tiene dos significados diferentes en distintos campos de la ingeniería eléctrica.
En telecomunicaciones , un plano de tierra es una superficie conductora horizontal plana o casi plana que sirve como parte de una antena , para reflejar las ondas de radio de los otros elementos de la antena. El avión no tiene que estar necesariamente conectado a tierra para poder utilizarlo como superficie reflectante de ondas de radio. [1] La forma y el tamaño del plano de tierra desempeñan un papel importante a la hora de determinar sus características de radiación, incluida la ganancia .
Para funcionar como plano de tierra, la superficie conductora debe tener al menos un cuarto de la longitud de onda ( 1 /4 λ ) de las ondas de radio en radio. En las antenas de baja frecuencia , como los radiadores de mástil utilizados para las antenas de transmisión, la Tierra misma (o una masa de agua como una marisma o un océano) se utiliza como plano de tierra. Para antenas de mayor frecuencia, en el rango VHF o UHF , el plano de tierra puede ser más pequeño y se utilizan discos, pantallas y cables metálicos como planos de tierra. En VHF y UHF superiores, la piel metálica de un automóvil o avión puede servir como plano de tierra para las antenas de látigo que se proyectan desde él. En las antenas microcinta y las antenas monopolo impresas , un área de lámina de cobre en el lado opuesto de una placa de circuito impreso sirve como plano de tierra. El plano de tierra no tiene por qué ser una superficie continua. En la antena de látigo estilo antena de plano de tierra , el "plano" consta de varios cables. 1 /4 λ de largo que irradia desde la base de una antena de látigo de un cuarto de onda.
Las ondas de radio de un elemento de antena que se reflejan en un plano de tierra parecen provenir de una imagen especular de la antena ubicada al otro lado del plano de tierra. En una antena monopolo, el patrón de radiación del monopolo más la " antena de imagen " virtual la hacen aparecer como una antena dipolo de alimentación central de dos elementos . Por tanto, un monopolo montado sobre un plano de tierra ideal tiene un patrón de radiación idéntico al de una antena dipolo. La línea de alimentación del transmisor o receptor está conectada entre el extremo inferior del elemento monopolo y el plano de tierra. El plano de tierra debe tener buena conductividad; cualquier resistencia en el plano de tierra está en serie con la antena y sirve para disipar la energía del transmisor.
Un plano de tierra en una placa de circuito impreso (PCB) es un área o capa grande de lámina de cobre conectada al punto de tierra del circuito , generalmente un terminal de la fuente de alimentación . Sirve como ruta de retorno para la corriente de muchos componentes diferentes.
Un plano de tierra suele hacerse lo más grande posible, cubriendo la mayor parte del área de la PCB que no está ocupada por pistas del circuito. En los PCB multicapa, suele ser una capa separada que cubre toda la placa. Esto sirve para facilitar el diseño del circuito, permitiendo al diseñador conectar a tierra cualquier componente sin tener que ejecutar trazas adicionales; Los cables de los componentes que necesitan conexión a tierra se enrutan directamente a través de un orificio en la placa hasta el plano de tierra en otra capa. La gran superficie de cobre también conduce las grandes corrientes de retorno de muchos componentes sin caídas de tensión significativas, lo que garantiza que la conexión a tierra de todos los componentes tenga el mismo potencial de referencia.
En PCB digitales y de radiofrecuencia , la razón principal para utilizar planos de tierra grandes es reducir el ruido eléctrico y la interferencia a través de bucles de tierra y evitar la diafonía entre pistas de circuitos adyacentes. Cuando los circuitos digitales cambian de estado, grandes pulsos de corriente fluyen desde los dispositivos activos (transistores o circuitos integrados) a través del circuito de tierra. Si la fuente de alimentación y las trazas de tierra tienen una impedancia significativa, la caída de voltaje a través de ellas puede crear pulsos de voltaje de ruido que perturban otras partes del circuito (rebote de tierra). La gran área conductora del plano de tierra tiene una impedancia mucho menor que la traza de un circuito, por lo que los pulsos de corriente causan menos perturbaciones.
Además, un plano de tierra debajo de las pistas del circuito impreso puede reducir la diafonía entre pistas adyacentes. Cuando dos pistas corren paralelas, una señal eléctrica en una se puede acoplar a la otra mediante inducción electromagnética mediante líneas de campo magnético de una que unen a la otra; esto se llama diafonía . Cuando hay una capa de plano de tierra debajo, forma una línea de transmisión con la traza. Las corrientes de retorno con direcciones opuestas fluyen a través del plano de tierra directamente debajo de la pista. Esto limita la mayoría de los campos electromagnéticos al área cercana a la traza y, en consecuencia, reduce la diafonía.
A menudo se utiliza un plano de potencia además de un plano de tierra en una placa de circuito multicapa, para distribuir energía CC a los dispositivos activos. Las dos áreas enfrentadas de cobre crean un gran condensador de desacoplamiento de placas paralelas que evita que el ruido se acople de un circuito a otro a través de la fuente de alimentación .
Los planos de tierra a veces se dividen y luego se conectan mediante una delgada traza. Esto permite separar las secciones analógicas y digitales de una placa o las entradas y salidas de amplificadores. La traza delgada tiene una impedancia lo suficientemente baja como para mantener los dos lados muy cerca del mismo potencial y al mismo tiempo evitar que las corrientes de tierra de un lado se acoplen con el otro lado, lo que provoca un bucle de tierra .
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