En el campo de la electrónica, el término GND o tierra es muy común. Toda persona involucrada en el diseño, construcción o mantenimiento de circuitos necesita saber qué significa GND. Va más allá de una visión mecanicista y se traduce en un concepto crucial para la seguridad, la eficiencia y el funcionamiento de casi todas las herramientas electrónicas actuales.
GND se conoce informalmente como cable de tierra, y se refiere a un circuito eléctrico que proporciona un retorno conjunto de corriente eléctrica o una conexión directa a tierra. Satisfacer la necesidad de traducir el concepto de GND puede prevenir la posibilidad de fallas en el circuito. Esto mejora la eficiencia operativa y garantiza la seguridad de los dispositivos y de los usuarios contra la electrocución.
Este artículo explicará el significado de GND en electrónica, su importancia en los circuitos, las diferentes conexiones a tierra y cómo gestionar los aspectos de GND en las carcasas de diseño de PCB. Si eres ingeniero, aficionado o simplemente quieres aprender sobre electrónica, esta guía te brindará la información necesaria para comprender y usar GND correctamente en tus proyectos.
¿Qué es GND en electrónica?
¿Qué es GND en electrónica? El acrónimo GND significa "tierra" en electrónica. Proporciona un punto de referencia en un circuito eléctrico con respecto a otras tensiones. En otras palabras, GND es el nivel de referencia de tensión con el que se miden las tensiones de otros circuitos. Se utiliza a menudo para cerrar circuitos eléctricos, permitiendo la salida de corriente.
En un sentido más amplio, GND se refiere a cualquier punto del circuito definido como cero voltios. GND no implica necesariamente una conexión a tierra (aunque suele ser así), sino que es un nivel arbitrario al que se relacionan todos los demás niveles.
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¿Qué es tierra en un circuito?
Tierra es una palabra que se usa en el circuito para indicar un punto de referencia: cero voltios. En otras palabras, el voltaje en este punto es la referencia para medir todos los demás voltajes del circuito. Y ese punto, en lugar de estar conectado a la tierra física, puede ser simplemente un punto virtual dentro del circuito al que retorna la corriente.
Sin embargo, en otros circuitos que utilizan corriente alterna, la tierra se conecta a la superficie terrestre para permitir que la corriente no deseada fluya hacia el suelo y evitar electrocutar a cualquier persona que toque el dispositivo. Además, en otros circuitos, la tierra digital puede ser simplemente un punto similar para la conexión de componentes, asegurando que todos los componentes del circuito tengan el mismo nivel de voltaje.
Importancia del cable de tierra
Hay varias razones por las que la conexión a tierra es importante en un circuito: es un requisito previo para el correcto funcionamiento, la seguridad y la confiabilidad de todo el circuito.
1. La primera ventaja del cable de tierra es que proporciona soporte al crear un punto de referencia de voltaje, que generalmente se establece en cero voltios. Este punto de referencia es crucial, ya que todos los demás voltajes dentro del circuito en cuestión se medirán en relación con este.
2. La mayoría de los componentes electrónicos requieren una vía de retorno, comúnmente conocida como tierra. El propósito principal del cable de tierra es proporcionar una conexión a tierra estable a elementos electrónicos como transistores, amplificadores operacionales y circuitos integrados. Si no está presente, los componentes no pueden realizar su función, inutilizando así todo el circuito.
3. En cuanto a las medidas de seguridad, la conexión a tierra solo puede considerarse reemplazable o necesaria. Proporciona una ruta de protección para que las corrientes de falla, como las generadas por cortocircuitos o fallos de aislamiento, fluyan directamente a tierra.
4. El cable de tierra también ofrece la protección necesaria tanto a los equipos electrónicos como a los usuarios contra riesgos como descargas eléctricas o incendios. Existen varios tipos de tomas de tierra que resultan útiles en estos tiempos difíciles.
En otras palabras, se requiere conexión a tierra para mantener estable el circuito, brindar seguridad, mantener claras las señales y habilitar los dos dispositivos del puerto.
Propósito del cable de tierra
1. Proporcionar un potencial de referencia
La razón principal para incluir un cable de tierra en un circuito eléctrico es garantizar que sirva como punto de referencia para todas las tensiones del circuito. Esta referencia suele aceptarse como cero voltios ordinarios, y todas las tensiones restantes constituyen una medida comparativa.
La creación de dicha línea de referencia también es bastante importante en el funcionamiento de los componentes electrónicos, ya que garantiza que los niveles de voltaje serán constantes y predecibles.
2. Protección de la seguridad del circuito
El cable de tierra cumple su función de protección; por eso es esencial en un circuito. Por ejemplo, en un cortocircuito, la ruta eléctrica normal es a través del cable de tierra, que se utiliza para conducir la corriente de falla a tierra. Esto evita que los circuitos se dañen, reduciendo así el riesgo de peligro eléctrico para los usuarios. En caso de falla, sin un cable de tierra, las corrientes de falla seguirían rutas no deseadas, causando daños y destrucción.
3. Completar la ruta actual
La fuente de alimentación impulsa una corriente eléctrica en cualquier circuito. La corriente fluye a través de los componentes del circuito y regresa a la fuente de alimentación. El cable de tierra permite el flujo de la corriente creando una ruta de retorno, completando así el circuito. Sin cable de tierra, el circuito se consideraría abierto sin flujo de corriente.
4. Estabilización del voltaje de la fuente de alimentación
El propósito del cable de tierra es estabilizar la tensión de la fuente de alimentación, ya que proporciona una ruta de retorno común para la corriente. Esto es crucial en circuitos con varias unidades de potencia o de alto voltaje complejo donde la fuente de alimentación varía.
El cable de tierra ayuda a mantener el nivel de voltaje de la fuente de alimentación. Superar los picos o caídas de voltaje puede perjudicar los componentes y provocar un mal funcionamiento.
Tipos de terrenos
1. Tierra de la señal
La tierra de señal, también conocida como tierra de baja tensión, proporciona una referencia eléctrica para los circuitos de señal o de baja tensión de un circuito determinado. Debido a influencias externas, todas las demás señales se referencian a la señal de tierra, lo que ayuda a evitar que los niveles de tensión del circuito fluctúen en direcciones positivas o negativas.
El circuito de tierra de señal permanece aislado de otros tipos de tierras, como la tierra de alimentación, para evitar cualquier ruido de las fuentes de alimentación, que puede afectar profundamente las señales.
2. Conexión a tierra de la alimentación
La tierra actúa como punto de referencia para la tensión de alimentación en un circuito. En la mayoría de los casos, se conecta al polo negativo de la fuente de alimentación, por donde retorna la corriente. El cable de tierra suele estar conectado a la tierra física por seguridad y para evitar fluctuaciones en los niveles de tensión.
3. Tierra digital
La tierra digital sirve como punto de referencia para los diferentes niveles de las señales digitales en los circuitos digitales. Es similar a la tierra de la señal, pero es útil para las señales digitales, que tienen una frecuencia relativamente alta y son propensas a interferencias. La tierra digital suele mantenerse separada de la tierra analógica, ya que el ruido de las señales digitales puede interferir con las analógicas.
4. Tierra
La conexión a tierra se refiere a una conexión a tierra a través de algún medio. Las corrientes de falla permiten que la carga fluya de forma segura, evitando descargas eléctricas y daños a los equipos. La conexión a tierra se realiza a la carcasa metálica del equipo para transportar las corrientes de falla a tierra en caso de cortocircuito o cualquier otra falla.
Símbolos de cables de tierra
El cable verde o negro representa un circuito con conexión a tierra. En el diagrama del circuito, el cable de tierra suele representarse con este símbolo o con uno de los otros símbolos regulados. La mayoría de los diagramas de circuitos incluyen los siguientes símbolos: Tierra:
Símbolo de tierra: Se representa mediante la combinación de tres barras horizontales secuenciales, cuya longitud tiende a disminuir de arriba a abajo. Se utiliza para indicar contacto directo con la tierra y se encuentra en circuitos con altos requisitos de seguridad.
Símbolo de conexión a tierra del chasis: Este símbolo también aparece como un conjunto de tres líneas paralelas positivas, siendo la última o inferior la más larga y las dos superiores del mismo tamaño. Se utiliza para indicar su fijación a la carcasa metálica de un dispositivo y es común en circuitos automotrices e industriales.
Símbolo de tierra de señal: Este símbolo es un triángulo hacia abajo y hacia arriba con circuitos inductivos, a menudo incorporados en la electrónica, para mostrar un punto de conexión que pretende ser un nivel de referencia para otras señales.
Símbolo de tierra: Este símbolo es más parecido a un símbolo de tierra de señal, pero se utiliza con más frecuencia en dibujos de circuitos digitales como sinónimo de tierra de referencia para circuitos digitales.
En relación con estos símbolos, lo cierto es que son importantes tanto para leer como para diseñar diagramas de circuitos, ya que siempre indicarán dónde se realizan las conexiones a tierra y qué tipo de tierra se está empleando en estos casos.
¿Cómo funciona un cable de tierra?
El cable de tierra funciona según el principio de que la corriente eléctrica siempre seguirá la ruta de menor resistencia. El circuito proporcionará una ruta de baja resistencia para que la corriente regrese a su fuente de alimentación o a tierra en caso de falla. Esta configuración garantizará sin duda operaciones seguras y un rendimiento confiable del equipo.
Cuando el circuito se energiza, la corriente fluye desde la fuente de alimentación a través de sus componentes y regresa a ella a través del cable de tierra. El propósito del cable de tierra es ofrecer una ruta segura para el paso de las corrientes de falla en caso de fallos, como cortocircuitos y conexiones sueltas. Por eso, la conexión a tierra es importante en un circuito, ya que lo protege de daños y reduce el riesgo de descarga eléctrica.
Consideraciones para el manejo de la tierra en el diseño de PCB
1. Disposición de la alimentación y la conexión a tierra
La disposición de las pistas de alimentación y tierra es crucial en el diseño de PCB para garantizar el rendimiento y la fiabilidad del circuito. Una buena disposición ayuda a minimizar el ruido, la caída de tensión y las interferencias entre los diferentes componentes del circuito. Esto es necesario por varios motivos: debe mantener las pistas de alimentación y tierra lo más cortas posible y conectarlas en paralelo para reducir el área del bucle, lo que a su vez reduce la interferencia electromagnética.
2. Disposición de las particiones
Dividir el diseño de la PCB en áreas bien definidas de alimentación, tierra y señales minimizará el ruido y mejorará el rendimiento. Las tierras digitales y analógicas deben mantenerse separadas para evitar interferencias de ruido. Para evitar interferencias, las partes de alta y baja potencia del circuito deben mantenerse separadas.
3. Gestión térmica
Al diseñar una PCB, es fundamental considerar cuidadosamente la gestión térmica, especialmente en circuitos de alta potencia. Las placas de tierra pueden ser muy útiles y su función es disipar el calor para proteger los componentes del sobrecalentamiento. Al aumentar el área de la placa de tierra con vías térmicas adicionales, la transferencia eficiente del calor de los componentes calientes mejora considerablemente la fiabilidad y la longevidad del circuito.
4. Condensadores de desacoplamiento
Los condensadores de desacoplamiento se colocan en los circuitos para filtrar la mayor parte del ruido y estabilizar la tensión de la fuente de alimentación. Coloque este componente junto a los pines de alimentación de otros componentes, con conexiones directas a tierra. Los componentes experimentan una reducción significativa de picos de tensión y ruido cuando la fuente de alimentación proporciona una alimentación estable.
5. Evite cruzar las líneas de señalización
El cruce de líneas de señal sobre los planos de alimentación o tierra puede producir ruido e interferir con el flujo del circuito. La señal debe enrutarse de forma que cruce el menor número de pistas posible y mantenga la máxima distancia de las pistas de alimentación y tierra. Esta regla es fundamental en circuitos de alta frecuencia, donde incluso cantidades de ruido de milisegundos pueden afectar gravemente el rendimiento.
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Conclusión
En resumen, ¿qué es la tierra (GND) en electrónica? La tierra (GND) no es solo un simple punto de conexión en un circuito; es la base sobre la que funciona todo el circuito. Al comprender la función de la tierra en electrónica, se pueden diseñar circuitos más seguros, fiables y eficientes que satisfagan las exigencias de la tecnología moderna.
