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2024-12-07T08:08:13Z

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Als '''Massefläche''' ({{enS|''ground plane''}}) wird in der [[Elektronik]], speziell im [[Layoutentwurf (Elektrotechnik)|Leiterplattendesign]], eine mit dem [[Masse (Elektronik)|Massepotenzial]] verbundene großflächige [[Kupfer]]fläche auf [[Leiterplatte|gedruckten Schaltungen]] bezeichnet.

Neben ''Masseflächen'' werden auf [[Leiterplatte]]n auch andere größere Flächen mit nicht massebezogenem [[Elektrostatik#Potential und Spannung|Potenzial]] eingesetzt. Diese können etwa der Stromversorgung von [[Baugruppe#Elektronische Baugruppe|Baugruppen]] auf der Leiterplatte dienen und somit [[Spannungsquelle|Versorgungsspannungspotenzial]] aufweisen.

== Motivation ==
=== Störungsverminderung ===
[[Datei:Platine mit geteilter masse.jpg|mini|hochkant|Unbestückte Leiterplatte einer Motorsteuerung mit geteilter Masse. An der blau umrandeten Stelle (Versorgungsstecker) treffen alle drei Massen zusammen. Links im Bild befindet sich die ''Analogmasse'', in der Mitte die ''Versorgungs-'' oder ''Digitalmasse'' und rechts die ''Leistungsmasse'', die hier nachträglich noch durch Auflöten von Kupferdrähten verstärkt wird.]]
Jede [[Leiter (Physik)|Leitung]] (Leiterbahn) einer Leiterplatte weist eine gewisse [[Impedanz]] auf. Fließt nun über eine dieser Leitungen [[Elektrischer Strom|Strom]], verursacht dieser zwangsläufig einen [[Spannungsabfall]]. In den meisten Fällen wird ein [[Stromkreis]] über eine [[Masse (Elektronik)|Masseleitung]] geschlossen, wodurch auch an dieser Verbindung ein Spannungsabfall entsteht. Die Masseverbindung hat somit an jedem Punkt ein anderes Potenzial. Da [[Integrierter Schaltkreis|integrierte Schaltkreise]] auf der Leiterplatte, wie beispielsweise [[Messverstärker]] oder [[Analog-Digital-Umsetzer]], die Spannung ihrer Ein- oder Ausgänge auf das Massepotenzial beziehen, tritt somit eine Verfälschung dieser [[Signal]]e auf, da das Bezugspotenzial – die Masseleitung – nicht für jeden Schaltkreis dasselbe ist. Um dem entgegenzuwirken, kann die Masseleitung als Fläche ausgeführt werden.

==== Gemeinsame Masse ====
Die einfachste Ausführung einer Massefläche bei einseitigen Leiterplatten ist das Auffüllen von freiem Platz (keine Leiterbahnen) mit masseverbunden Kupferflächen. Jedes Bauteil, welches mit der Masse verbunden werden soll, wird mit dieser Fläche kontaktiert. Da die Massefläche durch die übrigen Signal- und Versorgungsleistungen „eingeschnitten“ wird, ist der Vorteil einer niederohmigen und [[Induktivität#Induktivitätsbestimmung verschiedener Leiteranordnungen|induktivitätsarmen]] Masseverbindung eher beschränkt.

Bei [[Leiterplatte#Mehrlagige Leiterplatten|Leiterplatten mit mehreren Lagen]] kann eine Lage als Masselage reserviert werden, auf der sich eine Massefläche befindet. Alle Bauteile der Leiterplatte können somit auf eine massive und niederohmige Masseverbindung zurückgreifen. Potenzialdifferenzen zwischen den Massepunkten können somit deutlich reduziert werden.

==== Geteilte Masse ====
In manchen Fällen kann es sinnvoll sein, nicht eine gemeinsame Massefläche, sondern mehrere separate Masseflächen zu verwenden und diese an einer bestimmten Stelle zusammenzuführen. Werden auf einer Leiterplatte unterschiedliche Komponenten ([[Analogtechnik|analoge-]], [[Digitaltechnik|digitale-]] und [[Leistungselektronik|Leistungsbauteile]]) eingesetzt, so kann die Masse auf zusammengehörende Komponenten aufgeteilt werden. Werden nun beispielsweise drei unterschiedliche Masseflächen (''Analogmasse'', ''Digitalmasse'' und ''Versorgungsmasse'') eingesetzt, treten durch höheren Strom zwar nach wie vor Potenzialdifferenzen entlang der Masse auf, jedoch beeinflussen Komponenten, die hohe Ströme fordern, nicht mehr die gesamte Masse, sondern nur mehr die eigene. Wenn ein [[Schaltregler]] auf der Leiterplatte durch hohe [[Hochfrequenz|hochfrequente]] Ströme nun Störungen auf der Versorgungsmasse verursacht, sind diese auf der getrennten Analogmasse nicht merkbar. Der Analogteil der Leiterplatte hat somit mit der getrennten ''Analogmasse'' ein störungsfreies Bezugspotenzial. Dasselbe gilt für den Digitalteil, der durch eine eigene ''Digitalmasse'' nicht vom Schaltregler gestört werden kann und selbst auch nicht den Analogteil stören kann.

Alle Masseflächen müssen natürlich an einer Stelle miteinander verbunden werden. Vorzugsweise geschieht dies an der Spannungsversorgungsklemme der Leiterplatte. Jede Massefläche ist somit direkt mit dem absoluten Bezugspotenzial (Masse der Versorgungsklemme) der Leiterplatte verbunden. Die Masseflächen können jedoch je nach Anwendung auch an anderen Stellen der Platine zusammengeführt werden. Es kann sich somit auch eine Art Baumstruktur der Masse bilden.

=== Elektromagnetische Verträglichkeit ===
Jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein [[Magnetische Feldstärke|Magnetfeld]], das von der Leiterplatte abstrahlt und die [[elektromagnetische Verträglichkeit]] beeinträchtigt. Um dieses Magnetfeld zu vermindern, können Masseflächen eingesetzt werden, in denen ein Wechselmagnetfeld Wirbelströme induziert und somit [[Energie]] abbaut. Speziell bei [[Spule (Elektrotechnik)|Spulen]] auf einer Leiterplatte, die in der Regel immer einen [[Streufluss]] aufweisen, wirkt eine darunterliegende Massefläche merkbar schirmend. Dieser Effekt hat jedoch bei [[Schaltregler]]n deutliche Nachteile, da hier dem Energie übertragenden Bauteil (Spule) durch das Auftreten von Wirbelströmen Energie entzogen und somit der [[Wirkungsgrad]] reduziert wird. Aus diesem Grund werden Masseflächen unter Spulen meist freigestellt.

[[Elektrisches Feld|Elektrische Felder]] auf Leiterplatten werden durch Masseflächen ebenfalls geschirmt.

=== Impedanzkontrollierte Leiterplatten ===
[[Datei:Impedanzkontrollierte leiterplatte.svg|mini|Schematische Darstellung des Querschnitts einer impedanzkontrollierten Leiterplatte. Die innere Signalleitung ist von Masseflächen umgeben und geschirmt, wodurch die Leitung einen definierten Wellenwiderstand bekommt.]]
Für [[Hochfrequenztechnik|Hochfrequenzanwendungen]] oder sehr hoch getaktete Digitalschaltungen ist es notwendig, dass eine Leiterbahn eine bestimmte [[Wellenimpedanz]] aufweist, um Komponenten untereinander [[Anpassung (Elektrotechnik)|anpassen]] zu können. Um impedanzkontrollierte Leiterbahnen zu realisieren, werden Signalleitungen bei Leiterplatten mit mehreren Layern zwischen und neben zwei Masseflächen mit bestimmtem Abstand geroutet. Die Signalleitung wird so, ähnlich wie bei einem [[Koaxialkabel]], von einem Masseschirm umgeben und weist eine bestimmte Wellenimpedanz auf.

=== Kühlung ===
Um die Wärmeentwicklung von [[Surface-mounted device|SMD-Bauteilen]] ([[Transistor]]en) zu minimieren, werden die Kühlpads der Bauteile auf Kupferflächen (wenn möglich auf Masseflächen) [[Löten|gelötet]]. Die Kupferfläche auf der Leiterplatte wirkt dadurch als [[Kühlkörper]] und gibt die Wärme an die Umgebung ab. Auch [[Through Hole Technology|bedrahtete Bauteile]], wie beispielsweise [[Diode]]n, benötigen Kupferflächen auf der Leiterplatte, da sie die entwickelte Wärme auf keinem anderen Weg in genügendem Maße abgeben können.

=== Kondensator ===
Bei Leiterplatten mit mehreren Lagen können zwei übereinanderliegende Layer als Kupferfläche ausgeführt werden. Wird eine dieser Kupferflächen mit dem Massepotenzial und die zweite mit dem Versorgungspotenzial verbunden, ergibt sich ein über die gesamte Fläche der Leiterplatte verteilter [[Kondensator (Elektrotechnik)|Plattenkondensator]], der einem [[Stützkondensator]] gleichkommt. Dies kann tatsächliche Stützkondensatoren jedoch nicht ersetzen, höchstens ergänzen.

=== Mechanische Stabilität ===
Um die mechanische [[Standfestigkeit|Stabilität]] von mechanischen SMD-Komponenten wie [[Schalter (Elektrotechnik)|Schaltern]] oder [[Buchse]]n zu erhöhen, kann das Gehäuse dieser mit einer Massefläche (sofern elektrisch möglich) verlötet werden. Dadurch erhöht sich die mechanische Belastbarkeit des Bauteils, da eine großflächige Kupferfläche weniger anfällig gegen das Ablösen von der Leiterplatte ist, als ein einzelnes Pad.

=== Leiterplattenherstellung ===
Wird eine Leiterplatte mittels Ätzverfahren hergestellt, so werden jene Stellen, an denen kein Kupfer vorhanden sein sollte, durch das [[Ätzmittel#Kupfer|Ätzmittel]] abgetragen. Wird auf der Leiterplatte eine Massefläche eingesetzt, müssen lediglich die Stellen zwischen den Leiterbahnen abgetragen werden, wodurch das Ätzmittel deutlich weniger gesättigt wird. Speziell bei Selbstfertigung von Leiterplatten bietet es sich an, Masseflächen einzusetzen, um das Ätzmittel zu schonen.

== Literatur ==
* Joachim Franz: ''EMV – Störungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen'' 3. Auflage, Vieweg+Teubner Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0236-1.
* Adolf J. Schwab, Wolfgang Kürner: ''Elektromagnetische Verträglichkeit'' 5. Auflage, Springer, Berlin/Heidelberg/New York 2007, ISBN 978-3-540-42004-0.

== Siehe auch ==
* [[Abschirmung (Elektrotechnik)]]

{{SORTIERUNG:Masseflache}}
[[Kategorie:Elektromagnetische Entstörung]]
[[Kategorie:Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik]]

[[en:Ground plane]]

Massefläche - Versionsgeschichte

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