Con el creciente número de problemas de interferencias electromagnéticas (EMI), se necesitan nuevos tipos de soluciones para continuar brindando la compatibilidad electromagnética (CEM) entre los equipos electrónicos y el complejo entorno electromagnético actual.
Para conocer más sobre este tema, lee este post … (Leer más)
Los filtros de red avanzados con inductancias de filtro en la línea de tierra o las simples inductancias dispuestas en la línea de tierra son soluciones para los problemas de EMI cada vez más usadas (figura 1).
En las instalaciones industriales y en las instalaciones de oficinas con muchos equipos informáticos, a veces aparecen problemas en las conexiones de tierra. Presuponiendo que la instalación general de tierra es correcta, con una resistencia de tierra suficientemente baja (recomendable una impedancia menor a 10 ohms), igualmente las conexiones de tierra pueden provocar problemas de interferencias a consecuencia de los bucles de tierra formados por las conexiones de tierra de los equipos.
Durante el diseño de los dispositivos electrónicos la conexión de la toma de tierra recibe poca atención, en comparación con la preocupación debida a las EMI generadas y enviadas hacia la línea de red. Sin embargo, si se tiene un bucle de tierra en la instalación puede provocar problemas de EMI que deberán ser solucionados.
Las fuentes conmutadas son muy comunes en los dispositivos electrónicos. Debido a las rápidas velocidades de conmutación de estas fuentes conmutadas, la probabilidad de tener problemas de EMI de alta frecuencia en la conexión a tierra también es cada vez más frecuente. Al añadir correctamente una inductancia en la línea de tierra se tiene una solución simple y segura a estos problemas de EMI.
LOS BUCLES DE TIERRA
Los bucles de tierra pueden provocar problemas debido a las corrientes circulantes no deseadas por los conductores de tierra causadas por las diferencias de potencial entre los diversos puntos de conexión de los equipos a tierra. Los bucles de tierra causan interferencias, como por ejemplo el zumbido de red (50 Hz) que se escucha en los equipos de audio con problemas.
Veamos el detalle de cómo se puede formar un bucle entre dos equipos. Los bucles de tierra se forman debido a las diferentes impedancias en las conexiones a tierra de varios equipos
En la figura 2 se presentan dos dispositivos que están conectados mediante un cable apantallado de datos y ambos dispositivos están conectados a tierra a través de su respectivo cable de alimentación de 230V. Si hay una diferencia de potencial entre las tierras de los dos enchufes, ésta provocará que circule una corriente indeseada.
Para solucionar este problema se puede añadir una inductancia de filtro en la línea de tierra en uno de los dos dispositivos (figura 3). La inductancia de filtro en la línea de tierra interrumpe el bucle de tierra a alta frecuencia, tiene una alta atenuación asimétrica (modo común) y aísla el chasis del equipo de la tierra de la línea de alimentación a altas frecuencias.
Aunque todas las conexiones a tierra tienen el mismo potencial para corrientes de carga de 50Hz, pueden tener diferentes potenciales debido a las diferentes impedancias de línea para las EMI de alta frecuencia.
Actualmente una gran mayoría de los equipos se alimentan a través de fuentes de alimentación conmutadas. Las fuentes conmutadas generan corrientes de alta frecuencia que pueden transferirse a través del acoplamiento capacitivo o mediante los condensadores “Y” de supresión de EMI a tierra en sus filtros de red. Por lo general, no hay problema si la conexión a tierra es buena (Z < 10 ohms) y estas corrientes de alta frecuencia son conducidas a tierra.
Tampoco hay problema si solo hay una única conexión a tierra, al no haber bucle. Si hay diferencias de potencial entre dos o más conexiones a tierra, se pueden producir corrientes circulantes entre las conexiones de tierra que muchas veces son corrientes de de alta frecuencia.
Las inductancias de filtro para línea de tierra podrían tener las siguientes características: intensidad nominal entre 5 y 25 A, inductancia nominal entre 0,02 y 4 mH, margen de frecuencia desde 300 kHz a más de 20 MHz, tensión de aislamiento de 2 kV y una caída de tensión admisible de unos 4 VAC a 4 x INOMINAL.
CONECTOR DE RED CON FILTRO
A nivel de diseño de un nuevo producto conectado a la red eléctrica, es recomendable disponer de un conector de entrada con filtro incluido porque es el mejor lugar para incorporar la inductancia de filtro en la línea de tierra (ver la figura 4).La inductancia dispuesta directamente en la entrada de red bloquea las EMI de alta frecuencia para que no entren ni salgan ni del equipo.
De este modo se puede resolver el problema de los bucles de tierra agregando una inductancia de tierra, siempre que se especifique correctamente para que también cumpla con las normas de seguridad con respecto a la sección transversal del conductor y su resistencia.
Además, la inductancia de la línea de tierra debe instalarse de modo que las posibles corrientes de EMI en la tierra no puedan sortear la inductancia a través de la carcasa del filtro. Esto puede ser un problema con los filtros de red. Al atornillar la carcasa del filtro directamente a la envolvente metálica del equipo, que debe conectarse a tierra, se logra una baja impedancia, lo que mejora las propiedades de atenuación de las EMI del condensador “Y” a tierra.
Los filtros de entrada del dispositivo o los filtros instalados que están conectados en la carcasa metálica están conectados directamente a tierra. Los conectores con filtro también tienen una conexión a tierra que se conecta mediante un cable a la carcasa. Si se integra una inductancia de tierra en el cable de tierra después del filtro, las corrientes de EMI pueden pasar por alto la inductancia a través de la envolvente metálica del dispositivo y la carcasa del filtro, como se aprecia en la figura 5.
No es una buena idea colocar la inductancia de tierra separada después del conector de red. Las EMI pasarán por alto la inductancia a tierra a través del blindaje del filtro, que está conectado a la envolvente y a la línea de tierra.
Además del choque en modo común en las dos líneas de red (L y N), el filtro de red tiene otra inductancia lineal en el conductor de tierra. Esta inductancia de tierra aísla la carcasa metálica y la conexión a tierra del dispositivo de la toma de tierra. Esta solución rompe de forma efectiva cualquier posible bucle de tierra.
LAS TIERRAS Y LA EQUIPOTENCIALIDAD
Siempre se deben conectar a tierra las estructuras metálicas de los equipos o instalaciones por razones de seguridad. Por estas estructuras nunca deben circular corrientes de retorno de ninguna señal o línea de potencia. Todas las señales o líneas de potencia deben tener sus propios conductores de retorno de corriente de las señales correspondientes.
El objetivo de tener un sistema de puesta a tierra como una referencia absoluta de tensión se consigue sólo en teoría. Se habla de una superficie “equipotencial” cuando se pretende cumplir con el objetivo ideal de tener una diferencia de potencial de 0V entre dos puntos cualesquiera de la superficie. Sin embargo, estrictamente, el concepto de potencial es aplicable solamente a la electricidad estática y a la corriente continua.
Tradicionalmente, los instaladores de cables consideran incorrectamente las armaduras (armarios, bandejas, envolturas, racks, conductos metálicos, etc) simplemente como guías reforzadas mecánicas o de protección. Incorrectamente, muchas veces no unen las armaduras entre ellas y a veces tampoco las unen con la tierra local en ambos extremos.
Hay confusión sobre el concepto de referencia de la tierra en las conexiones entre los equipos, donde los conceptos de tierra funcional, tierra de seguridad, referencia de tierra de alta frecuencia y la interconexión de las partes metálicas están interrelacionados. El problema es que diferentes prácticas son apropiadas para diferentes propósitos y el rango de frecuencia es un parámetro importante a considerar.
La conexión a tierra garantiza un camino de baja impedancia por el que la corriente puede circular en condiciones de fallo de aislamiento eléctrico. La conexión a tierra evita que las partes conductoras de un equipo alcancen una tensión peligrosa en el caso de tener un fallo de aislamiento eléctrico .
La conexión equipotencial es un medio de conexión eléctrica destinado a mantener en un mismo potencial varias partes conductoras expuestas, tanto en condiciones operativas como de fallo. El conductor de tierra de protección (típicamente con cable de color verde y amarillo) proporciona este medio y también conecta las partes conductoras al terminal de tierra principal de la instalación. La tensión de contacto dentro de la instalación es entonces el producto de la impedancia del conductor de protección por la corriente de fallo a tierra. Así, la unión equipotencial crea una zona equipotencial dentro de la cual las partes conductoras expuestas se mantienen "sustancialmente" en el mismo potencial.
Para que varios equipos eléctricos se conecten correctamente con otros equipos, debe haber un medio para relacionar las tensiones de un equipo con las del otro, y para evitar que los circuitos adyacentes queden flotantes. Este es el propósito de la tierra funcional y debe distinguirse de la tierra protectora de seguridad. Aun así, debido a la amenaza de las corrientes circulantes y las posibles diferencias de potencial entre las zonas de conexión a tierra, puede haber otras restricciones prácticas sobre el uso generalizado de la conexión a tierra funcional en grandes sistemas. Los circuitos de señal del equipo normalmente se deben especificar para una tensión de modo común máxima, que será la tensión que aparece entre las diferentes partes de un sistema con conexión a tierra funcional.
Una característica altamente deseable de una tierra es que no debe haber una excesiva diferencia potencial entre dos puntos que estén separados geográficamente. Por lo tanto, las conexiones a cada punto pueden considerarse como conexiones al mismo potencial. De este modo, en el contexto de la CEM, no existen tensiones de EMI entre estos puntos y, por lo tanto, no se inyecta EMI en un sistema que está "conectado a tierra" solo en estos dos puntos. De hecho, una estructura equipotencial tan perfecta es imposible, pero puede ser aproximada por un plano sólido altamente conductor.
Una serie de normas de las tecnologías de la información (TI) y de telecomunicaciones recomiendan que la máxima diferencia de potencial para la conexión a tierra con malla dentro de un bloque del sistema no debe exceder 1 V RMS (EN 50173, ISO 11801 y EIA 568A).
Algunos fabricantes de equipos informáticos y de telecomunicaciones utilizan el envío de señales tipo “single-ended” (señal + malla), utilizando la malla (conectada a tierra indirectamente) como el retorno de la señal. Esto se considera como una mala práctica. Aparentemente, en sus manuales de instrucciones indican que su equipo debe estar conectado a una "tierra limpia", pero en este caso "limpia" significa tener una tensión equipotencial ideal de no más de 15 milivoltios en el rango de frecuencia de las señales empleadas (esto no es realista). Por lo tanto, el instalador (y el usuario) se enfrentan a la dificultad y el costo de lograr muy alta calidad del potencial de referencia, difícilmente asumible por parte del usuario.
REFERENCIAS
- Schurter Electronic Components, “KFA with Ground Line Inductancia – Specifications”
- Schurter Electronic Components, “A Simple and Safe Solution for Ground Connections Interferences”
- Mike Holt, NEC Consultant, “Grounding and Bonding Parts 1 to 3”
- Henri Arnold, Schaffner : “IEC inlet filters come with or without earth line Inductancia”, December, 2008
- Tim Williams, Keith Armstrong, “EMC for Systems and Installations”, Newnes, 2000
Más información: info@leedeo.es , contacto@cemdal.com
Member of Agency for Qualification of Professional Engineers
cemdal consultoria compatibilidad electromagnética asesoria CEM EMC EMI Francesc Daura problemas CEM
Escribir comentario
Jose M Gimenez. Tresaco (jueves, 24 enero 2019 11:42)
Un artículo muy interesante donde se describe la problemática de las conexiones de tierra de equipos con componentes electrónicos en relación a la diferencia de potencial entre las diferentes tomas de corriente, y una posible solución minimizando el efecto de las corrientes de alta frecuencia al intercalar inductancias en el circuito de tierras. Hay dos aspectos que se podrían desarrollar en otros artículos; el primero sería valorar la pérdida de eficacia del apantamiento de las líneas de enlace entre equipos al incrementarse la impedancia del bucle en alta frecuencia por el añadido de la inductancia, el segundo las medidas opcionales a tomar en la instalación para reducir las diferencias de potencial en alta frecuencia entre las tomas de tierra de los enchufes, en función de las características de las pantallas y de la configuración de los conductores de equipontencialidad de la instalación