El Cómo y Porqué del Aterramiento Aislado
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Por: Thomas M. Gruzs, Liebert de Corporación, Colón, Ohio Traducción: Jaime Vázquez parada Cuando el receptáculo receptáculo de aterramiento aterramiento se instala instala en una caja metálica, este deberá aislarse del montaje restante, aislando el circuito de tierra del sistema de tuberías aterradas. El aterramiento de equipo electrónico sensible se cree sea cosa de magia negra. Una técnica de aterramiento frecuentemente utilizada en equipo electrónico sensible; que ha contribuido a esta aura de misterio, es la tierra aislada. Existe mucha confusión acerca de lo que es la " tierra aislada" (IG) , como se implementa, y por qué se usa.
Ruido como Interferencia El ruido de modo común es una perturbación de la potencia particularmente difícil de contr con trol olar. ar. El ruid ruidoo de modo modo comú común, n, como como su no nomb mbre re lo indi indica ca,, es cual cualqu quie ierr señal señal indeseable que es común a todos los conductores de circuito simultáneamente. La otra forma de ruido es el de modo normal (también (también conocido como transverso transverso o ruido de modo diferencial) que es cualquier señal indeseable que existe entre los conductores del circuito. En sistemas de potencia alterna AC, la diferencia de potencial entre neutro y tierra es una forma de ruido de modo común, cualquier cambio cambio en el potencial de neutro con respecto a tierra también también afecta la diferencia diferencia de potencial potencial de los otros conductores conductores del circuito circuito con respecto a tierra. Otra forma más problemática de ruido de modo común son las diferencias de potencial de la tierra a lo largo de un sistema eléctrico. Cuando los múltiples dispositivos electrónicos son interc interconec onectad tados os para maneja manejarr control controlador adores, es, datos datos o comuni comunicaci cación ón cableg cablegráfi ráfica, ca, cualquier cualquier diferencia de potencial potencial a tierra entre los componentes componentes del equipo se convierte convierte en ruido para los controladores, datos o circuitos de comunicación. Es virtualmente imposible mantener todos los chasis a potencial de tierra o a los dispositivos electrónicos al mismo potencial bajo todas las circunstancias posibles. Por lo tanto, debe diseñarse algún nivel de inmunidad al ruido de modo común, en los dispositivos electrónicos que se piensen conectar. Adicionalmente, supresores de pico, el cableado, el blindaje, y el aterramiento del sistema eléctrico del edificio (incluyendo los controladores, datos y la comunicación cablegráfica) puede tener un efecto pronunciado sobre los niveles de señales de modo común a la cual los equipos electrónicos están expuestos. Debido a que diferencias de potencial en el aterramiento de equipos (o cambios en el potencial) afectan la operación segura de dispositivos electrónicos. Los diseñadores,
instaladores y personal de servicio han sido muy específicos en algunos requerimientos especiales para el aterramiento. La mayoría de estas técnicas especiales de aterramiento han evolucionado basadas en pruebas empíricas (ensayo y error) más que sobre el análisis detallado. Algunos de los más creativo arreglos para el aterramiento se idean en función de la reducción del ruido, pero frecuentemente frecuentemente ignoran los principios principios básicos de electricidad, electricidad, tales como que la electricidad sigue las trayectorias de impedancia menor, la electricidad fluye en trayectorias cerradas y también que la electricidad fluye debido a que existe diferencia diferencia de potencial. potencial. Adicionalment Adicionalmente, e, cuando se trata de reducir los efectos de "ruido," los fundamentos del acoplamiento de ruido se ignoran. Para mayor información sobre los fundamentos en el control de ruido, ver Referencia 1. Una técnica de aterramiento especial aplicada en bajo voltaje (en sistemas AC ), para reducir interferenci interferenciaa se conoce como aterramient aterramientoo aislado (IG). IG está permitido permitido en los U.S. por el Código Eléctrico Nacional (NEC)2 y en el Canadá por el Código Eléctrico Canadiense (CEC)3. En ambos casos, IG es una excepción a la norma estándar de aterramiento. NEC 250-74 y 250-75 que permite aplicar IG donde se requiera reducción de ruido eléctrico sobre el circuito de tierra..
IG de Receptáculos El IG de receptáculos difiere de los receptáculos estándares en dos manera importante,. (Figura)1. Primero: con un receptáculo IG, el receptáculo de tierra se encuentra aislado eléctricamente del receptáculo del cajetín, lo cual aisla al receptáculo del circuito de tierra de la tubería metálica aterrada cuando se conecta el receptáculo en un cajetín cajetín metálico. De aquíí el térm aqu términ inoo tierra tierra aislada aislada. Segundo: para para difer diferen enci ciar ar el recep receptá tácul culoo IG de los los receptáculos estándares, la cara del receptáculo se colorea de naranja o se marca con un triángulo anaranjado. El aislamiento del terminal de tierra en el receptáculo del cajetín es la diferencia diferencia eléctrica eléctrica importante, importante, que existe. Un receptáculo receptáculo IG se usa a veces a causa de su marca distintiva. De esta manera, el receptáculo anaranjado nítido indica que el receptáculo será usado exclusivamente exclusivamente para equipo electrónico electrónico sensible sensible y que las otras cargas "sucias" no deberán ser enchufadas en el receptáculo IG.
Figura 1. Comparación de un Receptáculo Estándar Con un IG de Receptáculo. El propósito primario del aterramiento en sistemas de potencia alterna (AC) es la seguridad del personal y el equipo. El propósito secundario de aterrar el sistema de potencia AC para equipos electrónicos sensibles es el propio desempeño del equipo, específicamente la reducción de perturbaciones de modo común. Muchas veces estos dos propósitos se inspe inspecc ccio ionan nan proba probabi bilí líst stic icame ament ntee de forma forma separ separada ada como como si fuera fuerann mutu mutuam amen ente te excluyentes. excluyentes. ¿ Sin embargo, qué bueno puede ser un sistema sistema que funcione pero que no sea seguro o viceversa? La meta del aterramiento en sistemas electrónicos sensibles debe ser proveer sistemas seguros y que funcionen correctamente. El propósito del aterramiento siempre debe ser el de la seguridad y nunca deberá ser precedido por el del funcionamiento. Por lo tanto, los requerimientos del CEN (código eléctrico nacional NEC) en cuanto al aterramiento y la seguridad nunca deberán ser comprometidos en aras del funcionamiento. Las razones básicas para el aterramiento en sistema de potencia alterna AC son: limitar los voltajes de los circuitos, estabilizar el voltaje de los circuitos a tierra, y facilitar la operación del dispositivo de protección para sobrecorriente (OPD) en caso de una falla a tierra. Para aterrar sólidamente los sistemas de potencia AC de bajo voltaje, el CEN (NEC) requiere que todas las partes metálicas del sistema eléctrico sean efectivamente aterradas para minimizar las descargas eléctricas por diferencia diferencia de potencial potencial y para facilitar facilitar la operación operación del OPD para despejar fallas a tierra. El NEC define efectivamente aterrado como tener un camino a tierra que: (1) es permanente y continuo, (2) tiene amplia capacidad para transportar corriente de fallas a tierra, y (3) tiene impedancia lo suficientemente baja como para permitir la operación del OPD y así despejar una falla rápidamente [NEC 250-51].
Estos requerimientos exigen un conductor permanentemente aterrado y conectado a todas las partes metálicas del sistema eléctrico y a cualquier otra parte conductora que pueda llegar a ser energizada. A fin de facilitar la operación del OPD en despejar fallas a tierra, los conductores de tierra deben conectarse en el punto de tierra del sistema de potencia (barra de tierra a la salida del transformador que los alimenta). En la Figura 2. se puede observar un ejemplo típico del sistema de potencia en baja tensión, cuando se utilizan receptáculos standard. Si una falla a tierra ocurriera en el lado de la carga, como se observa en la Figura 3, el sistema aterrado proveería una trayectoria efectiva a tierra porque: (1) los conductores de aterramiento son apropiados para ser usados como conductor a tierra según NEC (Código Eléctrico Nacional), están permanentemente conectados y son continuos, (2) los conductores a tierra son del tamaño adecuado según el NEC y tienen suficiente capacidad como para manejar corrientes de falla a tierra., y (3) los conductores cumplen con el NEC al tener impedancia suficientemente baja como para permitir la operación del OPD y despejar una falla rápidamente.
Figura 2. Sistema de potencia típico con aterramiento convencional y Receptáculos Estándares.
Figura 3. Ejemplo de una Falla a tierra con Receptáculos Estándares.
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El experimento de Kaufmann El experimento de Kaufmann demostró la importancia de enrutar los conductores de potencia y tierra en el mismo camino. La estructuración básica del experimento se observa en la Figura 4. Una fuente de corriente se conectó al conductor de fase y a pares de posibles trayectorias de retorno a tierra. En una comparación de las impedancias relativas a una tubería de acero (conduit) de 100 pies de longitud vs un conductor #4/0 aislado de tierra (externo a la tubería), el 90% de la corriente de falla a tierra fluyó a lo largo de la tubería y únicamente el 10% fluyó a través del conductor de tierra conectado fuera de la tubería. La impedancia de la tubería (conduit) fue nueve veces menor que la impedancia de los conductores a tierra externos a la tubería. Pero, cuando el conductor #4/0 de tierra fue enrutado con los conductores de fase, dentro de la tubería, el 80% de la corriente de falla fluía sobre el conductor de aterramiento y únicamente un 20% fluyó sobre la tubería.
Figura 4. Experimento de Kaufmann quien determinó la eficacia relativa de diversas trayectorias de falla a tierra [5] La impedancia del conductor de aterramiento era cuatro veces menor que la tubería. De aquí en adelante, la práctica recomendada para el equipo electrónico sensible fue la de usar un conductor de aterramiento aislado y enrutado en el mismo conducto que los conductores de potencia y no confiar en la tubería que siempre está sujeta a la corrosión, conexiones flojas, etc. Para completar la comparación, cuando el acero del edificio se comparó con la tubería rígida, el 95% de la corriente de falla fluyó sobre la tubería y sólo el 5% fluyó sobre el acero de edificio. El experimento de Kaufmann tuvo un efecto pronunciado sobre el NEC. Con anterioridad al mismo, se permitía enrutar los conductores de aterramiento externos a la bandejas por donde pasan los otros conductores. Después, el código se cambió para exigir que los conductores de aterramiento se enrutarán con los otros conductores del circuito en el mismo camino. Es importante que el cableado IG provea una efectiva trayectoria de falla a tierra desde el equipo conectado a la fuente de potencia. La figura 5 es un ejemplo de un típico sistema de potencia en baja tensión que usa IG de receptáculos, como lo indica el NEC. Observe que el terminal de tierra del receptáculo no esta conectado al receptáculo de la tubería aterrada. Un conductor de aterramiento aislado (IG) se conecta al terminal de tierra del receptáculo y se encamina con los conductores de potencia, pasando a través de uno o más tableros, permaneciendo aislaron de la tubería de metal y conectado al sistema de aterramiento hasta el punto aterrado, donde finaliza el sistema de potencia (a la entrada del servicio, en este ejemplo). Si una falla a tierra ocurriera en el lado de la carga, el conductor de aterramiento aislado deberá proveer una trayectoria efectiva a tierra como se observa en la Figura 6. El conductor IG: 1. Es permanente y continuo 2. Tiene amplia capacidad de corriente, al ser diseñada de acuerdo al NEC
3. Tiene una trayectoria de muy baja impedancia que permite al OPD despejar falla a tierra.
Figura 5. El Sistema de potencia típico con IG Cableado
Figura 6. Ejemplo Falla a tierra con IG Cableado
Aterramiento IG tipo “Hardwired” Esta es otra forma de IG permitido por el NEC en NEC 250-75 (también por excepción). La carga “hardwired” es directamente conectada sin el enchufe ni el receptáculo, también puede aterrarse usando conductor de aterramiento aislado. Con el equipo “hardwired” no
hay receptáculo IG para aislar el conductor de aterramiento de equipo a la tubería metálica, un bushing no conductor o una barra ajustable puede meterse en el terminal hacia la tubería o bandeja de conductores (Figura 7). De esta manera, el equipo aterrado se aisla de la tubería metálica y del sistema de cables (raceway) pero todavía se encuentra efectivamente aterrado (por seguridad), al igual que anteriormente se discutió para los receptáculos IG .
Figura 7. Cableado IG para equipo “hardwired” (Directamente conectado) La excepción IG a el NEC 250-75 para equipamiento “hardwired” ha sido recientemente agregada al NEC. Queda todavía alguna controversia con respecto a si el cableado IG para equipo ”hardwired” es efectivo para la reducción al ruido de modo común y si siempre es seguro. Un punto de interés, es que para lograr el aislamiento del equipo aterrado, la carcaza de metal del equipo también debe aislarse de tierra. Este aislamiento podría permitir choques por diferencia de potencial o descargas entre los alrededores aterrados y las partes del IG, durante ciertas condiciones cuando fluyan grandes corrientes a tierra.
Inseguro e Incorrecto el Cableado IG A veces, los requerimientos del IG se malinterpretan y se piensa que los circuitos IG deben estar verdaderamente aislados. La figura 8 es un ejemplo de la interpretación incorrecta del IG. Los terminales de aterramiento de los receptáculos de IG se agrupan a una barra IG y se conectan entonces a un electrodo de aterramiento separado. A veces por querer asegurar una extraordinaria conexión a tierra del electrodo y con la esperanza de proveer una "tierra sólida" para equipos electrónicos sensibles.
Figura 8. Ejemplo de una Interpretación Incorrecta e Insegura de IG
Figura 9. Aterramientos aislados y dedicados no proporcionan un efectivo camino para fallas a tierra. A pesar de las buenas intenciones del IG aislado mostrado en la Figura 8, este fracasa al no seguir los requerimientos básicos de seguridad del sistema aterrado. El IG aislado allí enfocado no provee la trayectoria efectiva a tierra requerida por que el NEC que resultan en
condiciones inseguras y peligrosas. Considere la posibilidad de una falla a tierra de algún equipo, como se observa en la Figura 9. Observe que no existe una trayectoria efectiva entre el aterramiento aislado dedicado (Isolated Dedicated Ground) y el aterramiento de la fuente de potencia (entrada del servicio). Se desconoce si la trayectoria a tierra entre estos dos electrodos de aterramiento es permanente y continua o de suficiente capacidad. Adicionalmente, la trayectoria del terreno seguramente no tiene una impedancia lo suficientemente baja como para permitir al OPD despejar fallas a tierra rápidamente y sin riesgo. La impedancia de las conexiones de los electrodos a tierra se mide en ohms, mientras que la impedancia del camino para fallas a tierra debe estar en milliohms. Adicionalmente, cualquier diferencia de potencial que ocurra entre el electrodo aislado, dedicado de aterramiento y el electrodo de aterramiento del sistema de potencia (que debe existir porque uno se refiere a aterramiento "sólido" mientras el otro se refiere a aterramiento "sucio") aparecerá como un voltaje de modo común (N-G) en los equipos conectados. El intento original de esta IG aislado fue el de reducir el ruido eléctrico, el resultado es realmente un aumento en los potenciales del ruido de modo común en las cargas sensibles. Significativas diferencias de potencial a tierra pueden aparecer cuando existan grandes corrientes circulando, durante fallas a tierra, relámpagos o cuando nubes cargadas de electricidad se muevan sobre el área. Un resultado común del incorrecto IG aislado, es el daño al equipo conectado en el lado de la carga. Una observación interesante de las incorrectas e inseguras prácticas del aterramiento es que el equipo puede continuar operando aunque se aterre inadecuadamente y que el daño puede ocurrir bajo ciertas condiciones, tales como durante una falla a tierra o durante una tormenta eléctrica. Quizás el nombre de aterramiento aislado contribuyó a una mal interpretación de las técnicas de cableado IG. Un nombre mejor sería aislamiento del terreno, ya que el intento del IG no es la de aislar la tierra de las cargas sensibles del sistema de potencia, sino aislar y controlar donde se debe hacer la conexión a tierra del sistema de potencia.
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Los beneficios del cableado IG Frecuentemente, los ingenieros de electrónica impedirán la implementación apropiada del cableado IG, según se muestra en la Figura 5, porque ellos no ven aislamiento a tierra para los equipos electrónicos sensibles. Un comentario común es, ¿"Cuan bueno es, cuando el IG se conecta a la tierra de potencia AC "sucia", según lo requiere la seguridad?"
La respuesta obvia es que el sistema y las tuberías de metal proveen de una protección EMI/RFI y de aterramiento a los conductores de potencia contenidos dentro de ellas. Pero esto es solo una parte de los beneficios del cableado IG. Un beneficio más práctico es que el cableado IG controla las conexiones de aterramiento de los equipos electrónicos sensibles para minimizar los problemas asociadas con corrientes descarriadas de tierra. (stray ground current) Considere el ejemplo mostrado en la Figura 10 para una configuración estándar de aterramiento (no-IG). Las corrientes descarriadas de tierra que fluyen sobre el sistema de aterramiento origina cambios en los potenciales de tierra a lo largo del sistema aterrado. Las corrientes descarriadas de tierra son una realidad en todos los sistemas de potencia y existen bajo una variedad de condiciones, la mayoría muy dinámicas. Las corrientes descarriadas de tierra pueden ser el resultado de una descarga electrostática en las proximidades, corrientes de falla a tierra o la capacidad de acoplamiento a tierra cuando una carga se energiza.
Figura 10. Con configuraciones estándares de aterramiento, las corrientes descarriadas de tierra afectan la sensible referencia de las cargas a tierra La figura 10 muestra que cualquier corriente descarriada de tierra ocasionará que el potencial a tierra del tablero supere la referencia de tierra en la acometida. Con la configuración estandard de aterramiento, la referencia a tierra de los equipos del sistema de computación con respecto a la tierra del sistema de potencia subirá también porque el terminal de aterramiento del tablero se conectan anexos y cambiará según lo haga el sistema de potencia. La alternativa en configuración IG se muestra en la Figura 11. La referencia a tierra de equipos, para cargas sensibles se encuentra aislada de la tubería de metal y anexa al sistema de aterramiento. Las corrientes descarriadas de tierra que fluyen sobre la tubería y el sistema anexo causa cambios en el potencial a tierra que son encerrados en la tubería y el
sistema de aterramiento. Desde que las corrientes descarriadas de tierra no fluyen sobre el cableado IG, ellas no afectan (trastornan) las referencias a tierra de los sensibles equipos electrónicos.
Figura 11. Con la configuración de cableado IG, las corrientes descarriadas de tierra no afectan las referencias a tierra de cargas sensibles.
Las desventajas del cableado IG Una desventaja potencial del cableado IG lo constituye las corrientes inducidas de los conductores de potencia. Considere la posición relativa del conductor de aterramiento (o IG) con respecto a los conductores de potencia en la bandeja o tubería de servicio (raceway). La figura 12 muestra la sección transversal de dos configuraciones posibles. En la mayoría de los manojos de cables que vienen ya construidos, la posición del conductor de tierra es la mejor, aún cuando lo mas utilizado son los conductores de potencia individuales (en vez de un cable fabricado donde la posición relativa de los conductores se controla).
Figura 12. Posición relativa de un conductor de aterramiento con respecto a los conductores de potencia dentro de una tubería.
Cuando el conductor de aterramiento no es igualmente espaciado entre los conductores de potencia, los campos magnéticos asociados con las corrientes que fluyen en los conductores de potencia no se equilibrarán en el conductor de aterramiento. Este campo magnético neto, siendo un campo de corriente alterna (AC), inducirá corriente en el conductor de aterramiento, si este forma una trayectoria completa para que la corriente pueda fluir (lazo a tierra). Los circuitos IG podrían considerarse como una solución a los problemas de corriente inducida en el sistema de aterramiento haciendo que el conductor de aterramiento llegue a tierra en un solo punto y que no forme lazo cerrado que permita a la corriente fluir. Esto será cierto mientras el equipo conectado en el receptáculo IG de no tenga otras conexiones a tierra con el sistema de potencia. Para los sistemas interconectados; estos tienen más de un punto de sus equipo interconectados simultáneamente para el envío de datos, la comunicación o cables de control, en este caso el uso del cableado IG puede hacer que el problema de la corriente inducida empeore.
Figura 13. Las Corrientes Inducidas en Sistemas Interconectados usando técnicas de cableado IG Considere el sistema interconectado mostrado en la Figura 13. Un camino cerrado para la corriente inducida en el conductor IG se completa por la interconexión para datos, comunicación o cables de control. Las corrientes inducidas por los conductores de potencia son forzadas a fluir por los cables de interconexión, donde hay una oportunidad mayor de trastornar o dañar la carga sensible. Las corrientes inducidas sobre el cableado del sistema interconectado han conducido a la práctica generalizada de aterrar la malla del cable de interconexión únicamente al final. Mientras que esta práctica permite romper el lazo de
tierra, también permite la posibilidad de voltajes dañinos o inseguros que se puedan desarrollar en el sistema, particularmente durante una falla a tierra, relámpago u otra oscilación. Las corrientes inducidas en los cables de interconexión pueden ser algo problemático para los sistemas electrónicos sensibles al tener señales sobre los cables de interconexión las que pueden ser trastornadas o modificadas por las frecuencias de sistema de potencia (60 Hz y los armónicos de 60 Hz). Los ejemplos de los sistemas observados son sensibles a las frecuencias de sistema de potencia lo que incluye equipos de audio, equipos de video, y procesadores analógicos de señal. Las técnicas de aterramiento estándar, usan un conductor de aterramiento aislado conectado a todas las partes metálicas, lo que los hace menos propensos a problemas con corrientes inducidas por los conductores de potencia en el conductor de aterramiento. (Figura 14). Cuando un conductor de aterramiento aislado se enruta con los conductores individuales de potencia, los campos magnéticos netos resultantes desde los conductores de potencia inducirán corrientes en cualquier bucle donde se encuentre el conductor de aterramiento aislado. Con las técnicas de aterramiento aislado, la tubería de metal o bandeja (raceway) se encuentra eléctricamente en paralelo con el conductor aislado de tierra. La resultante corriente de aterramiento inducida fluirá sin las consecuencias prácticas en el conductor de tierra y el sistema de tuberías. La corriente inducida se desvía y normalmente no fluye en los típicos lazos de alta impedancia involucrados en la interconexión de datos, comunicaciones o cables de control.
Figura 14. Flujo de corriente inducida a tierra con técnicas de cableado no estándar (No-IG). A veces las técnicas de cableado IG se implementan inadvertidamente. tal es el caso cuando se utilizan tuberías y accesorios no metálicos, no porque ellos interrumpen el sistema de conducción, pero por razones ambientales, tales como en ambientes corrosivos o a causa del entierro directo en la tierra o concreto. Desde la bandeja (raceway) no se provee
una trayectoria efectiva a tierra, y se utiliza un conductor aislado para aterramiento. Este sistema no metálico comparte algunas de las características del cableado IG, desde los conductores de aterramiento aislados quienes típicamente tienen una única conexión a tierra en el sistema de potencia. Este sistema de bandeja (raceway) no metálico también tiene los mismos intereses con las corrientes inducidas a tierra y el sistema interconectado como en el cableado IG. Una diferencia importante del sistema de bandeja (raceway) no metálica de las técnicas de cableado IG discutidas previamente es que el sistema de bandejas (raceway) no metálicas los sistemas no proveen el blindaje EMI/RFI que brinda el sistema metálico.
Referencias 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Denny, Grounding for the Control of EMI, Don White Consultants, Inc., Gainesville, VA, 1983. ANSI/NFPA 70-1993, National Electrical Code, National Fire Protection Association, Batterymarch Park, Quincy, MA, 1992. CSA Std. C22.1, Canadian Electrical Code, Canadian Standards Association, Ontario, Canada, 1990. E.C. Soares, Grounding Electrical Distribution Systems for Safety, Marsh Publishing Company, Inc., Wayne, NJ, 1966. R.H. Kaufmann, "Some Fundamentals of Equipment Grounding Circuit Design," AIEE Transactions, November 1954, pp. 227-232. T.M. Gruzs, "Computer Systems Need Isolated Ground That Is Safe and Noise Free," Computer Technology Review, Spring 1988, pp. 103-108. W.H. Lewis, "The Use and Abuse of Insulated/Isolated Grounding," IEEE Transactions On Industry Applications, Vol. 25, No. 6, November/December 1989, pp. 1093-1101. IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment, The Emerald Book, IEEE Std. 1100-1992.
SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA - TEORÍA, DISEÑO, MEDICIÓN y MANTENIMIENTO -
3. Puesta a Tierra de Equipos Electrónicos y de Comunicaciones Índice
En los siguientes párrafos, se utiliza el frase "equipo electrónico" como sinónimo de aquel aparato que contiene circuitos integrados de alta densidad, conocidos como VLSI . Como ejemplos de ellos, tenemos a nivel doméstico y comercial: computadoras, sistemas de entretenimiento y, sistemas de comunicaciones. A nivel industrial: computadoras, CNCs, sistemas de control y de comunicaciones. Por lo tanto, la frase "equipo electrónico" puede ser sustituida por cualquier de dichos aparatos.
3.1 TRANSITORIOS E INTERFERENCIAS [3.4]. Los equipos electrónicos no trabajan satisfactoriamente cuando se presentan transitorios o interferencias.
Transitorios.- La causa mayor de fallas de los componentes electrónicos de los puertos de interconexión de datos, y los de control en bajo voltaje, es el sobreesfuerzo eléctrico que usualmente se origina en los transitorios causados por: (1) las descargas atmosféricas; (2) por las maniobras de interrupción de cargas inductivas, o; (3) por descargas electrostáticas. Este sobre-esfuerzo es causado por voltajes de una magnitud de decenas de volts a varios miles de volts y, con duración de unas decenas de nanosegundos a unas centenas de microsegundos. Los que se conocen normalmente como "picos" de voltaje". Ningún cable enterrado, ni siquiera de potencia, es inmune a los transitorios provocados por los rayos. Los transitorios se eliminan mediante componentes conectados a la tierra del sistema. Ver: 3.3 PROTECTORES DE CABLES DE INSTRUMENTACIÓN Y DE COMUNICACIONES. Las corrientes provocadas por las descargas atmosféricas prefieren viajar por conductores metálicos más que por la simple tierra, porque representan un camino de menor impedancia. Ésto destruye el aislamiento. Además, los rayos
también causan una diferencia de potencial entre el blindaje y los conductores internos [3.9] que puede destruir componentes electrónicos en la interconexión, ya que los cables y sus circuitos de conexión deben soportar los voltajes máximos que se puedan obtener entre los extremos de los cables. Cuando es muy grave el problema debido a estar interconectando los cables dos sistemas de tierra diferentes, como en el caso de un sistema de control distribuido, los conductores se prefieren del tipo de fibra óptica. Otra solución utilizada es el interconectar los distintos sistemas de tierra de una industria o edificio mediante conexiones a una red de tierra perimetral adicional, para lograr el mismo potencial a tierra en cualquier lado.
Interferencia causada por armónicas.- Las armónicas se generan en fuentes de poder de tipo conmutada de computadoras, y en los variadores de frecuencia [3.9] entre otros lugares. Su efecto en los equipos electrónicos se mitiga incrementando calibres de conductores, cambiando el diseño y configuración del transformador de alimentación y, usando filtros activos. Los filtros pasivos compuestos de capacitores e inductores no son generalmente efectivos (excepto como protección de bancos de capacitores) porque la frecuencia de corte del filtro tiene que ser muy cercana a la fundamental, lo que es prácticamente imposible de diseñar en un filtro de este tipo [3.3]. Interferencia en radiofrecuencia.- La interferencia por radiofrecuencia, RFI por sus siglas en inglés, es causada principalmente por transmisiones radiales. Sin embargo, este tipo de interferencia también es producida por los componentes electrónicos trabajando a altas frecuencias. En los equipos electrónicos su efecto se minimiza con un buen blindaje en cables y en los mismos equipos. Aunque, la mejor manera de acabar con la RFI es blindar el ruido directamente en su fuente. Los blindajes mencionados para ser efectivos se deben conectar a la tierra del sistema . Ver: 3.2 CABLES, PANTALLAS Y CANALIZACIONES Interferencia electromagnética .- Este tipo de interferencia, conocido por sus siglas en inglés EMI, es ruido eléctrico que se convierte en un voltaje en un sistema eléctrico. Sus fuentes son las mismas que generan la interferencia en radiofrecuencia. Este tipo de interferencia en los equipos electrónicos se corrige conectando todo a una única puesta a tierra del sistema . En resumen, los efectos en los equipos electrónicos de los transitorios y de gran parte de los tipos de interferencias se eliminan mediante la conexión adecuada de los componentes a una referencia de tierra.
3.2 CABLES, PANTALLAS Y CANALIZACIONES [3.4]. Los blindajes de cables usualmente son de metal sólido o una película plástica metalizada con un alambre guía. Para que sea efectiva la protección de los cables internos contra los tipos de interferencias mencionados arriba, el blindaje debe cubrir los conductores, ser continuo entre los extremos y debe estar bien aterrizado. Todos los cables blindados provocan un problema contradictorio. Para mejorar su desempeño para bloquear la interferencia en altas frecuencias, ambos extremos del blindaje deberían estar bien aterrizados. Sin embargo, a menos que ambos extremos estén al mismo potencial, fluirá una pequeña corriente a través del blindaje entre esos puntos. De ahí que, en la práctica, las pantallas en sistemas electrónicos son conectadas únicamente en el extremo más cercano al equipo de control, y se dejan completas y aisladas en el otro extremo, normalmente el lado del sensor. Similarmente una canalización metálica con cables que conduzcan señales lógicas o de control se puede aislar en un extremo para evitar el fenómeno de corrientes de tierra circulando por ella. Para ello, se emplea un cople de PVC y, obviamente, el otro extremo continúa puesto a tierra de acuerdo con los requisitos de la NOM-001-SEDE-2005[1.3]{250-}. Para eliminar la mayoría de los problemas por ruido eléctrico inducido en los cables de señal y de control, se recomienda colocarlos a más de 1,5 m de los cables de alta tensión o de gran potencia. Y cuando es necesario cruzarlos, se recomienda que el cruce sea a 90 grados para eliminar cualquier inducción. En el caso de las canalizaciones plásticas segmentadas - canaletas tipo Panduit que son para llevar fuerza y señal a computadoras, es necesario conocer las condiciones bajo las cuales la canalización está aprobada, ya que no todas las que existen en el mercado evitan que el ruido eléctrico de los cables de fuerza cause una reducción en la velocidad de transmisión de datos.
3.3 PROTECTORES DE CABLES DE INSTRUMENTACIÓN Y DE COMUNICACIONES. Para controlar las descargas y los fenómenos transitorios, se añaden dispositivos
de protección a los cables que conectan entre sí los equipos de computación, instrumentación y de comunicaciones. Estos dispositivos desvían la corriente, bloquean la energía que viaja por los conductores, filtran ciertas frecuencias, regulan voltajes o, realizan una combinación de todas estas tareas. Los protectores funcionan mejor, siempre y cuando se coloquen muy cercanamente al sistema a proteger, ya así que tanto los protectores como el equipo protegido permanecen al mismo potencial bajo condiciones de transitorios. Como familias de protectores tenemos: a) Válvulas de gas; b) Filtros; y c) Semiconductores. 1. VÁLVULAS DE GAS. Estos dispositivos se construyen de tal manera que la trayectoria de la descarga sea de baja impedancia una vez que se sobrepase el nivel máximo de voltaje. Como ejemplo tenemos las válvulas de gas, como son las lámparas de neón. Esta es la clase de protección más lenta pero la que puede manejar más energía al menor costo. Los protectores telefónicos son de esta clase.
2. FILTROS Los filtros comunes contienen elementos pasivos, capacitores e inductores, en configuración pasa-baja.
Muchos equipos de comunicaciones (faxes, modems, etc.) tienen este tipo de protección en la conexión de potencia, en forma de una ferrita. Y, con ella protegen el aparato de ruido eléctrico de alta frecuencia. 3. SEMICONDUCTORES Los dispositivos semiconductores son los arreglos más sofisticados. Son más rápidos y baratos pero generalmente manejan menos energía que otras alternativas de igual precio. Y debido a su rango limitado de operación y características, estos dispositivos deben especificarse más precisamente. Nota: Existen dispositivos electrónicos para proteger por corriente o por voltaje. Las resistencias no lineales compuestas de óxidos de zinc en una matriz de óxido de bismuto, llamados varistores, funcionan por voltaje y se manufacturan para manejar un máximo de energía en joules o en watt-segundos. El dispositivo se selecciona para operar a un voltaje ligeramente mayor que el máximo esperado de la fuente de voltaje. Cada varistor de óxido metálico tiene una capacitancia inherente, lo cual crea algunos problemas en señales de altas frecuencias (>135 MHz). Además, un varistor se degrada con el tiempo en operación. La protección con varistores es la más empleada actualmente, tanto en las conexiones de fuerza como en las de los puertos de comunicaciones. Su desventaja es que cuando se dañan por una descarga, los equipos quedan desprotegidos porque fallan siempre abriendo el circuito de descarga. Los diodos de tipo zener o, avalancha son dispositivos más rápidos que los varistores pero no pueden manejar tanta energía como los últimos. Y, ya que no pueden disipar energía, se les usa en ocasiones junto con válvulas con gas, donde el diodo dispara primero y la gran energía se disipa en la válvula de gas. El circuito de un zener consiste de una resistencia o inductancia en serie y el zener conectado en derivación con la carga. Si el rango del zener no es excedido, este dispositivo no se degrada con el tiempo. Sin embargo, debido a su limitada capacidad de corriente, un zener sin otro medio de protección se daña irremediablemente.
La efectividad de estos dispositivos depende de la longitud de la conexión a tierra (al chasís). La más corta es la mejor. Además, se debe tener precaución en no unir los cables de entrada junto a los de salida del protector, por existir la posibilidad de un acoplamiento inductivo entre ellos.
Modos de protección.El modo de protección depende de la conexión al circuito a proteger. Unidades de protección de "modo diferencial" se conectan entre líneas y, los de "modo común", entre los hilos de señal y tierra. Como mínimo, un protector en "modo común" se debe colocar en cada extremo del conductor. Para cancelar el ruido inducido en "modo diferencial" en líneas de instrumentación como en redes de comunicaciones se usan pares trenzados. Así, el ruido se induce igualmente en ambos conductores cancelando el efecto. Como los transitorios también son una forma de ruido, también se inducen en los conductores. Cables multiconductores acoplan la energía del transitorio a todos los pares de conductores del cable. Y como la energía inducida es la misma, siendo un par o muchos, se disipa más energía en un arreglo multiconductor. Cuando existen más de 6 pares, se emplean protectores conectados en derivación y, cuando son menos, en serie, por ser mayor la energía presente por par. Los protectores en serie consisten de filtros como también de supresores en derivación. Todos los pares que no se usen de un cable multiconductor deben ser conectados a tierra y así, la energía inducida en ellos, pasará directamente a tierra.
Ejemplo de aplicación de Protectores: PLC.Para proteger Controladores Lógicos Programables (PLCs por sus siglas en
inglés), la protección estándar dada por varistores en derivación es suficiente. Siempre y cuando no existan cables con señales que provengan de lugares fuera del sistema de tierras al que está conectado el PLC. Cuando se tienen señales provenientes de fuera del sistema de puesta a tierra del PLC, se emplean protectores con aislamiento galvánico. Dichos protectores aíslan eléctricamente la señal que no tiene la misma referencia de tierra. Debido a los requisitos de la puesta a tierra de los equipos eléctricos y debido a la presencia de tuberías metálicas en una planta industrial, es imposible aislar galvánicamente todas las trayectorias de tierra, y ésto puede crear lazos de corriente en equipos electrónicos con resultados nefastos. Si éste es el caso, es probable que uniendo las redes de tierras por medio de una red perimetral, y empleando protectores sin separación galvánica, y dejando la pantalla sin conectar en un extremo, se resuelva el problema. La otra solución, es por el momento, la que sugieren los fabricantes de equipos de controles distribuidos y comunicaciones: emplear cables de fibra óptica del tipo sin pantalla metálica.
3.4 PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS. [3.8] Existen cuatro esquemas de aterrizado de equipos electrónicos. Estos son: a) El b) El esquema c) Esquema de d) Esquema de malla de referencia.
convencional. de tierra tierra aislada
aislada. total.
1. ESQUEMA CONVENCIONAL. El esquema convencional utiliza únicamente las recomendaciones de puesta a tierra de la NOM [1.3]{250-} pero no incluye el uso de los contactos de tierra aislada de la sección {250-74 Excepción 4}.
Este esquema encuentra su uso en las instalaciones de PCs donde únicamente existe alumbrado y algún otro equipo eléctrico, tal como en los pequeños comercios o en las viviendas. Pero, no es recomendado para las instalaciones comerciales, educativas o industriales, porque: a) Puede resultar excesivamente ruidoso el sistema de tierras.
b) Los transitorios pueden sobrepasar el nivel de aislamiento. c) No es compatible con las recomendaciones de puesta a tierra de la mayoría de los fabricantes de equipos electrónicos. d) El alambrado puede resultar obsoleto cuando se cambien las tarjetas y equipos por otros de una tecnología de mayor velocidad. 2. ESQUEMA DE TIERRA AISLADA Documento en inglés sobre Tierras Aisladas por Liebert Corporation. Traducción al español.. Este esquema es el más socorrido en la industria, y por la mayoría de los proveedores de equipos electrónicos, porque reduce el ruido de modo común, y está descrito en la NOM [1.3]{250-74 Excepción 4}. En él, la puesta a tierra del equipo es separada de la puesta a tierra de las canalizaciones, así cualquier corriente espúrea no afecta a los equipos así conectados. El ruido de modo común es toda señal no deseada que aparece en todos los conductores de señal al mismo tiempo con respecto a la tierra.
El tipo de receptáculo (contacto) para este esquema es diferente, y, tiene un triángulo de color naranja pintado en la placa para diferenciarlo de los receptáculos normales.
La frase "tierra aislada" ha sido interpretada equivocadamente como de una tierra separada,
provocando en caso de falla precisamente un voltaje a tierra inseguro para las personas y para los equipos.
En esta configuración se tiene una conexión a tierra relativamente libre de ruido e interferencia para la referencia lógica de los aparatos y, es complementada con la tierra de seguridad convencional del sistema de tierras de potencia. Pero, tiene las siguientes limitaciones: a) En altas frecuencias, la impedancia del conductor de tierra puede ser demasiado alta para servir de buena conexión. b) El acoplamiento no intencional de los dos sistemas de tierras (aislado y de puesta a tierra de las canalizaciones) dentro de los aparatos o en sus conexiones a cables blindados, puede causar lazos de corriente, resultando en ruidos electrónicos que inutilizan el sistema aislado. Un ejemplo de ese caso, es cuando la impresora está conectada al sistema de tierra normal, y la computadora al sistema de tierra aislado. 3. ESQUEMA DE TIERRA AISLADA TOTAL Este esquema consiste en conectar todas las computadoras, los aparatos e instrumentos a tierra usando una configuración de estrella a partir de un solo punto físico, el cual es un cabezal o placa de conexión -Existen fabricantes de ellas-, el o la cual a su vez está conectada mediante un conductor apropiado a la red general de tierras, de acuerdo con la norma NOM-001-SEDE-2005 [1.3].
Esta configuración es utilizada en los transmisores de comunicaciones (radiodifusión, sitios celulares, etc.), donde es posible tener un mismo punto de puesta a tierra para todos los equipos y para todas las pantallas de los cables. Sin embargo, también tiene sus limitaciones: a) Esta configuración puede ser difícil de crear en un ambiente industrial. b) Todos los equipos cercanos deben conectarse de esta manera a tierra o, se pueden tener lazos de corrientes. c) Puede tener una impedancia en alta frecuencia muy alta, que en términos prácticos, la puesta a tierra sea ineficaz. Este problema es posible que no se tenga en la mayoría de equipos industriales, porque no emplean muy altas frecuencias 4. ESQUEMA DE MALLA DE REFERENCIA. La figura muestra esta configuración para una sala o centro de cómputo, con piso falso de tipo celular. Observar que adicionalmente a la estrella mencionada en el punto anterior, los equipos y partes metálicas estructurales se conectan a este tipo de piso mediante trencillas, y que al ofrecer un plano de referencia de tierra, baja la impedancia a tierra en todas las frecuencias.
En el mercado se conoce dicha malla como Signal Reference Grid (SRG) y la comercializa la compañía Erico entre otras.
Sus limitantes son: a) Muchos fabricantes de equipos electrónicos industriales no están de acuerdo con su empleo. b) En ambientes industriales, es difícil su implementación.
Consideraciones finales. No importa cual de los tres últimos métodos se emplee para la puesta a tierra de los equipos electrónicos, la trayectoria de los cables es crucial. Siempre conecte a tierra cada aparato por separado. Los equipos en racks deben conectarse a tierra mediante cables, no obstante se supondría que los perfiles del rack los pondrían a tierra, lo que no siempre es real porque existen problemas de pintura y de montaje. Este cable es mejor que sea forrado y de color verde para que no cortocircuite otros cables. El aterrizado de blindajes y el de cables de señal también deben ser parte integral del diseño de sistemas de tierras.
3.5 DIAGRAMAS DE CONEXIONES TELECOMUNICACIONES.
DE
SISTEMAS
DE
Nota: Tema elaborado con datos tomados de Electrical Construction & Maintenance [3.12]
Desde tiempo de las Bell System Practices (BSP) en telecomunicaciones siempre se ha recomendado un sistema de puesta a tierra distinto aunque unido al sistema de puesta a tierra de fuerza. Esas prácticas recomendadas evolucionaron a los Bellcore Generic Requirements (GR) y a los estándares americanos ANSI de serie T1. Posteriormente, la Telecommunications Industry Association (TIA) presentó su documento TIA/EIA 607-1994, “Commercial Building Grounding and Bonding. Requirements for Telecommunications.” que se convirtió en 2002 en el estándar americano ANSI J-STD-607-A, “Commercial Building Grounding (Earthing) and Bonding Requirements for Telecommunications,” [3.13], de donde está sacada la siguiente imagen.
Fuente: http://ecmweb.com:80/images/707ecmIPQfig1.jpg Nota: TMGB = Barra maestra de puesta a tierra de telecomunicaciones; TGB = Barra de puesta a tierra de telecomunicaciones.
Se observa que este sistema de puesta a tierra es suplementario de acuerdo con la NOM-001-SEDE-2005, y que como ventaja tiene conexiones redundantes y más cortas que el sistema de puesta a tierra de fuerza, lo que ayuda a evitar daños por
diferencias de potencial por el conductor de puesta a tierra en caso de descargas atmosféricas y de cortocircuitos importantes en las líneas de alimentación eléctricas.
3.6 DIAGRAMAS DE CONEXIÓN ELÉCTRICA A SISTEMAS DE COMPUTADORAS En el Consejo de la Industria de Tecnologías de Información, antes CBEMA, se elaboró el documento que se utiliza muchísimo en los Estados Unidos como guía para poner a tierra los equipos de procesamiento de datos: Guidelines for Grounding Information Technology Equipment (ITE). Hasta hace años se usaba con ese fin un documento publicado el 21 de septiembre de 1983 por el Departamento de Comercio de los EUA denominado Guideline on Electrical Power for ADP Installations, también conocido como Federal Information Processing Standard (FIPS) 94 , pero fue retirado por obsoleto con fecha 29 de julio de 1997. El estándar nacional americano (ANSI) de puesta a tierra de equipos electrónicos es actualmente el IEEE Std. 1100 - IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment [3.8], de donde tomamos algunas de las figuras siguientes que muestran casos resueltos de conexión a tierra de sistemas de computadoras, utilizando las normas vigentes [1.3], [1.4]. 3.6.1 CON TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO Y RECEPTÁCULOS DEL TIPO TIERRA AISLADA (IG). La mejor solución para la puesta a tierra de un centro de cómputo es utilizando transformadores de aislamiento dentro del mismo local. Con ello, los cables de puesta a tierra tendrán una longitud pequeña y el neutro en los receptáculos tendrá una diferencia de potencial muy pequeña a tierra.
Ejemplo 3.6.1.1.- Sin tablero de distribución (centro de cargas). Ejemplo 3.6.1.2.- Con tablero de distribución (centro de cargas). Observar la barra aislada de tierra en el tablero. 3.6.2 ESQUEMA DEL TIERRA AISLADA TOTAL UTILIZANDO UN TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO
Ejemplo 3.6.2.1.-
3.6.3 CON TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO Y EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO El diagrama muestra el caso de equipos de procesamiento de datos (ADP en inglés) conectados en el mismo panel con unidades de aire acondicionado. El resultado es desastroso para el buen funcionamiento de los equipos de datos.
La solución es utilizar un transformador de aislamiento con puesta a tierra local. Lo que la NOM menciona como sistema derivado.
La conexión a tierra de dicho sistema derivado puede hacerse totalmente por separado del sistema de tierra de la acometida, de dos maneras, tal como se muestra en los dos dibujos siguientes.
3.6.4 CON CONEXIÓN A SISTEMA DE ENERGÍA ININTERRUMPIBLE (UPS).
3.7RECOMENDACIONES FINALES Las máquinas electrónicas sofisticadas sean computadoras o máquinas de
