EMI - Interferencia Electromagnética en instalaciones industriales y mucho más

César Cassiolato

Introducción

La coexistencia de equipos de distintas tecnologías y la inadecuación de instalaciones facilita la emisión de energía electromagnética, lo que frecuentemente causa problemas de compatibilidad (EMC). Ver las figuras 1 a y 1 b.

Figura 1 a – Fuentes de EMI

Figura 1 b – Señal afectada por efectos EMI

Vea el espectro electromagnéticoen la figura 2.

Figura 2 – Espectro electromagnético

Tabla 1 – Largura de onda, frecuencia y energía para regiones selecionadas del espectro electromagnético.

EMI es la energía que causa respuesta indeseable a cualquier equipo y puede generarse por chispa en los cepillos de motores, llave de circuitos de potencia, accionamientos de cargas inductivas y resistivas, accionamiento de relés, llaves, disyuntores, lámparas fluorescentes, calentadores, ignición automovilística, descargas atmosféricas o aún descargas electrostáticas entre personas y equipos, aparatos de microondas, equipos de comunicación móvil, etc. Todo esto puede causar alteraciones como sobretensión, subtensión, picos, transientes, etc., que pueden afectar una red de comunicación. Es muy común en industrias y fábricas, donde EMI es muy frecuente debido al mayor empleo de máquinas (de soldaduras, por ejemplo), motores (CCMs) y las redes digitales y de computadoras cercanas a esas áreas. 

El mayor problema causado por EMI son las situaciones esporádicas que degradan lentamente los equipos y sus componentes.  Los más distintos problemas pueden generarse por EMI, por ejemplo, en equipos electrónicos, tales como fallos de comunicación entre dispositivos de una red de equipos o computadoras, alarmes generados sin explicación, actuación en relés sin motivo o comando, y la quema de componentes y circuitos electrónicos, etc. Es muy común la ocurrencia de ruidos en la alimentación debido a mala puesta a tierra y blindaje, o mismo un error de proyecto.

La topología y la distribución del cableado, los tipos de cables, las técnicas de protección son factores que deben considerarse para reducir los efectos de EMI. Recuerde que en altas frecuencias los cables se comportan como un sistema de transmisión de líneas cruzadas y confusas, reflejando y esparciendo energía de un circuito a otro. Mantenga en buenas condiciones las conexiones. Conectores inactivos por mucho tiempo pueden desarrollar resistencia o volverse detectores de RF.

Un ejemplo típico de cómo EMI puede afectar el comportamiento de un componente electrónico es el capacitor sujetado a un pico de tensión mayor que su tensión nominal específica. Esto puede causar la degradación del dieléctrico, pues su espesura se limita por la tensión de operación del capacitor, la cual puede producir un gradiente de potencial inferior a la rigidez dieléctrica del material, causando malo funcionamiento y mismo la propia quema del capacitor. O, también, las corrientes de polarización pueden alterarse llevando  a saturación o corte, o, según la intensidad, a la quema de componentes por efecto joule.

La instalación inadecuada o el uso de un equipo en aplicaciones no recomendadas pueden perjudicar la performance del sistema y en consecuencia representar  fuente de peligro y accidentes. Se recomienda, por lo tanto, utilizarse solo profesionales entrenados y calificados para instalación, operación y mantenimiento.

Muchas veces la confiabilidad de un sistema de control frecuentemente se pone en riesgo debido a malas instalaciones. Generalmente los usuarios ignoran la realidad, pero el análisis más criterioso revela los problemas de instalaciones relativos a cables, sus rutas y acondicionamientos, blindajes y puesta a tierra.

Es sumamente importante la concientización de todos los involucrados y, principalmente, el compromiso con la confiabilidad, seguridad operacional y de las personas en una fábrica.

Es vital controlar el ruido en sistemas de automatización, por que el puede volverse un problema serio aún para los mejores aparatos y hardware de adquisición de datos y actuación.

Cualquier ambiente industrial tiene ruidos eléctricos en fuentes, incluyendo líneas de energía AC, señales de radio, máquinas y estaciones.

Felizmente, dispositivos y técnicas simples, tales como métodos de puesta a tierra adecuados  y, además, de blindaje, hilos trenzados, media de señales, filtros y amplificadores diferenciales pueden controlar el ruido en la mayoría de mediciones.

Por ejemplo, los inversores de frecuencias tienen circuitos de conmutación que pueden generar interferencia eletromagnetica (EMI). Ellos poseen amplificadores de alta energía de conmutación que pueden producir EMI significativa en frecuencias de 10 MHz hasta 300 MHz. Por supuesto, hay la posibilidad de que este ruido de conmutación pueda generar intermitencia en los equipos cercanos. Mientras la mayoría de los fabricantes tenga cuidado con los proyectos para minimizar este efecto, la inmunidad completa no es posible. Algunas técnicas de layout, hilado, puesta a tierra y blindaje contribuyen significativamente para esta minimización.

La reducción de EMI va a minimizar los costos iniciales y los futuros problemas de funcionamiento de cualquier sistema.

Figura 3 – Tipos de acoplamiento generando ruido en instalaciones industriales

Las señales pueden variar básicamente debido a:

• Flotación de tensión;
• Armónicas de corriente;
• RF conducidas y radiadas;
• Transitorios (conducción o   radiación);
•  Campos Electrostáticos;
• Campos Magnéticos;
• Reflejos;
• Crosstalk;
• Atenuaciones;
• Jitter (ruido de fase);
•  Etc.

Las principales fuentes de interferencias y que veremos en seguida son:

• Acoplamiento capacitivo (interacción de campos eléctricos entre conductores;
• Acoplamiento inductivo (seguidas por un campo magnético. El nivel de perturbación depende de las variaciones de corriente (di / dt) y de la inductancia de acoplamiento mutuo);
• Conducción a través de impedancia común (puesta a tierra): ocurre cuando las corrientes de dos áreas distintas pasan por la misma impedancia. Por ejemplo, el camino de puesta a tierra común de dos sistemas.

Puntos importantes para entender los princípios de EMC

Algunos conceptos básicos son importantes para la mejor comprensión de los efectos de emisión electromagnética:

• Todas las señales CA en nivel de tensión o corriente son energía electromagnética (Watts, Joules) propagando como onda.
• Ondas electromagnéticas consisten de campo eléctrico (E) y campo magnético (H).
• Cuando un conductor se expone a una onda electromagnética, sus electrones libres se mueven en su alrededor como respuesta a esta onda, generando lo que llamamos de corriente. Esto constituye el principio de reciprocidad.

• La propagación de ondas electromagnéticas y los campos asociados a ellas se moldan por las “antenas accidentales” formadas por los caminos de ida y vuelta de la corriente y de los materiales dieléctrico en su alrededor. El intento es proyectar caminos que minimizen las “antenas accidentales”, reduciendo las emisiones y aumentando la inmunidad.

• Existen acoplamientos capacitivos, inductivos y por impedancia común.

• Los electrones son naturalmente forzados a fluir cerca de la superficie del conductor. Es el llamado efecto skin.

•  Todo presenta una impedancia a las ondas electromagnéticas.

•  Onda electromagnética es la combinación de un campo eléctrico y un campo magnético que se propagan en la misma dirección, pero en planos ortogonales. Como nosotros sabemos, la variación en el campo magnético induce un campo eléctrico y viceversa. Por lo tanto, el campo magnético de una onda electromagnética es generada por el campo magnético, que, a su vez, es generado por el campo eléctrico, ambos nutriéndose en un arreglo perfecto (ver la figura 4).

Figura 4 – Onda electromagnética

• Además, los camposy  son perpendiculares entre ellos y también a la dirección de propagación de la onda que se desplaza con velocidad v. Eso poisibilita clasificar la onda magnética como onda transvercal. La figura 4 nos muestra la disposición de los campos eléctricos y magnéticos de una onda electromagnética y la dirección de su propagación.

Tipos de interferencias

Existen dos tipos de interferencia, la interna y la externa, siendo continuada o intermitente. Cada tipo tiene su propia causa y las causas mas sujetadas a interferencia continuada son:

• 50/60Hz Alimentación
• Motor Eléctrico(Especialmente el Conmutador)
• Señalesde radio de alta energía
• Fontes conmutadas
• Microondas

Las causas de ruidos constantes son menos difíciles de encontrarse de que los problemas con ruidos intermitentes.

La fuente más común de ruido es constante y es causada por una fuente de alimentación 50/60 Hz. La alimentación es el componente más común por ser una tensión oscilante, de alta potencia y un sistema de antena enorme.

Casi todos los sistemas tienen filtros para 50/60 Hz que evitan o minimizan ruidos de esta naturaleza.

Motores eléctricos muchas veces crean ruido de banda ancha que pueden irradiarse hacia cualquier equipo en su vecindad. Motores DC frecuentemente tienen fuentes conmutadas que también generan ruido de alta frecuencia a través de la puesta a tierra común. Este ruido de banda ancha puede transmitirse de vuelta a través de las líneas de suministro de energía o a través de una puesta a tierra común.

Radio local, estaciones de televisión, radares y estaciones de radio amador pueden causar ruidos de frecuencia de radio.

Estas estaciones generan kW de energía y muchas veces se ubican  cerca de áreas industriales.

La alimentación conmutada es la fuente más común de ruido. Es popular y hace parte de los equipos electro-electrónicos, produciendo grandes cantidades de frecuencias armónicas.

Los ruidos intermitentes son de causas difíciles de ubicar.

Un ejemplo es un rayo que, por lo general, contiene de 20 a 40 kA y millones de Volts. Además, el rayo transmite ruido de banda ancha que abarca todo el espectro de frecuencia CC. Esto, juntamente con la corriente de alta tensión, torna imposible filtrarse este ruido. El mejor método es protegerse los dispositivos con shunts y supresores.

Otro ejemplo común en ambientes industriales es el conmutador de relés, que, por lo general, produce el ruido de relé de conmutación. Este ruido es creado por el campo magnético cuando se conmuta el relé.

El ruido generado por máquinas de soldadura es parecido con los ruidos generados por un rayo, de alta frecuencia y de banda ancha. La diferencia es que puede identificarse fácilmente.

También vale citarse el ruido estático (generado por la estática). En este caso es muy difícil identificarlo como fuente de ruido, pues es invisible y muy intermitente. Mientras muchas veces sea generado por el hombre, también puede ser de origen natural. El ruido estático también es similar al rayo con todos sus atributos, pero en menor escala.

Perturbaciones electromagnéticas

Cualquier fenómeno electromagnético puede degradar el desempeño de un sistema. Veremos algunos puntos relacionados a estas perturbaciones:

• Tensión de alimentación: esta sufre una variedad de efectos perturbadores durante su distribución. Esta perturbaciones pueden provenir de fuentes de la red de alimentación o por sus usuarios, o, entonces, por cargas en el interior de una instalación. Son característicos los siguientes disturbios:

o   Interrupciones

o   Caídas de energía

o   Surges yTransientes

o   Distorciones en forma de onda

o   Variaciones de amplitud  y frecuencia

o   Flotaciones de tensión

o   CC en redes CA

o   Línea eléctrica cargando señales

Causas y consecuencias de EMI

Las consecuencias de EMI se clasifican en distintas categorías, según su criticidad.

Veamos algunas:

• Fallo de un artículo de seguridad crítica en máquinas y equipos
• Un dispositivo de seguridad puede ignorar la señal
• Una operación puede cesar sin motivo aparente
• Un equipo puede no ejecutar su función debido a muchas situaciones, desde la desapercibida hasta la ocurrencia más grave de un accidente.

Figura 5 – Situación real de acoplamientos

Acoplamiento Capacitivo

El acoplamiento capacitivo se representa por la interacción de campos eléctricos entre conductores. Un conductor pasa cerca del fuente de ruido (perturbador), capta este ruido y lo transporta a otra parte del circuito (víctima). Es el efecto de capacitancia entre dos cuerpos con cargas electricas separadas por un dieléctrico, lo que llamamos de efecto de capacitancia mútua.

Si el ruido resulta de un campo eléctrico, la actuación del blindaje es eficaz, pués Q2 no existirá dentro de un envoltorio cerrado y puesto a tierra. 

 

Figura 6 – La carga Q1 no puede crear cargas en un envoltorio metálico cerrado y puesto a tierra

El acoplamiento por campo eléctrico se modela como una capacitancia entre los dos circuitos (ver figura 5). La figura 7 muestra el modelo físico.

Figura 7 – Circuito equivalente del acoplamiento capacitivo

Figura 8 - Representación física del acoplamiento capacitivo

La capacitancia equivalente, Cef, es directamente proporcional al área de actuacción del campo eléctrico e inversamente proporfional a la distancia entre los dos circuitos. Así, aumentándo la separación o minimizando el área, la influencia de Cef será minimizada y, consecuentemente, el acoplamiento capacitivo afectará menos la señal. Al efecto de capacitancia entre dos cuerpos con cargas eléctricas, separadas por un dieléctrico, llamamos de efecto de capacitancia mútua.

El efecto de campo eléctrico es proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la distancia.

El nivel de perturbación depende de las variaciones de tensión (dv/dt) y del valor de la capacitancia de acoplamiento entre el “cable perturbador” y el “cable víctima”.

La capacitancia de acoplamiento aumenta con:

• El inverso de la frecuencia: el potencial de acoplamiento capacitivo aumento según el aumento de frecuencia (la reactancia capacitiva, que puede considerarse como la resistencia del acoplamiento capacitivo, disminuye según la frecuencia y puede verse en la fórmula: XC = 1/2πfC).
• La distancia entre los cables perturbadores y víctima y la largura de los cables que corren en paralelo.
• La altura de los cables en relación al plan víctima (circuitos de alta impedancia de entrada son más vulnerables).
• El aislamiento del cable víctima (εr del aislamiento del cable), principalmente para pares de cables fuertemente acoplados.

Las figuras 9 y 10 muestran ejemplos de acoplamientos capacitivos.

Figura 9 – Efecto por acoplamiento capacitivo

Figura 10 – Ejemplo de efecto por acoplamiento capacitivo

En la figura 11 podemos ver el acoplamiento y sus fuentes de tensión y corriente en los modos común y diferencial.

Figura 11 – Modo diferencial y modo común – Acoplamiento capacitivo

 Medidas para reducir el efecto del acoplamiento capacitivo

1. Limite la largura  de cables corriendo en paralelo
2. Aumente la distancia entre el cable perturbador y el cable víctima
3. Ponga a tierra una de las extremidades de los  blindajes en los dos cables
4. Reduzca el dv/dt de la señal perturbadora, aumentando el tiempo de subida de la señal, siempre que posible (bajando la frecuencia de la señal.

Siempre que posible envuelva el conductor o equipo con material metálico (blindaje de Faraday). El ideal es que abarque cien por ciento de la parte a protegerse y que se ponga a tierra esta blindaje para que la capacitancia parasita entre el conductory la blindajeno actúe como elemento de realimentación o crosstalk. La figura 12 muestra la interferencia entre cables, donde el acoplamiento capacitivo entre cables induce transientes de tensión (surtos electrostáticos). En esta situación, la corriente de interferencia se drena a la tierra por el Shield, sin afectar los niveles de señales.

Figura 12 – Interferencia entre cables: el acoplamiento entre cables induce transiente de tensión (pickups eletrostáticos)

Figura 13 – Interferencia entre cables: el acoplamiento capacitivo entre cables induce transiente de tensión que pueden alcanzar altas tasas de frecuencia

Figura 14 – Efecto capacitivo en cable sin blindaje

Figura 15 – Alteraciones en tiempos de subida y bajada

Figura 16 a – Falsas transiciones en salida – Efecto EMI

Figura 16 b – Efecto EMI en señal 4-20mA

Cuando hay uma señal analógica en 4-20mA como en la figura 16b, el ruido en algunas situaciones pasa desapercibida, pues de un modo general afectará la media de la señal, por ejemplo, abriendo o cerrando una válvula más, causando la pérdida de eficiencia del control del proceso o mismo en mediciones críticas, como mediciones fiscales.

La figura 17 muestra ejemplo de protección contra transientes.

Figura 17 – Ejemplo de protección contra transientes (la mejor solución contra la corriente de Foucault)

Interferencias electrostáticaspueden reducirse por:

1. Puesta a tierra y blindajes adecuadas
2. Aislamiento Óptico
3. El uso de canaletas y cajas metálicas puestas a tierra

La influencia puede minizarse con el uso adecuado del blindaje que actuará como jaula de Faraday. El blindaje debe ubicarse entre los conductores acoplados capacitivamente y conectados a tierra en un solo punto, en el lado del fuente de señal. Ver figura 19. La figura 18 muestra una condición inadecuada, cuya corriente de loop circula por el blindaje.

Figura 18 – Uso inadecuado  del shield, puesto a tierra en más de un punto.

Figura 19 – Uso adecuado  del shield, puesto a tierra en un punto único.

Acoplamiento Inductivo

El “cable perturbador” y el “cable víctima” síguense por un campo magnético (figura 20). El nivel de perturbación depende de las variaciones de corriente (di/dt) y de la inductancia de acoplamiento mútuo.

Figura 20 – Acoplamiento inductivo –Representación física y circuito equivalente

El acoplamiento inductivo aumenta con:

• La frecuencia: la reactancia inductiva es directamente proporcional a la frecuencia (XL = 2πfL)
• La proximidad entre los cables perturbadores y víctimas y la largura de los cables que corren en paralelo
• La altura de los cables con relación al plan de referencia (relativamente al suelo)
• La impedancia de carga del cable o circuito perturbador.

Figura 21 – Acoplamiento inductivo entre conductores

Figura 22 – Ejemplo de ruído por acoplamiento inductivo

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento inductivo entre cables

1. Limitar la largura de los cables que curren en paralelo
2. Aumentar la distancia entre el cable perturbador y el cable víctima
3. Poner a tierra una de las extremidades de los shields de los dos cables
4. Reducir el dv/dt del perturbador aumentando el tiempo de subida de la señal, cuando posible (resistores conectados en serie o resistores PTC en el cable perturbador, anillos de derrite en los perturbadores o en el cable víctima).

Figura 23 – Acoplamiento inductivo entre cable y campo

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento inductivo entre cable y campo

1. Limitar la altura h del cable al plan de tierra
2. Cuando posible colocar el cable junto a la superficie metálica
3. Usar cables trenzados
4. Usar ferrite y filtros de EMI 

Figura 24 – Acoplamiento inductivo entre cable y loop de tierra

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento inductivo entre cable y loop de tierra

1. Reducir  la altura (h) y la largura del cable
2. Cuando posible colocar el cable junto a la superficie metálica
3. Usar cables trenzados
4. En altas frecuencias poner a tierra el shield en dos puntos (cuidado!) y en bajas temperaturas en un solo punto.

Tabla 2 – Distancias entre cables de comunicación digital y otros tipos de cables para garantizar protección contra EMI

Figura 25 – Interferenciaentre cables: campos magnéticos a través del acoplamiento inductivo entre cables inducen transientes (pickups electromagnéticos) de corriente

Interferencias Eletromagnéticas pueden reducirse por:

1. Cable trenzado
2. Aislamiento Óptico
3. Uso de canaletas y cajas metálicas puestas a tierra

Para minimizar el efecto de inducción debese usar el cable de par trenzado que reduce   el área (S) y  el efecto de tensión inducida Vb en función del campo B, equilibrando los efectos (la media de los efectos según las distancias)

El cable de par trenzado se compone de pares de hilos. Los hilos de um par se enrollan en espiral a fin de que, a través del efecto de cancelamiento, reduzcan el ruido y mantegan las propiedades eléctricas del medio en toda su longitud. El efecto de reducción con el uso del trenzado es eficiente en función del cancelamiento del flujo, llamado de Rt (en dB):

Rt = -20 log{(1/( 2nl +1 ))*[1+2nlsen(/nλ)]} dB ,

Donde n es el número de vueltas/m y l es la largura total de cable. Vea  las figuras 25 a 31.

El efecto de cancelamiento reduce la diafonía (crosstalk) entre los pares de hilos y el nivel de interferencia electromagnética/radiofrecuencia. El número de trenzas en los hilos varía, a fin de reducir el acoplamiento eléctrico. Su construcción proporciona un acoplamiento capacitivo entre los conductores del par y tien un comportamiento más eficaz en bajas frecuencias (< 1 NHz). Cuando no es blindado, tiene la desventaja del ruido en modo común. Para bajas frecuenais, o sea, cuando el cable sea menor que 1/20 de la largura de onda de frecuencia el ruido, el blindaje (circuito o shield) tendrá el mismo potencial en toda su longitud y se recomienda conectar el blindaje en un solo punto puesto a tierra. En altas frecuencias, cuando la largura de cable es mayor que 1/20 de la largura de onda de la frecuencia del ruido, el blindaje tendrá alta sensibilidad al ruido y se recomienda poner a tierra en las dos extremidades.

En el caso inductivo Vruído = 2πBAcosαdonde B es el campo y α es el ángulo en que el flujo corta el vector área (A) o aún en función de la inductancia mútura M: Vruído = 2πfMI donde I es la corriente en el cable de alimentación. 

Figura 26 – Efecto de acoplamiento inductivo en cables paralelos

Figura 27 – Minimización del efecto de acoplamiento inductivo en cables trenzados

Figura 28 – Ejemplo de ruído por inducción

Figura 29 – Ejemplo de ruído por inducción

Figura 30 – Ejemplo de ruído por inducción

Figura 31 – Ejemplo de Cables Profibus cercanos del cable de alimentación

El uso de cable de par trenzado es muy eficiente mientras la inducción en cada área de torción sea al rededor de la inducción adyaciente. Es eficiente en modo diferencial, circuitos balanceados y tiene baja frecuencia en bajas frecuencias en circuitos desbalanceados. En circuitos de alta frecuencia aterrados en vários puntos, la eficiencia es alta puesto que la corriente de retorno tiende a fluir por el retorno adyaciente. Sin embargo, en altas frecuencias en modo común, el cable es poco eficiente.

Acoplamiento Capacitivo e Inductivo - Capacitancia e Inductancia mútuas  según la distancia entre conductores perturbador y víctima

Ambos acoplamientos son afectados directamente por la distancia entre los conductores fuentes de ruido y víctima. La figura siguiente muestra esta afectación según la distancia entre los conductores.

Figura 32 – Capacitancia e Inductancia mútuas según la distancia entre conductores perturbador y víctima

Modos de acoplamientos

Algunos puntos merecen atención para mejor entenderse los efectos de EMI. Los conceptos de acoplamientos son en modo diferencial, modo común, modo irradiado vía antena y se aplican al acoplamiento de emisiones e interferencia.

•  Modo diferencial

En la mayoría de los casos, la señal deseada se produce en modo diferencial. Veamos en seguida, dos equipos conectados por un cable.Un campo radiado puede acoplarse a este sistema e inducir cualesquiera interferencias en moso diferencial entre los dos hilos del cable. De la misma manera, la corriente diferencial va a inducir un campo radiado propio. El plan de tierra no desempeña ningún papel en este acoplamiento.

• Modo común

El cable de modo común también transporta corrientes en modo común, en la misma dirección. Estas corrientes muchas veces no tienen ninguna relacción con corrientes de señal. Ellas pueden inducirse por uncampo externo entre el circuito del cable, el plan de tierra y las diferentes impedancias.

Las capacitancias parasitas e inductancias asociadas con el hilado y el gabinete de cada equipo son partes integrantes del circuito de acoplamiento de modo comun y tienen papel importante al determinar la distribución de amplitud y espectro de las corrientes de modo común. Estas impedancias se dispersan y no integran el equipo y por eso es dificil controlar sus efectos. Por supuesto, existen técnicas para minimizarlas.

(leyendascuadro abaixo)

Figura 33 – Modos de acoplamientos radiados

• Modo antena

En este modo las corrientes siguen en el mismo sentido a través del cable y del plan de referencia de tierra. Ellas aparecen cuando todo el sistema (incluyendo el plan de tierra) se expone a un campo externo. Corrientes generadas vía modo antena vuélvense un problema en sistemas independientes cuando se convierten en corrientes en otros modos (o sea, o diferencial o modo común), variando impedancias en los diferentes caminos.

Transitorios

Transitorios y picos son otros ejemplos de EMI generadas continuadamente. Pueden deberse a descarga electrostática (ES) o por cambios de potencia. La figura siguiente muestra la curva típica de un transiente.

Figura 34 – Forma de onda de un transiente 

Variaciones de tensión de alimentación

La tensión de alimentación puede presentar una variedad de disturbios. La variación de tensión de corta duración puede afectar definitivamente un equipo. Los equipos deben proyectarse para minimizar los efectos en las condiciones de:

• Caídas de tensión de corta duración
• Interrupciones (ausencia completa de energía por más de 3 segundos)
• Armónicas y desequilibrio (diferencias de tensión entre fases)
• Flicker (variaciones rápidas de tensión).
• Transitorios

Figura 35 – Ejemplo de degradación de señal por armónica

Descarga Eletroestática(ESD)

En este caso, los caminosde acoplamiento probables ??son:

• Capacitância de isolação
• Conexões e junções de ligações
• Inductancia de fiacióndebido a campos magnéticos generados en la descarga

El uso de blindaje en acoplamiento inductivo

El blindaje magnético puede aplicarse tanto a fuentes de ruidos o cicuito de señal para minimizar el acoplamiento.

Blindar campos magnéticos de baja frecuencia no es tan facil como blindar campos eléctricos. La eficacia del blindaje magnetico depende del tipo de materialy su permeabilidad, su espesura y las frecuencias involucradas.

Debido a sua alta permeabilidad relativa, el acero es mais eficiente que el aluminio y el cobre en bajas frecuencias (menor que 100 kHz).

Sin embargo, en frecuencias más altas, el aluminio y el acero pueden usarse.  La pérdida de absorción con el uso de ambos para dos espesuras se ve en la figura 36.

Figura 36 – Pérdida de absorción con el uso de cobre y acero

El blindaje magnético de estos metales es muy ineficaz en bajas frecuencias.

Efecto Skin

Con relación a blindaje, una característica importante es su profundidad (d).

Profundidad =

donde, F = frecuencia, s= condutividad , m=permeabilidad

Figura 37 – Profundidad (skin) del cobre, aluminio y acero

La figura anterior muestra la profundidad (skin, d) del cobre, aluminio y acero. Por ejemplo, la profundidad en aluminio a 30 MHz es de 0,015mm. Esto explica porque en conductores finos son ineficaces en altas frecuencias – la corriente solo fluye en la superficie y la mayor parte del material no afecta las propiedades del blindaje. Y,  además, es posible reducirse la densidad de corriente de 18 dB en materiales con dos veces la espesura (o sea, con tres camadas d)  y asi sucesivamente. Los requisitos para el blindaje eficaz son alta conductividad para campos eléctricos y alta permeabilidad para campos magnéticos.

El efecto skin llévanos a concluir que la resistencia CA de un determinado conductor aumenta según el valor de la frecuencia de corriente que recorre ese conductor.

En  regime transiente  algunos puntos de interés pueden comentarse, cuando, inicialmente, la corriente comienza a establecerse en la superficie del conductor y después, se distribuye hacia el centro de manera a producir una corriente uniforme. Esto va a depender, por ejemplo, de las características eléctricas del material conductor, teniendose en cuenta que, mientras tenga una resistencia alta inicial, al alcanzar la corriente constante, la resistencia disminuye. El efecto peculiar es más evidente en las altas frecuencias y la distribución de la densidad de corriente se hace exponencialmente, a partir de la superficie, la función del material y la frecuencia.

El cobre y el aluminio tienen 5 veces la conductividad del acero y por eso son indicados para blindar campos eléctricos,  y tienen permeabilidad relativa de 1 (el mismo que el aire). El acerocarbono tiene permeabilidad relativa alrededor de 300 en bajas frecuencia, cayendo para 1 con el aumento de frecuencias arribade 100kHz, y su elevada permeabilidad le dá una profundidad (d) reducida, volviéndolo mejor que el aluminio para proteger en bajas frecuencias. Tipos distintos de acero inoxidable tienen diferente conductividad y permeabilidad y, en consecuencia, su profundidad puede variar considerablemente. Un buen material para blindaje tendrá alta conductividad, alta permeabilidad y espesura suficiente para alcanzar el número deseado de profundidade (d) en la frecuencia más baja que se intenta blindar. Un milímetro de espesura de acero envuelto en zinc ligero puro (digamos, 10 mícrons o más) tienen excelente protección en varias aplicaciones.

Aberturas y eficacia del blindaje

 

Orificios/Aberturas d>t

Orificio Simple Varios orificios

b) Orificios/Abertura d>t

Figura 38 – La eficacia del blindaje

La figura 38 muestra como la eficácia del blindaje (SE) disminuye con la frecuencia y la dimensión de la abertura. La abertura de 100 mm va a dejar pasar alrededor de 20 dB más de que una de 10 mm. Aberturas son necesarias para control de acceso, ventilación e interfaz y visualización. La descontinuidad en las juntas entre los elementos conductores también funccionan como aberturas.

SE = 20log(l/2d)), donde l   es la largura de onda e d es la mayor dimensión de la abertura.

Existen muchas variables que deben tenerse en cuenta con relación a la eficacia del blindaje:                                          

• La forma,el tamaño, posición y  el número de aberturas
• Lasposiciones relativas y las distancias entre el fuente de ruido, las aberturas y la víctima
• Lageometría de blindaje
• La frecuencia e impedancia de lafuentede ruido

El material y forma de blindaje van a definir cuanto la onda eletromagnética incidente se reflejará y será absorvida, además de cuanto pasará por el blindaje alcanzando los hilos conductores de señales. Téngase en cuenta que la pérdida por absorción se define como la relación entre la espesura del blindaje y su efecto peculiar (skin), que representa la profundidad de penetración de la onda contenida en el interior del blindaje. Cuanto mayor la pérdida por absorción dB, mejor será la respuesta del blindaje.

El blindaje eficaz, alrededor de 60 dB o superior, ofrece un nivel de protección muy bueno. Para tenerse el blindaje eficiente, es necesario evaluarse también los factores relacionados anteriormente. El blindaje totalmente cerrada sería la solución ideal, pués tería la más alta eficiencia, en la práctica es muy complicada la construcción de blindajes enteramente cerradas.

El blindaje es mucho más complejo que un simple envoltorio cerrado, obtenido con materiales metálicos. En el caso de instalaciones industriales, principalmente en cajas de juntas, es fundamental mantenerse la continuidad y el area del circuito lo menor posible en conductores decapados. La conexión del shield con la puesta a tierra debe ser la menor posible, pués, una conexión de 30 cm dejaría, por ejemplo, el blindaje ineficaz para ruidos alrededor de docenas de KHz.

El blindaje eficaz, de 60 dB o arriba, ofrece nivel de protección muy bueno. Para eso, es necesario evaluarse también los factores relacionados anteriormente. El blindaje totalmente cerrado sería la solución ideal y de más alta eficiencia, pero en la práctica sería muy complicado obtenerlo.

Figura 39 – Comportamientode onda incidente en el blindaje

SE normalmente limítase por:

• Aberturas y juntas
• Tapas removibles
• Orificios de control y display
• Orificios de ventilación
• Orificios de conectores

Mitigación de aberturas y juntas:

• Minimizar tamaño y número de aberturas y juntas
• Usar juntas y vedaciones para sellar metal-metal-interfaz
• Interfaces libres de pintura y detritos
• Área adecuada de superfície de acoplamiento
• Evitar corrosión galvânica

Protección con uso de canaletas metálicas

Veremos em seguida el uso de canaletas metálicas en la minimización de corrientes de Foucault.

El espaciamiento entre canaletas facilita la perturbación generada por el campo magnético. Además, la discontinuidad puede facilitar la diferencia de potencial entre cada segmento de la canaleta. Por ejemplo, en el caso de un surto de corriente generado por descarga atmosférica o cortocircuito, la falta de continuidad no permitirá que la corriente circule por la canaleta de aluminio, consecuentemente sin proteger el cable Profibus.

Lo ideales que cada segmento únasea lamayor áreade contacto posible, proveyendo mayor protección a la inducción electromagnética y aún haya un conductor entre cada segmento en cada lado de la canaleta, garantizando una ruta alternativa a las corrientes en caso de aumento de resistencia en las juntas de los segmentos.

Con el montaje adecuado de la canaleta de aluminio el campo, cuando penetrar en la placa de aluminio de la canaleta, produzca un flujo magnético variable en función del tiempo [f = a.sen (w.t)], dando origen a una f.e.m. inducida [ E = - df/dt = a.w.cos(w.t)].

En frecuencia altas, la f.e.m. inducida en la placa de aluminio será mayor, produciendo un campo magnético mayor, anulando casi completamente el campo magnético generado por el cable de alimentación. Ese efecto de cancelamiento es menor en bajas frecuencias. En altas frecuencias el cancelamiento es más eficiente.

Por lo tanto, ese efecto de placas y pantallas metálicas frente a la incidencia de ondas eletromagneticas generan sus propios campos, minizando, o mismo anulando, el campo a través de ellas, como verdadero blindaje a las ondas electromagnético.Funcionan como jaula de Faraday.

Esté seguro de que las placas y juntas de acoplamiento tengan el mismo material de las canaletas o bandejas de cables. Proteja los puntos de conexiones contra corrosión después del montaje, con tinta de zinc o barniz.

Sin embargo los cables seanblindados, el blindaje contra campos magnéticos no es tan eficiente cuanto contra campos eléctricos. Em bajas frecuencias, los pares trenzados absorben la mayor parte de los efectos de interferencia electromagnética.Por otro lado, en altas frecuencias esos efectos se absorben por el blindaje del cable. Siempre que posible, conecte las canaletas de cables al sistema de línea equipotencial.

Figura 40 – Protección de transientes con el uso de canaletas metálicas

Algunas observaciones sobre el blindaje:

• El blindaje de cables se usa para eliminar interferencias por acoplamiento debidas a campos eléctricos.
• El blindaje solo es eficiente cuando establece un camino de baja impedancia a la puesta a tierra.
• Un blindaje flotante no protege contra interferencias.
• El circuito de blindaje debe conectarse al potencial de referencia (tierra) del circuito que se está blindando.
• Poner a tierra el blindaje en más de un punto puede causar problemas.
• Minimizar la largura de la conexión blindaje-referencia, pues funciona como una bobina.

Figura 41 – Se debe minimizar la largura blindaje-referencia, pues funciona como bobina

• Los campos eléctricos se blindan más fácilmente que los campos magnéticos y el uso de blindajes en uno o más punto funciona contra campos eléctricos.
• El uso de metales no magnéticos alrededor de conductores no blinda contra campos magnéticos.
• El recurso para blindaje magnético es reducir el área de loop. Se utiliza un par trenzado o el retorno de corriente a través del blindaje.
• Para evitar la radiación de un conductor, un blindaje puesto a tierra en ambos lados es por lo general utilizado por encima de la frecuencia de corte, pero deben tomarse algunos cuidados.
• Solo puede blindarse una cantidad limitada de ruido magnético debido al loop de tierra formado.
• Cualquier blindaje en el cual fluye corriente de ruido no debe ser parte del camino para la señal.
• Use un cable trenzado blindado o un cable triaxial en bajas frecuencias.
• La efectividad del blindaje del cable aumenta con el número de vueltas por centímetro.

Acoplamiento por impedancia común o acoplamiento conductivo

Es el acoplamiento por transferencia de energía eléctrica en que el contacto físico se hace a través de un medio conductor, en contraste con acoplamiento inductivo y capacitivo. Puede ser vía cable, terminal común, línea de transmisión, contacto con el alojamiento, puesta a tierra, etc.

El acoplamiento conductivo va más allá del espectro de frecuencias e incluye CC. La interferencia ocurre entre las líneas de señal y la puesta a tierra. El ruido es causado por la resistencia existente común a la señal y al retorno.

Figura 42 – Puesta a tierra e impedancia común 

Figura 43 – Puesta a tierra e impedancia común

Figura 44   -Puesta a tierra en serie resultando en acoplamiento conductivo

La puesta a tierra en serie es muy común por ser sencilla y económica. Pero este tipo de aislamiento produce una conexión sucia, debido a la impedancia común entre los circuitos. Cuando varios circuitos comparten una puesta a tierra,la corrientes de un circuito (fluyendo a través de la impedancia finita de la línea de base común) puede causar variaciones de potencial de tierra de los demás circuitos. Si las corrientes son suficientemente grandes, las variaciones del potencial de tierra pueden causar serias perturbaciones en las operaciones de todos los circuitos conectados a la puesta a tierra de señal común.

Figura 45 – Impedancia común

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento conductivo entre cables

Este tipo de ruido acoplado resulta de la impedancia finita de los conductores. El efecto puede  eliminarse o minimizarse a través de la quiebra de los loops de tierra y proveyéndose retornos a la puesta a tierra. Ver figura 46. 

Figura 46 -Puesta a tierra y conexiones adecuadas evitan el acoplamiento

• Minimize los caminos comunes, principalmente de alta corriente, corrientes conmutadas y señales con transientes;
• En caminos comunes use siempre la menor resistencia (para altas corrientes) y la mas baja inductancia (para alta di/dt);
• Use planos de baja impedancia para fuentes de CC y sus retornos. Es común usarse un capacitor como puente entre las fuentes, manteniendo las frecuencias altas en sus circuitos.  

Técnicas para reducir los efectos de EMI conducida

Cuando la EMI se manifesta en términos del camino de condución puédese usar artificios técnicos con el siguiente objetivo:

• Reducir la corriente de EMI, introduciendo elementos de alta impedancia en serie;
• Conducir la corriente de EMI a tierra, introduciento elementos de baja impedancia en paralelo;
• Bloquear la corriente de EMI, abriendo camino con elementos con aislamiento galvánico;
• Neutralizar la corriente de EMI, usando la inducción mútua; algunas soluciones basadas en aislamiento galvánivo son efectivas para baja y media frecuencia (abajo de MHz). Soluciones basadas en filtros de alta frecuencia son efectivas en frecuencia arriba de MHz. Ver figura 47.

Figura 47– Técnicas de los efectos de EMI

Objetivo de proyecto y layouts en plantas de automatización

Uno de los principales objetivos al iniciar un proyecto es mantener todos los puntos comunes de retorno de señal en el mismo potencial. Con el alta frecuencia en el caso de inversores (hasta 300MHz), genéranse armónicas por los amplificadores de conmutación y en estas frecuencias, el sistema de puesta a tierra se parece más con una serie de inductores y capacitores que con una ruta de baja resistencia. El uso de mallas y trenzas en lugar de hilos (hilos cortos son mejores para altas frecuencias) que interconectan en los puntos de puesta a tierra son más eficientes. Vide figura 51.

Otro importante objetivo es minimizar el acoplamiento magnético entre circuitos. Esto se logra, por lo general, a través de separaciones mínimas y roteamiento segregados de los cables. El acoplamiento por radiofrecuencia se reduce con blindajes y tecnicas de puesta a tierra. Los transientes (surges) se minimizan con filtros de línea y supresores de energía apropiados en bobinas y otras cargas inductivas.

El concepto de puesta a tierra

Un diccionariono técnico define el término tierra como un punto de contacto con la tierra, un retorno común en un circuito eléctrico y un punto arbitrario de potencial cero de tensión.

Poner a tierra o conectar alguna parte de un sistema eléctrico o circuito a  tierra garantiza seguridad personal y, por lo general, mejora el funcionamiento de circuito.

Principios de puesta a tierra:

• Todos los conductores tienen impedancia finita que aumenta con la frecuencia;
• Dos puntos de tierra separados fisicamente no tienen el mismo potencial a menos que ninguna corriente flua entre ellos;
• En altas frecuencias no existe puesta a tierra en un punto único.

Infelizmente, en términos de puesta a tierra, seguridad y robustez en un ambiente ni siempre ocurren simultaneamente. 

Hilo a tierra

Todo circuito debe tener un conductor de protección en toda su extensión.

Puesta a tierra de Equipos Eléctricos Sensibles

Los sistemas de tierra deben ejecutar varias funciones simultáneas: como proporcionar seguridad a personas y al equipo. En resúmen, sigue una lista de funciones básicas de sistemas de puesta a tierra para:

a) Proveer seguridad personal a los usuarios;

b) Proveer ruta de baja impedancia (baja inductancia) de retorno a tierra, posibilitando el desligamento automático a través de los dispositivos de protección de manera rápida y segura, cuando debidamente proyectado;

c) Proveer control de las tensiones desarrolladas en el suelo cuando el cortocircuito fase-tierra retorna por el hilo de tierra a un fuente cercano o mismo distante;

d) Estabilizar la tensión durante transitórios del sistema eléctrico causados por faltas a terra; 

e) Agotar cargas estácticas acumuladas en estructuras, soportes y alojamientos de los equipos en general;

f) Proveer un sistema que permita a los equipos electrónicos funcionar satisfactoriamente en altas y bajas frecuencias;

g) Proveer una referencia estable de tensión a  señales y circuitos;

h) Minimizar los efectos de EMI (Emisión Electromagnética).

El conductor neutro está normalmente aislado y el sistema de alimentación empleado es el TN-S (T: punto directamente a tierra, N: masas conectadas directamente al punto de alimentación a tierra, S: conductores distintos para neutro y protección).

El conductor neutro ejerce su función básica de conducir las corrientes de retorno del sistema.

El conductor de protección ejerce su función básica de conducir a tierra las corrientes de masa. Todos los alojamientos deben conectarse al conductor de protección.

El conductor de equipotencialidad debe ejercer su función básica de referencia de potencial del circuito electrónico.

Figura 48 – Sistema TN-S

Para satisfacer a las funciones anteriores destácanse tres características fundamentales:

• Capacidad de conducción;
• Bajo valor de resistencia;
• Configuración de electrodo que posibilite el control del gradiente de potencial.

Sin embargo de la finalidad, protección o funcional, la puesta a tierra debe ser única en cada local de instalación. Existen situaciones donde las tierras pueden separarse, bajo las debidas precauciones.

Con relación a la instalación de los componientes del sistema de tierra deben observarse algunos criterios:

• el valor de resistencia de tierra no debe modificarse considerablemente a lo largo del tiempo;
• los componentes deben resistir a las condiciones térmicas, termomecánicas y electromecánicas;
• los componentes deben ser robustos o poseer protección mecánica adecuada para satisfacer a las influencias externas;
• se debe impedir daños a los eletrodos y otras partes metálicas por efectos de eletrólisis.

Equipotencializar

Definición: Equipotencializar es ecualizar el potencial.

En la práctica: Equipotencializar es minimizar la diferencia de potencial para reducir acidentes.

En cada edificación debe realizarse una equipotencialización principal y, además, las masas de instalaciones ubicadas en la misma edificación deben conectarse a la equipotencialización principal y, por lo tanto, al mismo y único electrodo de conexión a tierra.

La equipotencialización funcional se destina a ecualizar la puesta a tierra y garantizar el buen funcionamiento de los circuitos de señal y la compatibilidad eletromagnética.

Conductor de Equipotencialización

· Principal: debe tener al mínimo la mitad de la sección del conductor de protección de la mayor sección y al mínimo:

• 6mm² (Cobre);
• 16mm²(Aluminio);
•  50mm²(Acero).

Figura 49 - Equipotencialización

Figura 50 – Línea de tierra y Equipotencial en Instalaciones

Figura 51 – Material para Equipotencializar

Consideraciones sobre equipotenciales

Observe la figura 52, donde hay una fuente generadora de alta tensión y ruidos de alta frecuencia y un sistema de medición de temperatura a 25 m de la sala de control y, según el acondicionamiento de las señales, puédese alcanzar hasta 2.3kV en los terminales de medición. Según mejoran las condiciones de blindaje, tierra y ecualización, llégase a la condición ideal de medición.

Figura 52 – Ejemplo de la importancia de la puesta a tierra y equipotencialización y su influencia en la señal

Tanto en sistemas distribuidos, como de control de procesos industriales, con áreas físicamente distantes y alimentación de diferentes fuentes, la orientación es ubicar el sistema de tierra en cada lugar y que se apliquen las técnicas de control de EMI en cada percurso del encaminamiento de señal, según la representación en la figura 50.

Implicaciones de mala puesta a tierra

Conexión a tierra mala o inadecuada puede involucrar más allá que aspectos de seguridad. Los principales aspectos  son choques eléctricos a los usuarios por contacto, respuesta lenta o intermitente de los sistemas de protección, como fusibles, disjuntores, etc. 

• Fallos de comunicación

• Drifts o derivas, errores de mediciones

• Exceso de generación de EMI

• Calentamiento anormal de las etapas de potencia (inversores, conversores, etc.) y motorización

• Trabamiento constante de computadoras

• Quema de componentes electrónicos sin motivo aparente, mismo en equipos nuevos y confiables

• Intermitencias

• Etc.

El sistema de puesta a tierra debe ser único y satisfacer a diferentes finalidades:

- Control de interferencia eletromagnética tanto interno del sistema (acoplamiento capacitivo, inductivo y por impedancia común), como externo del sistema (ambiente).

-Seguridad operacional, con el alojamiento de los equipos ligados al tierra de protección y, en consecuencia, cualquier señal conectada a tierra o referenciada al alojamiento o al panel, directa o indirectamente, queda automáticamente referenciado al tierra de distribución de energía;

- Protección contra rayos, en que los conductores de baja del Sistema de Protección contra Descargas Atmosféricas (SPDA) deben conectarse a las estructuras metálicas para evitar chispas y sistemas de electrodos de puesta a tierra interconectados con el tierra de energia, tuberías metálicas, etc., quedando el “tierra de circuitos” conectados al “tierra del pararayos, vía estructura o sistema de electrodos.

La consecuencia es que equipos con alojamientos metálicos quedan expuestos a ruido en los circuitos de puesta a tierra, tales como energía y rayos.

Para satisfacer a los requisitos de seguridad, protección contra rayos y EMI, el sistema de puesta a tierra debería ser un plano con impedancia cero, donde se mezclarían diferentes niveles de corriente de estos sistemas sin interferencia. O sea, la condición ideal que, todavía,  no se confirma en la práctica.  

Tipos de puesta a tierra

En términos de industria de procesos puédese identificar algunos tipos de puesta  a tierra:

· “Tierra sucio”: Están presentes en instalaciones que típicamente abarcan 127VAC, 220VAC, 480VAC y relativos a alto nivel de conmutación, tales como CCMs, iluminación, distribución de energía, etc,  fuentes de EMI. Es común que alimentación CA primaria presente picos, surtos, spikes y que degradan el tierra CA.

· “Tierra limpio”: Están presentes en sistemas y circuitos CC, típicamente 24VDC, alimentando PLCs, controladores y que tienen señales de adquisición y control de datos, así como redes digitales.

· “Tierra estructural”: Son tierras vía estructura y que fuerzan la señal a 0V. Típicamente tienen la función de jaula de Faraday actuando como protección contra rayos.

Observación: tierra de “chassi” o “alojamiento” funciona como protección contra choque eléctrico. Este tipo de tierra no es de “resistencia cero”, y su potencial puede variar. Sin embargo, los circuitos casi siempre  conéctanse a tierra para prevenir riesgos de choque eléctrico.

Puesta a tierra en un solo punto

El tierra en un solo punto es ilustrado en la figura 53, cuya característica  es funcionar como único punto de distribución para toda la instalación.

Figura 53 – Puesta a tierra en un solo punto

Esta configuración es más apropiada como espectro de bajas frecuencias, además de satisfacer perfectamente a sistemas electrónicos de alta frecuencia instalados en áreas reducidas.

Y además, este sistema debe aislarse y no servir de paso de retorno a las corrientes de señales, que deben circular por conductores de señales con pares balanceados, por ejemplo.

Este tipo de tierra paralelo elimina el problema de impedancia común, pero lo hace en detrimento de la utilización de una cantidad excesiva de cableado. Además, la impedancia de cada hilo puede ser muy alta y las líneas de tierra pueden volverse fuentes de ruido del sistema. Este tipo de situación puede minimizarse eligiéndose el modelo correcto de conductor (tipo AWG 14). Cables de bitola mayor ayudan a reducir la resistencia de tierra, mientras el hilo flexible reduce la impedancia de tierra.

Puesta a tierra multipunto

Para frecuencias altas, el sistema multipunto es lo más adecuado, según  ilustra  la figura 54, inclusive simplificando la instalación.

Figura 54 – Puesta a tierra multipuntos

Figura 55 – Puesta a tierra en la práctica

Muchas conexiones de baja impedancia entre los conductores PE y los electrodos de tierra en combinación con múltiplos caminos de alta impedância entre los eletrodos y la  impedancia de los conductores crean un sistema complejo con una red de impedancia (figura 55), y las corrientes que fluyen a través de el provoca diferentes potenciales de tierra en las interconexiones en varios puntos de esta red.

Los sistemas con tierra multipunto que emplean circuitos balanceados, por lo general, no presentan problemas de ruido. En este caso el ruido es filtrado y su campo contiénese entre el cable y el plano de tierra.

Figura 56 – Puesta a tierra multipunto inadecuada

Figura 57 – Puesta a tierra adecuada, en un único punto

Figura 58 -  Degradación de la puesta a tierra en un único punto con las conexiones y capacitancias parásitas.

En la figura 57, hay una puesta a tierra adecuada cuyas corrientes individuales se conducen a un único punto de tierra.

La conexión a tierra en série es muy común porque es sencilla y económica. Sin embargo, trátase de la puesta a tierra “sucia”, debido a la impedancia común entre los circuitos. Cuando varios circuitos comparten el mismo cable de tierra las corrientes de un circuito (que fluye a través de la impedancia finita de la línea de base común) pueden causar variaciones en el potencial de tierra de los demás circuitos. Si las corrientes son suficientemente grandes, las variaciones del potencial de tierra pueden causar serias perturbaciones en todos los circuitos conectados al tierra común de señal.

Figura 59 – Puesta a tierra inadecuada, expuesta al tiempo, oxidación y aumento de impedancia en el contacto a tierra, poniendo el sistema en riesgo.

Los sistemas electrónicos modernos raramente tiene solo una puesta a tierra. Para mitigar la interferencia, tal como la del acoplamiento de impedancia debido al modo común, etc., aspectos distintos en cada subsistema por motivos estructurales, áreas de protección y fundamentos de energía primaria y secundaria son deseables, y también débese tener en cuenta los aspectos económicos y logísticos en la práctica. Estos puntos individuales de cada subsistema finalmente se conectan al sistema de puesta a tierra único, que tiene una referencia de potencial total del sistema. Vea la figura 60.

Figura 60 – Jerarquía de Puesta a Tierra

Enlaces de puesta a tierra

Un loop o enlace de tierra ocurre cuando existe más  de un camino de conexión a tierra, generando corrientes indeseables entre estos puntos.

Estos caminos forman el equivalente al enlace de una antena que capta las corrientes de interferencia con mucha eficiencia.

Con esto, la referencia de tensión queda instable y el ruido surge en las señales.

Figura 61 – Enlace de tierra

Figura 62 – Profibus-DP y los enlaces de tierra

Puesta a tierra a nivel de los equipos: Práctica

En la práctica, lo que se hace es un “sistema mixto”, separando circuitos similares y segregándolos en cuanto al nivel de ruido:

• ““tierra de señales” para conexión  de circuitos más sensibles;

• “tierra de ruido” para conexión  de comandos (relés), circuitos de alta potencia (CCMs, por ejemplo);

• “tierra de equipamento” para conexión de racks, paneles, etc., 

Estos tres circuitos se conectan al conductor de protección.

Figura 63 – Puesta a tierra a nível de los equipos en la práctica

Las señales pueden variar básicamente debido a:

• Flotación de tensión;

• Armónicas de corriente;

• RF conducidas y radiadas;

• Transitorios (conducción o radiación);

• Campos Electrostáticos;

• Campos Magnéticos;

• Reflejos;

• Crosstalk;

• Atenuaciones;

•  Jitter (ruido de fase);

• Etc.

Puesta a Tierra de Equipos de Campo

La gran mayoría de los fabricantes de equipos de campo, tales como transmisores de presión, temperatura, posicionadores, conversores, etc, recomienda la puesta a tierra local de sus productos.

Al instalarse los equipos, normalmente, sus alojamientos están en contacto con la parte estructural, o tuberías y, consecuentemente, conectadas a tierra. En los casos en que el alojamiento está aislado de cualquier punto de la estructura, los fabricantes recomiendan la puesta a tierra local, con la menor conexión posible, con hilo AWG 12. En este caso, débese tener cuidado en relación a la diferencia de potencial entre el punto a tierra y el panel donde se ubica el controlador (PLC).

Algunos fabricantes recomiendan aún que el equipo quede flotando, o sea, aislado de la estructura y que no se conecte a tierra, evitando loops de corriente.

Con relación a áreas clasificadas, recomiéndase consultar las regulaciones locales.

En equipos microprocesados y con comunicación digital, algunos fabricantes incorporan o ofrecen los protectores en contra surtos o transientes. Estos posibilitan protección contra picos de corriente, proveyendo un camino de desvío de baja impedancia al punto a tierra.

Consejos generales sobre paneles de control, CCMs e instrumentación

• Se recomienda usar filtro RFI siempre conectado lo más cerca posible del fuente de ruido (entre el filtro y el drive).

• Nunca mezcle cables de entrada y de salida.

• Todos los motores accionados por inversores deben alimentarse preferiblemente con cables blindados puestos a tierra en ambas extremidades. Esta es la recomendación de todos los fabricantes de inversorers. Vale la pena recordar que las frecuencias de conmutación varían de 1k a 35KHz, normalmente 30KHz, lo que influencía mucho el FF y el Profibus-PA.

• Siempre que posible, utilize trafo aislante para alimentación del sistema de automatización.

• Utilize repetidores en CCMs aislando galvánicamente, evitando diferenciales de tierra.

• Para satisfacer las exigencias de protección de EMI todos los cables externos deben ser blindados, excepto los cables de alimentación de red. La malla de blindaje debe ser continuada y sin interrupciones.

• Esté seguro de que cables de distintas zonas están roteados en canaletas separadas. Dentro del panel, crie zonas diferentes, recomendándose mismo placas separadoras ya usadas en blindaje.

• Asegúrese de que los cables se cruzan en ángulos rectos a fim de minimizar acoplamientos.

• Use cables con valores de impedancia de transferencia los más bajos posibles.

• En los cables de control recomiéndase instalar un pequeño capacitor (100 nF a 220 nF) entre el blindaje y la puesta a tierra para evitar circuito CA de retorno a la tierra. Ese capacitor actuará como supresor de interferencia. Pero se recomienda siempre consultar los manuales de los fabricantes de inversores.

• Elegir inversores con transformador  toroidal o adicionarlos (common-mode choke) en la salida del inversor.

• Utilize cable aislado y blindado (4 vías) entre el inversor y el motor y entre el sistema de alimentación hasta el inversor.

• Intentar trabajar con la frecuencia de conmutación más baja posible.

• Siempre conecte a tierra el alojamiento del motor. Hágalo en el motor del panel, donde se ubica el inversor o en el propio inversor.

• Inversores generan corrientes de fuga y en estos casos puédese introducir un reactor de línea en la salida del inversor.

•  Los reactores de línea son un medio simple y barato de aumentar la impedancia de la fuente de una carga aislada (tal como un comando de frecuencia variable, en el caso de inversores).

• Los reactores conéctanse en serie a la carga generadora de armónicas y, al aumentar la impedancia de la fuente, la magnitud de la distorsión armónica puede reducirse a la carga en la cual el reactor es adicionado. Aquí se recomienda consultar el manual del inversor y verificar sus recomendaciones.

• Lo ideal es un inductor de entrada incorporado y un filtro RFI/EMC para funcionar como protección extra para el equipo y como filtro de armónicas para la red eléctrica, donde el mismo esté conectado.

•  La principal función del filtro RFI de entrada es reducir emisiones conducidas por radiofrecuencia a las principales líneas de distribución e a los hilos de tierra. El filtro RFI de entrada conéctase entre la línea de alimentación CA de entrada y los terminales de entrada del inversor.

• Ondas reflejadas: si la impedancia del cable utilizado no sea compatible con la del motor, ocurrirán reflejos. Vale recordar que el cable entre el inversory el motor presenta una impedancia a los pulsos de salida del inversor (la llamada Surge Impedance). En estos casos también se recomienda el uso de reactores.

• Cables especiales: otro detalle importante que ayuda a minimizar los efectos de ruidos electromagnéticos generados en instalaciones con inversores y motores CA es el uso de cables especiales que evitan el efecto corona de descargas que pueden deteriorar la rigidez dieléctrica del aislamiento, permitiendo la presencia de ondas estacionarias y la transferencia de ruidos a la malla de puestas a tierra. Otra característica constructiva de algunos cables es el duplo blindaje, que es más eficiente en la protección contra EMI.

• Encuanto a redes digitales, alejarlas del inversor, cuyas señales van a los motores y instalar repetidores aislando las áreas.

• Chequear si hay necesidad de   …?….. en los inversores capacitores de modo común en el barramiento CC. Las especificaciones de vitola del cable y las recomendaciones normalmente se basan en 75 grados C. No reduzca la vitola del hilo cuando usar un filo para temperatura más alta. Las vitolas mínima y máxima dependen de la corriente nominal del inversor y de las limitaciones físicas de los blocos de terminales.

• El (los) conector(es) a tierra debe(n) clasificarse según la capacidad máxima de la corriente del inversor.

• Para aplicaciones de inversor CA de frecuencia variable que deben cumplir con los estándares de EMC recomiéndase el uso del mismo cable blindado especificado para los motores CA, entre el inversor y el transformador.

• Mantenga la largura del cable del motor dentro de los límites establecidos en el manual del usuario del inversor. Pueden ocurrir varios problemas, inclusive en la corriente de carga del cable y en el esfuerzo por tensión de onda refletida.

•  Las E/S discretas tales como los comandos de arranque y parada pueden conectarse al inversor con varios cables. El blindaje del cable es recomendable, pues puede ayudar a reducir el ruido de acoplamiento cruzado de los cables de alimentación. Conductores estándares individuales que satisfacen a las especificaciones generales en relación al tipo, a la temperatura, a la vitola y a los códigos aplicables son aceptables, caso se mantengan apartados de los cables de alta tensión para minimizar el acoplamiento de ruido. Sin embargo, la instalación del cable multiconductor puede ser más barata.

• Atención al aislamiento de los cables. Normalmente mayor que 300V.

• Para aplicaciones con varios motores, examine la instalación con cuidado. Por lo general, la mayoría de las instalaciones no presentan ningún problema. Sin embargo, corrientes de carga en cable con picos elevados puden causar sobrecorrientes en el inversor o fallos a tierra.

• Cuando haya terminales TE y PE, póngalos a tierra separadamente en el punto más cercano del panel, usando una malla trenzada. Caso se use un hilo tierra PE del panel, el debe conectarse en el mismo lado del panel que la conexiones del conducto/blindaje. Eso mantiene el ruido en modo común apartado del backplane del PLC.

• Blindajes del cable:

• Cables de motor y de entrada

o   Los blindajes de los cables de motor y de entrada deben conectarse en ambas extremidades para suministrar una ruta continuada a la corriente de ruido en modo común.

• Cables de control y de señal

o   Los blindajes de los cables de control deben conectarse solo en una extremidad. La otra extremidad debe aislarse y cortarse.

o   El blindaje de um cable entre dos gabinetes debe conectarse al gabinete que contiene la fuente de señal.

•El blindaje de un cable entre el gabinete y el dispositivo externo debe conectarse a la extremidad del gabinete, a menos que especificado de otra manera por el fabricante.

• Jamás conecte el blindaje al lado común de un circuito de lógica, pués causará ruido al circuito. Conecte el blindaje directamente a la conexión a tierra del rack.

• Al encaminar el cableado hasta el inversor, separe los hilos de alta tensión y los conductores del motor de los conductores de E/S y de señal. Para mantenerlos separados, páselos a través de una canaleta separada o use divisores de bandeja.

• No pase más de 3 conjuntos de conductores de motor por el mismo conducto. Mantenga los límites de llenado según los códigos de electricidad aplicables. No pase conductores de motor o cables de alimentación o comunicación por la misma canaleta. Si posible, evite pasar grandes extensiones de hilos de alimentación y conductores de motor por el mismo conducto.

• Con respecto a las bandejas, disponga cuidadosamente la geometría de múltiplos conjuntos de cables, manteniendo los conductores de cada grupo en el mismo paquete. Los conductores deben distribuirse de manera a minimizar la corriente inducida entre los conjuntos y equilibrarlas. Eso es crítico en inversores con potencias nominales de 200 HP (150 kW), como también mantener los cables de alimentación y de control separados. Al organizar bandejas para cables de inversores grandes, verifique si la bandeja o canaleta con el hilado de señal queda a 30cm o más de la que contiene el hilado del motor o de fuerza. Los campos electromagnécticos de las corrientes de motor o de alimentación pueden inducir corrientes en los cables de señal. Los divisores también proporcionan excelente separación.

• Haga la terminación de las conexiones de alimentación, de motor y de control en los blocs de terminales del inversor.

• En bajas frecuencias, con niveles hasta de CC 1 MHz, el blindaje del cable puede ponerse a tierra en una sola extremidad del cable, proporcionando buena  respuesta a los efectos de la interferencia magnética. En frecuencias más altas, recomiéndase poner a tierra el blindaje del cable en ambas extremidades. En estos casos, es muy importante que las diferencias de potencial de tierra en ambos puntos de conexión a tierra sean las mínimas posibles. La diferencia en tensión, entre ambos extremos debe ser, al máximo, de 1 V (rms) para que los efectos de los enlaces de tierra se minizen. Es también importante considerar que en altas frecuencias hay la capacitancia parásita de acoplamiento que tende a completar el enlace cuando el blindaje está conectado a tierra en una sola extremidad del cable.

Puesta a tierra en áreas clasificadas

Se recomienda verificar NBR 5418 con respecto a puesta a tierra y conexión con sistema equipotencial de sistemas intrínsecamente seguros.

El circuito intrínsecamente seguro debe estar flotando o conectado al sistema equipotencial asociado con el área clasificada en un solo punto.

El nivel de aislamiento necesario (excepto en un punto) debe proyectarse para soportar 500 V en el ensayo de aislamiento según 6.4.12 de la IEC 60079-11. 

Cuando este requisito no esté cumplido, el circuito debe considerarse puesto a tierra en aquél punto. Se permite más de una conexión a tierra, desde que el circuito divídase en subcircuitos galvánicamente aislados y cada uno esté puesto a tierra en un solo punto.

Blindajes deben conectarse a tierra o a la estructura según el ABNT NBR IEC 60079-14.

Siempre que posible, conecte las bandejas de cables al sistema de línea equipotencial.

Las mallas (Shield) deben ponerse a tierra en un solo punto del conductor de ecualización de potencial. Si necesario, por razones funcionales, permítense hacerlo de otros puntos a tierra a través de pequeños capacitores tipo cerámico inferiores a 1 nF y para 1500V, desde que la sumatoria de las capacitancias no ultrapase 10 nF.

Nunca instale un dispositivo que tenga sido instalado anteriormente sin barrera intrínsecamente segura, pués el zener de protección puede estar quemado y no va a actuar con seguridad en áreas intrínsecamente segura.

Cuidados y recomendaciones con la puesta a tierra y el shield en barramiento PROFIBUS-PA y Foundation Fieldbus.

Al considerar la cuestión del shield y de la puesta a tierra en barramientos de campo, débese tener en cuenta:

• La  compatibilidad  electromagnética (EMC).
• Protección contra explosión.
• Protección de personas.

Según el IEC 61158-2, poner a tierra significa estar permanentemente conectado a tierra a través de impedancia suficientemente baja y con capacidad de conducción suficiente para evitar tensiones que puedan resultar en daños de equipos o personas. Líneas de tensión con 0 Volts deben conectarse a tierra y ser galvánicamente aisladas del barramiento fieldbus. El objetivo de poner a tierra el shield es evitar ruidos de alta frecuencia.

Preferiblemente, el shield debe ponerse a tierra en dos puntos, en el inicio y en el fin del barramiento, desde que no haya diferencia de potencial entre esos puntos, posibilitando haber paso a corrientes de loop. En la práctica, cuando haya diferencia, recomiéndase poner a tierra el shield en un solo punto, o sea, en la fuente de alimentación o en la barrera de seguridad intrínseca. Se debe asegurar la continuidad del blindaje del cable en más de que 90% de la largura total del cable.

El shield debe cubrir completamente los circuitos eléctricos a través de los conectores, acopladores, sílices y cajas de distribución y conexión. 

Nunca se debe utilizar el shield como conductor de señal. Es necesario verificar su continuidad hasta el último equipo de campo de la sección, analizando la conexión y el acabamiento, pués este no debe ponerse a tierra en los alojamientos de los equipos.

En  áreas clasificadas, si no es posible  ecualizarse el potencial entre el área segura y el área peligrosa, el shield debe conectarse directamente a tierra (Equipotential Bonding System) solamente en el lado del área peligrosa. En el área segura, el shield debe conectarse a través de acoplamiento capacitivo preferiblemente cerámico (dieléctrico sólido), C<= 10nF, tensión de aislamiento >= 1.5kV).

Fuente de alilmentación Tronco Caja de Conexión Derivación Equipo de campo

Equipotencial que une el Sistema

Figura 64 – Combinación ideal de Shield y Puesta a Tierra

Fuente de alimentación Tronco Caja de Conexión Derivación Equipo de campo

Equipotencial que une el Sistema

Figura 65 – Puesta a Tierra Capacitiva

El IEC 61158-2 requiere que se obtenga aislamiento completo. Se usa este método principalmente en los EE.UU. e Inglaterra. En este caso, el shield está aislado de todas las conexiones a tierra, con excepción del punto del negativo de la fuente o de la barrera de seguridad intrínseca del lado seguro. El shield debe tener continuidad desde el inicio de la sección, pasando por las cajas de conexión  y distribución y llegar hasta los equipos. Los alojamientos de los equipos están puestos a tierra individualmente del lado no seguro. Este método tiene la desventaja de no proteger totalmente las señales de alta frecuencia y, dependiendo de la topología y largura de los cables, puede generar intermitencia de comunicación en algunos casos. Se recomienda, en estos casos, el uso de canaletas metálicas.

Otra manera, es poner a tierra las cajas de conexión y los alojamientos en línea de equipotencial a tierra, del lado no seguro. Las conexiones a tierra del lado no seguro con el lado seguro están separadas.

La condición de puesta a tierra múltipla también es común, dando protección más efectiva a condiciones de alta frecuencia y ruidos electromagnéticos. Este es el método preferido en Alemania y algunos paises de Europa. El shield está puesto a tierra en el punto a tierra del negaivo de la fuente o de conexiones y en los alojamientos de los equipos, siendo también puestas a tierra pontuales, en el lado no seguro. Una hipótesis adicional es de puestas a tierra en línea equipotencial de tierra, uniendo el lado seguro al no seguro.

Para más detalles, siempre consulte las normas de seguridad locales. Se recomienda usar el IEC 60079-14 como referencia en aplicaciones en áreas clasificadas.

Las figura 66 y 67 muestran condiciones inadecuadas y adecuadas de puestas a tierra indebidas del shield.

Figura 66 – Puesta a tierra inadecuada del shield en fieldbus en más de un punto

Figura 67 – Puesta a tierra adecuada del shield en fieldbus en un solo punto

Blindaje

Puesta a tierra o blindaje son requisitos obligatorios para garantizar la integridad de datos de una planta. En la práctica es muy común encontrarse funcionamiento intermitente y errores groseros en mediciones debido a malas instalaciones.

Los efectos de ruidos pueden minimarse con técnicas adecuadas de proyectos, instalación, distribución de cables, puesta a tierra y blindajes. Puestas a tierra inadecuadas pueden tener consecuencias indeseadas y peligrosas que pueden comprometer el funcionamiento efectivo de un equipo o del propio sistema.

El blindaje debe ser conectado al potencial de referencia de la señal que está protegendo (ver figura 68).

Figura 68 – Blindaje conectado al potencial de referencia de la señal que está protegendo.

Cuando existen secciones múltiplas débese mantenerlas conectadas, garantizando el mismo potencial de referencia, según la figura 69.

Figura 69 – Blindaje en secciones múltiplas conectado al potencial de referencia de la señal que está protegendo.

Efecto blindaje x puesta a tierra en un solo punto

En este caso la corriente no circulará por la malla y no cancelará campos magnéticos.

Se debe minimizar la largura del conductor que se extende fuera del blindaje y garantizar buena conexión del shield a la conexión a tierra.

Figura 70 – Efecto Blindaje x puesta a tierra en un único punto

Efecto blindaje x puesta a tierra en dos puntos

Va a ocurrir una distribución de corrientes, en función de sus frecuencias, pués la corriente tende a seguir la ruta de menor impedancia.

Hasta algunos kHz: la reactancia inductiva es insignificante y la corriente circulará por la ruta de menor resistencia.

Arriba de kHz: predomina la reactancia inductiva y la corriente circulará por la ruta de menor inductancia.

La ruta de menor impedancia es aquella cuyo percurso de retorno es cercano al percurso de ida, por presentar mayor capacidad distribuida y menor inductancia distribuida.

Se debe minimizar la largura del conductor que se extende fuera del blindaje y garantizar buena conexión del shield a tierra.

Figura 71 – Efecto Blindaje x puesta a tierra en dos puntos

Vale citar en este caso:

• No hay protección contra loops de tierra.
• Daños posiblemente significativos a los equipos activos cuando la diferencia de potencial de tierra entre ambos los extremos ultrapassar 1 V (rms).
• La resistencia eléctrica de la puesta a tierra debe ser la más baja posible en ambas extremidades de la sección para minimizar los loops de tierra, principalmente en bajas frecuencias.

Como vimos anteriormente, el blindaje de cables úsase para eliminar interferencias por acoplamiento capacitivo debidas a campos eléctricos.

Conclusión

Vimos en este artículo varios detalles sobre los efectos del acoplamiento capacitivo, inductivo y conductivo, además de detalles sobre puesta a tierra.

Todo proyecto de automatización debe tener en cuenta las normas para garantizar niveles de señales adecuados, como también la seguridad requerida por la aplicación. Tenga en mente que una instalación adecuada y cumpliendo con los estándares es la base para el suceso de un proyecto con tecnología digital.

Mitigación de cuestiones de EMC;

• Reducir los niveles de interferencia generada por puntos perturbadores (fuentes de EMI).
• Aumentar la eficacia de rutas de acoplamiento y la combinación a seguir:

Conclusión

Tabla 3 – Medidas para mitigar EMC

Figura 72 – Como minimizar efectos de EMI

Se recomienda realizar anualmente acciones preventivas de mantenimiento, verificando cada conexión al sistema de puesta a tierra, asegurando la calidad de cada conexión en cuanto a robustez, confiabilidad y baja impedancia (se debe aún garantizar que no haya contaminación ni corrosión).

Además, en plantas con tecnologías digitales, tales como Profibus y Foundation Fieldbus, recomiéndase servicios de certificación de redes por profesionales capacitados, garantizando, además de la conformidad con los patrones, ventajas como:

• Aumento de desempeño y confiabilidad de la red;
• Reducción del tiempo de puesta en marcha, arranque y paradas;
• Actuación preventiva y preditiva en posibles fallos en instalaciones y señales de comunicación;
• Aumento de seguridad operacional con las mejorías sugeridas;
• Mejoría de performance operacional y reducción de gastos globales de operación y mantenimiento, entre otros.

  Referência Bibliográfica

• Artículos técnicos - César Cassiolato
• https://www.smar.com.br/es/articulos-tecnicos
• http://www.electrical-installation.org/wiki/Coupling_mechanisms_and_counter-measure
• http://www.qemc.com.br/, artículos  técnicos Roberto Menna Barreto

• National Application Notes 25:Field Wiring and Noise Considerations for Analog Signals - Syed Jaffar Shah
• Puesta a Tierra, Blindaje, Ruidos y consejos de instalación, César Cassiolato
• El uso de Canales Metálicos Minimizando Corrientes de Foucault en instalación PROFIBUS, César Cassiolato
• Ruidos e Interferencias en instalaciones PROFIBUS, César Cassiolato
• The Physical Basis of EMC – Eur Ing Armstrong
• https://www.smar.com.br/es/articulo-tecnico/pistas-sobre-blindaje-y-puesta-a-tierra-en-automatizacion-industrial
• Consejos de blindaje y puesta a tierra en Automatización Industrial – César Cassiolato, Revista Mecatrônica Atual;Año: 10; N° 53; Set / Out – 2011
• EMI – Troubleshooting Techniques – Michael Mardiguian
• EMC for Product Designers -   Tim Williams

• Puesta a tierra, blindaje, acoplamientos, ruidos, sus efectos y como minimizarlos en instalaciones industriales”, César Cassiolato,  Revista Intech,  Edición 157
• Investigaciones en internet (Todas las ilustraciones, marcas y productos usados aqui pertenecen a sus respectivos propietarios, como también cualquier otra forma de propiedad intelectual).

* César Cassiolato fue Director de Desarrollo e Investigación de Equipos de Campo, Ingeniería de Productos y  Calidad, fue Presidente de la Asociación Profibus Brasil América Latina de 2006 a 2010, Director Técnico del Centro de Competencia y Entrenamiento em Profibus, Director del FDT Group en Brasil, Engeniero Certificado en Tecnologia Profibus e Instalaciones Profibus por la Universidad Metropolitana de Manchester. Es el Presidente Elegido 2012/2013 de ISA Sección Sertãozinho.