En un sistema eléctrico , un bucle de tierra o bucle de tierra ocurre cuando se pretende que dos puntos de un circuito tengan el mismo potencial de referencia de tierra , pero en cambio tienen un potencial diferente entre ellos. [1] Esto generalmente ocurre cuando fluye suficiente corriente en la conexión entre los dos puntos de tierra para producir una caída de voltaje y hacer que dos puntos tengan potenciales diferentes. La corriente se puede producir en una conexión a tierra circular (bucle de tierra) mediante inducción electromagnética .
Los bucles de tierra son una de las principales causas de ruido , zumbidos e interferencias en los sistemas informáticos, de audio y de vídeo. Las prácticas de cableado que protegen contra bucles de tierra incluyen garantizar que todos los circuitos de señales vulnerables estén referenciados a un punto como tierra. El uso de señalización diferencial puede lograr el rechazo de la interferencia inducida por tierra. La eliminación de las conexiones a tierra de seguridad del equipo en un esfuerzo por eliminar los bucles de tierra también elimina la protección que la conexión a tierra de seguridad debe brindar.
Un bucle de tierra es causado por la interconexión de dispositivos eléctricos que resulta en múltiples caminos a tierra, formando así bucles conductores cerrados a través de las conexiones de tierra. Un ejemplo común son dos dispositivos eléctricos, cada uno de ellos conectado a una toma de corriente mediante un cable de tres conductores y un enchufe que contiene un conductor de tierra protector para mayor seguridad . Cuando se conectan cables de señal entre ambos dispositivos, el blindaje del cable de señal generalmente se conecta al chasis con conexión a tierra de ambos dispositivos. Esto forma un circuito cerrado a través de los conductores de tierra de los cables de alimentación, que están conectados a través del cableado del edificio.
En las proximidades del cableado eléctrico siempre habrá campos magnéticos dispersos , especialmente en las líneas de servicios públicos que oscilan a 50 o 60 hercios . Estos campos magnéticos ambientales que pasan a través del bucle de tierra inducirán una corriente en el bucle mediante inducción electromagnética . El bucle de tierra actúa como un devanado secundario de una sola vuelta de un transformador , siendo el primario la suma de todos los conductores cercanos que transportan corriente. La cantidad de corriente inducida dependerá de la magnitud y proximidad de las corrientes cercanas. La presencia de equipos de alta potencia como motores industriales o transformadores puede aumentar las interferencias. Dado que los conductores que componen el bucle de tierra suelen tener una resistencia muy baja, a menudo inferior a un ohmio , incluso los campos magnéticos débiles pueden inducir corrientes importantes.
Dado que el conductor de tierra del cable de señal que une los dos dispositivos es parte de la ruta de señal del cable, la corriente de tierra alterna que fluye a través del cable puede introducir interferencias eléctricas en la señal. La corriente alterna inducida que fluye a través de la resistencia del conductor de tierra del cable provocará una pequeña caída de voltaje de CA a través de la tierra del cable. Esto se suma a la señal aplicada a la entrada de la siguiente etapa. En equipos de audio , la interferencia de 50 o 60 Hz puede escucharse como un zumbido en los altavoces. En un sistema de vídeo puede causar distorsión o problemas de sincronización. En cables de ordenador puede provocar ralentizaciones o fallos en la transferencia de datos.
También pueden existir bucles de tierra dentro de los circuitos internos de los equipos electrónicos, como fallas de diseño.
La adición de cables de interconexión de señales a un sistema donde ya se requiere que los gabinetes de los equipos estén conectados a tierra puede crear bucles de tierra. El diseño adecuado de dicho sistema satisfará tanto los requisitos de puesta a tierra de seguridad como la integridad de la señal. Por esta razón, en algunas instalaciones profesionales grandes, como estudios de grabación, a veces es práctica proporcionar dos conexiones a tierra completamente separadas para los compartimentos de los equipos. Una es la tierra de seguridad normal que se conecta a estructuras metálicas expuestas, la otra es una tierra técnica para pantallas de cables y similares. [2]
El diagrama del circuito ilustra un bucle de tierra simple. El circuito 1 (izquierda) y el circuito 2 (derecha) comparten un camino común a tierra de resistencia . Idealmente, este conductor de tierra no tendría resistencia ( ), lo que no produciría ninguna caída de voltaje a través de él ( ), manteniendo el punto de conexión entre los circuitos a un potencial de tierra constante. En ese caso, la salida del circuito 2 es simplemente .
Sin embargo, si este conductor de tierra tiene cierta resistencia ( ), entonces forma un divisor de voltaje con . Como resultado, si fluye una corriente ( ) desde el circuito 1, se produce una caída de voltaje , lo que hace que la conexión a tierra compartida ya no esté en el potencial de tierra real. Este voltaje a través del conductor de tierra se aplica al circuito 2 y se suma a su salida:
Por lo tanto, los dos circuitos ya no están aislados entre sí y el circuito 1 puede introducir interferencias en la salida del circuito 2. Si el circuito 2 es un sistema de audio y el circuito 1 tiene grandes corrientes de CA fluyendo por él, la interferencia se puede escuchar como un 50 o zumbido de 60 Hz en los altavoces. Además, ambos circuitos tienen voltaje en sus partes conectadas a tierra que pueden estar expuestas al contacto, lo que posiblemente presente un riesgo de descarga eléctrica . Esto es cierto incluso si el circuito 2 está apagado.
Aunque los bucles de tierra ocurren con mayor frecuencia en los conductores de tierra de equipos eléctricos, pueden ocurrir bucles similares donde dos o más circuitos comparten una ruta de corriente común, lo que puede causar una caída de voltaje problemática similar a lo largo del conductor si fluye suficiente corriente.
Un tipo común de bucle de tierra se debe a interconexiones defectuosas entre componentes electrónicos, como equipos de laboratorio o estudio de grabación , o sistemas informáticos, de audio y video de componentes domésticos. Esto crea bucles cerrados involuntarios en el circuito de cableado de tierra, lo que puede permitir que se induzca corriente alterna de 50/60 Hz y fluya a través de los conductores de tierra de los cables de señal. [3] [4] [5] [6] Las caídas de voltaje en el sistema de tierra causadas por estas corrientes se agregan a la ruta de la señal, introduciendo ruido y zumbidos en la salida. Los bucles pueden incluir el sistema de tierra del cableado de servicios públicos del edificio cuando más de un componente está conectado a tierra a través de la tierra protectora (tercer cable) en sus cables de alimentación.
Los síntomas de un bucle de tierra, ruido de tierra y zumbidos en equipos eléctricos son causados por la corriente que fluye en la tierra o en el conductor blindado de un cable. La figura 1 muestra un cable de señal S que conecta dos componentes electrónicos, incluidos los típicos amplificadores de controlador y receptor de línea (triángulos) . [5] El cable tiene un conductor de tierra o blindaje que está conectado a la tierra del chasis de cada componente. El amplificador del controlador en el componente 1 (izquierda) aplica la señal V 1 entre los conductores de señal y tierra del cable. En el extremo de destino (derecha) , los conductores de señal y de tierra están conectados a un amplificador diferencial . Esto produce la entrada de señal al componente 2 restando el voltaje del blindaje del voltaje de la señal para eliminar el ruido de modo común captado por el cable.
Si una corriente I de una fuente separada fluye a través del conductor de tierra, la resistencia R del conductor creará una caída de voltaje a lo largo de la tierra del cable de IR , por lo que el extremo de destino del conductor de tierra estará a un potencial diferente al de la fuente. fin
Si I es una corriente CA, esto puede provocar que se agregue ruido a la ruta de la señal en el componente 2.
Los diagramas de esta sección muestran un bucle de tierra típico causado por un cable de señal S que conecta dos componentes electrónicos conectados a tierra C1 y C2 . El bucle consta del conductor de tierra del cable de señal, que está conectado a través del chasis metálico de los componentes a los cables de tierra P en sus cables de alimentación, que están conectados a tomas de tierra que están conectadas a través del sistema de cables de tierra de servicios públicos G del edificio .
Dichos bucles en la ruta de tierra pueden causar corrientes en la tierra del cable de señal mediante dos mecanismos principales:
La solución al ruido del bucle de tierra es romper el bucle de tierra o evitar que la corriente fluya. Hay varios enfoques disponibles.
Una técnica peligrosa que a veces utilizan los aficionados es romper el tercer conductor de tierra P en uno de los cables de alimentación del componente, quitando la clavija de tierra del enchufe o usando un enchufe tramposo . Esto crea un peligro de descarga eléctrica al dejar uno de los componentes sin conexión a tierra. [4] [5]
Una solución más integral es utilizar equipos que emplee señalización diferencial . El ruido de fondo sólo puede llegar a la ruta de la señal en la señalización de un solo extremo , en la que el conductor de tierra o de blindaje sirve como un lado de la ruta de la señal. Cuando la señal se envía como señal diferencial a lo largo de un par de cables, ninguno de los cuales está conectado a tierra, cualquier ruido del sistema de tierra inducido en las líneas de señal es una señal de modo común , idéntica en ambos cables. Dado que el receptor de línea en el extremo de destino sólo responde a señales diferenciales, una diferencia de voltaje entre las dos líneas, el ruido de modo común se cancela. Por tanto, estos sistemas son muy inmunes al ruido eléctrico, incluido el ruido del suelo. Los equipos profesionales y científicos suelen utilizar señalización diferencial con líneas balanceadas .
Si, por ejemplo, un sistema HiFi doméstico tiene un tocadiscos con conexión a tierra y un preamplificador con conexión a tierra conectados mediante un cable (o cables, en un sistema estéreo) apantallado fino mediante conectores phono, la sección transversal de cobre en la(s) pantalla(s) del cable es probablemente sea menor que el de los conductores de tierra de protección para el tocadiscos y el preamplificador. Entonces, cuando se induce una corriente en el bucle, habrá una caída de voltaje a lo largo del retorno a tierra de la señal. Esto se suma directamente a la señal deseada y producirá un zumbido desagradable. Por ejemplo, si se induce una corriente de 1 mA a la frecuencia eléctrica local en el bucle de tierra y la resistencia de la pantalla del cable de señal es de 100 mΩ, la caída de voltaje será = 100 µV. Esta es una fracción significativa del voltaje de salida de un cartucho captador de bobina móvil e impone un zumbido objetable en la salida del cartucho. [a]
En una situación más compleja, como sistemas de refuerzo de sonido , sistemas de megafonía , amplificadores de instrumentos musicales , equipos de estudios de grabación y estudios de transmisión , hay muchas fuentes de señal en equipos alimentados por la red eléctrica que alimentan muchas entradas de otros equipos y la interconexión puede provocar problemas de zumbidos. . Intentar solucionar estos problemas quitando el conductor de tierra protector crea un riesgo de descarga eléctrica . La solución de los problemas de zumbido se debe realizar en las interconexiones de señales, y esto se realiza de dos formas principales, que pueden combinarse.
El aislamiento es el método más rápido, silencioso e infalible para resolver los problemas de zumbidos. La señal está aislada mediante un pequeño transformador, de modo que el equipo de origen y de destino conservan cada uno sus propias conexiones de protección a tierra, pero no existe una conexión directa de uno a otro en la ruta de la señal. Al aislar el transformador de todas las conexiones desequilibradas, podemos conectar conexiones desequilibradas con conexiones balanceadas y así solucionar el problema del zumbido. En aplicaciones analógicas como el audio, las limitaciones físicas de los transformadores provocan cierta degradación de la señal, al limitar el ancho de banda y agregar algo de distorsión.
Las conexiones balanceadas ven el ruido espurio debido a la corriente del bucle de tierra como interferencia de modo común mientras que la señal es diferencial , lo que les permite estar separados en el destino por circuitos que tienen una alta relación de rechazo de modo común . Este rechazo se puede lograr con transformadores o controladores de salida de semiconductores y receptores de línea.
Con la creciente tendencia hacia el procesamiento y la transmisión digital de señales de audio, se vuelve más útil toda la gama de aislamiento mediante pequeños transformadores de impulsos, optoacopladores o fibra óptica. Los protocolos estándar como S/PDIF , AES3 o TOSLINK están disponibles en equipos relativamente económicos y permiten un aislamiento total, por lo que no es necesario que surjan bucles de tierra, especialmente cuando se conectan sistemas de audio y computadoras.
En los sistemas de instrumentación , está muy extendido el uso de entradas diferenciales con alto índice de rechazo de modo común, para minimizar los efectos de las señales de CA inducidas sobre el parámetro a medir. También es posible introducir filtros de muesca estrecha en la frecuencia de potencia y sus armónicos inferiores ; sin embargo, esto no se puede hacer en sistemas de audio debido a los efectos audibles objetables en la señal deseada.
En vídeo analógico , el zumbido de la red eléctrica puede verse como barras de zumbido (bandas de brillo ligeramente diferente) que se desplazan verticalmente hacia arriba en la pantalla. Estos se ven con frecuencia en proyectores de video donde el dispositivo de visualización tiene su carcasa conectada a tierra mediante un enchufe de 3 clavijas y los otros componentes tienen una tierra flotante conectada al cable coaxial CATV . En esta situación, el cable de vídeo está conectado a tierra en el extremo del proyector al sistema eléctrico doméstico y en el otro extremo a la tierra del televisor por cable, induciendo una corriente a través del cable que distorsiona la imagen. El problema se resuelve mejor con un transformador de aislamiento en la alimentación de RF de CATV, una característica incluida en algunos diseños de cajas de CATV.
Los problemas del bucle de tierra con el cable coaxial de televisión pueden afectar cualquier dispositivo de audio conectado, como un receptor. Incluso si todos los equipos de audio y video de, por ejemplo, un sistema de cine en casa, están conectados a la misma toma de corriente y, por lo tanto, todos comparten la misma tierra, la compañía de cable puede conectar a tierra el cable coaxial que ingresa al televisor a una conexión diferente. punto que el de la tierra eléctrica de la casa, creando un bucle de tierra y provocando un zumbido de red no deseado en los altavoces del sistema.
En los sistemas digitales, que comúnmente transmiten datos en serie ( RS-232 , RS-485 , USB , FireWire , DVI , HDMI , etc.), el voltaje de la señal suele ser mucho mayor que la frecuencia de alimentación CA inducida en las pantallas del cable de conexión. De los protocolos enumerados, solo RS-232 tiene un solo extremo con retorno a tierra, pero es una señal grande, típicamente + y - 12 V, siendo todos los demás diferenciales.
La señalización diferencial debe utilizar una línea balanceada para garantizar que la señal no se irradie y que el ruido inducido por un bucle de tierra sea una señal de modo común y pueda eliminarse en el receptor diferencial.
Muchos sistemas de comunicación de datos, como Ethernet 10BASE-T , 100BASE-TX y 1000BASE-T , utilizan codificación balanceada en CC, como el código Manchester . Los bucles de tierra que se producirían en la mayoría de las instalaciones se evitan mediante el uso de transformadores aislantes de señal.
Otros sistemas rompen el bucle de tierra en frecuencias de datos colocando pequeños núcleos de ferrita alrededor de los cables de conexión cerca de cada extremo o justo dentro de los límites del equipo. Estos forman un estrangulador de modo común que inhibe el flujo de corriente desequilibrado, sin afectar la señal diferencial.
Los cables coaxiales utilizados en radiofrecuencias se pueden enrollar varias veces a través de un núcleo de ferrita para agregar una cantidad útil de inductancia de modo común. Esto limita el flujo de corriente de modo común de alta frecuencia no deseada a lo largo del blindaje del cable.
Cuando no es necesario transmitir energía, sólo datos digitales, el uso de fibra óptica puede eliminar muchos problemas de bucle de tierra y, a veces, también problemas de seguridad. Los aisladores ópticos u optoacopladores se utilizan con frecuencia para proporcionar aislamiento del bucle de tierra y, a menudo, aislamiento de seguridad, y pueden ayudar a prevenir la propagación de fallas.
Generalmente, las partes analógicas y digitales del circuito se encuentran en áreas separadas del PCB, con sus propios planos de tierra para obtener la puesta a tierra de baja inductancia necesaria y evitar el rebote de tierra . Estos están unidos en un punto de estrella cuidadosamente elegido. Cuando se utilizan convertidores analógicos a digitales (ADC), es posible que el punto estrella deba estar en los terminales de tierra de los ADC o muy cerca de ellos. Los circuitos de bucle de bloqueo de fase son particularmente vulnerables porque el circuito de filtro de bucle VCO funciona con señales de submicrovoltios cuando el bucle está bloqueado, y cualquier perturbación provocará fluctuaciones de frecuencia y una posible pérdida de bloqueo.
La conexión a tierra y la posibilidad de que se produzcan bucles de tierra también son consideraciones importantes en el diseño de circuitos. En muchos circuitos, pueden existir grandes corrientes a través del plano de tierra, lo que genera diferencias de voltaje en la referencia de tierra en diferentes partes del circuito, lo que puede provocar zumbidos y otros problemas. Existen técnicas para evitar bucles de tierra y, en caso contrario, garantizar una buena conexión a tierra:
Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022.
