Equipos electronicos... teoria y diseño de sistemas de puesta a tierra

23/7/2014 EQUIPOS ELECTRONICOS... TEORIA Y DISEÑO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA. Roberto Ruelas

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SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA- TEORÍA, DISEÑO, MEDICIÓN y MANTENIMIENTO -

3. Puesta a Tierra de Equipos Electrónicos y de Comunicaciones

Índice

En los siguientes párrafos, se utiliza el frase "equipo electrónico" como sinónimo de aquelaparato que contiene circuitos integrados de alta densidad, conocidos como VLSI. Comoejemplos de ellos, tenemos a nivel doméstico y comercial: computadoras, sistemas deentretenimiento y, sistemas de comunicaciones. A nivel industrial: computadoras, CNCs,sistemas de control y de comunicaciones.

Por lo tanto, la frase "equipo electrónico" puede ser sustituida por cualquier de dichosaparatos.

3.1 TRANSITORIOS E INTERFERENCIAS [3.4].

Los equipos electrónicos no trabajan satisfactoriamente cuando se presentan transitorioso interferencias.

Transitorios.- La causa mayor de fallas de los componentes electrónicos de los puertosde interconexión de datos, y los de control en bajo voltaje, es el sobre-esfuerzo eléctricoque usualmente se origina en los transitorios causados por: (1) las descargasatmosféricas; (2) por las maniobras de interrupción de cargas inductivas, o; (3) pordescargas electrostáticas. Este sobre-esfuerzo es causado por voltajes de una magnitud dedecenas de volts a varios miles de volts y, con duración de unas decenas denanosegundos a unas centenas de microsegundos. Los que se conocen normalmentecomo "picos" de voltaje".

Ningún cable enterrado, ni siquiera de potencia, es inmune a los transitorios provocadospor los rayos.

Los transitorios se eliminan mediante componentes conectados a la tierra del sistema.Ver: 3.3 PROTECTORES DE CABLES DE INSTRUMENTACIÓN Y DECOMUNICACIONES.

Las corrientes provocadas por las descargas atmosféricas prefieren viajar por conductoresmetálicos más que por la simple tierra, porque representan un camino de menorimpedancia. Ésto destruye el aislamiento. Además, los rayos también causan unadiferencia de potencial entre el blindaje y los conductores internos [3.9] que puede

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destruir componentes electrónicos en la interconexión, ya que los cables y sus circuitos deconexión deben soportar los voltajes máximos que se puedan obtener entre los extremosde los cables. Cuando es muy grave el problema debido a estar interconectando los cablesdos sistemas de tierra diferentes, como en el caso de un sistema de control distribuido, losconductores se prefieren del tipo de fibra óptica. Otra solución utilizada es elinterconectar los distintos sistemas de tierra de una industria o edificio medianteconexiones a una red de tierra perimetral adicional, para lograr el mismo potencial a tierraen cualquier lado.

Interferencia causada por armónicas.- Las armónicas se generan en fuentes de poderde tipo conmutada de computadoras, y en los variadores de frecuencia [3.9] entre otroslugares. Su efecto en los equipos electrónicos se mitiga incrementando calibres deconductores, cambiando el diseño y configuración del transformador de alimentación y,usando filtros activos. Los filtros pasivos compuestos de capacitores e inductores no songeneralmente efectivos (excepto como protección de bancos de capacitores) porque lafrecuencia de corte del filtro tiene que ser muy cercana a la fundamental, lo que esprácticamente imposible de diseñar en un filtro de este tipo [3.3].

Interferencia en radiofrecuencia.- La interferencia por radiofrecuencia, RFI por sussiglas en inglés, es causada principalmente por transmisiones radiales. Sin embargo, estetipo de interferencia también es producida por los componentes electrónicos trabajando aaltas frecuencias. En los equipos electrónicos su efecto se minimiza con un buen blindajeen cables y en los mismos equipos. Aunque, la mejor manera de acabar con la RFI esblindar el ruido directamente en su fuente. Los blindajes mencionados para ser efectivosse deben conectar a la tierra del sistema. Ver: 3.2 CABLES, PANTALLAS YCANALIZACIONES

Interferencia electromagnética.- Este tipo de interferencia, conocido por sus siglas eninglés EMI, es ruido eléctrico que se convierte en un voltaje en un sistema eléctrico. Susfuentes son las mismas que generan la interferencia en radiofrecuencia.Este tipo de interferencia en los equipos electrónicos se corrige conectando todo a unaúnica puesta a tierra del sistema. En resumen, los efectos en los equipos electrónicos de los transitorios y de gran parte delos tipos de interferencias se eliminan mediante la conexión adecuada de los componentesa una referencia de tierra.

3.2 CABLES, PANTALLAS Y CANALIZACIONES [3.4].

Los blindajes de cables usualmente son de metal sólido o una película plástica metalizadacon un alambre guía. Para que sea efectiva la protección de los cables internos contra lostipos de interferencias mencionados arriba, el blindaje debe cubrir los conductores, sercontinuo entre los extremos y debe estar bien aterrizado.

Todos los cables blindados provocan un problema contradictorio. Para mejorar sudesempeño para bloquear la interferencia en altas frecuencias, ambos extremos del

http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe93.html#3.9





blindaje deberían estar bien aterrizados. Sin embargo, a menos que ambos extremos esténal mismo potencial, fluirá una pequeña corriente a través del blindaje entre esos puntos.De ahí que, en la práctica, las pantallas en sistemas electrónicos son conectadasúnicamente en el extremo más cercano al equipo de control, y se dejan completas yaisladas en el otro extremo, normalmente el lado del sensor.

Similarmente una canalización metálica con cables que conduzcan señales lógicas o decontrol se puede aislar en un extremo para evitar el fenómeno de corrientes de tierracirculando por ella. Para ello, se emplea un cople de PVC y, obviamente, el otro extremocontinúa puesto a tierra de acuerdo con los requisitos de la NOM-001-SEDE-2005[1.3]{250-}.

Para eliminar la mayoría de los problemas por ruido eléctrico inducido en los cables deseñal y de control, se recomienda colocarlos a más de 1,5 m de los cables de alta tensióno de gran potencia. Y cuando es necesario cruzarlos, se recomienda que el cruce sea a 90grados para eliminar cualquier inducción.

En el caso de las canalizaciones plásticas segmentadas - canaletas tipo Panduit - que sonpara llevar fuerza y señal a computadoras, es necesario conocer las condiciones bajo lascuales la canalización está aprobada, ya que no todas las que existen en el mercado evitanque el ruido eléctrico de los cables de fuerza cause una reducción en la velocidad detransmisión de datos.

3.3 PROTECTORES DE CABLES DE INSTRUMENTACIÓN Y DECOMUNICACIONES.

Para controlar las descargas y los fenómenos transitorios, se añaden dispositivos deprotección a los cables que conectan entre sí los equipos de computación,instrumentación y de comunicaciones.

Estos dispositivos desvían la corriente, bloquean la energía que viaja por los conductores,filtran ciertas frecuencias, regulan voltajes o, realizan una combinación de todas estastareas.

Los protectores funcionan mejor, siempre y cuando se coloquen muy cercanamente alsistema a proteger, ya así que tanto los protectores como el equipo protegido permanecenal mismo potencial bajo condiciones de transitorios.

Como familias de protectores tenemos:

a) Válvulas de gas;b) Filtros; yc) Semiconductores.

1. VÁLVULAS DE GAS.

Estos dispositivos se construyen de tal manera que la trayectoria de la descarga sea de




baja impedancia una vez que se sobrepase el nivel máximo de voltaje. Como ejemplotenemos las válvulas de gas, como son las lámparas de neón.

Esta es la clase de protección más lenta pero la que puede manejar más energía al menorcosto.

Los protectores telefónicos son de esta clase.

2. FILTROS

Los filtros comunes contienen elementos pasivos, capacitores e inductores, enconfiguración pasa-baja.

Muchos equipos de comunicaciones (faxes, modems, etc.) tienen este tipo de protecciónen la conexión de potencia, en forma de una ferrita. Y, con ella protegen el aparato deruido eléctrico de alta frecuencia.

3. SEMICONDUCTORES

Los dispositivos semiconductores son los arreglos más sofisticados. Son más rápidos ybaratos pero generalmente manejan menos energía que otras alternativas de igual precio.Y debido a su rango limitado de operación y características, estos dispositivos debenespecificarse más precisamente. Nota: Existen dispositivos electrónicos para proteger porcorriente o por voltaje.

Las resistencias no lineales compuestas de óxidos de zinc en una matriz de óxido debismuto, llamados varistores, funcionan por voltaje y se manufacturan para manejar unmáximo de energía en joules o en watt-segundos. El dispositivo se selecciona para operara un voltaje ligeramente mayor que el máximo esperado de la fuente de voltaje. Cadavaristor de óxido metálico tiene una capacitancia inherente, lo cual crea algunosproblemas en señales de altas frecuencias (>135 MHz). Además, un varistor se degradacon el tiempo en operación.

La protección con varistores es la más empleada actualmente, tanto en las conexiones defuerza como en las de los puertos de comunicaciones. Su desventaja es que cuando sedañan por una descarga, los equipos quedan desprotegidos porque fallan siempreabriendo el circuito de descarga.

Los diodos de tipo zener o, avalancha son dispositivos más rápidos que los varistorespero no pueden manejar tanta energía como los últimos. Y, ya que no pueden disipar



energía, se les usa en ocasiones junto con válvulas con gas, donde el diodo disparaprimero y la gran energía se disipa en la válvula de gas.

El circuito de un zener consiste de una resistencia o inductancia en serie y el zenerconectado en derivación con la carga. Si el rango del zener no es excedido, estedispositivo no se degrada con el tiempo. Sin embargo, debido a su limitada capacidad decorriente, un zener sin otro medio de protección se daña irremediablemente.

La efectividad de estos dispositivos depende de la longitud de la conexión a tierra (alchasís). La más corta es la mejor. Además, se debe tener precaución en no unir loscables de entrada junto a los de salida del protector, por existir la posibilidad de unacoplamiento inductivo entre ellos.

Modos de protección.-

El modo de protección depende de la conexión al circuito a proteger. Unidades deprotección de "modo diferencial" se conectan entre líneas y, los de "modo común", entrelos hilos de señal y tierra.

Como mínimo, un protector en "modo común" se debe colocar en cada extremo delconductor.

Para cancelar el ruido inducido en "modo diferencial" en líneas de instrumentación comoen redes de comunicaciones se usan pares trenzados. Así, el ruido se induce igualmenteen ambos conductores cancelando el efecto.

Como los transitorios también son una forma de ruido, también se inducen en losconductores. Cables multiconductores acoplan la energía del transitorio a todos los paresde conductores del cable. Y como la energía inducida es la misma, siendo un par omuchos, se disipa más energía en un arreglo multiconductor.

Cuando existen más de 6 pares, se emplean protectores conectados en derivación y,cuando son menos, en serie, por ser mayor la energía presente por par. Los protectoresen serie consisten de filtros como también de supresores en derivación.

Todos los pares que no se usen de un cable multiconductor deben ser conectados a tierray así, la energía inducida en ellos, pasará directamente a tierra.

Ejemplo de aplicación de Protectores: PLC.-

Para proteger Controladores Lógicos Programables (PLCs por sus siglas en inglés), la



protección estándar dada por varistores en derivación es suficiente. Siempre y cuando noexistan cables con señales que provengan de lugares fuera del sistema de tierras al queestá conectado el PLC.

Cuando se tienen señales provenientes de fuera del sistema de puesta a tierra del PLC, seemplean protectores con aislamiento galvánico. Dichos protectores aíslan eléctricamentela señal que no tiene la misma referencia de tierra.

Debido a los requisitos de la puesta a tierra de los equipos eléctricos y debido a lapresencia de tuberías metálicas en una planta industrial, es imposible aislargalvánicamente todas las trayectorias de tierra, y ésto puede crear lazos de corriente enequipos electrónicos con resultados nefastos. Si éste es el caso, es probable que uniendolas redes de tierras por medio de una red perimetral, y empleando protectores sinseparación galvánica, y dejando la pantalla sin conectar en un extremo, se resuelva elproblema. La otra solución, es por el momento, la que sugieren los fabricantes de equiposde controles distribuidos y comunicaciones: emplear cables de fibra óptica del tipo sinpantalla metálica.

3.4 PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS. [3.8]

Existen cuatro esquemas de aterrizado de equipos electrónicos. Estos son:

a) El convencional. b) El esquema de tierra aislada. c) Esquema de tierra aislada total. d) Esquema de malla de referencia.

1. ESQUEMA CONVENCIONAL.El esquema convencional utiliza únicamente las recomendaciones de puesta a tierra de laNOM [1.3]{250-} pero no incluye el uso de los contactos de tierra aislada de la sección{250-74 Excepción 4}.

Este esquema encuentra su uso en las instalaciones de PCs donde únicamente existealumbrado y algún otro equipo eléctrico, tal como en los pequeños comercios o en lasviviendas. Pero, no es recomendado para las instalaciones comerciales, educativas oindustriales, porque:





a) Puede resultar excesivamente ruidoso el sistema de tierras.

b) Los transitorios pueden sobrepasar el nivel de aislamiento. c) No es compatible con las recomendaciones de puesta a tierra de la mayoría delos fabricantes de equipos electrónicos. d) El alambrado puede resultar obsoleto cuando se cambien las tarjetas y equipospor otros de una tecnología de mayor velocidad.

2. ESQUEMA DE TIERRA AISLADA

Documento en inglés sobre Tierras Aisladas por Liebert Corporation. Traducción alespañol..

Este esquema es el más socorrido en la industria, y por la mayoría de los proveedores deequipos electrónicos, porque reduce el ruido de modo común, y está descrito en la NOM[1.3]{250-74 Excepción 4}. En él, la puesta a tierra del equipo es separada de la puesta atierra de las canalizaciones, así cualquier corriente espúrea no afecta a los equipos asíconectados.

El ruido de modo común es toda señal no deseada que aparece en todos los conductoresde señal al mismo tiempo con respecto a la tierra.

El tipo de receptáculo (contacto) para este esquema es diferente, y, tiene un triángulo decolor naranja pintado en la placa para diferenciarlo de los receptáculos normales.

http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe30ig.html

http://www.liebert.com/

http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe30ige.html




La frase "tierra aislada" ha sido interpretada equivocadamente como de una tierraseparada,

provocando en caso de falla precisamente un voltaje a tierra inseguro para las personas ypara los equipos.

En esta configuración se tiene una conexión a tierra relativamente libre de ruido einterferencia para la referencia lógica de los aparatos y, es complementada con la tierra deseguridad convencional del sistema de tierras de potencia. Pero, tiene las siguienteslimitaciones:



a) En altas frecuencias, la impedancia del conductor de tierra puede ser demasiadoalta para servir de buena conexión.b) El acoplamiento no intencional de los dos sistemas de tierras (aislado y de puestaa tierra de las canalizaciones) dentro de los aparatos o en sus conexiones a cablesblindados, puede causar lazos de corriente, resultando en ruidos electrónicos queinutilizan el sistema aislado. Un ejemplo de ese caso, es cuando la impresora estáconectada al sistema de tierra normal, y la computadora al sistema de tierra aislado.

3. ESQUEMA DE TIERRA AISLADA TOTAL

Este esquema consiste en conectar todas las computadoras, los aparatos e instrumentos atierra usando una configuración de estrella a partir de un solo punto físico, el cual es uncabezal o placa de conexión -Existen fabricantes de ellas-, el o la cual a su vez estáconectada mediante un conductor apropiado a la red general de tierras, de acuerdo con lanorma NOM-001-SEDE-2005 [1.3].

Esta configuración es utilizada en los transmisores de comunicaciones (radiodifusión,sitios celulares, etc.), donde es posible tener un mismo punto de puesta a tierra para todoslos equipos y para todas las pantallas de los cables.

Sin embargo, también tiene sus limitaciones:

a) Esta configuración puede ser difícil de crear en un ambiente industrial.b) Todos los equipos cercanos deben conectarse de esta manera a tierra o, sepueden tener lazos de corrientes.c) Puede tener una impedancia en alta frecuencia muy alta, que en términosprácticos, la puesta a tierra sea ineficaz. Este problema es posible que no se tengaen la mayoría de equipos industriales, porque no emplean muy altas frecuencias

4. ESQUEMA DE MALLA DE REFERENCIA.

La figura muestra esta configuración para una sala o centro de cómputo, con piso falsode tipo celular. Observar que adicionalmente a la estrella mencionada en el puntoanterior, los equipos y partes metálicas estructurales se conectan a este tipo de pisomediante trencillas, y que al ofrecer un plano de referencia de tierra, baja la impedancia a




tierra en todas las frecuencias.

En el mercado se conoce dicha malla como Signal Reference Grid (SRG) y lacomercializa la compañía Erico entre otras.

Sus limitantes son:

a) Muchos fabricantes de equipos electrónicos industriales no están deacuerdo con su empleo.b) En ambientes industriales, es difícil su implementación.

Consideraciones finales.-

No importa cual de los tres últimos métodos se emplee para la puesta a tierra de losequipos electrónicos, la trayectoria de los cables es crucial. Siempre conecte a tierra cadaaparato por separado.

Los equipos en racks deben conectarse a tierra mediante cables, no obstante se supondría

http://www.erico.com/products/SRG.asp



que los perfiles del rack los pondrían a tierra, lo que no siempre es real porque existenproblemas de pintura y de montaje. Este cable es mejor que sea forrado y de color verdepara que no cortocircuite otros cables.

El aterrizado de blindajes y el de cables de señal también deben ser parte integral deldiseño de sistemas de tierras.

3.5 DIAGRAMAS DE CONEXIONES DE SISTEMAS DETELECOMUNICACIONES.

Nota: Tema elaborado con datos tomados de Electrical Construction & Maintenance[3.12]

Desde tiempo de las Bell System Practices (BSP) en telecomunicaciones siempre se harecomendado un sistema de puesta a tierra distinto aunque unido al sistema de puesta atierra de fuerza. Esas prácticas recomendadas evolucionaron a los Bellcore GenericRequirements (GR) y a los estándares americanos ANSI de serie T1.

Posteriormente, la Telecommunications Industry Association (TIA) presentó sudocumento TIA/EIA 607-1994, “Commercial Building Grounding and Bonding.Requirements for Telecommunications.” que se convirtió en 2002 en el estándaramericano ANSI J-STD-607-A, “Commercial Building Grounding (Earthing) andBonding Requirements for Telecommunications,” [3.13], de donde está sacada lasiguiente imagen.

Fuente: http://ecmweb.com:80/images/707ecmIPQfig1.jpg



http://ecmweb.com/images/707ecmIPQfig1.jpg



Nota: TMGB = Barra maestra de puesta a tierra de telecomunicaciones; TGB = Barra de puesta a tierra

de telecomunicaciones.

Se observa que este sistema de puesta a tierra es suplementario de acuerdo con la NOM-001-SEDE-2005, y que como ventaja tiene conexiones redundantes y más cortas que elsistema de puesta a tierra de fuerza, lo que ayuda a evitar daños por diferencias depotencial por el conductor de puesta a tierra en caso de descargas atmosféricas y decortocircuitos importantes en las líneas de alimentación eléctricas.

3.6 DIAGRAMAS DE CONEXIÓN ELÉCTRICA A SISTEMAS DECOMPUTADORAS

En el Consejo de la Industria de Tecnologías de Información, antes CBEMA, se elaboróel documento que se utiliza muchísimo en los Estados Unidos como guía para poner atierra los equipos de procesamiento de datos: Guidelines for Grounding InformationTechnology Equipment (ITE). Hasta hace años se usaba con ese fin un documentopublicado el 21 de septiembre de 1983 por el Departamento de Comercio de los EUAdenominado Guideline on Electrical Power for ADP Installations, también conocidocomo Federal Information Processing Standard (FIPS) 94, pero fue retirado porobsoleto con fecha 29 de julio de 1997.

El estándar nacional americano (ANSI) de puesta a tierra de equipos electrónicos esactualmente el IEEE Std. 1100 - IEEE Recommended Practice for Powering andGrounding Sensitive Electronic Equipment [3.8], de donde tomamos algunas de lasfiguras siguientes que muestran casos resueltos de conexión a tierra de sistemas decomputadoras, utilizando las normas vigentes [1.3], [1.4].

3.6.1 CON TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO Y RECEPTÁCULOS DELTIPO TIERRA AISLADA (IG).

La mejor solución para la puesta a tierra de un centro de cómputo es utilizandotransformadores de aislamiento dentro del mismo local. Con ello, los cables de puesta atierra tendrán una longitud pequeña y el neutro en los receptáculos tendrá una diferenciade potencial muy pequeña a tierra.

Ejemplo 3.6.1.1.- Sin tablero de distribución (centro de cargas).

http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe30ite.pdf

http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe30_fip94.pdf

http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe30_fip94.pdf






Ejemplo 3.6.1.2.- Con tablero de distribución (centro de cargas). Observar la barraaislada de tierra en el tablero.

3.6.2 ESQUEMA DEL TIERRA AISLADA TOTAL UTILIZANDO UNTRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO

Ejemplo 3.6.2.1.-



3.6.3 CON TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO Y EQUIPOS DE AIREACONDICIONADO

El diagrama muestra el caso de equipos de procesamiento de datos (ADP en inglés)conectados en el mismo panel con unidades de aire acondicionado. El resultado esdesastroso para el buen funcionamiento de los equipos de datos.

La solución es utilizar un transformador de aislamiento con puesta a tierra local. Lo quela NOM menciona como sistema derivado.



La conexión a tierra de dicho sistema derivado puede hacerse totalmente por separado delsistema de tierra de la acometida, de dos maneras, tal como se muestra en los dos dibujossiguientes.



3.6.4 CON CONEXIÓN A SISTEMA DE ENERGÍA ININTERRUMPIBLE (UPS).

3.7 RECOMENDACIONES FINALES



Las máquinas electrónicas sofisticadas sean computadoras o máquinas de proceso,pueden ser protegidas con las siguientes medidas:

1. Uso de circuitos totalmente dedicados, a través de un transformador de aislamiento,o, de un circuito totalmente independiente desde la acometida.

2. Colocar en cascada supresores de picos, para eliminar ruidos eléctricos.

3. Separar físicamente las máquinas de las fuentes de ruido como son las soldadoraspor arco, las máquinas de electroerosión y los variadores de velocidad electrónicossin reactores de línea.

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071013 © [email protected] León, Gto. MÉXICO.

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