Ruido eléctrico y transitorios

El ruido eléctrico es el resultado de una cantidad mayor o menor de señales eléctricas aleatorias que se acoplan en circuitos en los que no deberían estar, por ejemplo, donde pudieran interrumpir señales de transferencia de información. El ruido se produce tanto en circuitos de señales como de alimentación, pero, generalmente, se convierte en un problema cuando se producen en circuitos de señales. Los circuitos de señales y datos son particularmente vulnerables al ruido, dado que funcionan a altas velocidades y con niveles de baja tensión. Cuanto menor sea la tensión de la señal, menos amplitud de la tensión de ruido se puede tolerar. La relación señal-ruido describe la cantidad de ruido que un circuito puede tolerar antes de que la información válida, es decir, la señal, se vea afectada.

El ruido es uno de los temas más misteriosos en la calidad eléctrica, sobre todo desde que se le debe prestar la misma atención que a su misteriosa hermana gemela, la conexión a tierra. Para mitigar el misterio, existen dos conceptos clave que se deben conocer:

El primero es que los efectos eléctricos no requieren una conexión directa (por ejemplo, a través de los conductores de cobre) para que se produzcan.

El segundo concepto es que no podemos seguir más tiempo en el reino de los 60 Hz. Una de las ventajas de los 60 Hz es que es una frecuencia tan baja que los circuitos de alimentación se pueden tratar (casi) como circuitos de CC.

Mecanismos de acoplamientoExisten cuatro mecanismos básicos en el acoplamiento de ruido. Merece la pena conocerlos y saber en qué se diferencian entre sí porque gran parte del trabajo de un encargado de solución de problemas es identificar qué efecto de acoplamiento predomina en una situación en concreto.

1. Acoplamiento capacitivoEsto a menudo se denomina ruido electroestático y es un efecto basado en la tensión. La descarga de un rayo es tan solo un ejemplo extremo. Cualquier conductor que esté separado por un material aislante (incluido el aire) constituye un condensador; en otras palabras, la capacidad es una parte inseparable de cualquier circuito. El potencial del acoplamiento capacitivo aumenta a medida que se incrementa la frecuencia (reactancia capacitiva, que se puede definir como la resistencia al acoplamiento capacitivo, disminuye con la frecuencia, tal y como se puede deducir de la fórmula XC = 1/2 PFC).

2. Acoplamiento inductivoSe trata de ruido acoplado magnéticamente y es un efecto basado en la corriente. Todo conductor por el que fluya corriente posee un campo magnético asociado. Una corriente cambiante puede inducir corriente en otro circuito, aunque dicho circuito sea un solo lazo; dicho de otra forma, el circuito fuente actúa como transformador principal y el circuito de destino se convierte en el secundario. El efecto del acoplamiento inductivo aumenta con los siguientes factores: (1) mayor flujo de corriente, (2) mayor velocidad en el cambio de corriente, (3) proximidad de dos conductores (principal y secundario) y (4) aumento de semejanza del conductor adyacente con una bobina (diámetro redondo en vez de plano, o bobinado en lugar de recto).

Los campos magnéticos están aislados por un aislamiento eficaz. El material empleado debe tener capacidad conductora de campos magnéticos (material ferroso en vez de cobre). El motivo por el que un circuito dedicado (fase, neutro, tierra) debe funcionar por su propio conductor metálico siempre que sea posible es que está apantallado magnéticamente para minimizar los efectos del acoplamiento inductivo.

Se hace referencia a ambos acoplamientos inductivo y capacitivo como efectos de campo próximo, ya que predominan en las distancias cortas y sus efectos de acoplamiento disminuyen con una mayor distancia. Esto ayuda a explicar uno de los misterios del ruido: cómo un leve cambio de posición física de los cables pueden tener efectos tan importantes en el ruido acoplado.

3. Ruido conducidoDado que todos los ruidos acoplados acaban como ruido conducido, este término se emplea generalmente para denominar al ruido acoplado por una conexión directa y galvánica (metálica). En esta categoría se incluyen los circuitos que han compartido conductores (como los neutros o los de tierra compartidos). El ruido conducido podría ser de alta frecuencia, pero también de 60 Hz.

Ejemplos típicos de conexiones que aplican desagradables corrientes de ruido directamente a tierra:

Circuitos eléctricos secundarios con conexiones de N-G adicionales. Tomas de enchufe en las que se han conectado al contrario los cables de N y G. Equipos con dispositivos internos de protección de estado sólido que han producido un

cortocircuito de línea o neutro a tierra, o que no han fallado pero que tienen una corriente de fuga normal. Esta corriente de fuga está limitada por la UL a 3,5 mA en equipos conectados con enchufe, pero no existe límite para los equipos permanentemente conectados con posibles corrientes de fuga mucho mayores. (Las corrientes de fuga son fáciles de identificar porque desaparecen cuando el dispositivo se apaga).

4. Interferencias de radiofrecuenciaLas interferencias de radiofrecuencia oscilan entre 10 kHz y decenas de MHz (y superiores). En estas frecuencias, las longitudes de los cables empiezan a actuar como antenas transmisoras y receptoras. El circuito culpable actúa como antena transmisora y el circuito víctima actúa como antena receptora. Las interferencias de radiofrecuencia, como el resto de mecanismos de acoplamiento, son tan reales como la vida misma, pero se pueden controlar (no sin algo de dedicación y esfuerzo, no obstante).

La reducción de ruido de las interferencias de radiofrecuencia emplea una serie de estrategias.

Conexión a tierra de la señalPara comprender la importancia de las conexiones a tierra con señal 'limpia', tenemos que tratar la distinción entre las señales de modo diferencial y de modo común. Imaginemos un circuito básico de dos cables: suministro y retorno. A cualquier corriente que circule o cualquier lectura de tensión a través de una carga entre los dos cables se denomina modo diferencial (también se emplean los términos modo normal, modo trasversal y modo de señal). La señal del modo diferencial es generalmente la señal deseada (como 120 V en una toma de enchufe). Imaginemos un tercer conductor, por lo general un conductor de tierra. Cualquier corriente que fluya ahora a través de los dos conductores originales y vuelva por este tercer conductor es común a ambos conductores originales. La corriente del modo común es el ruido que debe superar la señal genuina. El modo común sería todo el tráfico adicional en una carretera. Ha podido llegar ahí a través de cualquiera de los mecanismos de acoplamiento, como el acoplamiento de campo magnético en la frecuencia de la línea eléctrica o las interferencias de radiofrecuencia a frecuencias más altas. La cuestión es controlar o minimizar estas corrientes de tierra o de modo común para facilitar la vida a las corrientes del modo diferencial.

MediciónLas corrientes de modo común se pueden medir con pinzas amperimétricas con la técnica de secuencia cero. La pinza rodea el par de señales (o, en un circuito trifásico, los tres conductores de fase y el neutro, si lo hubiera). Si la señal y la corriente de retorno son iguales, los campos magnéticos iguales y opuestos se anulan. Cualquier lectura de corriente debe ser del modo común; en otras palabras, cualquier lectura de corriente se trata de corriente que no vuelve por los cables de señal, sino a través de una ruta de conexión a tierra. Esta técnica se aplica a la señal y a los conductores de electricidad. Para corrientes fundamentales, una pinza amperimétrica o un multímetro digital + pinza sería suficiente pero, para frecuencias más altas, se debe emplear un instrumento de gran ancho de banda, como el analizador de calidad eléctrica Fluke 43 o ScopeMeter con un accesorio de pinza. Se deben distinguir los transitorios de las sobretensiones. Las sobretensiones son un caso especial de transitorio de alta energía a

causa de los rayos. Los transitorios de tensión son eventos de menor energía, normalmente causados por el encendido y apagado de equipos.

Son perjudiciales por distintas razones.

Los transitorios se pueden categorizar por forma de onda. La primera categoría es la de transitorios 'impulsivos', normalmente llamados 'picos', porque un pico de alta frecuencia sobresale de la forma de onda. Los transitorios de conmutación de condensadores, por contra, son transitorios 'oscilatorios' porque se produce una forma de onda con oscilaciones, se superpone a la forma de onda normal y la distorsiona. Se trata de baja frecuencia, pero alta energía.

CausasNo hay manera de poder evitar los transitorios. Se generan por la rápida conmutación de corrientes relativamente altas. Por ejemplo, una carga inductiva como la de un motor crea un pico de tensión de retroceso cuando se apaga. De hecho, si se desconecta un comprobador de tensión de tipo solenoide (de la marca Wiggy, por ejemplo), de un circuito de alta energía, se puede generar un pico de miles de voltios. Por el contrario, un condensador crea un cortocircuito momentáneo cuando se enciende. Después de este colapso repentino de la tensión aplicada, la tensión rebota y se produce una onda oscilante. No todos los transitorios son iguales pero, como afirmación general, se puede decir que la conmutación de cargas produce transitorios.

En las oficinas, la fotocopiadora/impresora láser, es para todos la oveja negra del circuito derivado de la oficina. Requiere un calefactor interno que se pone en funcionamiento siempre que se usa el equipo y, cada 30 segundos más o menos cuando no está en uso. Esta constante conmutación tiene dos efectos: la subida de corriente o la corriente de arranque puede producir reiteradas caídas de tensión; los cambios rápidos en la corriente también generan transitorios que pueden afectar a otras cargas del mismo circuito derivado.

Medición y registro de datosLos transitorios se pueden capturar con osciloscopios de almacenamiento digital. El analizador de calidad eléctrica Fluke 43, que incluye funciones de osciloscopio de almacenamiento digital, posee la capacidad de capturar, almacenar y, por tanto, visualizar hasta 40 formas de onda de transitorios. Los eventos se etiquetan con indicaciones de hora y fecha (indicaciones de tiempo real). El registrador de eventos de tensión VR101S también captura los transitorios en la toma de enchufe. Se proporcionan la tensión de pico e indicaciones de tiempo real.

Supresores de sobretensiones transitorias (TVSS)Afortunadamente, la protección contra transitorios no es cara. Prácticamente todos los equipos electrónicos cuentan (o al menos deberían) con algún nivel de protección integrada. Un componente de protección usado normalmente es el varistor de óxido metálico, que corta la tensión excesiva.