SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

- TEORÍA, DISEÑO, MEDICIÓN y MANTENIMIENTO -

3. Puesta a Tierra de Equipos Electrónicos y de Comunicaciones


Índice

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

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

3.1 TRANSITORIOS E INTERFERENCIAS [3.4].

Los equipos electrónicos no trabajan satisfactoriamente cuando se presentan transitorios o interferencias.

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

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

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

Las corrientes provocadas por las descargas atmosféricas prefieren viajar por conductores metálicos más que por la simple tierra, porque representan un camino de menor impedancia. Ésto destruye el aislamiento. Además, los rayos también causan una diferencia de potencial entre el blindaje y los conductores internos [3.9] que puede destruir componentes electrónicos en la interconexión, ya que los cables y sus circuitos de conexión deben soportar los voltajes máximos que se puedan obtener entre los extremos de los cables. Cuando es muy grave el problema debido a estar interconectando los cables dos sistemas de tierra diferentes, como en el caso de un sistema de control distribuido, los conductores se prefieren del tipo de fibra óptica. Otra solución utilizada es el interconectar los distintos sistemas de tierra de una industria o edificio mediante conexiones a una red de tierra perimetral adicional, para lograr el mismo potencial a tierra en cualquier lado.

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

Interferencia en radiofrecuencia.-  La interferencia por radiofrecuencia, RFI por sus siglas en inglés, es causada principalmente por transmisiones radiales. Sin embargo, este tipo de interferencia también es producida por los componentes electrónicos  trabajando a altas frecuencias. En los equipos electrónicos su efecto se minimiza  con un buen blindaje en cables y en los mismos equipos. Aunque, la mejor manera de acabar con la RFI es blindar el ruido directamente en su fuente. Los blindajes mencionados para ser efectivos se deben conectar a la tierra del sistema. Ver: 3.2 CABLES, PANTALLAS Y CANALIZACIONES

Interferencia electromagnética.- Este tipo de interferencia, conocido por sus siglas en inglés EMI, es ruido eléctrico que se convierte en un voltaje en un sistema eléctrico. Sus fuentes son las mismas que generan la interferencia en radiofrecuencia.
Este tipo de interferencia en los equipos electrónicos se corrige conectando todo a  una única puesta a tierra del sistema.

 

En resumen, los efectos en los equipos electrónicos de los transitorios y de gran parte de los tipos de interferencias se eliminan mediante la conexión adecuada de los componentes a una referencia de tierra.



3.2 CABLES, PANTALLAS Y CANALIZACIONES [3.4].

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

Todos los cables blindados provocan un problema contradictorio. Para mejorar su desempeño para bloquear la interferencia en altas frecuencias, ambos extremos del blindaje deberían estar bien aterrizados. Sin embargo, a menos que ambos extremos estén al mismo potencial, fluirá una pequeña corriente a través del blindaje entre esos puntos. De ahí que, en la práctica, las pantallas en sistemas electrónicos son conectadas únicamente en el extremo más cercano al equipo de control, y se dejan completas y aisladas en el otro extremo, normalmente el lado del sensor.

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

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

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

 
3.3 PROTECTORES DE CABLES DE INSTRUMENTACIÓN Y DE COMUNICACIONES.

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

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

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

Como familias de protectores tenemos:

a) Válvulas de gas;

b) Filtros; y

c) Semiconductores.

1. VÁLVULAS DE GAS.

Estos dispositivos se construyen de tal manera que la trayectoria de la descarga sea de baja impedancia una vez que se sobrepase el nivel máximo de voltaje. Como ejemplo tenemos las válvulas de gas, como son las lámparas de neón.

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

Los protectores telefónicos son de esta clase.

2. FILTROS

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

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

3. SEMICONDUCTORES

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

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

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

Los diodos de tipo zener o, avalancha son dispositivos más rápidos que los varistores pero no pueden manejar tanta energía como los últimos. Y, ya que no pueden disipar energía, se les usa en ocasiones junto con válvulas con gas, donde el diodo dispara primero y la gran energía se disipa en la válvula de gas.

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

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

Modos de protección.-

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

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

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

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

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

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

Ejemplo de aplicación de Protectores: PLC.-

Para proteger Controladores Lógicos Programables (PLCs por sus siglas en inglés), la protección estándar dada por varistores en derivación es suficiente. Siempre y cuando no existan cables con señales que provengan de lugares fuera del sistema de tierras al que está conectado el PLC. 

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

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

3.4 PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS. [3.8]

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

a) El 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 la NOM [1.3]{250-} pero no incluye el uso de los contactos de tierra aislada de la sección {250-74 Excepción 4}.
 
 
Este esquema encuentra su uso en las instalaciones de PCs  donde únicamente existe alumbrado y algún otro equipo eléctrico, tal como en los pequeños comercios o en las viviendas. Pero, no es recomendado para las instalaciones comerciales, educativas o industriales, porque: a) Puede resultar excesivamente ruidoso el sistema de tierras.

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

2. ESQUEMA DE TIERRA AISLADA

Documento en inglés sobre Tierras Aisladas por Liebert Corporation. Traducción al español.

Este esquema es el más socorrido en la industria, y por la mayoría de los proveedores de equipos electrónicos, porque reduce el ruido de modo común, y está descrito en la NOM [1.3]{250-74 Excepción 4}. En él, la puesta a tierra del equipo es separada de la puesta a tierra de las canalizaciones, así cualquier corriente espúrea no afecta a los equipos así conectados.
 
El ruido de modo común es toda señal no deseada que aparece en todos los conductores de señal al mismo tiempo con respecto a la tierra.

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

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

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

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

a) En altas frecuencias, la impedancia del conductor de tierra puede ser demasiado alta para servir de buena conexión.

b) El acoplamiento no intencional de los dos sistemas de tierras (aislado y de puesta a tierra de las canalizaciones) dentro de los aparatos o en sus conexiones a cables blindados, puede causar  lazos de corriente, resultando en ruidos electrónicos que inutilizan el sistema aislado. Un ejemplo de ese caso, es cuando la impresora está conectada al sistema de tierra normal, y la computadora al sistema de tierra aislado.

 

3. ESQUEMA DE TIERRA AISLADA TOTAL

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

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

Sin embargo, también tiene sus limitaciones: 

a) Esta configuración puede ser difícil de crear en un ambiente industrial.

b) Todos los equipos cercanos deben conectarse de esta manera a tierra o, se pueden tener lazos de corrientes.

c) Puede tener una impedancia en alta frecuencia muy alta, que en términos prácticos, la puesta a tierra sea ineficaz. Este problema es posible que no se tenga en la mayoría de equipos industriales, porque no emplean muy altas frecuencias


4. ESQUEMA DE MALLA DE REFERENCIA.

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


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


Sus limitantes son:

a) Muchos fabricantes de equipos electrónicos industriales no están de acuerdo con su empleo.

b) En ambientes industriales, es difícil su implementación.

 

Consideraciones finales.-

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

Los equipos en racks deben conectarse a tierra mediante cables, no obstante se supondría que los perfiles del rack los pondrían a tierra, lo que no siempre es real porque existen problemas de pintura y de montaje. Este cable es mejor que sea forrado y de color verde para que no cortocircuite otros cables.

El aterrizado de blindajes y el de cables de señal también deben ser parte integral del diseño de sistemas de tierras. 
 
 
3.5 DIAGRAMAS DE CONEXIONES DE SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES.
 
Nota: Tema elaborado con datos tomados de Electrical Construction & Maintenance [3.12]
 
Desde tiempo de las Bell System Practices (BSP) en telecomunicaciones siempre se ha recomendado un sistema de puesta a tierra distinto aunque unido al sistema de puesta a tierra de fuerza.  Esas prácticas recomendadas evolucionaron a los Bellcore Generic Requirements (GR) y a los estándares americanos ANSI de serie T1.
 
Posteriormente, la Telecommunications Industry Association (TIA) presentó su documento TIA/EIA 607-1994, “Commercial Building Grounding and Bonding. Requirements for Telecommunications.” que se convirtió en 2002 en el estándar americano ANSI J-STD-607-A, “Commercial Building Grounding (Earthing) and Bonding Requirements for Telecommunications,” [3.13], de donde está sacada la siguiente imagen.
 
 
Fuente:  http://ecmweb.com:80/images/707ecmIPQfig1.jpg
 
Nota: TMGB = Barra maestra de puesta a tierra de telecomunicaciones; TGB = Barra de puesta a tierra de telecomunicaciones.
 
Se observa que este sistema de puesta a tierra es suplementario de acuerdo con la NOM-001-SEDE-2005, y que como ventaja tiene conexiones redundantes y más cortas que el sistema de puesta a tierra de fuerza, lo que ayuda a evitar daños por diferencias de potencial por el conductor de puesta a tierra en caso de descargas atmosféricas y de cortocircuitos importantes en las líneas de alimentación eléctricas.
 
 
 
3.6 DIAGRAMAS DE CONEXIÓN ELÉCTRICA A SISTEMAS DE COMPUTADORAS
 
En el Consejo de la Industria de Tecnologías de Información, antes CBEMA, se elaboró el documento que se utiliza muchísimo en los Estados Unidos como guía para poner a tierra los equipos de procesamiento de datos:  Guidelines for Grounding Information Technology Equipment (ITE).   Hasta hace años se usaba con ese fin un documento publicado el 21 de septiembre de 1983 por el Departamento de Comercio de los EUA denominado Guideline on Electrical Power for ADP Installations, también conocido como Federal Information Processing Standard (FIPS) 94, pero fue retirado por obsoleto con fecha 29 de julio de 1997.
 

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


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

 
La mejor solución para la puesta a tierra de un centro de cómputo es utilizando transformadores de aislamiento dentro del mismo local. Con ello, los cables de puesta a tierra tendrán una longitud pequeña y el neutro en los receptáculos tendrá una diferencia de potencial muy pequeña a tierra.
 
Ejemplo 3.6.1.1.- Sin tablero de distribución (centro de cargas).
 
Ejemplo 3.6.1.2.- Con tablero de distribución (centro de cargas). Observar la barra aislada de tierra en el tablero.
 
 
 
3.6.2 ESQUEMA DEL  TIERRA AISLADA TOTAL UTILIZANDO UN TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO
 
Ejemplo 3.6.2.1.-
 



3.6.3 CON TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO Y EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
 
El diagrama muestra el caso de equipos de procesamiento de datos (ADP en inglés) conectados en el mismo panel con unidades de aire acondicionado. El resultado es desastroso para el buen funcionamiento de los equipos de datos. 

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

 
 
La conexión a tierra de dicho sistema derivado puede hacerse totalmente por separado del sistema de tierra de la acometida, de dos maneras, tal como se muestra en los dos dibujos siguientes. 
 
3.6.4 CON CONEXIÓN A SISTEMA DE ENERGÍA ININTERRUMPIBLE (UPS).
 
 
 

3.7 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 soldadoras por arco, las máquinas de electroerosión y los variadores de velocidad electrónicos sin reactores de línea.


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