Generalmente existe cierta confusión entre los términos masa y tierra que , con frecuencia , son utilizados como sinónimos. Es necesario aclarar estos conceptos , que resultan además fundamentales en el estudio de las interferencias electromagnéticas (EMI).

* MASA : es el conductor de referencia de potencial cero con respecto al cual

se miden el resto de potenciales del circuito, y que coincide con el cero de la alimentación. Físicamente es el conductor por donde se suelen realizar los retornos de las señales activas del circuito.

Recordemos también que los potenciales de los conductores son en realidad diferencias de potencial con respecto a algún punto de referencia, que es la masa del circuito.

Naturalmente, dentro de un mismo sistema pueden existir varios circuitos completos aislados galvánicamente entre sí, y , por lo tanto , con varias fuentes de alimentación independientes y varios sistemas de masa.

Es decir, no existe una masa única, sino que cada circuito posee su propia masa o punto de referencia.

* TIERRA : se refiere al potencial de la tierra tísica , y que influye en los edificios, líneas, instalaciones eléctricas, etc.

Un sistema completo de conexiones a masa puede estar flotante con respecto a la tierra y ser totalmente independiente de ella (aviones, ingenios espaciales, o incluso en condiciones controladas de laboratorio).

Generalmente en el entorno normal de trabajo, los equipos están situados cerca de elementos estructurales de edificios puestos a tierra, y la influencia de la tierra, al menos a través de los acoplamientos electrostáticos, es inevitable.

2.- INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA

2.1 ) DEFINICIÓN Y PARTES INTEGRANTES :

Es la unión eléctrica, con la tierra, de una parte de un circuito eléctrico o de una parte conductora. Esta unión se hace mediante varios electrodos enterrados y unas líneas de tierra que conectan dichos electrodos a los elementos que deban estar puestos a tierra.

Una instalación de puesta a tierra se compone esencialmente de unos electrodos (picas, placas o conductores que se hallan en íntimo contacto con el terreno) y de una red de conductores que los conectan a las partes de la instalación que deben ser puestas a tierra.

La conexión a tierra de las partes metálicas deberá ser tanto más efectiva cuanto mayor sea la posibilidad de que por ella fluyan hacia el terreno eventuales corrientes de defecto, a fin de dispersarlas de manera uniforme y sin originar zonas de concentración que a su vez podrían ser fuente de riesgo para la integridad física de las personas que se hallen próximas a dichas zonas.

Además, para evitar que en el propio ámbito de la instalación receptora puedan aparecer tensiones peligrosas entre dos partes que normalmente no están sometidas a tensión pero que pueden estarlo fortuitamente, hay otros elementos que contribuyen a dispersar las corrientes de defecto (el hierro enterrado de los pilares y cimientos, las tuberías metálicas, etc.). Es importante subrayar que estos elementos, aun cuando estén hundidos o enterrados en el suelo no sustituyen en absoluto a la instalación de puesta a tierra. Lo mismo cabe decir de los tubos metálicos de desagüe aún en el caso de que parte de los mismos esté enterrada.

2.2 ) OBJETIVOS

La función de la puesta a tierra de una instalación eléctrica es la de forzar la derivación, al terreno, de las intensidades de corriente, de cualquier naturaleza que se puedan originar. Con ello se logra:

· Limitar la diferencia de potencial que se puede presentar entre estructuras metálicas y tierra.

· Posibilitar la detección de defectos a tierra y asegurar la actuación y coordinación de las protecciones, disminuyendo el riesgo que supone una avería para el material utilizado y las personas.

· Limitar las sobretensiones internas que puedan acceder a la red eléctrica, en determinadas condiciones de explotación.

· Evitar que las tensiones de frente escarpado que originan las descargas de los rayos provoquen “cebados inversos”, en el caso de instalaciones de exterior y, particularmente, en líneas aéreas.

La circulación de las mencionadas intensidades por la instalación de puesta a tierra puede originar la aparición de diferencias de potencial entre ciertos puntos, por cuya razón debe concebirse la instalación para que, incluso con la aparición de las diferencias de potencial aludidas se cubran los siguientes objetivos:

· Seguridad de las personas.

· Protección de las instalaciones.

· Mejora de la calidad de servicio.

· Establecimiento y permanencia de un potencial de referencia.

Debe hacerse especial énfasis en que la seguridad de las personas es lo que verdaderamente preocupa, sin dejar de reconocer la importancia de los otros tres objetivos. Toda instalación eléctrica deberá disponer de una protección o instalación de tierra diseñada en forma tal que, en ningún punto normalmente accesible del interior o exterior de la misma donde las personas puedan circular o permanecer, exista el riesgo de que puedan estar sometidas a una tensión peligrosa durante cualquier defecto de la instalación eléctrica o en la red unida a ella.

Un pequeño análisis mostrará que es imposible, a menos que se abandone totalmente la distribución de energía eléctrica, prevenir en todo momento y bajo cualquier circunstancia, la presencia de tensiones peligrosas. Pero esto no quita al ingeniero la responsabilidad de intentar disminuir esa probabilidad tanto como se pueda.

Por último remarcar que las puestas a tierra no garantizan la inocuidad de las instalaciones eléctricas ante las incalculables conductas, reacciones anómalas, imprudencias y despropósitos que las personas puedan llevar a cabo en una instalación, y que incluso serán elementos que ayudaran a aumentar la gravedad en caso de accidentes por contactos directos.

2.3 ) MEDIDA DE RESISTIVIDAD DEL TERRENO

Examinaremos el comportamiento eléctrico del suelo, a partir de sus principales características físico-químicas y morfológicas que se asocian a sus aptitudes para la conducción de corrientes eléctricas, anotando también los rangos de variación de la Resistividad natural tanto de los diferentes tipos de suelo como de las aguas, después de lo cual se aborda la descripción de dos métodos más utilizados con sus respectivos alcances en relación a la conformación del suelo estratificado, para constituir la base de datos de campo con medidas idóneas.

Veamos a continuación una serie de términos :

• Suelo: Sistema natural, resultado de procesos físicos químicos y biológicos, con componentes principalmente minerales y sólidos inertes que le dan estabilidad, y adicionalmente Líquidos y Gases que definen su comportamiento eléctrico.

• Tierra: Suelo local de una instalación eléctrica con la que interactúa con un comportamiento conductivo natural insuficiente, y requiere de tratamientos e instalaciones complementarias de Puesta a Tierra, cuando se prevé una conexión a Tierra.

• Suelo Homogéneo: Condición ideal (teórica) de un suelo isotrópico y de profundidad infinita (un solo estrato) que puede ser representado por un solo valor de Resistividad, cualquiera que fuere la profundidad del sondeo de las medidas.

• Suelo Estratificado: Condición real de los suelos conformados por estratos de diferente Resistividad y espesor, su formación obedece a los fenómenos geológicos naturales. Para Puestas a Tierra interesan, principalmente, los estratos Superficial y Subyacente.

• Resistividad del Suelo: Representa la Resistencia Específica del suelo a cierta profundidad, o de un estrato del suelo; se le obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo, su magnitud se expresa en (Ohm-m) o (Ohm-cm), es la inversa de la Conductividad.

• Resistividad Equivalente: Es la resistividad obtenida con una medida indirecta, bajo las condiciones que impone un electrodo explorador introducido en el suelo natural, solo es representativo de un valor promedio aproximado a veces poco inconsistente, hasta la profundidad de dicho electrodo.

• Resistividad Aparente: Es la resistividad obtenida con una medida directa en el suelo natural, bajo el esquema geométrico especificado por el método de (4) electrodos, aplicado con circuitos independientes de corriente y potencial, solo es representativo de un punto de la característica del suelo estratificado.

• Sondeo Geoeléctrico: Medida de la Resistividad Aparente del Suelo estratificado, aplicando el principio de Caída de Potencial con un método y distancias especificadas para una relación más o menos aproximada con la profundidad de la exploración

• Resistencia Mutua: Fenómeno Resistivo que aparece entre electrodos de Puesta a Tierra o puntos próximos en el suelo, mediante el cual, la corriente que se dispersa a través de uno de ellos, modifica el potencial del otro; su unidad es el (Ohm).

• Tierra Remota: También denominada Tierra de Referencia, es el lugar o la zona de mínima Resistencia, más próxima del suelo subyacente a una instalación eléctrica o a una Puesta a Tierra, respecto de las cuales se le atribuye por convención el Potencial cero.

a.- Comportamiento eléctrico del suelo :

Los suelos tienen conformación estratificada, con capas superpuestas de características conductivas propias que obedecen a los procesos de meteorización, transporte y acumulación de productos sólidos a través de las edades Geológicas; cuando son planos son gruesos y laminares (Litoral Costero, Selva Baja), y cuando son accidentados son delgados e irregulares (Sierra, Selva Alta).

a.1- Características de los suelos

Su composición es diversa y compleja según el sitio, la cobertura superficial limítrofe con la atmósfera, contiene y/o favorece formas de vida.

Entre más de 90 elementos caracterizados, predominan 8, de los cuales el (0₂) con el Silicio (Si) y el Aluminio (Al) en forma de óxidos hidratados, constituyen entre el 70% al 80% de la masa total, seguida de óxidos de Fierro (Fe) y Magnesio (Mg) y compuestos de Calcio (Ca), Sodio (Na) y Potasio (K), y otros en forma de pequeños porcentajes de sales solubles (entre 0.05% y 2.0%), con promedios de humedad pequeños (<1%) en suelos secos y hasta grandes (>15%) en suelos arcillosos húmedos.

a.2- La conducción eléctrica del suelo

Normalmente no son buenos conductores de la electricidad, sin embargo, la dispersión de la corriente permite una capacidad de conducción aceptable que también es de naturaleza Electrolítica y/o Electroquímica, y depende principalmente de la porosidad del material, que contiene la humedad y las sales solubles, y acompaña en menor o mayor grado a otras características como la granulometría, la compactación y la temperatura que controlan su conductividad, especialmente tratándose de los estratos superficiales donde las corrientes por encima de (10 A) ocasionan su desecamiento por Efecto Joule y el incremento local de la Resistividad.

Tipo de Suelo	r (Ohm-m)
Limos, Arcillas, Suelo Vegetal y de Cultivo	10 - 100
Tierra Fina, Turbas, Concreto Húmedo (suelo)	100 - 300
Tierra Aluvial, Arenas firmes, suelo seco	300 - 800
Arena Eólica, Lecho de Río, Cascajo	800 - 3000
Rocas Estratificado, Fracturadas, Monolíticas	3000 - 10000
Suelos de Feldespatos, Micas, Cuarzos	5000 - 30000
Concreto Normal Exterior (seco)	10000 - 50000

Tabla 1. Resistividades Referenciales de Suelos Naturales Genéricos

La evaluación eléctrica de los suelos, se hace en base a medidas de Resistividad, cuya unidad (Sistema Internacional) es el ( Ohm-m ); al respecto la información geológica propone tablas genéricas con rangos referenciales, tanto para suelos (Tabla 1) , como para las aguas que los recargan (Tabla 2).

De otro lado, disponiendo de una muestra «representativa», también se hacen medidas de Laboratorio, en ambos casos los datos obtenidos no siempre son correctos; adicionalmente, también se suele disponer de datos en ( ms/cm ) para la Conductividad de las aguas y de los suelos; en éste último caso dicho parámetro corresponde a una solución de 20 gramos de muestra disuelta en 100 cc de agua destilada y no al suelo natural.

Tipo de Agua	r (Ohm-m)
Meteóricas (lluvia atmósfera limpia)	800 - 1200
Meteóricas (lluvia atmósfera industrial)	30 - 400
Superficiales Puras (filtraciones del suelo)	» 3000
Superficiales Salobres (mar y minerales)	» 0.1
De Anomalías Geotérmicas	0.03 - 0.3
Estancadas	30 - 150
Filtraciones Rocosas	30 - 1000

Tabla 2. Resistividades Referenciales de Aguas Naturales Genéricas

b.- Medida de resistividad del suelo :

De acuerdo con el principio de Caída de Potencial, todo esquema de medidas desde la superficie del suelo, implica la inyección de una corriente (I), que penetrando a cierta profundidad, circulará entre dos puntos del suelo de Resistividad (ρ), creando un espectro de superficies equipotenciales en la que es posible establecer una diferencia de potencial ( Vs ) entre otros puntos diferentes, cuya ubicación es determinante para la medida de la Resistividad del suelo estratificado.

b.1- Método Simplificado

Se trata de la medida de la “Resistividad Equivalente” del suelo natural, basada en la medida directa, de la Resistencia absoluta ( R_o ) con la que se dispersa en forma radial una Corriente ( I ), a partir de un electrodo de forma hemisférica y Radio ( r_o ) enterrado en el suelo natural, de Resistividad Equivalente ( ρ_eq ), tomando como referencia otro electrodo suficientemente alejado, tal que la Resistencia Mutua entre ellos sea cero.

R_o = ρ_eq / 2πr_o ρ_eq= 2πr_oR_o

· Esquema de Medidas de Campo

El único electrodo que puede ser introducido en el suelo (Fig 1), sin alterar el comportamiento eléctrico natural de este, es una varilla vertical (Electrodo Piloto) de diámetro (d) que puede ser clavada hasta una profundidad ( l ); entonces, conociendo la expresión analítica de su Resistencia de Dispersión ( R_d ) en función de sus dimensiones geométricas, se halla ( R_o ) al resolver R_o=R_d

R_d = ( ρ_eq / 2π l ) Ln ( 4l / d ) R_o = ( l / Ln (4l/d) )

Fig 1. Disposición de los Circuitos de Medida Método Simplificado con Electrodo Piloto

Se tendrá especial cuidado en dotar al Electrodo de Medida ( C ) del circuito de Corriente, de la mínima Resistencia de contacto con el Suelo, si es posible mediante un tratamiento local; el Electrodo del circuito de Potencial ( P ), puede ser clavado a ( 0.2m ) de profundidad humedeciendo el agujero guía (en suelo seco).

La longitud de los circuitos de medida, se determina con el concepto de Zona de Influencia de mínima Resistencia Mutua que puede ser del Orden del 3% es decir ( r_o / r_p = 0.03 )

Ejemplo:

- Longitud del Electrodo enterrado:

l 1.5 m ( r_o = 0.22 m )

- Zona de Mínima Resistencia Mutua:

r_o/r_p= 0.03 ( r_p= 7.55 m )

- Longitud del Circuito de Corriente:

r_p = 0.618r_d ( r_d = 12.21m )

· Medidas y Resultado de las Medidas

La medida siempre se hará en suelo natural, sin cobertura de hierba fresca o humedad de riego reciente, ni instalaciones subterráneas próximas; se podrá utilizar un instrumento portátil de 3 o de 4 bornes que entrega directamente el valor de ( R_o ); los circuitos de medida tanto de Corriente ( EC ) como de Potencial ( EP ), pueden tener directrices diferentes, formando un ángulo cualquiera (<90º ).

Es suficiente una sola medida (ρ_eq1), pero si se desea una mayor consistencia se puede hacer una segunda medida (ρ_eq2 ) intercambiando las directrices y distancias; los resultados así obtenidos serán definitivos si su diferencia es menor que el (10% ), la Resistividad Equivalente (ρ_eq ) se halla haciendo el promedio.

ρ_eq1 = 2π R_o1 r_o

ρ_eq= (ρ_eq1 + ρ_eq2 ) / 2 siendo

ρ_eq2= 2π R_o2 r_o

Si la diferencia supera el (10%), se escogerán otras directrices diferentes y se repetirán las medidas.

· Ventajas y Limitaciones del Método

Este método tiene la ventaja de ser sencillo, por no existir procesamiento, pero adolece de limitaciones físicas para el clavado del Electrodo Piloto y limitaciones prácticas en suelos estratificados, dado que para longitudes diferentes, se obtienen Resistividades diferentes; asimismo en estratos gruesos de Alta Resistividad, dan valores con grandes errores; su mejor aplicación se obtiene en suelos arcillosos de baja Resistividad (suelos cultivables).

Se tendrá especial cuidado en lograr la mínima Resistencia de contacto para los Electrodos de medida, especialmente al del circuito de Corriente ( C ).

b.2- Método WENNER

Se trata de la medida de la “Resistividad Aparente” del suelo natural, basado en la aplicación del principio de Caída Potencial, bajo condiciones geométricas simplificadas que fijan la equidistancia entre los 4 Electrodos de Medida necesarios, 2 de Corriente ( C1 y C2 ) y 2 de Potencial ( P1 y P2 ), que deben ser colocados en línea recta a distancias ( a ); desde los cuales se mide la Resistencia media de Conducción ( R ) del segmento de suelo ( P1, P2 ) de longitud ( a ), que se opone a la circulación de la corriente inyectada ( I ) entre los extremos ( C1, C2 ), de longitud ( 3a ).

· Esquema de Medidas de Campo

Los Electrodos de Medida, colocados en forma equidistante con un intervalo ( a ) propio para cada medida ( Fig. 2 ), deben ser clavados en el suelo firme a una profundidad máxima ( b=a/20 m ), con la finalidad de no introducir mayores errores; generalmente es suficiente considerar entre 0.15 m a 0.20 m .

Fig. 2 Disposición de los Circuitos de Medida Método Geoeléctrico de WENNER

En caso de medir clavando los electrodos de medida con las profundidades indicadas, utilizando distancias (a<3m), se podrán hacer las correcciones necesarias aplicando la expresión :

Normalmente los errores resultantes son muy pequeños cuando el estrato superficial no tiene una cobertura delgada distinta.

· Medidas y Resultados de las Medidas

Las Medidas de la Resistividad Aparente (ρ_a ) para diferentes distancias ( a ) deberán hacerse en suelo natural, sin cobertura de hierba fresca, humedad reciente ni instalaciones subterráneas próximas; se utilizará un instrumento portátil de 4 bornes que sintetiza la magnitud de ( R ) a partir de la Corriente ( I ) y la diferencia de potencial ( Vs ); ambos circuitos de medida se mantendrán en línea recta para todos los Sondeos Geoeléctricos previstos.

Los resultados son representativos para una profundidad media ( a ), idéntica a la distancia de medidas Wenner que se aplica.

El número de puntos de medida ( serie de puntos ) a ser realizados sobre una directriz ( Tabla 3 ), para una profundidad promedio de ( 8 m ) será mínimo ( 4 ) que corresponden a la serie simple, y dependiendo de la resolución que se desee lograr para la curva, se podrán agregar otros puntos intermedios y extremos series ( Fina 1, Fina 2 ); el procesamiento se hace como mínimo para suelo de dos estratos con los siguientes parámetros.

- La Resistividad Superficial (ρ₁)

- La Resistividad Subyacente (ρ₂)

- El Espesor del Estrato ρ₁(h1)

Series	Distancia (a) de Medida WENNER	Distancia (a) de Medida WENNER	Distancia (a) de Medida WENNER	Distancia (a) de Medida WENNER	Distancia (a) de Medida WENNER	Distancia (a) de Medida WENNER	Distancia (a) de Medida WENNER
Simple	-	1.0	2.0	-	4.0	8.0	-
Fina 1	0.75	1.5	3.0	4.0	6.0	8.0	12.0
Fina 2	0.5	1.0	2.0	4.0	6.0	8.0	12.0

Tabla 3. Series de Distancias de Medida WENNER para una Profundidad media de 8 m

· Ventajas y Limitaciones del Método

El Método WENNER esta Normalizado ( ASTM:G-57 ), y tiene la ventaja de ser sencillo y más preciso para fines de uso eléctrico que otros métodos basados en el mismo principio, dado que no exigen instrumentos de alta sensibilidad, son ideales para despliegues cortos (pequeña profundidad) tales como los que se necesitan para Puestas a Tierra y las variaciones laterales en este caso no le afectan; se aplican a todo tipo de suelos.

Cuando la distancia de medidas es corta ( a<1m ), puede conllevar desviaciones dependientes de la delgada cobertura superior del suelo que a veces suele ser diferente que el estrato superficial ( ρ₁ ); por ello, cuando se hace una serie de medidas simple de ( 4 puntos ), no deberá incluirse distancias ( a<1,0 m ), y cuando la Serie los incluye ( Series Fina 1 y Fina 2 ), aquellos que resulten absurdos deberán ser desestimados.

c.- Ejecución de Medidas de Resistividad :

Según se infiere de las ventajas y limitaciones de los métodos descritos, la única forma de obtener los resultados más precisos y confiables de Resistividad del suelo, sería midiendo con el Método de “Caída de Potencial” ( Fig. 3 ), es decir mediante dos circuitos independientes, uno de Corriente ( I ) y otro de potencial (Vs), utilizando 4 electrodos .

Fig. 3 Medidas Wenner de la Resistividad Aparente del Suelo con un Telurómetro

En este caso todavía conviene remarcar lo siguiente:

• Para el Diseño de Puestas a Tierra de Corriente Alterna, el Método de Wenner ( Fig 2 ) es el que permite obtener una mejor consistencia de los valores medidos y un procesamiento más sencillo de los mismos.

• Será necesario llevar a cabo por lo menos una “Serie” de Medidas ( Simple o Fina ), con varios puntos sobre una trayectoria rectilínea que pasa por el área en el que se hace la exploración.

• Cada distancia de medidas ( a ) nos conduce a un valor “aparente” de la Resistividad (ρ_a) obtenida, que no es representativa ni define al Suelo ni a ninguno de sus estratos.

• Se requiere cumplir con el “Procesamiento” por comparación con una característica Patrón de La “Serie” de medidas exploratorias de campo, es representada por una curva de puntos (ρ_a , a ) que se grafica en escala Log-Log.

• El resultado del “Procesamiento” ya sea analítico (numérico ) o gráfico ( plantillas ) permite obtener el “Perfil Estratificado del Suelo” en por lo menos un Modelo de “Dos Estratos”, con Resistividades, (ρ₁) Superficial, (ρ₂) Subyacente, (h1) Espesor de ρ₁.

c.1- Criterios Básicos

La cobertura de instalación de las Puestas a Tierra que se consideran “Puntuales” no es muy extensa, como mínimo podría ser el área ocupada por un Pozo ( 1,0 m² ) o una Zanja ( 3,0 m² ), o medianamente por una combinación simple de ambos, en un armado que encierre una extensión menor que 100 m² ; en este caso también conviene remarcar lo siguiente:

• Las instalaciones de Puestas a Tierra no están destinadas al control de Potenciales anormales ni transferidos ( Tensiones de Toque y Paso ), tampoco constituye una exigencia del Diseño, su minimización.

• Las Resistencias de Dispersión objetivo, generalmente no tienen exigencias severas, las estipulaciones reglamentarias, tales como el (CNE), fijan máximos de 25 Ohm hacia menores valores, en función de las instalaciones.

• Normalmente se conoce el área disponible en el que deberá ubicarse la Puesta a Tierra; si es de forma cuadrada se podrá prever «un eje» de medidas ( Fig. 4 ), y si es longitudinal hasta “dos ejes” ; la validez de los resultados supera los 15 m de Radio alrededor de ellos.

Fig. 4 Líneas de Medida de Resistividad Aparente (AA’, BB’) Principal, (CC’, DD’) Complementarios

c.2- Procedimiento de Medición :

• Por caja Eje se hacen pasar dos “Líneas de Medida” ortogonales ( AA', BB' ); según la importancia de la Puesta a Tierra se adopta la respectiva “Serie” de distancias de medida aplicable.

• Se ejecutan las series de medidas en ambas líneas y los puntos se grafican en papel Log-Log. Las curvas obtenidas deberán ser casi coincidentes o muy próximas.

• En caso de diferencias parciales o en tramos, se ejecutarán y graficarán nuevas medidas. Las líneas respectivas ( CC', DD' ), estarán a 45° de las dos primeras junto a las cuales se grafican.

• Las curvas más próximas serán consideradas representativas ( Fig 5 ) y se promediarán punto por punto de medida, según la distancia ( a ) de la Serie Wenner.

• Los puntos promedio de la curva así obtenida son los que se destinan al procesamiento para la determinación de las Resistividades de Diseño.

Fig. 5 Curvas de Puntos correspondientes a Cuatro Líneas de Medida Wenner

d.- Condiciones para las Medidas de Resistividad del suelo

Cuando el área está próxima a instalaciones eléctricas subterráneas o aéreas, especialmente de Alta Tensión, se optará por un alejamiento de 50 m; complementariamente se aplicarán las siguientes condiciones:

d.1- Para la Seguridad del Operador que mide cerca de Instalaciones Eléctricas Energizadas

• Los Operadores de Medidas deben utilizar guantes y zapatos aislantes.

• No medir bajo lluvia, neblina densa o Humedad relativa>80% cerca de Líneas Eléctricas o Subestaciones.

• No medir cuando hay Tormentas y Rayos aguas arriba o aguas abajo de la Líneas Eléctricas.

d.2- Para Asegurar la Representatividad de las Medidas de Campo

• Considerando la estación climática del sitio.

• Verano (costa), Estiaje (Sierra, Selva); aplicar valor directamente el resultado.

• Invierno (costa), Lluvias (Sierra, Selva); aplicar el resultado corregido.

• Evitar medir en suelos recién humedecidos por riego o lluvia, o en suelos removidos.

• Anticipadamente Verificar el instrumento y los accesorios de medida.

• Contrastación con Resistencia Patrón.

• Prueba de aislamiento de los Conductores.

• Prueba de conducción de los Terminales.

• Prueba de ajuste de los Conectores.

d.3- Para Asegurar la Precisión de las Medidas

• Evitar la superposición de los circuitos de medida ( I ) y ( Vs ).

• Asegurar buen contacto entre los Electrodos clavados y el Suelo.

• Evitar paralelismo con Líneas Eléctricas Aéreas y Subterráneas.

• Evitar proximidad con Objetos Conductores de superficie y subterráneos.

• Evitar la influencia directa de los circuitos de Alta Tensión.

• Medir en horas de ausencia o mínimas corrientes erráticas o geomagnéticas.

2.4 ) INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA

a.- Líneas de Tierra

Los conductores de las líneas de tierra deben instalarse procurando que su recorrido sea lo mas corto posible, evitando trazados tortuosos y curvas de poco radio. Con carácter general, se recomienda que sean conductores desnudos instalados al exterior de forma visible. En el caso de que fuera conveniente realizar la instalación cubierta, deberá serlo de forma que pueda comprobarse el mantenimiento de sus características.

En las líneas de tierra no podrán insertarse fusibles ni interruptores. Los empalmes y uniones deberán realizarse con medios de unión apropiados, que aseguren la permanencia de la unión, no experimenten al paso de la corriente calentamientos superiores a los del conductor y estén protegidos contra la corrosión galvánica.

Puede agregarse que las uniones en el trayecto de las líneas de tierra deben requerir el empleo de útiles para deshacerlas y, especialmente en los puntos de puesta a tierra, donde la línea de enlace con el electrodo penetra en el terreno, pueden ser convenientes medidas protectoras tales como refuerzo de las secciones y baños protectores.

Las conexiones a las líneas de tierra de masas o estructuras deben efectuarse directamente o por derivaciones, sin posibilidad de interrumpir la continuidad, como resultaría disponiéndolas en serie.

b.- Electrodos

En la elección del tipo de electrodos, así de como su forma de colocación y de su emplazamiento, se tendrán presentes las características, generales de la instalación eléctrica, del terreno, el riesgo potencial para las personas y bienes.

Se procuraran utilizar las capas de tierra mas conductoras, haciéndose la colocación del electrodo con el mayor cuidado posible en cuanto a la compactación del terreno.

Se deberá de tener presente la profundidad de las heladas para determinar la profundidad de la instalación.

Los electrodos y demás elementos metálicos llevaran las protecciones precisas para evitar corrosiones peligrosas durante la vida de la instalación.

Las zanjas tendrán, a poder ser, una profundidad entre 0,5 a 1 m, mientras que las fosas para disponer placas o anillos de pequeño desarrollo, deben ser más profundas, con el fin de reducir las influencias estaciónales sobre la resistencia.

Las placas son de 1 x 0,5 m y es preferible disponerlas verticales, de tal forma que su borde superior esté, si es factible a 1 m, como mínimo de profundidad.

Las picas pueden hincarse oblicuamente cuando esto permite penetraciones de mayor longitud.

Por último, destacar que debido a la imposibilidad que supone la inspección visual de los electrodos de puesta a tierra, es conveniente prever que, aun en el caso de daño mecánico de una de sus partes, siempre quede al menos, un conductor que de continuidad al conjunto.

c.- Conexión de los elementos de la Red de Tierras

La bondad de la red de puesta a tierra depende, de la calidad de las uniones de los elementos constitutivos, acompañada de una buena resistencia a la corrosión, además de las calidades de la resistencia mecánica y de contacto eléctrico indispensables. Las conexiones entre las líneas de tierra y los electrodos deben ejecutarse de manera que garanticen uniones conductoras seguras y permanentes y en el caso de uniones entre metales diferentes, tanto si están enterrados como expuestos a la intemperie, es necesaria una protección mediante un recubrimiento o tratamiento adecuado.

Por otro lado, en el todo que constituye una red de tierras no debe suceder que el simple desmontaje o interrupción de una conexión pueda interrumpir o modificar la configuración del sistema.

A tal efecto, deben evitarse las conexiones mecánicas realizadas entre los electrodos de tierra y en los puntos de cruzamiento, aconsejándose la conexión por procedimientos metalúrgicos.

Tampoco deben sacarse al exterior del terreno bucles de los circuitos enterrados, destinados a la conexión de las carpinterías metálicas y aparatos que requieran la puesta a tierra de sus masas.

d.- Medidas que se adoptan en condiciones difíciles

Ante situaciones de imposibilidad técnica de mantener los valores de las tensiones de paso y contacto dentro de los limites de seguridad y, también, cuando resulte económicamente desproporcionada su consecución, deberá recurrirse al empleo de medidas adicionales de seguridad con el fin de reducir los riesgos para las personas y los bienes.

Las disposiciones más idóneas que se pueden apuntar son las destinadas a suprimir el riesgo mismo, impidiendo la exposición a las tensiones de paso y contacto en las zonas peligrosas, como pudiera ser mediante la utilización de cerramientos u obstáculos de protección para hacer inaccesibles tales zonas.

Por otro lado, las medidas de seguridad contra las tensiones producidas por la circulación de intensidades de puesta a tierra, pueden basarse en dos principios diferentes, combinables, aislando o igualando potenciales.

En efecto, el peligro de contacto con un elemento bajo tensión se elimina ya sea:

· Protegiéndolo de todo otro objeto o medio conductor con el que se pueda contactar simultáneamente, mediante un aislamiento o, al menos, por un revestimiento que presente una resistencia suficiente para limitar el paso del cuerpo a un nivel no peligroso

· Según el otro principio, haciendo que estén, prácticamente, al mismo potencial uno y otro.

De la utilización del primer principio se deriva una medida para aumentar la seguridad, a base de disponer suelos que aíslen suficientemente de tierra las zonas de servicio peligrosas.

Siguiendo con el mismo principio, aunque solo valido para las tensiones de contacto, podría recurrirse a la disposición consistente en aislar todas las empuñaduras o mandos que hayan de ser tocados.

Naturalmente, en esta situación, las partes metálicas accesibles de los elementos aislados no deben ser puestas a tierra.

Basado en el segundo principio, esta el sistema de protección a base de establecer conexiones equipotenciales entre la zona donde se realice el servicio y todos los elementos conductores accesibles desde la misma.

Esto se consigue uniendo todas las masas de la instalación a proteger, entre sí y a los elementos conductores simultáneamente accesibles, con lo que se impide que puedan aparecer, en un momento dado, diferencias de potencial peligrosas entre ambos.

En consecuencia, el empleo de este sistema de protección requiere del análisis previo, en cada caso, de las situaciones que puede crear su aplicación, ya que será preciso, generalmente, introducir partes aisladas en los elementos conductores unidos eléctricamente a las masas, en particular, de raíles y conducciones metálicas diversas, para evitar la propagación de un defecto a masa a otros lugares desprovistos de una medida de protección adecuada.

Del conocimiento de que la disposición aislada de los conductores que enlazan las líneas principales de tierra con el electrodo o conjunto de electrodos de la toma de tierra, disminuye los potenciales y sus gradientes en la superficie del terreno, puede derivarse otra medida de seguridad.

3.- TOMAS DE MASA

3.1 ) INTRODUCCIÓN

Es en los conductores de masa donde se ponen en relación todos los diferentes subsistemas de un equipo, facilitando así la existencia de una vía para el intercambio energético entre ellos. Diversos fenómenos producidos en estos circuitos de masa son, en gran cantidad de casos, el origen de un mal funcionamiento de los equipos electrónicos por causa de las interferencias electromagnéticas (EMI).

Por lo tanto, será fundamental un exhaustivo estudio de la organización de los sistemas de masas y tierras, para reducir las interacciones y acoplamientos indeseados de unos equipos con otros; en definitiva, reducir la susceptibilidad de equipos y sistemas.

a.- El proceso de diseño

Para la obtención de una buena EMC, se debe de partir de un diseño en el cual el primer parámetro que se debe tener en cuenta es el flujo parásito que entra y sale del cuerpo. Debemos prever que puede ocurrir una interferencia generada por cualquier dispositivo electrónico activo.

Para mejorar la compatibilidad electromagnética de los productos se colocan barreras y caminos de corriente de manera que las interferencias sean desviadas o absorbidas antes de que entren en el circuito.

Estas medidas de control se pueden concebir como aplicables en tres niveles distintos, primario, secundario y terciario.

· Control en el nivel primario: Lleva consigo las medidas de diseño como el desacoplamiento, las configuraciones equilibradas, el ancho de banda, etc. En fin la definición de los requerimientos y establecimiento de un sistema de arquitectura que permita el cumplimiento de esos requisitos.

· Control en el nivel secundario: En él se deben considerar las interconexiones de los circuitos internos y los cables externos, ruta principal que siguen las interferencias en ambas direcciones. La elección y montaje de los conectores forman parte de una parte importante del diseño.

· Control en el nivel terciario: Consiste en el apantallamiento del producto. El apantallamiento total es una opción cara y solamente se debe adoptar cuando se hallan desestimado todas las demás medidas. Pero como no es seguro que las medidas adoptadas en los dos niveles anteriores, encaminen a nuestro producto a una compatibilidad aceptable, siempre hay que dejar lugar a la posibilidad de tener que apantallar la caja. Esto nos obliga a adaptar el diseño para poder utilizar una caja metálica, o incluso una carcasa de forma especial pero que garantice que las aberturas y juntas se puedan conectar adecuadamente, y que las conexiones a masa se puedan hacer en los lugares adecuados.

El proceso de diseño involucra una serie de pasos que son significativos para lograr o no la compatibilidad electromagnética. Entre estos pasos están:

· Niveles de señal: Deben elegirse lo más bajos posible, siempre que cumplan las condiciones de SNR

· Niveles de impedancia: Deben elegirse sabiendo que bajos niveles de impedancia minimizan el acoplamiento capacitivo pero estimulan el acoplamiento inductivo. Si los niveles de impedancia son elevados, minimizamos el acoplamiento inductivo y aumenta el capacitivo.

· La frecuencia: El contenido espectral de energía de un circuito puede hacer necesario el uso de filtros para confinar a las señales por los caminos deseados ( eliminando caminos indeseados) y separando la señal de las interferencias.

· La configuración del circuito: Debe existir una separación de seguridad entre pistas y componentes para minimizar acoplamientos.

Una vez realizado esto, se procede al montaje físico, donde localizaremos las posibles fuentes, tanto externas como internas, de interferencia además de puntos sensibles a las mismas. Si existe algún problema, habrá que recurrir a algún recurso de la E.M.C. para solucionarlo.

Los recursos con los que cuenta la CEM para lograr el cumplimiento de las normas, suprimiendo las interferencias electromagnéticas, son básicamente tres: grounding, apantallado y filtrado. Cada uno tiene un campo de actuación concreto pero los tres se complementan y superponen por lo que el estudio de uno implica a los otros. Nosotros, en este trabajo nos centraremos, dentro de lo posible, en el grounding.

El diseño para la obtención de una buena EMC parte del principio del control del flujo parásito que entra y sale del equipo. Se debe asumir que la interferencia ocurrirá a, y será generada por, cualquier producto que incluya dispositivos electrónicos activos. Para mejorar la CEM del producto se colocan barreras y caminos de corriente de manera que las interferencias que llegan son desviadas o absorbidas antes de entrar en el circuito.

3.2 ) LA TOMA DE TIERRA DE SEGURIDAD

En principio, se podría dejar un sistema eléctrico aislado en sí mismo, flotante con respecto a tierra sin que en teoría existiese ninguna causa de mal funcionamiento. Sin embargo, un contacto accidental de algún conductor ajeno al sistema, una resistencia de fugas en algún componente teóricamente aislado o, incluso una descarga electrostática, podrían poner a todo el sistema a un potencial desconocido, que podría ser elevado y, por lo tanto, peligroso para la seguridad humana si llegase a producirse un contacto persona-sistema.

Es por esto que las reglamentaciones eléctricas imponen la norma de unir las carcasas metálicas de los circuitos con tierra. No sólo por razones de seguridad personal, sino además para establecer un camino de circulación frente a posibles descargas estáticas o atmosféricas y limitar las elevaciones de tensión peligrosas para los propios equipos, así como para asegurar la actuación de las protecciones.

En la instrucción MIE BT 039 encontramos la definición de “puesta a tierra”: la denominación de “puesta a tierra“ comprende toda la ligazón metálica directa sin fusible ni protección alguna, de sección suficiente, entre determinados elementos o partes de una instalación y un electrodo, o grupo de electrodos, enterrados en el suelo, con el objeto de conseguir que en el conjunto de instalaciones, edificios y superficie próxima del terreno no existan diferencias de potencial peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el paso a tierra de las corrientes de falta o la de descarga de origen atmosférico.

La puesta a tierra de los circuitos de potencia se realiza fundamentalmente por razones de seguridad. En los circuitos de señal es importante para la operación de los sistemas sin perturbaciones (ya que evitará la influencia de objetos próximos que en general tienen un potencial referido a tierra). La norma de seguridad prevalece sobre la de buen funcionamiento y, por lo tanto, siempre habrá que respetarla. Según esto, la puesta a tierra de los circuitos de señal debe realizarse de manera que no sea incompatible con los aspectos de funcionamiento.

En la instrucción MIE BT 021 encontramos otros puntos interesantes para la seguridad humana como separación entre partes activas y masas accesibles e inaccesibilidad simultánea de éstos, recubrimiento de las masas con aislamiento de protección y conexiones equipotenciales (puntos 2.3, 2.4, 2.5 y 2.6 respectivamente).

Al conectar a tierra los circuitos se establece una relación óhmica directa entre los conductores de potencial cero de éstos y la tierra, lo que debe hacerse siguiendo ciertas normas que eviten, en lo posible, los problemas de creación inadvertida de bucles de corriente que tal unión puede originar.

En general se observará que la impedancia de conexión a tierra sea mínima, utilizando conductores con la mayor sección posible, con objeto de reducir el acoplamiento por impedancias comunes. Además, deben estar cercanos a los propios circuitos de señal para minimizar el área entre los sistemas de cableado de señal y el sistema de puesta a tierra, con objeto de reducir el acoplamiento inductivo.

En un equipo electrónico puede haber multitud de subsistema puestos a tierra. Inicialmente la carcasa metálica del equipo debe ser puesta a tierra, lo cual constituye la tierra primaria del equipo. Además, toda la circuitería electrónica generalmente también está puesta a tierra.

Todas estas conexiones de tierra estarán habitualmente a diferentes potenciales, de modo que la posibilidad de que se creen bucles de circulación de corriente entre ellas es muy elevada y debe ser estudiada con detenimiento en cada caso concreto.

3.3 ) LA MASA EN LAS SEÑALES DE BAJA Y ALTA FRECUENCIA

La impedancia que presenta cualquier elemento depende, en general, de la frecuencia de las señales que circulan por él y, en el caso de un conductor, de su longitud.

La componente resistiva de esta impedancia debe ser dimensionada de modo que las caídas de tensión que se generen en ella con los niveles de intensidad presentes en el circuito no produzcan efectos perjudiciales en los elementos sensibles del circuito.

Pero suele crear muchos más problemas la componente inductiva de la impedancia de los conductores. Esta impedancia es tanto mayor cuanto mayor sea la frecuencia de las señales, y en circuitos electrónicos donde hay fenómenos de conmutación, pueden aparecer componentes armónicos de frecuencia extraordinariamente alta. A estas frecuencias, la impedancia de los conductores de masa puede ser muy alta si su longitud coincide con múltiplos impares de ¼ de la longitud de onda, porque se pueden llegar a producir fenómenos de resonancia. En este caso, el conductor actuaría como una antena y no como tal conductor.

Para que este fenómeno no se produzca es necesario como norma práctica, que la longitud del conductor se mantenga por debajo de, aproximadamente, 1/20 de la longitud de onda de la máxima frecuencia que se pretende que transmita adecuadamente.

Estas impedancias en las líneas de masa son el origen del mayor número de perturbaciones en los circuitos electrónicos. Son incluso peores que las interferencias en las líneas de conmutación, ya que éstas se pueden filtrar con mayor facilidad. Además estas impedancias son un camino de acoplamiento entre circuitos de potencia y circuitos de señal, ya que los retornos de ambas se producen a través de los conductores de masa.

Es pues imprescindible, minimizar tanto la resistencia como la inductancia de los conductores de masa. La utilización de ferritas en forma de cuentas de collar es una forma barata y eficaz de añadir pérdidas por encima de 1 MHz en circuitos de baja potencia, sin introducir pérdidas en continua ni a frecuencia inferiores.

Otros problemas de impedancia de masas pueden resolverse utilizando cable trenzado y hueco en forma de malla, que tenga la mayor superficie posible.

3.4 ) DISPOSICIÓN ESQUEMÁTICA Y CONEXIÓN A MASA DEL EQUIPO

Como ya sabemos, cuanto antes tengamos en cuenta que nuestro producto ha de cumplir las normas de compatibilidad electromagnética, más técnicas tendremos para ello y el coste será menor. Una de las mejores maneras de empezar un proyecto es considerar la disposición del equipo y el procedimiento de conexión a masa desde el principio. El 90% de los problemas después de realizado el diseño EMC se debe a una disposición o conexión a masa inadecuada; en este sentido, un sistema bien diseñado puede ofrecer una buena inmunidad y protección contra emisiones, mientras que uno mal diseñado puede ser una vía de emisión y recepción parásitas. Los principio más importantes en la disposición de un equipo son:

1. Partición del sistema para permitir el control de las corrientes parásitas.

2.- Considerar la masa como un camino para el flujo de corriente, tanto de las interferencias internas del equipo como las conducidas.

3.- Considerarlo también como un medio de prevenir las corrientes parásitas de los circuitos de señal afectados. Esto quiere decir una cuidadosa colocación de los puntos de conexión a masa, minimizando la propia impedancia de masa y su impedancia de transferencia al circuito.

4.- Minimizar las emisiones del equipo y la susceptibilidad de los bucles de corriente mediante una cuidadosa disposición del área de los bucles de alta di/dt.

a.- Partición del sistema

Un sistema mal particionado o sin particionar, puede tener sus subsistemas separados en diferentes áreas de la placa, pero las interconexiones entre ellos estarán mal definidas y los puertos externos estarán dispersados por la periferia. Esto hace difícil el control de las corrientes en modo común que existirán en las diversas interconexiones.

La dispersión de los puertos significa que las distancias entre los puertos de lados contrarios del sistema son grandes, lo que conlleva altas tensiones inducidas de masa como resultado de la interferencia entrante, y un eficaz acoplamiento a los cables de las emisiones generadas internamente. Ante esta situación, la única manera de controlar las emisiones y la inmunidad del sistema es colocar una pantalla total a su alrededor y filtrar cada interfaz, suponiendo que el apantallado sea posible. Por todo ello vemos la necesidad de los sistemas particionados.

Ejemplo de sistema imprevisible.

El sistema, desde un punto de vista de las EMC, se divide en dos partes lógicas diferenciadas, sección crítica y no crítica.

· Las secciones críticas son las que contienen fuentes radiantes (como un microprocesador o un circuito de video) o las que son particularmente susceptibles a las interferencias importadas (circuitos basados en microprocesadores y circuitos analógicos de bajo nivel).

· La sección no crítica son aquellas cuyos niveles de señal, anchos de banda y funciones del circuito son tales que ni son susceptibles a la interferencia ni capaces de causarlas (la lógica sin reloj, fuentes de alimentación lineales, etapas amplificadoras de potencia,...).

Para controlar las secciones críticas, estas se pueden introducir en una caja apantallada, dentro y fuera de la cual se controlan cuidadosamente todas las conexiones externas. El objetivo principal del diseño debe de ser reducir el número de interconexiones a controlar al mínimo y conectarlas físicamente todas juntas. Esto es así, porque cada interconexión que necesite ser filtrada o su cable apantallado, incrementa el coste del producto. El caso ideal son aquellos aparatos sin puertos de conexión con el exterior (calculadoras, mandos a distancia, etc...).

El apantallamiento, nos sirve tanto para frenar las interferencias radiadas como de referencia para las corrientes de retorno a masa. En los sistemas en los que se usa un plano de masa completo, es posible que este haga prescindible al apantallamiento por realizar su función. La sección no crítica, puede ir fuera de la caja apantallada y no presenta ningún problema desde el punto de vista EMC.

Ejemplo de partición de sistema.

b.- Conexión a masa

Una vez que se ha particionado adecuadamente el sistema, hay que asegurarse de la existencia de una buena conexión a masa del sistema.

Como sabemos la función de las EMC en un sistema de conexión a masa es la de reducir al mínimo las tensiones parásitas en los puntos críticos, diseñando el circuito de masa para que sea tan compacto y local como sea posible.

b.1- Corriente a través de la impedancia de masa

Cuando se diseña un esquema de conexión a masa, se debe conocer la trayectoria real de la corriente de retorno a masa. El ejemplo del amplificador de la figura ilustra perfectamente lo referido:

Trayectoria de la corriente de masa en un circuito de ejemplo

La salida de alta corriente DI, vuelve a la fuente de alimentación desde la carga; si vuelve utilizando la trayectoria Z1-Z2-Z3, se desarrolla una componente de tensión no deseada en Z2, que esta en serie con la entrada Vs, y, dependiendo de su magnitud y fase, el circuito oscilará. Esto es un ejemplo de acoplamiento por impedancia común.

Para lo deseado en relación a las EMC, la inestabilidad no es normalmente el problema; más bien lo son las tensiones parásitas V_N que se desarrollan a lo largo de las impedancias que son las que crean problemas de emisión o susceptibilidad. Para frecuencias altas, superiores a unos cuantos KHz, o altas velocidades de cambio del sentido de la corriente, la impedancia de cualquier conexión es primordialmente inductiva y aumenta con la frecuencia (V=-Ldi/dt), de ahí que el ruido de masa aumente con la gravedad a la vez que aumenta la frecuencia. La corriente parásita I_N inducida en, por ejemplo, el cable de salida, fluye a través del sistema de conexión a masa, atravesando Z2 de nuevo y, por tanto, induciendo una tensión en serie con la entrada, antes de salir, vía capacitancia parásita, a la conexión de la red eléctrica. Podría tomar el mismo camino al revés, siguiendo el ruido entrante de la red eléctrica.

Para tratar este problema, debemos garantizar que no se permita el flujo de las corrientes parásitas a través de la parte sensible de la red de masas. Sobre un esquema, estos circuitos parecerían idénticos, en la realización práctica, cuando se disponen sobre una placa del circuito impreso se puede apreciar su diferencia.

b.2- Impedancia de transferencia

La conexión a masa, según el estudio de las EMC, ofrece todo un conjunto de trayectorias de corriente interconectadas, diseñadas para tener una baja impedancia de transferencia (Z_T), con el fin de reducir al mínimo las tensiones que interfieren en las interconexiones sensibles que pueden, o no, estar referenciadas a masa. Z_T determina la intensidad de la fuente no deseada en el circuito de señal debido a la corriente parásita que fluyen en el circuito en modo común. Según la interfaz que se considere, se puede estudiar la impedancia de transferencia de la parte apropiada de las trayectorias interconectadas a masa. El resultado en una estructura conectada a masa, cuya forma tridimensional está diseñada para obtener una baja Z_T. Esta estructura se puede llevar a cabo en forma de cubierta "apantallada", plancha de chasis, capa plana en la placa del circuito impreso, conducto de cables o lo que quiera que la aplicación utilice.

La ventaja más acusada de esta estructura es que cuando una corriente parásita fluye en ella, solamente se genera una tensión V_int diferencialmente parásitas en el circuito de señal. La contribución dominante a Z_T para las corrientes de interferencia externas que fluyen por la conexión a masa en una inductancia mutua entre los circuitos Z_T en modo común y diferencial. Z_Tdiminuye en proporción a la inductancia mutua que une la estructura y el circuito. La estructura de conexión a masa debe tener una resistencia R_g y una autoinductancia L_g mínimas. Z_TSe reduce al mínimo utilizando un tubo de conducción (se puede asimilar con un cable coaxial apantallado), y es peor si la estructura es un único cable paralelo. El término medio se encuentra en el conducto o en la placa plana. Cuanto más cerca está físicamente el circuito en modo diferencial a la estructura de conexión a masa, menoresZ_T,si la estructura no está cortada en la dirección de flujo de corriente.

Impedancia de transferencia de la estructura de conexión a masa

En este apartado hemos querido destacar los comportamientos de las corrientes de masa, ya que en general, la baja impedancia de estas estructuras de conexión permite que fluyan corrientes parásitas relativamente altas. La EMC consiste en reconocerlas y tomar las precauciones adecuadas. Sin embargo, es importante evitar que aumenten las tensiones parásitas en la estructura de masa del circuito, ya que el fuerte acoplamiento recomendado antes relativas a una baja Z_Ttambién implica una alta capacitancia, que a su vez, permitiría que esas tensiones se acoplaran mucho mejor en el circuito.

c.- Sistemas de puesta a masa

Como ya hemos indicado anteriormente, los distintos subsistemas de un equipo determinado poseerán en general su propio punto de masa. En el equipo completo todos estos puntos de masa individuales deben estar interconectados entre sí. Existen varios métodos de interconexionar dichos puntos, que estudiaremos a continuación, cuyo objetivo será la reducción de las interferencias electromagnéticas debidas a las impedancias que se introducen en los conductores de interconexión de las masas.

c.1- Masa centralizada: conexión en serie

En este sistema los terminales de masa individuales de cada subconjunto se conectan siguiendo una línea de un subconjunto al siguiente.

Este sistema es muy simple y, por lo tanto, económico en el cableado. Es por ello muy utilizado en equipos eléctricos y electrónicos, pero presenta problemas de acoplamiento por la existencia de impedancias comunes.

Es el peor de los posibles desde el punto de vista de las interferencias

El potencial de cada punto de los de la figura será:

Esta forma de interconexión debe evitarse en lo posible, y especialmente en aquellos circuitos que trabajen a alta velocidad. También debe evitarse en aquellos circuitos que trabajen combinados con niveles de energía muy diferentes como, por ejemplo, circuitos de potencia y de mando.

c.2- Masa centralizada: conexión en paralelo

L La conexión en paralelo consiste en realizar la conexión de todas las masas en un mismo punto.

Este método elimina la existencia de impedancias comunes en las líneas de masa. Es más complicado de realizar en circuitos complejos y necesita mayor longitud de cableado.

En este sistema de conexión de masa, cada circuito está sometido únicamente a las perturbaciones que él mismo genera y no se ve afectado por las de los circuitos adyacentes. Las tensiones en los puntos de la figura serán:

Así, vemos que cada circuito, sólo se ve afectado por su propia corriente y su impedancia de línea de masa, siendo indiferente lo que ocurra en los demás circuitos. Esto es una gran ventaja con respecto a la conexión en serie.

A bajas frecuencias de operación, donde las impedancias de los cables son prioritariamente resistivas, este es el mejor método de conexión.

A altas frecuencias, la elevada longitud de los conductores de masa, hace que su efecto inductivo, llegue a ser importante, e incluso puede producirse acoplamiento capacitivo o inductivo entre conductores adyacentes. Por si fuera poco los conductores largos pueden actuar como antenas. Por ello deben tener una longitud inferior a 1/20 de la longitud de onda de la frecuencia de trabajo máxima, para evitar radiaciones y mantener baja la impedancia.

Una modificación del sistema de masa centralizada, consiste en unir los módulos de circuitos con características similares y llevar cada punto común a una sola conexión a masa. Esto permite cierto grado de acoplamiento por impedancia común entre aquellos circuitos en los que no será un problema, y, a la vez, permite que la conexión a masa de los circuitos de alta frecuencia permanezca local. Los circuitos más ruidosos están más cerca del punto común para reducir al mínimo los efectos de la impedancia común. Cuando un módulo individual tiene más de una conexión a masa, éstas se deben unir con diodos en oposición para evitar daños cuando el circuito sea desconectado.

c.3- Masa distribuida o conexión multipunto

En este método se utiliza un plano de masa con varios circuitos conectados a él mediante pistas muy cortas.

Es en realidad una combinación de los dos anteriores. Por un lado, se minimizan las impedancias individuales de masa al acortar las conexiones lo máximo posible. Por otro, el plano de masa presenta baja resistencia e inductancia, con lo que las impedancias comunes que en realidad se introducen tienen un efecto mínimo.

En los circuitos de alta frecuencia, las distancias de conexión deberían ser menores de 2 cm. y, además se debe disponer de el plano de masa cerca de los circuitos, con objeto de aprovechar también el efecto de apantallamiento electrostático.

Este plano de masa está compartido por todos los circuitos pero presenta menor impedancia que los conductores individuales. Además, a alta frecuencia el espesor del plano de masa no influye en su impedancia debido a que la corriente sólo circula por su superficie por efecto pelicular.

c.4- Masas híbridas

Este sistema de masas se comporta de manera diferente a distintas frecuencias.

En la figura a) se representa un sistema híbrido de masas que actúa como masa única a bajas frecuencias y como masa distribuida a altas frecuencias. Este tipo de conexión puede ser interesante en la práctica para conectar a masa la pantalla de una cable blindado.

En la figura b), la masa se comporta como multipunto a bajas frecuencias, mientras que a altas frecuencias se trataría de una conexión en serie. Esta conexión se usa cuando se quiere conectar a tierra varios chasis por razones de seguridad, mientras que para frecuencias mayores interese mantener un único punto de masa.

c.5- Conclusión

A frecuencias inferiores de 1 MHz la masa centralizada (punto único) es el sistema preferible. Por encima de 10 Mhz, el sistema distribuido. Entre 1 y 10 MHz una masa de punto único debe utilizarse procurando que la longitud de los conductores más largos sea inferior al 1/20 de la longitud de onda; en cado de no ser posible debe utilizarse una masa distribuida.

En la práctica se utilizan combinaciones de métodos de conexión serie-paralelo pensando en compatibilizar la economía con un comportamiento razonable ante interferencias, como el sistema de masas híbridas visto.

d.- Conexión a masa de los cables blindados

Siempre es necesario reducir el área de los bucles de corriente a un mínimo, tanto si el circuito actúa en emisión como si lo hace como receptor de interferencias, desde el punto de vista del acoplamiento magnético o inductivo, así como de la radiación electromagnética.

La razón de ello es que en estos bucles se generan campos magnéticos, y a su vez, son influenciados por campos magnéticos externos que inducen en ellos tensiones de referencia.

Sea un cable que une un generador V con un receptor R, según la figura. Observamos que se forma un bucle de circulación de corriente que, en principio, no está definido, ya que el camino de retorno de la corriente I a través del sistema de masas depende de multitud de factores, tales como la frecuencia de la señal, la existencia de otras corrientes que circulen por las masas, etc. Entonces, el campo creado por el propio circuito y los campos exteriores actúan sobre un área indeterminada y variable, con lo que sus efectos pueden ser impredecibles.

Observemos en la figura siguiente que si la unión entre generador y receptor se hace mediante un cable coaxial (y no se consideran por el momento las conexiones de masa), el campo neto exterior creado por el cable es nulo, ya que el campo generado por la corriente de ida se anula con el generado por la corriente de vuelta, y el propio cable es, además, inmune a las influencias externas.

Sin embargo, si consideramos las conexiones a masa se observa que no toda la corriente circula por el cable. El bucle de corriente seguirá el camino de menor impedancia, de modo que a altas frecuencias, la inductancia del bucle exterior aumenta debido a su mayor área, aumenta así su impedancia, y prácticamente toda la corriente retorna por el cable blindado. Éste será entonces efectivo contra la generación y recepción de interferencias.

A bajas frecuencias en las que la inductancia es menos significativa, la distribución es indeterminada y depende de la impedancia de las líneas de masa, como en el caso anterior.

De manera práctica, se puede afirmar que la corriente retorna por el blindaje si la frecuencia es 5 veces la frecuencia de corte del blindaje.

A frecuencias bajas, como acabamos de ver la corriente retorna por el plano de masa y no por el blindaje, de modo que éste no es efectivo. Pero, además un blindaje conectado en ambos extremos y utilizado como conductor del circuito, produce caídas de tensión (debido a las corrientes que se crean en el bucle de masa o por cualquier otra razón), y estas tensiones se acoplan como tensiones de interferencia en el circuito. A bajas frecuencias, por lo tanto, el blindaje no debe ser uno de los conductores de señal, y uno de sus extremos debe quedar aislado de masa.

Si se desconecta la masa de un punto en un blindaje utilizado como conductor, éste si es efectivo frente a campos magnéticos, ya que toda la corriente retorna por él, y no existe bucle de masa. (ver figura).

Veamos un caso diferente, en el que el blindaje no se utiliza como conductor, conectándose en un solo punto.

En este caso se forma de nuevo un bucle de corriente que, como en casos anteriores, no está definido. Este bucle de corriente está formado por el conductor central y la conexión entre las masas. En este caso el blindaje no lleva corriente y el campo creado por el conductor central no se cancela, por lo que radiará interferencias. Únicamente tiene interés esta disposición como protección electrostática frente a campos eléctricos.

Como norma general, a frecuencias de menos de 1 MHz los blindajes deben conectarse a masa solamente en un extremo y no usarse como conductores. A frecuencias superiores, o donde la longitud del cable exceda de 1/20 de la longitud de onda, usualmente es necesario poner a masa el blindaje en más de un punto para garantizar su permanencia a potencial cero.

e.- Puesta a masa de subsistemas

Como ya hemos visto, en un equipo electrónico pueden existir multitud de subsistemas con masas y tierras comunes que se deben interconectar.

Inicialmente, la carcasa del equipo debe ser puesta a tierra por razones de seguridad, lo cual constituye una primera razón para la puesta a tierra. Además puede existir o no otra referencia exterior a tierra o necesitarse otras conexiones a masa dentro del sistema. Por último, toda circuitería electrónica posee generalmente una o múltiples referencias a masa.

Todo este complejo sistema de interconexiones debe ser estudiado con objeto de establecer ciertas normas que aseguren en lo posible el buen funcionamiento de los equipos.

En general, el diseño de un equipo debería aplicar el concepto de la utilización de dos sistemas separados y asilados en principio: la tierra y la masa de los circuitos. La manera en que estos dos conjuntos se unan o no depende de la naturaleza del equipo.

Los objetivos que se quieren conseguir son:

§ Minimizar el efecto de las interferencias electromagnéticas ambientales externas.

§ Minimizar el efecto que, en los circuitos de control, pueden ocasionar eventuales percances en otros equipos asociados, y que produzcan corrientes en el sistema de conexiones a tierra.

§ Minimizar el riesgo de descargas a las personas que pueden ocurrir cuando un fallo de aislamiento intenta elevar el potencial en las partes metálicas y carcasa a niveles de tensión peligrosos.

Como norma general, debería haber en los equipos dos únicos puntos de referencia distintos: la tierra y el sistema de masas de los circuitos. El propósito de mantener estos dos puntos inicialmente independientes es asegurar la separación de ambos sistemas dentro del equipo y, en segundo lugar, proporcionar puntos únicos de conexión para los circuitos exteriores de puesta a tierra de la instalación completa. Además se evita la existencia de posibles bucles de tierra.

A continuación exponemos unas recomendaciones generales:

§ Cada parte del equipo debe presentar un punto de buena conexión eléctrica a la carcasa metálica.

§ En instalaciones con múltiples equipos distintos, todos los puntos de puesta a tierra individuales deben unirse a un único punto de referencia común.

§ Por lo que se refiere a los circuitos de control, igualmente cada subsistema de control debe presentar un punto común.

§ Existen varios métodos para interconectar los comunes de control. En la practica, ante un problema real debe usarse una combinación juiciosa de métodos de conexión de masas.

§ Tanto la puesta a tierra como el común de control no deben tener más que un solo conductor que salga de la carcasa metálica.

§ Cuando sea recomendado por el fabricante, cada conjunto importante de equipos puede tener su electrodo individual de tierra para ser usado únicamente como punto de referencia cero de los circuitos de control, minimizando entonces mediante condensadores las diferencias de potencial de este punto con respecto de los de puesta a tierra de las carcasas.

§ En un sistema que tenga partes de control físicamente separadas, deben estudiarse con mucho cuidado las interconexiones con objeto de evitar bucles de tierra inadvertidos. Siempre que fuera posible la interconexión debe hacerse por medio de relés, acopladores ópticos, etc., con objeto de evitar los bucles de tierra.

Como ejemplo de esto tenemos el circuito de la figura:

Veamos a continuación como deben realizarse las interconexiones interiores de los sistemas de masas del equipo.

Lo ideal, desde el punto de vista de los acoplamientos de interferencia, sería que cada circuito o subsistema del equipo dispusiera de su propio conductor de retorno, con lo que se eliminaría la posibilidad de que existieran acoplamientos por impedancias comunes.

Un problema muy general es el cierre de corrientes a través de capacidades parásitas formando, además bucles imprevistos en los que se pueden inducir perturbaciones de origen inductivo. Una posible solución sería utilizar conductores de retorno independientes y apantallamiento correcto de los cables.

El problema de los retornos se presenta de forma acusada en los conductores de alimentación, ya que por ellos circulan corrientes relativamente altas. Se debe aplicar el principio de no compartir conductores, de modo que cada unidad del equipo tenga su propio retorno a un punto común de distribución de las alimentaciones. A veces tal conexión no es posible por la complicación del cableado que supondría. En la figura adjunta se representa un ejemplo en el que se ha utilizado un plano de masa para minimizar la impedancia de la zona común de alimentación de todas las tarjetas de un equipo, y que a su vez este se une en un único punto con el resto de alimentaciones.

Otra norma importante para evitar la existencia de bucles es el concepto de único punto de conexión a masa. Es decir todos los componentes, pantallas de cables, pantallas de transformadores, etc., deben ponerse a masa en un único punto a través de conductores separados. Las conexiones deben ser gruesas y cortas, con el fin de despreciar sus caídas de tensión que ocasionen perturbaciones en los circuitos más sensibles.

Otro punto sensible de los equipos lo constituyen los cables de entrada, ya que son caminos naturales por los que perturbaciones exteriores pueden penetrar en el equipo. A continuación exponemos un resumen de las normas básicas a seguir:

§ Trenzar los pares de conductores con objeto de presentar la menor área posible a los acoplamientos inductivos.

§ Apantallar los cables con objeto de evitar el acoplamiento capacitivo, conectando las pantallas al punto general de masa. Este punto general de masa debe estar, además, situado cerca de la entrada de cables de cables del equipo para evitar que estas conexiones radien interferencias en el interior.

La mayoría de los circuitos electrónicos utilizan un máximo de tres retornos de masa: masa de los circuitos digitales, masa de los circuitos analógicos y masa de los elementos de potencia. Además existe el sistema de conexiones de tierra de los chasis o racks Estos cuatro sistemas se unirán después entre sí en un solo punto, cerca de la tierra de entrada (ver figura).

En otros casos se puede utilizar el concepto de masa separadas, reuniendo por una parte las masas de los circuitos y por otra, las tomas de tierra de los chasis. Se unirán después en una conexión lo más corta y robusta posible (figura siguiente).

El objetivo primordial al estudiar estas interconexiones es la eliminación de cualquier bucle de masa y los retornos de corriente a través de la masa entre subsistemas. Por eso cada bloque ha de tener su propio punto de masa flotante con respecto al chasis, y el chasis debe conectarse al terminal principal de tierra del equipo.

e.1- Impedancia de los cables de masa

Podemos distinguir en el esquema equivalente de la impedancia de un cable conductor los siguientes componentes:

• Una componente resistiva que depende de la longitud del cable, de la sección del mismo y del material con que este fabricado.

• Una componente inductiva.

Esta impedancia, que depende de la frecuencia, es tanto mayor cuanto mayor sea la frecuencia de las señales, y en circuitos electrónicos donde hay fenómenos de conmutación, pueden aparecer componentes armónicos de frecuencia extraordinariamente altas (10 a 100 MHz).

Por eso, cuando un cable de conexión a masa discurre cierta distancia junto a un plano de masa o un chasis antes de conectarse a él, se comporta como una línea de transmisión. El circuito equivalente de esta línea de transmisión se puede considerar una red LRC, siendo L y C los componentes que determinan la impedancia característica de la línea Zo.

Cuando la frecuencia de funcionamiento aumenta, la reactancia inductiva supera la resistencia del cable y la impedancia del cable aumenta hasta el primer punto resonante paralelo. En este punto la impedancia vista desde el extremo del cable es alta (cientos de ohmios) y esta determinada por la pérdida resistiva en el circuito. Después de la primera resonancia, la impedancia para un circuito sin pérdidas sigue la ley:

donde x es la distancia desde el principio del cable hasta el cortocircuito.

Encontrándose frecuencias resonantes sucesivas en serie (baja impedancia) y en paralelo (alta impedancia),como se puede apreciar en la siguiente figura:

Impedancia de cables largos puesta a masa

Se puede apreciar que según se aumenta la frecuencia, las pérdidas aumentan debido al efecto pelicular y los picos resonantes y los puntos de valor nulo se hacen menos pronunciados.

Este efecto pelicular consiste en que a altas frecuencias, la corriente tiende a circular a través de la superficie del conductor, mas que a través de toda la sección, por lo que se reduce su sección efectiva, con el consecuente aumento de la impedancia y su correspondiente aumento de las pérdidas. Para solucionar este problema se usan cables huecos, que tengan la mayor superficie posible.

La impedancia de las líneas de masa son, sin duda, el origen del mayor número de perturbaciones en los circuitos electrónicos, son incluso peores que las interferencias en las líneas de alimentación, ya que estas se pueden filtrar con mayor facilidad. Además, estas impedancias son un camino de acoplamiento entre circuitos de potencia y de señal, ya que los retornos de ambas se producen a través de los conductores de masa.

Debido a eso que sea necesario minimizar tanto la resistencia como la inductancia de los conductores de masa.

Para considerar al cable de conexión a masa como un conductor eficaz, la longitud de este ha de ser menor a 1/20 de la longitud de onda de funcionamiento más corta, con esto conseguimos estar muy por debajo de la primera resonancia.

e.2- La toma de masa de seguridad

La toma de masa de seguridad (cable verde y amarillo) no es una masa de RF. Muchos diseñadores dirían que todo se deriva a tierra mediante el cable verde y amarillo, sin tener en cuenta que el cable tiene una impedancia alta y variable en RF. En general, la conexión de toma de masa de seguridad no es necesaria para la finalidad de la EMC: después de todo los aparatos con funcionamiento a pilas pueden funcionar muy bien sin ella.

Una buena conexión de baja impedancia para una referencia RF proporcionada localmente por un chasis, estructura o placa es necesaria y en muchos casos se debe proporcionar en paralelo con la toma de masa de seguridad. Por otro lado, si se consideran las emisiones de la red o las perturbaciones que entran por la toma de red, las cuales se propagan en modo común con respecto a la tierra de seguridad, resulta que en este caso si es necesaria una toma de tierra para conseguir la finalidad perseguida por la EMC, y se deben añadir, por tanto, los condensadores de filtro. No es porque sea una conexión a masa sino porque es la trayectoria de retorno para las corrientes parásitas.

Puede llegar a darse el caso de sacar la toma de seguridad fuera del circuito RF deliberadamente, insertando una bobina de choque del valor nominal de corriente adecuado en serie con ella, para ofrecer una trayectoria alternativa a las corrientes parásitas que invadan o circulen dentro del sistema, ya que interrumpir esta trayectoria en una manera sencilla de mejorar la EMC.

e.3- Resumen

Aquí exponemos una serie de normas referentes a la disposición e interconexión de las tomas de masa y tierra desde el punto de vista de la mejora de su comportamiento frente a las interferencias electromagnéticas.

§ En todo diseño siempre debe realizarse un estudio de la distribución de masas.

§ En las placas con mezcla de circuitos digitales y analógicos, dedicar líneas de masa independientes a cada tipo de circuitos.

§ El cableado también debe separarse según “familias” de circuitos: potencia c.a., potencia c.c., circuitos digitales, circuitos analógicos, señales de bajo nivel, etc. de modo que no compartan conductores entre ellos.

§ Utilizar planos o rejillas de masa y extender su área lo más posible.

§ Un sistema de baja frecuencia debe tener un mínimo de tres masas de retorno separadas: masa de señal, masa de alimentación y masa de potencia, unidas a un sólo punto de tierra.

§ Realizar una única conexión del terminal cero voltios al chasis.

§ A bajas frecuencias, usar pares trenzados blindados o cable triaxial para las interconexiones.

§ A bajas frecuencias, utilizar un sistema de único punto de masa para interconectar subsistemas.

§ A altas frecuencias, utilizar un sistema de masa distribuida, con múltiples puntos de conexión a un plano de masa con potencial constante.

§ Eliminar los bucles de corriente en la masa o minimizar su área.

§ Conectar en un sólo extremo la pantalla de los cables utilizada para proteger las señales de bajo nivel en baja frecuencia.

§ En alta frecuencia, conectar a masa en más de un punto los blindajes utilizados para proteger las señales de bajo nivel.

§ Suprimir conexiones comunes de masa entre equipos de bajo nivel y otros de alto nivel.

§ Los métodos generales para romper bucles de masa son: transformadores de aislamiento, optoacopladores, amplificadores diferenciales y amplificadores protegidos en su entrada con un circuito de guarda.

§ Hacer las conexiones a masa lo más cortas posible. Recordar que la impedancia de un conductor normalmente tiene más componente inductiva que resistiva.

3.5 ) TRAZADO DE LA PLACA DE UN CIRCUITO IMPRESO

Debemos tener en cuenta desde un principio que la forma en que se diseña una placa de circuito impreso puede suponer una gran diferencia con respecto al comportamiento EMC global del producto que la incorpora. Todos los principios anteriormente señalados se deben aplicar a la placa de circuito impreso, destacando lo referido a la partición, estructuración de la partición y disposición de la conexión a masa. Esto implica el tener una considerable atención en el diseño de la estructura, especialmente cuando el material gráfico se genera por medio de un sistema de diseño asistido por ordenador, que puede llegar a diferir de nuestro comportamiento deseado en la práctica. Normalmente, el software del diseño asistido por ordenador funciona nodo a nodo, de modo que si se le permite, tratará el sistema de conexión a masa entero como un nodo, con resultados desastrosos para el comportamiento de la frecuencia si no se corrige.

La forma en que se diseña una placa de circuito impreso (si se desestima la construcción de capas múltiple con planos de masa y de alimentación eléctrica) es empezar dibujando las pistas de masa, manualmente si hace falta, para incorporar después las señales críticas, como reloj de alta frecuencia o nodos sensibles que se deben llevar cerca de sus retornos de masa, y después orientar el resto del circuito a voluntad. Se debe proporcionar con el esquema del circuito toda la información que sea posible, para ofrecer al delineante del proyecto la asistencia necesaria en el comienzo.

Por ello las especificaciones que no se pueden obviar son:

q Partición física de los submódulos funcionales sobre la placa;

q Requisitos para buscar los componentes sensibles y los puertos E/S;

q Marcados en el diagrama del circuito, los diversos nodos de masa diferentes que se utilicen, junto a los que sus conexiones se deben considerar como críticas;

q Lugares en los que los nodos de masa se pueden poner en común juntos y en los que no se deben;

q Que pistas de señal se deben llevar cerca de las pistas de masa, más cualquier restricción en el encaminamiento de las pistas de señal.

a.- Trazado de la masa sin un plano de masa

a.1.- Impedancia de la pista:

Se debe prestar una cuidadosa atención a la colocación de las conexiones a masa ya que se consiguen grandes logros en la reducción de las tensiones parásitas que se desarrollan a través de las impedancias de masa. Pero se debe tener en cuenta que en cualquier circuito impreso complejo no resulta práctico eliminar completamente las corrientes de masa circulantes. El otro aspecto del diseño de conexiones de masa es reducir al máximo el valor de la propia impedancia de masa.

La impedancia de pista está condicionada por la inductancia a frecuencias por encima de unos pocos KHz. Se puede reducir la inductancia de una conexión de dos formas:

· Reduciendo al mínimo la longitud del conductor y si es posible aumentando su anchura.

· Llevando su trayectoria de retorno paralela y cerca de ella.

La inductancia de una pista de circuito impreso esta, primordialmente, en función de su longitud, y sólo de manera secundaria, en función de su anchura. Para una pista única de ancho "w" y altura "h" sobre un plano de masa, la ecuación de la inductancia es:

L = 0.005 ln mH por pulgada

Debido a la relación logarítmica de la inductancia y ancho, doblar el ancho sólo produce una reducción del 75% en la inductancia. Colocar las pistas en paralelo sólo reducirá la inductancia pro rata si están separadas por una distancia suficiente que neutralice el efecto de la inductancia mutua. Para los conductores finos espaciados a más de un centímetro, los efectos de la inductancia mutua son despreciables.

a.2.- Masas en forma de rejilla:

Cuando la colocación de las pistas de masa se encuentran en paralelo, lo más lógico es formar un trazado de masa en forma de rejilla. Esto eleva al máximo el número de trayectorias diferentes que puede seguir corriente de retorno y, por lo tanto, reducir al mínimo la inductancia de masa para cualquier ruta de la señal dada. Este diseño es muy adecuado para esquemas digitales de múltiples bloques, cuando los caminos individuales de señal / retorno son demasiado complicadas de definir.

Se prefiere una pista de masa ancha a una estrecha para lograr una inductancia mínima, pero incluso una pista estrecha que enlace dos puntos es mejor que ninguna. El esquema de la rejilla se logra mejor dibujando la rejilla antes de colocar las pistas de señal o de alimentación. Se puede seguir el sistema X-Y de encaminamiento para las placas de doble cara, en donde las pistas de dirección X están todas colocada en un lado y las de dirección Y en el otro, si la impedancia de agujero de la vía se reduce al mínimo. Las pistas de señal ofensiva (di/dt altas) se pueden colocar cerca de las pistas de masa para mantener pequeña la zona global de bucles; esto puede implicar pistas de masa adicionales, lo que se debe considerar como una mejora aceptable.

a.3- Modelos de masa según el tipo de circuito:

Debemos hacer una clara distinción entre los circuitos analógicos de precisión de baja frecuencia, que no deben compartir la misma conexión a masa que los circuitos digitales porque el ruido digital de masa puede corromper su funcionamiento. Por ello, hay que definir las trayectorias de masa para impedir un acoplamiento por impedancia común. Si el ancho de banda de esos circuitos es bajo, el ruido de alta frecuencia debido a la inductancia de masa es un problema menor.

Es perfectamente correcto definir áreas separadas a masa para las diferentes clases de circuitos , de modo que cada área represente una red multipunto, mientras que el punto de unión entre áreas representa una conexión por punto único. El único tipo de configuración de masa que no se debe utilizar en ninguna clase de circuito es el tipo "peine", en el que sus "púas" de masa parten de un lado de la placa. Esta configuración fuerza a las corrientes de retorno a fluir en un bucle ancho, incluso cuando la pista de la señal es corta y directa, y contribuye tanto a un mayor acoplamiento por radiación como a una mayor generación de ruido de masa.

La significativa impedancia común de masa introducida entre los bloques de la placa puede provocar un mal funcionamiento del circuito. El peine puede convertirse en una rejilla auténtica añadiendo pistas de puenteo a intervalos entre las "púas".

b.- El plano de masa

La principal limitación a la utilización de la masa de rejilla es cuando se proporciona un número enorme de trayectorias paralelas y el conductor de masa debe ser continuo, lo que se conoce entonces como plano de masa. Es fácil de llevar a cabo con una placa de varias capas, ofreciendo la menor inductancia de trayectoria de masa posible. Esto es esencial para los circuitos RF y para los circuitos digitales con altas velocidades de reloj, además ofrece las ventajas adicionales de una mayor densidad de montaje de componentes y una impedancia característica definida para todas las pistas de señal. Una configuración normal de cuatro capas incluye una pista de alimentación eléctrica como un plano separado, lo que proporciona una masa de alimentación de baja impedancia a altas frecuencias.

Puesto que la finalidad principal de la EMC de un plano de masa es proporcionar una masa de baja impedancia y un camino de retorno de alimentación para reducir al mínimo el ruido de masa inducido, los efectos del blindaje sobre las pistas de señal son secundarios y, en ciertos casos, se ven anulados por las componentes de sus hilos conductores, las cuales circulan por la placa.

En general, si se ponen los planos de alimentación y de masa exteriormente con respecto a los planos de señal en las placas de cuatro capas, especialmente si se considera el agravante adicional que hay en la comprobación, los diagnósticos y en la nueva realización del trabajo. La excepción estará en donde haya un acoplamiento de campo eléctrico significativo (dv/dt) hacia o desde las pistas que exceda el acoplamiento debido a los componentes. En este caso, poner los planos de masa y alimentación en la parte exterior de la placa proporcionará una protección de campo eléctrico a estas pistas, pero no es frecuente que ese acoplamiento sea el factor dominante.

Para un plano de masa finito, los puntos centrales verán la impedancia ideal, mientras que los puntos cercanos al exterior verán valores mucho más altos, ya que la impedancia se hace marcadamente inductiva. De esto se deduce que componentes o pistas críticas nunca han de situarse cerca de los bordes del plano de masa.

b.1- Plano de masa en la placa de circuito impreso de doble cara:

Es posible realizar un plano de masa parcial en las placas de circuito impreso de doble cara. No podemos lograr esto simplemente rellenando de cobre todo el espacio sin utilizar y conectándolo a masa. Puesto que la finalidad del plano de masa es proporcionar una trayectoria de masa de baja inductancia, se debe colocar por debajo, o por encima, de las pistas que necesiten este retorno de baja inductancia. En las frecuencias altas, la corriente e retorno no tomará la trayectoria de vuelta geométricamente más corta sino que fluirá preferiblemente en la vecindad de su trazado de señal. Esto es así porque esa ruta encierra el área más pequeña y consiguientemente, tiene menor inductancia total. Por tanto, la utilización global de un plano de masa garantiza que la trayectoria óptima de retorno siempre esta disponible, permitiendo que el circuito consiga un área mínima de bucle inductivo por sus propios medios.

Plano de masa parcial:

Como ya habíamos introducido en el apartado anterior, no es necesario cubrir todo el área de cobre par obtener un buen plano de masa, ya que es posible reducir la zona del plano de masa y mantenerla solamente bajo las pistas culpables.

Suponiendo el caso de tener dos pistas idénticas sobre la superficie del circuito impreso y siendo una de ellas la pista de vuelta de la otra (corrientes en sentidos opuestos) vemos que la inductancia total viene dada por: L=L1+L2-2M ; Donde L1 y L2 son las inductancias de cada pista y M es la inductancia mutua entre ellas.

El factor M es inversamente proporcional a la separación entre las pistas.

Por contra, la inductancia de dos pistas idénticas que transportan corriente en la misma dirección viene dada por: L=(L+M)/2

De modo que una separación menor de las pistas incrementa la inductancia total, ya que el plano de masa transporta la corriente de retorno de las pistas de señal que se encuentran por encima de él, se debe dejar tan próximo a las pistas como sea posible para mantener la inductancia del bucle al mínimo. Para un plano de masa continuo, este factor viene dado por el espesor de la placa de circuito impreso.

b.2.- Interrupciones en el plano de masa:

Lo principal que debemos intentar lograr es que el plano sea continuo en la dirección del flujo de corriente. Cualquier tipo de desviación de este plano continuo aumenta de forma eficaz el área del bucle y por tanto su inductancia. Si es necesario alguna interrupción en el plano de masa es preferible introducir alguna pista de puenteo al lado de una pista de señal crítica, ya que si esta no existe el camino a recorrer por la masa en su vuelta es enorme por lo que la inductancia toma valores altos, con el peligro que ello conlleva.

Como se ve, una interrupción en el plano de masa, que interrumpa el flujo de corriente, anulará su efecto beneficioso. En los lugares donde se utilice una placa de dos caras con un plano de masa parcial, las pistas de puenteo deben discurrir contiguas a las pistas críticas, sobre todo las de reloj.

b.3.- Efecto de Diafonía:

Para combatir la diafonía digital , una buena solución es un plano de masa, que es estrictamente hablando, un fenómeno de EMC interno. El acoplamiento por diafonía entre dos pistas está provocado por las rutas de impedancia de masa común inductivas y capacitivas. El plano de masa lo que nos permite es reducir considerablemente la impedancia común de masa Zg, entre 40-70 dB. La mejora real no es tan buena como esta, ya que la corriente de retorno se propaga hasta cierto punto desde justamente la parte inferior de la pista de señal.

También podemos conseguir con el plano de masa la posibilidad de reducir el acoplamiento por inductancia mutua al asegurar que los bucles de corriente acoplados no son coplanares. El acoplamiento capacitivo no esta directamente afectado por el plano de masa, sino que una impedancia de línea reducida reducirá la amplitud de la diafonía capacitiva.

c- Área de bucle

Como ya se ha comentado en el apartado anterior, la principal ventaja de un plano de masa es que permite reducir el área de un bucle radiante. Esto garantiza la mínima emisión en modo diferencial de la placa de circuito impreso y también la captación mínima de los campos radiados. Si no se utiliza un plano de masa, es aún posible garantizar un área mínima de bucle al trazar las pistas o cables que transportan la señal de un circuito de alta di/dt, o un circuito susceptible, cercanas unas con otras.

La utilización de componentes de dimensiones físicas pequeñas y el mantenimiento de la distancia de separación tan pequeña como sea posible de acuerdo con las reglas de trazado, también contribuye a minimizar las consecuencias de los bucles. Esos circuitos (por ejemplo, lo de reloj o las entradas sensibles), no deben tener su origen y su destino muy separados. Lo mismo es aplicable a las rutas de alimentación. Las corrientes parásitas de la fuente de alimentación deben ser desacopladas a masa cerca de su origen mediante varios condensadores de pequeño valor bien distribuidos sobre la placa.

La siguiente figura muestra dos casos de mala disposición desde el punto de vista de la reducción al mínimo de los bucles de alta di/dt. El primero se refiere al microprocesador 68HC11, cuya salida del reloj E a 2 MHz alimentaba una puerta 74HC00 con fines de temporización. Otra salida del 74HCOO era realimentada a un puerto de entrada en el microprocesador. Los dos Microprocesadores estaban colocados juntos de modo que las pistas de señal eran relativamente cortas (5cm.). Desgraciadamente sus retornos de OV estaban conectados a extremos diferentes de una larga pista de masa, por lo que las corrientes de retorno de onda cuadrada de 2 MHz fluyeron alrededor de un bucle que prácticamente abarcaba todo el área de la placa.

El simple enlace desde el punto A al punto B (una pista adicional corta), redujeron la emisión de armónicos de orden superior de 2 MHz en 15-20 dB. Se obtuvo otra mejora adicional de varios dB al volver a diseñar la placa con un verdadero sistema de masa de rejilla.

Área de bucle: estudios de casos

El segundo ejemplo es una pequeña fuente de alimentación conmutada y aislada que utiliza un MOSFET de potencia que funciona a 400 KHz. Los tiempos de transición eran del orden de 10 ns, por lo que el contenido armónico de la forma de onda de conmutación llagaba a los 100 MHz. El condensador de desacoplamiento electrolítico, se colocó a varios cm. de los otros componentes con el resultado de que existió un bucle de corriente de gran superficie entre las pistas de alimentación y masa (a pesar de que las pistas eran razonablemente anchas). La inclusión de un condensador de desacoplo RF de 47 nF justo al lado del transistor de potencia y el transformador redujo la corriente de alta frecuencia que fluía en este bucle hasta el punto de que las emisiones conducidas por encima de 10 MHz cayeron a 20 dB.

c.1- La ventaja del montaje superficial

Este tipo de tecnología de montaje superficial o SMT (surface mount technology) ofrece componentes de menor tamaño y, por tanto, debe reducir el acoplamiento parásito ya que el área global del bucle puede ser más pequeña. De hecho, este es el caso, pero para beneficiarse totalmente de la SMT es necesaria la construcción de una placa de capas múltiple, con plano de masa. Hay una ligera mejoría cuando se vuelve a diseñar una placa a doble cara para componentes SMT; Ello se debe principalmente a la reducción del tamaño global de la placa y a la reducción de la longitud de las pistas individuales. El acoplamiento predominante se da en las pistas más que en los componentes.

Cuando utilizamos una placa de capas múltiples, el área del bucle se reduce a la longitud de las pistas por la altura del plano de pista a masa. Ahora, el acoplamiento dominante viene del área adicional introducida por el cableado externo de los componentes. Por tanto, la reducción de esta área gracias a los componentes SMT merece la pena, para los fines EMC, la SMT y la construcción del plano de masa en capas múltiples se complementa mutuamente.

Otra ventaja del montaje en superficie es que más que aprovecharse de la reducción del tamaño de los componentes para añadir más funciones en una zona dada de la placa, se puede reducir la superficie necesaria para una función dada. Esto deja más espacio para definir zonas tranquilas de E/S y para instalar componentes de expresión y filtrado cuando se comprueban que son necesarios.

d.- Configuración de la masa E/S

Para las técnicas de desacoplamiento y de protección para reducir las corrientes en modo común que aparecen en los cables requerimos una "zona limpia" de masa que no esté contaminada por el ruido generado internamente. Esto forma la estructura de conexión a masa de baja impedancia de transferencia, para cables de interconexión.

El filtrado de altas frecuencias está próximo a la inutilidad sin esa masa. A menos que se considere esto como una parte del esquema en las primeras fases del diseño, no se podrá disponer de ella de manera fiable. Se debe proporcionar una conexión limpia a masa agrupando todos los cables E/S en una zona y conectar sus protecciones y condensadores de acoplamiento a un plano de masa separada en esta zona. Una masa limpia puede ser una zona separada de la placa del circuito impreso, o puede ser una placa metálica sobre la que están montados los conectores. La conexión externa a masa (que puede ser simplemente la toma de tierra de seguridad de la red eléctrica) y la caja metálica o metalizada, si se usa una, también está conectada aquí, mediante un enlace de baja inductancia. La siguiente figura, muestra una estructura típica para un producto con secciones digitales, analógicas y de interfaz.

Puesta a masa de las interfaces

Esta masa limpia solo se debe conectar a la masa lógica interna en un punto. Esto evita que las corrientes de ruido fluyan a través del plano de masa limpio y lo contamine. No se permiten otras conexiones a la masa limpia. Además de prevenir las emisiones en modo común, esta disposición también deriva las corrientes perturbadoras de entrada (transitorios o RF) a la masa limpia, evitando que fluyan a través de circuitos susceptibles. Si por otras razones es esencial tener cables de interfaz con la unidad o placa del circuito impreso en diferentes lugares, también se los debe acoplar a una masa limpia, es decir, una en la que no fluyan las corrientes del circuito. En este caso, una placa de chasis es obligatoria. Se pueden garantizar estos requisitos dedicando una zona a lo largo de un borde de la placa de circuito impreso al plano limpio de masa, incluidos los elementos de supresión, filtrado inductivo, capacitivo y resistivo de E/S en el (pero no otros circuitos), y separando completamente el circuito de 0V de el o por un único enlace de conexión. Los circuitos críticos a RF deben separarse de la zona de E/S.

Para la protección ESD, el circuito de masa debe ser referenciado a la masa del chasis. Esto se puede hacer fácilmente haciendo un agujero que atraviese la placa en la pista de masa y colocando un separador aislante. Si ha habido aislamiento de corriente continua entre las dos masas en este punto, utilizar un condensador de 10-100 nF de RF (cerámico o poliéster). Se puede proporcionar una masa limpia de E/S a las tarjetas que se enchufan a un bastidor utilizando contactos con uñas de fijación para unir esta pista de masa directamente al chasis.

d.1- Circuitos separados de masa

No se debe extender nunca un plano de masa digital sobre una sección analógica de la placa de circuito impreso, ya que esto acoplará ruido digital al circuito analógico. Se puede hacer una conexión por punto único entre las masas digitales y analógicas en el conversos A/D del sistema. Es muy importante no conectar la circuitería digital de manera separada a una masa externa. Si se hace esto, se establecen trayectorias adicionales de corriente que permiten al ruido del circuito digital circular.

Las interfaces directas a la circuitería digital (por ejemplo, un puerto de E/S), deben pasar por una etapa intermedia separadora, de modo que no necesitan ser referenciadas al 0v digital. La mejor interfaz consiste en un optoaislador o un relé, pero claro, esto es caro. Cuando no hay presupuesto para el aislamiento, es preferible un CI separador que pueda ser referenciado a la mas de E/S; de lo contrario se puede realizar una etapa intermedia con una resistencia en serie o una bobina de choque y desacoplar la línea en la interfaz de la placa (no en cualquier sitio en el medio de la placa) con un condensador y/o un filtro supresor de parásitos a la masa limpia.

No se debe olvidar cómo la partición del sistema es esencial para permitir la agrupación de los cables de E/S lejos de las secciones ruidosas o susceptibles. Además, el cable de la red, en lo que se refiere a la EMC, es otro cable de E/S. Si se está utilizando un filtro para la red eléctrica en forma de bosque, se puede montar directamente sobre la placa de masa "limpia" de referencia.

d.2- Conexión de la pantalla del cable

El desacoplamiento de E/S es de crítica importancia, porque es vital para mantener las corrientes parásitas en modo común del cable al mínimo. Si la pantalla del cable o retorno se toma en un punto incorrecto con respecto al condensador de desacoplo de ataque de salida, las transiciones de corriente de alta velocidad sobre la alimentación de control (que fluya a través de las pistas del condensador de desacoplamiento) genera una tensión de ruido den modo común VN que se lleva al cable y que aparece como emisión radiada. Las pantallas de los cables se deben llevar siempre al punto de menor ruido con respecto a la masa de referencia del sistema.

Punto de desconexión de las pantallas en cables de E/S

e.- Reglas para diseñar la placa del circuito impreso

Como es poco práctico optimizar la estructura de la masa en todos los circuitos individuales de señal, hay que concentrarse en aquellos que suponen una amenaza mayor. Éstos son los que transportan las di/dt más altas con más frecuencia, sobre todo las líneas de reloj, las líneas de buses de datos, los osciladores de donde cuadrada en sistemas de potencia, especialmente en las alimentaciones conmutadas de potencia. Desde el punto de vista de la susceptibilidad, los circuitos sensibles (sobre todo las entradas disparadas por flanco, los sistemas sincronizados y los amplificadores analógicos de precisión) se deben tratar de la misma manera. Una vea que se ha identificado y particionado estos circuitos, se puede prestar una mayor atención a su inductancia de bucle y a su acoplamiento de masa. El objetivo debe ser garantizar que las corrientes perturbadoras de masa circulantes no tengan oportunidad de entrar o de abandonar el sistema.