RECOMENDACIONES PRACTICAS PARA LA PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS ELECTRONICOS SENSIBLES. Departamento de Electrónica

Equipos electrónicos sensibles EES Computadores PLC Sistemas de control Audio y video

Para una operación eficiente los debemos aislar del ruido, de las instalaciones donde residen y de las mallas de tierra de los equipos de potencia. Aislar las tierras puede ser una buena solución pero no siempre es permitido.

Históricamente computadores y otros equipos electrónicos sensibles (EES), han requerido de sus fabricantes de un “sistema de tierra aislado”, separado del sistema de tierra de potencia. Esto con el propósito de aislar a estos equipos del “ruido del sistema de tierra” de los equipos eléctricos de potencia. Lo cierto es que el sistema de tierra de potencia es ruidoso; efectos capacitivos y corrientes de fugas abundan en él.  

En todo sistema eléctrico-electrónico sobre todo los que dominan la generación actual (telecomunicaciones, informática, control de procesos, microprocesadores, robótica, etc.) operan a voltajes muy bajos y en altas frecuencias, una pequeña diferencia de potencial entre sus partes o componentes puede causar serios problemas.

Recordemos que la puesta tierra tiene como propósito Proveer un camino adecuado de retorno al sistema de suministro eléctrico, de baja impedancia para la operación de los equipos, así como un medio de establecer la corriente de falla para las protecciones y desconexión de la fuente. Limitar el voltaje de toque entre equipos y equipos con tierra, para evitar riesgos de shock eléctrico.

Proveer una esencial referencia a los equipos electrónicos por la eliminación de las diferencias de potencial entre diferentes componentes del sistema. ·Suministrar una protección contra perturbaciones electromagnéticas a los equipos electrónicos sensibles. Esto es el “apantallamiento” de los equipos, que opera como un escudo de protección contra cualquier tipo de inducción electromagnética.

DEFINICIONES IMPORTANTES

Sistemas Electrónicos Distribuidos, SED: Equipamiento de tipo computacional (mainframe; microcomputadores; multi y simples controladores de lazo; Controladores Lógicos Programables (PLC); computadores personales; interfaces de entrada y salida; y periféricos), conectados vía redes de comunicación para la transmisión de datos.

Comunicaciones punto a punto: Es la comunicación (o conexión) equipo a equipo. Esta también puede ser referida como de un “dispositivo a dispositivo” o conexión “inter-subsistema”.

Plano de Tierra: Un electrodo, equipo, edificio, grupo de edificios, o áreas que tiene la misma resistividad. La resistencia de tierra no es constante y puede variar significativamente de una localidad a otra. Una área tiene dos o más resistencias de tierra.

Tierra Lógica: Es el camino común de retorno (electrónica dc) encontrados en muchos sistemas computacionales. Topología: Es un termino usado para describir cuando una red es organizada, ordenada es interconectada.

El mantener un nivel apropiado y seguro en la diferencia de potencial para el ser humano, no garantiza el nivel de ruido adecuado, para la generalidad de los equipos electrónicos (menor a 0,50 volt) entre componentes por lo que se requieren, análisis posteriores y específicos al caso en cuestión. La conexión a tierra de todos los equipos eléctricos - electrónicos es requerida tanto por seguridad como punto de referencia al sistema. Debe existir una perfecta equipotencialidad entre todos los componentes del sistema y tierra

Por otro lado se debe decir que los problemas en la conexiones de los EES vienen principalmente de la conexión a varios puntos del sistema de tierra, incurriendo en lo que se comúnmente se conoce como “lazo de tierra”. Donde un sistema computacional es conectado a múltiples puntos del sistema ruidoso, lo cual provee otros caminos para ciertos voltajes de ruido. Algunas de las corrientes circulantes en el sistema de tierra de potencia ahora fluyen a través del circuito de tierra del equipo computacional, introduciendo falsos voltajes en estos. Este trayecto, interfiere con el sistema de señales normales de los computadores causando errores.

OPERACIÓN DE SISTEMAS DE TIERRA AISLADA

Con un sistema de electrodo de tierra aislado para computadores por ejemplo, pueden acontecer los siguientes problemas: El equipo computacional y unidades satelitales (U.C.) son conectadas juntas, aislados del sistema de tierra del edificio y del de potencia, para que estos ruidos no sean inyectados en los computadores.

Si algo ocurre que eleva la tensión de la tierra del edificio con respecto de la tierra del sistema computacional, importantes voltajes son desarrollados entre el equipo computacional y la tierra del edificio. Esto puede ocurrir producto de un relámpago sobre el edificio o sobre las líneas de alimentación del edificio. Este voltaje y la capacitancia entre el edificio y el equipo computacional imprimen un apreciable voltaje sobre el computador y los componentes, pudiendo ocasionar la destrucción de muchos de los transistores y diodos del sistema computacional.

En una eventual falla a tierra en el sistema de alimentación del equipo computacional, la relativamente alta resistencia del electrodo aislado de tierra puede ser bastante alta para no provocar la operación de los dispositivos de protección de falla, y el voltaje del circuito permanezca entonces sobre el circuito de tierra del computador, provocando un riesgo y posiblemente señales dañinas en los dispositivos de entrada

Cuando unidades remotas (satelitales) son aterrizadas a un electrodo aislado de tierra en su localidad (lejos de la edificación principal), una diferencia de potencial puede desarrollarse entre estas unidades y los dispositivos semiconductores principales pudiendo provocar su destrucción, de estos. El uso de un repetidor llamado “módem”, es recomendable debido a que cuenta con un buen sistema de aislación.

SISTEMA DE TIERRA COMÚN (TSPG) Una posible solución a estos problemas es lograda por la “puesta a tierra radial”, en donde las conexiones de tierra interna de los distintos elementos del sistema computacional deben ser dirigidas (con alambre aislado de 600 V), a un punto dentro del ensamblaje y este punto debe ser conectado a la tierra del edificio. Siendo el punto preferible el punto del cual “deriva el sistema de alimentación” o el secundario del transformador de alimentación, pero puede ser cualquier otro punto sobre el sistema de tierra del edificio.

ESQUEMAS DE TIERRA EXISTENTES Existen cuatro tipos de esquemas que son utilizados normalmente para la puesta a tierra de sistemas de equipos electrónicos distribuidos (SED’s), estas técnicas son · Esquema Convencional. · Esquema de Tierra de punto-único. Esquema Total de Tierra de punto-único. Esquema de malla de referencia de señal

El esquema convencional utiliza el esquema de aterrizamiento que dispone el edificio, no incluyendo el uso de enchufes de tierra aislada (IG, ground isolated). El uso de la tierra convencional puede ser encontrada en SED utilizando computadores personales (PCs) y Controladores Lógicos Programables (PLC’s). Pero su utilización no es recomendada para varios SED’s debido a que:

Puede resultar con un excesivo ruido sobre el sistema de tierra (un resultado típico es la formación de lazos de tierra). Pueden acentuar el nivel de resistencia de los SED cuando ocurre una sobretensión, típicamente como resultado de planos de tierra juntos. Pueden no ser compatibles con los esquemas de tierra montados por los vendedores de hardware (por ejemplo, más vendedores de PLC tienen especificados los esquemas de aterrizamiento del hardware

Pueden no ser fáciles de modificar al compatibilizarlos con equipos que puedan requerir un esquema de aterrizamiento computacional. Pueden no ser aprobados por los técnicos de PC/PLC como satisfactorios si ocurren problemas (porque el aterrizamiento no esta instalado según las instrucciones del vendedor). La puesta a tierra puede llegar a ser inefectiva con la llegada de nuevas tecnologías computacionales más veloces y de equipos ampliados.

El esquema de tierra de punto único (SPG, single-point ground o tierra común) es la técnica más escogida entre fuentes, instrumentos y minicomputadores, SED y usuarios industriales El SPG provee una tierra relativamente libre de ruido para la tierra lógica de los SED. Esta es complementada con una tierra convencional para el sistema de tierra de seguridad (o equipos).

Las limitaciones de esta técnica son dos La tierra a alta frecuencia que puede llegar a ser una impedancia demasiado alta para servir como una buena conexión a tierra. El acoplamiento entre los SED lógicos comunes y su conexión pueden ser tales que los lazos de tierra sobre la conexión del SED se acoplan a la tierra lógica, resultando en ruido lógico con los problemas asociados.

El esquema TSPG es utilizado sobre los SED’s teniendo cerrado eléctricamente el acoplamiento entre la tierra lógica y la del equipo (seguro para sistemas basados en minicomputadores). El TSPG elimina el problema del ruido acoplado desde la ruidosa tierra del equipo a el bus lógico. Esto es hecho por la puesta a tierra de punto-único de los equipos así como el sistema lógico El esquema total de tierra de punto-único es práctico en salas de computadores utilizando altas resistencias de suelo. Sin embargo, esta tiene sus limitaciones, tales como las siguientes

La instalación de este esquema en un ambiente industrial puede tener dificultades (la creación de una “sala” que asegure que los SED no tomarán contacto con una tierra ruidosa puede ser imposible). Todo equipo adyacente deberá seguir las instrucciones del TSPG para que el cambio de sitio de los equipos no resulte en la creación de lazos de tierra La solución a la impedancia de alta frecuencia que entrega el TSPG puede ser inefectivo

La malla de señal de referencia (MRS) es el esquema preferido para muchos centros de procesamientos de datos. Existen ciertos factores que permiten el uso de este esquema, los cuales son: La topología del área del computador es grande El área del equipo computacional es preparada con un piso levantado de enmallado continuo Los vendedores aprueban el uso de la MRS para sistemas de tierra

La MRS provee numerosos caminos de retorno de tierra para que los sistemas con problemas de ruido de altas frecuencias tengan un camino de retorno a tierra de baja impedancia. Las mayores dificultades con la MRS son las siguientes. Este no es un esquema recomendable para muchos SED con alimentadores industriales Esta no es una técnica de aterrizamiento práctica por muchos fabricantes en áreas encontradas en ubicaciones industriales

 a  son módulos del sistema computacional típico.  es el “cable verde” de seguridad de tierra del equipo  es la tierra de seguridad para la estructura de piso levantado

Problemas de Resonancia a alta frecuencia Un fenómeno nuevo el cual adquiere una importancia inusitada como es la resonancia a RF (alta frecuencia), la cual resulta en valores nada despreciables. Esto redunda en errores en el proceso y hasta deterioro de los componentes del sistema. Por ejemplo una señal de 10 MHz posee una longitud de onda de 30 mts en el cable. Si se alimenta esta señal a un conductor de 7.5 mts (lo que representa 1/4 de la longitud de onda) la señal resonará en el conductor y éste se comportará como un circuito abierto. Con este fenómeno nunca se podrán igualar los voltajes en los dos extremos del cable.

Los ingenieros miran como proporcionar un Sistema de tierra para un Sistema de equipos Electrónicos Distribuidos agrupados a través de una planta y en conjunto con equipos de potencia, tal como sería el caso de industrias, minas, etc La solución para este problema, nos permite asumir que la alimentación de los SED requiere un sistema SPG. Para evitar los problemas de ruidos en la líneas de comunicación es recomendable utilizar “fibra óptica”, debido a que la señal que ella transporta es óptica en un medio aislante

1.-Análisis primaria de los SED en su planificación 1.a Identificar todos los enlaces de comunicación entre los equipos de los SED 1.b Identificar todos los enlaces de comunicación entre el SED y equipos remoto (es decir no perteneciente al SED). 1.c Asegurar que cada enlace de comunicación tiene fibra óptica, utilizar la opción punto a punto 1.d Entender el sistema, seguridad, y características de protección de aislación de tierra de cada enlace de comunicación

2.-Si el sistema existente es convencional 2.a Desarrollar un SPG de potencia y una tierra para la fuente aterrizada adyacente al SED. 2.b Proveer un SPG para los equipos de los SED 2.c Identificar todos los enlaces de comunicación para los SED que salen del área SPG o son conectados a dispositivos externos (remotos). 2.d Proveer enlaces de fibra óptica para cada enlace de comunicación que no esta totalmente aislado para que el SED este aislado de cualquier otra tierra adyacente que tenga su propio SPG 2f Asegurar que los equipos del SED estén físicamente aislados de cualquier equipo externo adyacente

3.-Si el sistema existente es un SPG, el usuario 3a.-Unirá el SED a el SPG 3b.-Implementará los pasos 2c, 2d, 2e y 2f 4.-Si el sistema existente es un TSPG, el usuario 4a.-Unirá el SED al TSPG 4b.-Implementará pasos 2c, 2d, y 2e 5.-Si el sistema existente es una MRS, el usuario seguirá los procedimientos esbozados en el paso 2

ESQUEMA PRACTICO DE CONEXIÓN A TIERRA Los requerimientos de los sistemas de computación o procesamiento de datos referentes al Sistema de Puesta a Tierra, sirven para eliminar cualquier diferencia de potencial entre componentes de un sistema o que el mismo sea tan pequeño que no afecte su operación y constituyen, la estructura de aterramiento más recomendable. Para eliminar la posibilidad de lazos de conexión a tierra por la conexión múltiple, se requiere la instalación de una barra principal de puesta a tierra a la que estarán conectados cada uno de los componentes del sistema de una manera radial. A esta barra principal estará conectada la malla de referencia de señal (MRS), y cada uno de los equipos estará conectado mediante brazos a esta malla. Como punto final se conecta esta barra principal al sistema de puesta a tierra adecuadamente diseñado, y minimizando cualquier diferencia de potencial o ruido electromagnético.

En el caso de poseer un sistema de suministro eléctrico derivado separadamente, el aterramiento del neutro será realizado en la barra principal del sistema. No es posible el concebir un sistema de suministro eléctrico con una referencia a tierra diferente a los equipos de computación, dado que nos lleva a poseer un sistema inseguro, con un alto valor de ruido, con una elevada razón de probabilidad de falla y los problemas serán mayores a no poseer sistema de protección alguno, donde no se podrá garantizar la operatividad de las instalaciones dentro de los parámetros de seguridad y confiabilidad que han de caracterizar la empresa moderna, donde de alguna u otra forma dependa de un sistema de procesamiento de datos y el costo de penalización por paradas no programadas sea muy elevado.

EJEMPLO DE APLICACIÓN: ATERRIZAR SALA PC’s UTA Primero se debe contar con una buena tierra (lo cual quiere decir que esta tenga una impedancia lo más baja posible). Se debe notar que aquí no existe la posibilidad de tormentas eléctricas. Por otro lado la puesta a tierra depende en gran medida de la conductividad del suelo (la cual esta dada principalmente por los elementos químicos que la componen y su grado de humedad), las cuales son dadas en tablas. Se recomienda como electrodo el uso de una barras las cuales son más practicas y económica que la malla, y de un costo de instalación despreciable en comparación con la malla. Si fuese necesario realizar un “tratamiento del suelo”, por medio de sustancias químicas como bentonita o geles a base de sulfatos de metales, con el fin de disminuir la resistividad del suelo.

Por las razones ya expuestas anteriormente se utilizará una Malla de Referencia de Señal Se usará un piso falso (el cual puede ser levantado) en el cual estará inserta la malla. Un punto de aterrizamiento sobre esta malla debería ser adoptado cada medio metro igualmente distribuido en lo posible por la superficie de la sala. Cada punto de la estructura metálica (el enmallado), que soporta el piso falso deberá cerrarse a través de conexiones adecuadas.

Para el enmallado es preferible usar bandas de cobre de 20 a 30 m. m Para el enmallado es preferible usar bandas de cobre de 20 a 30 m.m. de diámetro. Por otro lado el piso falso deberá estar aislado del piso del edificio, con aislantes (de plástico por ejemplo), de un Nivel de Aislación Básica (BIL) de a lo menos 10 kVolt (plástico de 5 m.m de grosor es suficiente). La placa de aislación puede ser insertada entre el piso de concreto y el piso falso, o entre el piso falso y su soporte. Los cables de transmisión de datos deben ser de preferencia completamente galvanizados en tubos de acero. Si esto no es posible, es recomendable que los cables estén provistos de un blindaje electromagnético

Y por ultimo para la transmisión de datos es interesante el uso de filtros ópticos o módems.

REFERENCIAS [1] Ralph H. Lee, “Grounding of Computers and Other Similar Sensitive Equipment”. IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA -23, nº 3, MAY/JUNE 1987. [2] “Grounding and computer Technology”, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA -23, nº 3, MAY/JUNE 1987. [3] “Computer Grounding and the National Electrical Code”, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA -23, nº 3, MAY/JUNE 1987. [4] Joao R. Cogo, Cecilia Maria F. de Monteiro. “Practical Recomendations for Grounding of Sensitive Electronic Equipment”. [5] Victor J. Maggioli., “Impact of Fiberoptics on Grounding of Distributed Electronics”, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 25, nº 3, MAY/JUNE 1989