Bucle de tierra (electricidad)

En un sistema eléctrico , un bucle de tierra se produce cuando dos puntos de un circuito deberían tener el mismo potencial de referencia a tierra , pero en cambio presentan un potencial diferente entre sí. ^{[ 1 ]} Esto suele ocurrir cuando circula suficiente corriente en la conexión entre los dos puntos de tierra como para producir una caída de tensión y hacer que ambos puntos tengan potenciales diferentes. La corriente en un bucle de tierra puede generarse por inducción electromagnética .

Los bucles de tierra son una causa importante de ruido , zumbido e interferencias en sistemas de audio, vídeo e informáticos. Las prácticas de cableado que protegen contra los bucles de tierra incluyen asegurar que todos los circuitos de señal vulnerables estén conectados a un único punto como tierra. El uso de señalización diferencial puede proporcionar rechazo de las interferencias inducidas por la tierra. Eliminar las conexiones a tierra de los equipos para intentar eliminar los bucles de tierra también eliminará la protección que dicha conexión de seguridad está diseñada para proporcionar.

Un bucle de tierra se produce por la interconexión de dispositivos eléctricos, lo que genera múltiples caminos hacia tierra y, por consiguiente, la formación de bucles conductores cerrados a través de las conexiones a tierra. Un ejemplo común son dos dispositivos eléctricos, cada uno conectado a una toma de corriente mediante un cable de tres conductores y un enchufe con un conductor de tierra de protección . Cuando se conectan cables de señal entre ambos dispositivos, la malla del cable de señal suele conectarse al chasis conectado a tierra de ambos. Esto crea un bucle cerrado a través de los conductores de tierra de los cables de alimentación, que están conectados a través del cableado del edificio.

En las proximidades del cableado eléctrico, siempre habrá campos magnéticos parásitos , especialmente provenientes de las líneas de servicios públicos que oscilan a la frecuencia de línea (50 o 60 hercios ). Estos campos magnéticos ambientales que atraviesan el bucle de tierra inducen una corriente en el bucle por inducción electromagnética . El bucle de tierra actúa como un devanado secundario de una sola vuelta de un transformador , siendo el primario la suma de todos los conductores portadores de corriente cercanos. La cantidad de corriente inducida dependerá de la magnitud y la proximidad de las corrientes cercanas. La presencia de equipos de alta potencia, como motores industriales o transformadores, puede aumentar la interferencia. Dado que los conductores que componen el bucle de tierra suelen tener una resistencia muy baja, a menudo inferior a un ohmio , incluso los campos magnéticos débiles pueden inducir corrientes significativas. 

Dado que el conductor de tierra del cable de señal que une los dos dispositivos forma parte de la trayectoria de la señal del cable, la corriente alterna de tierra que fluye a través del cable puede introducir interferencias eléctricas en la señal. La corriente alterna inducida que fluye a través de la resistencia del conductor de tierra del cable provocará una pequeña caída de tensión alterna en la tierra del cable. Esta se suma a la señal aplicada a la entrada de la siguiente etapa. En equipos de audio , la interferencia de frecuencia de línea puede oírse como un zumbido en los altavoces. ^{[ 2 ]} En un sistema de vídeo puede causar distorsión o problemas de sincronización . ^{[ 3 ]} En conexiones de datos de ordenador, puede provocar ralentizaciones o fallos en la transferencia de datos. ^{[ 4 ]}

Los bucles de tierra también pueden existir dentro de los circuitos internos de los equipos electrónicos, como defectos de diseño. ^{[ 5 ]}

La adición de cables de interconexión de señal a un sistema donde las carcasas de los equipos ya requieren conexión a tierra puede generar bucles de tierra. Un diseño adecuado de dicho sistema cumplirá con los requisitos de conexión a tierra de seguridad y la integridad de la señal . Por esta razón, en algunas grandes instalaciones profesionales, como estudios de grabación, a veces se utilizan dos conexiones a tierra completamente separadas para las bahías de equipos. Una es la conexión a tierra de seguridad habitual que se conecta a las estructuras metálicas expuestas, y la otra es una conexión a tierra técnica para pantallas de cables y similares. ^{[ 6 ]}

El diagrama del circuito ilustra un bucle de tierra simple. El circuito 1 (izquierda) y el circuito 2 (derecha) comparten una ruta común a tierra de resistencia.${\displaystyle \scriptstyle R_{G}}$. Idealmente, este conductor de tierra no tendría resistencia (${\displaystyle \scriptstyle R_{G}=0}$), sin producir ninguna caída de voltaje a través de él (${\displaystyle \scriptstyle V_{G}=0}$), manteniendo el punto de conexión entre los circuitos a un potencial de tierra constante. En ese caso, la salida del circuito 2 es simplemente${\displaystyle \scriptstyle V_{\text{out}}=V_{2}}$.

Sin embargo, si este conductor de tierra tiene alguna resistencia (${\displaystyle \scriptstyle R_{G}>0}$), entonces forma un divisor de voltaje con${\displaystyle \scriptstyle R_{1}}$. Como resultado, si una corriente (${\displaystyle \scriptstyle I_{1}}$) está fluyendo a través${\displaystyle \scriptstyle R_{G}}$del circuito 1, luego una caída de voltaje a través${\displaystyle \scriptstyle R_{G}}$de${\displaystyle \scriptstyle V_{G}\;=\;I_{1}R_{G}}$Esto ocurre, provocando que la conexión a tierra compartida ya no esté al potencial de tierra real. Este voltaje a través del conductor de tierra se aplica al circuito 2 y se suma a su salida:$${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{2}-V_{G}=V_{2}-{\frac {R_{G}}{R_{G}+R_{1}}}V_{1}.\,}$$

Por lo tanto, los dos circuitos ya no están aislados, y el circuito 1 puede introducir interferencias en la salida del circuito 2. Si el circuito 2 es un sistema de audio y el circuito 1 tiene grandes corrientes alternas fluyendo a través de él, la interferencia puede escucharse como un  zumbido de 50 o 60 Hz en los altavoces. Además, ambos circuitos tienen voltaje${\displaystyle \scriptstyle V_{G}}$en sus partes conectadas a tierra que pueden estar expuestas al contacto, lo que podría representar un riesgo de descarga eléctrica . Esto es cierto incluso si el circuito 2 está apagado.

Aunque los bucles de tierra se producen con mayor frecuencia en los conductores de tierra de los equipos eléctricos, pueden producirse bucles similares dondequiera que dos o más circuitos compartan una trayectoria de corriente común. Si fluye suficiente corriente, se producen problemas similares en estas condiciones. ^{[ 7 ]}

Un tipo común de bucle de tierra se debe a interconexiones defectuosas entre componentes electrónicos, como equipos de laboratorio o estudio de grabación , o sistemas de audio, video y computadoras domésticas. Esto puede crear bucles cerrados inadvertidos en el circuito de cableado de tierra, lo que puede permitir que se induzca una corriente alterna parásita de frecuencia de línea y fluya a través de los conductores de tierra de los cables de señal. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} Las caídas de voltaje en el sistema de tierra causadas por estas corrientes se suman a la ruta de la señal, introduciendo ruido y zumbido en la salida. Los bucles pueden incluir el sistema de tierra del cableado de servicios públicos del edificio cuando más de un componente está conectado a tierra a través de la tierra de protección (tercer cable) en sus cables de alimentación. ^{[ 11 ]}

Corrientes de tierra en cables de señal

Los síntomas de un bucle de tierra, ruido de tierra y zumbido en equipos eléctricos son causados ​​por la corriente que fluye en el conductor de tierra o de blindaje de un cable. La figura 1 muestra un cable de señal S que conecta dos componentes electrónicos, incluyendo los amplificadores típicos de controlador de línea y receptor (triángulos) . ^{[ 9 ]} El cable tiene un conductor de tierra o de blindaje que está conectado a la tierra del chasis de cada componente. El amplificador controlador en el componente 1 (izquierda) aplica la señal V ₁ entre los conductores de señal y tierra del cable. En el extremo de destino (derecha) , los conductores de señal y tierra están conectados a un amplificador diferencial . Este produce la señal de entrada al componente 2 restando la tensión de blindaje de la tensión de señal para eliminar el ruido de modo común captado por el cable. $${\displaystyle V_{2}=V_{\text{S2}}-V_{\text{G2}}\,}$$

Si una corriente I proveniente de una fuente independiente fluye a través del conductor de tierra, la resistencia R del conductor creará una caída de voltaje IR a lo largo de la tierra del cable , por lo que el extremo de destino del conductor de tierra estará a un potencial diferente al del extremo de origen. $${\displaystyle V_{\text{G2}}=V_{\text{G1}}-IR\,}$$ Dado que el amplificador diferencial tiene una alta impedancia, fluye poca corriente por el cable de señal, por lo tanto, no hay caída de voltaje a través de él:${\displaystyle V_{\text{S2}}=V_{\text{S1}}\,}$ La tensión de tierra parece estar en serie con la tensión de señal V ₁ y se suma a ella. $${\displaystyle V_{2}=V_{\text{S1}}-(V_{\text{G1}}-IR)\,}$$$${\displaystyle V_{2}=V_{1}+IR\,}$$

Si I es una corriente alterna, esto puede resultar en la adición de ruido a la ruta de la señal en el componente 2.

Si, por ejemplo, un sistema HiFi doméstico tiene un tocadiscos y un preamplificador conectados a tierra mediante un cable delgado apantallado (o varios cables, en un sistema estéreo) con conectores RCA, es probable que la sección transversal de cobre en el apantallamiento del cable sea menor que la de los conductores de tierra de protección del tocadiscos y el preamplificador. Por lo tanto, cuando se induce una corriente en el circuito, habrá una caída de tensión a lo largo del retorno de tierra de la señal. Esto se suma directamente a la señal deseada y dará como resultado un zumbido indeseable. Por ejemplo, si una corriente${\displaystyle I}$Se induce una corriente de 1  mA a la frecuencia de la red eléctrica local en el bucle de tierra, y la resistencia${\displaystyle R}$Si la pantalla del cable de señal es de 100  mΩ, la caída de voltaje será${\displaystyle V=I\cdot R}$= 100  μV. Esta es una fracción significativa del voltaje de salida de una cápsula fonocaptora de bobina móvil , e impone un zumbido indeseable en la salida de la cápsula. ^{[ a ]}

En situaciones más complejas, como en sistemas de refuerzo de sonido , megafonía , amplificadores de instrumentos musicales , estudios de grabación y equipos de radiodifusión , existen numerosas fuentes de señal en equipos alimentados por la red eléctrica que alimentan múltiples entradas en otros equipos, y la interconexión puede generar problemas de zumbido. Intentar solucionar estos problemas retirando el conductor de tierra de protección crea un riesgo de descarga eléctrica . La solución a los problemas de zumbido debe realizarse en las interconexiones de señal, y esto se logra principalmente de dos maneras, que pueden combinarse.

En vídeo analógico , el zumbido de la red eléctrica se manifiesta como barras (bandas de brillo ligeramente diferente) que se desplazan verticalmente por la pantalla. Esto suele ocurrir con proyectores de vídeo cuya carcasa está conectada a tierra mediante un enchufe de tres clavijas, mientras que los demás componentes tienen una toma de tierra flotante conectada al cable coaxial de la televisión por cable. En esta situación, el cable de vídeo está conectado a tierra en el extremo del proyector, al sistema eléctrico doméstico, y en el otro extremo, a la toma de tierra de la televisión por cable, lo que induce una corriente que distorsiona la imagen. La mejor solución para este problema es incorporar un transformador de aislamiento en la señal de RF de la televisión por cable, una característica presente en algunos decodificadores.

Los problemas de bucle de tierra en el cable coaxial de la televisión pueden afectar a cualquier dispositivo de audio conectado, como un receptor. Incluso si todos los equipos de audio y vídeo de, por ejemplo, un sistema de cine en casa, están conectados a la misma toma de corriente y, por lo tanto, comparten la misma toma de tierra, el cable coaxial que llega al televisor puede estar conectado a tierra por la compañía de cable a un punto diferente al de la toma de tierra eléctrica de la casa, lo que crea un bucle de tierra y provoca un zumbido indeseado en los altavoces del sistema.

En los sistemas digitales, que suelen transmitir datos en serie ( RS-232 , RS-485 , USB , FireWire , DVI , HDMI , etc.), la tensión de la señal suele ser mucho mayor que la corriente alterna de frecuencia industrial inducida en las pantallas del cable de conexión. De los protocolos mencionados, solo el RS-232 es de un solo extremo con retorno a tierra, pero genera una señal de gran amplitud, típicamente de + y - 12 V; todos los demás son diferenciales.

La señalización diferencial debe utilizar una línea balanceada para garantizar que la señal no se irradie y que el ruido inducido por un bucle de tierra sea una señal de modo común y pueda eliminarse en el receptor diferencial.

Muchos sistemas de comunicación de datos, como Ethernet 10BASE-T , 100BASE-TX y 1000BASE-T , utilizan codificación balanceada en CC, como el código Manchester . Los bucles de tierra que se producirían en la mayoría de las instalaciones se evitan mediante el uso de transformadores de aislamiento de señal.

Otros sistemas eliminan el bucle de tierra a frecuencias de datos colocando pequeñas perlas de ferrita alrededor de los cables de conexión cerca de cada extremo o justo dentro del perímetro del equipo. Estas forman un inductor de modo común que inhibe el flujo de corriente desequilibrado, sin afectar la señal diferencial.

Los cables coaxiales utilizados en radiofrecuencias pueden enrollarse varias veces a través de una perla de ferrita para añadir una cantidad útil de inductancia de modo común. Esto limita el flujo de corriente de modo común de alta frecuencia no deseada a lo largo del blindaje del cable.

Cuando no se requiere transmitir energía eléctrica, sino solo datos digitales, el uso de fibra óptica puede eliminar muchos problemas de bucles de tierra y, en ocasiones, también problemas de seguridad. Los aisladores ópticos u optoacopladores se utilizan con frecuencia para aislar los bucles de tierra y, a menudo, para garantizar la seguridad, lo que puede ayudar a prevenir la propagación de fallas.

Generalmente, las partes analógicas y digitales del circuito se encuentran en áreas separadas de la PCB, con sus propios planos de tierra para obtener la inductancia de tierra necesaria y evitar el rebote de tierra . Estas se conectan en un punto de conexión a tierra cuidadosamente seleccionado. Cuando se utilizan convertidores analógico-digitales (ADC), el punto de conexión a tierra puede tener que estar en o muy cerca de los terminales de tierra de los ADC. Los circuitos de bucle de enganche de fase son particularmente vulnerables porque el circuito de filtro del bucle VCO trabaja con señales de submicrovoltios cuando el bucle está bloqueado, y cualquier perturbación provocará fluctuaciones de frecuencia y una posible pérdida de sincronización.

La conexión a tierra y la posible formación de bucles de tierra son consideraciones importantes en el diseño de circuitos. En muchos circuitos, pueden existir grandes corrientes a través del plano de tierra, lo que provoca diferencias de voltaje en la referencia de tierra en distintas partes del circuito, lo que puede generar zumbidos y otros problemas. Existen técnicas para evitar los bucles de tierra y, en consecuencia, garantizar una buena conexión a tierra.

• El blindaje externo, y los blindajes de todos los conectores, deben estar conectados entre sí.
  • Si la fuente de alimentación en el diseño no está aislada, esta toma de tierra externa del chasis debe conectarse al plano de tierra de la PCB en un solo punto; esta conexión de un solo punto evita que circulen grandes corrientes a través del plano de tierra de la PCB.
  • Si el diseño utiliza una fuente de alimentación aislada, esta toma de tierra externa debe conectarse al plano de tierra de la placa de circuito impreso mediante un condensador de alta tensión, como por ejemplo de 2200  pF a 2  kV.
  • Si los conectores están montados en la placa de circuito impreso (PCB), el perímetro exterior de la PCB debe contener una tira de cobre que conecte con las pantallas de los conectores. Debe existir una interrupción en el cobre entre esta tira y el plano de tierra principal del circuito. Ambos deben estar conectados en un solo punto. De esta manera, si hay una corriente elevada entre las pantallas de los conectores, esta no pasará a través del plano de tierra del circuito.
• Para la distribución en tierra se debe utilizar una topología en estrella, evitando bucles.
• Los dispositivos de alta potencia deben colocarse lo más cerca posible de la fuente de alimentación, mientras que los dispositivos de baja potencia pueden colocarse más lejos de ella.
• Las señales, siempre que sea posible, deben ser diferenciales .
• Las fuentes de alimentación aisladas requieren una cuidadosa consideración de la capacitancia parásita, de los componentes o del plano de alimentación interno de la placa de circuito impreso, ya que puede permitir que la corriente alterna presente en la alimentación de entrada o en los conectores pase al plano de tierra o a cualquier otra señal interna. La corriente alterna puede encontrar una ruta de regreso a su fuente a través de una señal de entrada/salida.

• Aumento del potencial terrestre
• Circuito fantasma
• Corriente de vaina
• Voltaje parásito
• Corriente telúrica

• Whitlock, Bill. "Signal Purity" . Sound & Video Contractor. Archivado del original el 17 de septiembre de 2004.

 Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C . Administración de Servicios Generales . Archivado del original el 22 de enero de 2022.