Interferencias de modo normal y de modo común
Un amplificador de 120 dB de rechazo de modo común no sirve de nada si una de las líneas tiene 10 kΩ más que la otra: el desbalance convierte el modo común en señal antes de llegar a la entrada.
01Dos maneras de meterse en una medición
Una interferencia es cualquier tensión que se suma a la que se quiere medir. Según cómo aparece en los terminales del instrumento, se distinguen dos modos:
- Modo normal (o diferencial): la interferencia está en serie con la señal, entre los dos terminales de entrada. El instrumento no tiene forma de separarla de la señal por su conexión; solo por su frecuencia o su forma.
- Modo común: la interferencia aparece igual en los dos terminales respecto de tierra. Un instrumento diferencial ideal la ignora, porque mide solo la diferencia; uno real deja pasar una fracción.
En una medición de milivolts cerca de la red de 220 V, las interferencias de 50 Hz pueden ser miles de veces mayores que la señal. Medir bien es, en buena parte, saber de dónde vienen y cómo se rechazan.
02Cómo se acopla la interferencia
| Acoplamiento | Mecanismo | Remedio |
|---|---|---|
| Capacitivo | El campo eléctrico de un conductor con tensión inyecta corriente en un circuito de alta impedancia a través de la capacidad entre ambos | Pantalla conectada a tierra en un solo punto; bajar la impedancia del circuito |
| Inductivo | El campo magnético de un conductor con corriente induce tensión en todo lazo que atraviese: \( V = \omega B A \) | Achicar el área del lazo con par trenzado; alejarse; blindaje magnético |
| Conductivo | Dos equipos conectados a tierra en puntos distintos: la diferencia de potencial hace circular corriente por las masas | Tierra en un solo punto, aislación galvánica |
| Radiado | Campos de radiofrecuencia que un cable recibe como antena y un semiconductor rectifica | Blindaje completo, filtros en las entradas |
El par trenzado funciona porque cada vuelta invierte el sentido del lazo: la tensión inducida en una vuelta se cancela con la de la siguiente. La pantalla de un cable, en cambio, protege del campo eléctrico, pero muy poco del magnético de baja frecuencia.
03Lazos de masa
Si un sensor está conectado a tierra en un extremo de una planta y el instrumento en el otro, entre las dos tierras puede haber un volt o más, por las corrientes que circulan por la instalación. Esa diferencia aparece en modo común en la entrada, y si la masa del cable une las dos tierras, circula una corriente por ella que la convierte en modo normal. Las soluciones son cortar el lazo: conectar a tierra en un solo punto, medir con entradas diferenciales, usar instrumentos flotantes o aisladores galvánicos (amplificadores de aislación, optoacopladores, transformadores).
04Rechazo de modo común
El factor de rechazo de modo común (CMRR) de un amplificador diferencial dice cuántas veces menos amplifica la tensión común que la diferencial. Pero hay un segundo mecanismo, a menudo peor: si las impedancias de las dos líneas no son iguales, la tensión común produce caídas distintas en cada una y se convierte en diferencial antes de llegar al amplificador:
La técnica de guarda ataca el segundo mecanismo: una pantalla alrededor de las líneas se conecta a la tensión de modo común, de modo que no hay diferencia de potencial sobre las capacidades de fuga y no circula corriente por ellas.
05Rechazo de modo normal
La interferencia de modo normal solo se separa por su frecuencia. Si la señal es lenta, como una temperatura, un filtro pasabajos la elimina. Los conversores integradores hacen algo más fino: si integran durante un número entero de ciclos de la red, la interferencia de 50 Hz y todas sus armónicas se promedian a cero.
Una termocupla da 5 mV, unos 120 °C del tipo K. Entre su tierra y la del instrumento hay una tensión de modo común de 50 Hz, el lazo de los cables capta 10 mV en modo normal y cada entrada tiene 10 pF y 1 GΩ a tierra. Las barras, en escala logarítmica, comparan cada error con la señal y con 41 µV, que es 1 °C.
06En el laboratorio
Medir con el osciloscopio el 50 Hz captado por dos cables paralelos de 1 m, por un par trenzado y por un cable blindado, cerca de un transformador. Comparar la protección contra el campo eléctrico y el magnético.
Con un amplificador de instrumentación, inyectar 1 V de modo común y medir la salida con líneas balanceadas y con 10 kΩ en serie en una sola de ellas.
Configurar un multímetro de banco con 1, 10 y 100 ciclos de red de integración y medir una tensión continua con 50 Hz superpuesto.
07Errores frecuentes
- Conectar la pantalla a tierra en los dos extremos. Cierra un lazo de masa por el blindaje.
- Confiar solo en el CMRR del amplificador. El desbalance de las líneas puede dominar.
- Configurar el instrumento para 60 Hz en una red de 50 Hz.
- Dejar abiertas las entradas de alta impedancia. Captan todo el campo eléctrico del ambiente.
08Autoevaluación
¿Qué error produce 1 V de modo común en un amplificador de 80 dB de CMRR?
\( 1\ \text{V} / 10^4 = 100\ \mu\text{V} \), unos 2,4 °C en una termocupla tipo K.
¿Qué rechazo de 50 Hz tiene un conversor que integra 16,7 ms?
\( |\sin(0{,}833\pi)/(0{,}833\pi)| = 0{,}19 \): unos 14 dB.
¿Por qué el par trenzado reduce el acoplamiento inductivo?
Porque las tensiones inducidas en lazos sucesivos tienen signos opuestos y se cancelan.
¿Dónde se conecta a tierra la pantalla de un cable de señal de baja frecuencia?
En un solo extremo, habitualmente el del instrumento, para no formar un lazo de masa.
09Para ampliar
- Ralph Morrison. Grounding and Shielding: Circuits and Interference. 6.ª ed., Wiley-IEEE Press, 2016. El libro de referencia sobre puesta a tierra, blindajes y lazos de masa.
- Henry W. Ott. Electromagnetic Compatibility Engineering. Wiley, 2009. Los mecanismos de acoplamiento y sus remedios, con números.
- Keithley Instruments. Low Level Measurements Handbook. 7.ª ed., Keithley, 2014. Guarda, lazos de masa y rechazo de interferencias en mediciones de muy bajo nivel.