Tierra y blindaje de señales de sensores: guía práctica

En el banco, el sensor lee limpio. Ya instalado en el gabinete de una planta del Bajío, junto a un variador de frecuencia y un contactor, la misma lectura trae un rizo de 60 Hz y picos cada vez que arranca un motor. Alguien pone un cable blindado, conecta el blindaje a tierra en los dos extremos y el rizo empeora. La tierra y blindaje de señales de sensores tiene fama de magia negra porque la misma solución ayuda en una instalación y estorba en la siguiente. Deja de ser magia cuando separas las tres formas en que se acopla la interferencia, porque cada una tiene su propio remedio. Esta guía recorre los pasos en orden, con los números que te dicen qué problema tienes.

Puntos clave

• Identifica la vía de acoplamiento antes de arreglar nada: campo eléctrico (capacitivo), campo magnético (inductivo) o conducción por un lazo de tierra.
• Un blindaje aterrizado detiene bien los campos eléctricos. Contra campos magnéticos de baja frecuencia hace muy poco: la profundidad de piel del cobre a 60 Hz es de unos 8.5 mm.
• La captación magnética es proporcional al área del lazo. Trenzar el par y alejarlo de los conductores de potencia hace más que cualquier blindaje a la frecuencia de la red.
• Aterrizar el blindaje en ambos extremos ayuda arriba de 1 MHz y puede crear un lazo de tierra a 60 Hz. Un capacitor en un extremo te da los dos comportamientos.
• Termina los blindajes en la entrada del gabinete, no en la tierra de señal de la tarjeta. El artículo de Muncy sobre el “problema del pin 1” explica por qué.

La pregunta de foro: “Le puse blindaje y quedó peor”

Esa frase, de una u otra forma, aparece en casi cualquier discusión sobre cableado ruidoso de sensores. Las causas suelen ser predecibles.

La interferencia era magnética, de un transformador, un motor o un cable de potencia cercano. Una malla de blindaje no bloquea un campo magnético de 60 Hz, así que nada mejoró, y el cable nuevo tenía un área de lazo mayor que el par trenzado anterior.

El blindaje se aterrizó en los dos extremos, y las dos tierras estaban a potenciales distintos. Ahora circula corriente por el blindaje, y parte de ella se acopla a los conductores de señal.

El blindaje se conectó a la tierra de señal del circuito dentro del gabinete. La corriente del blindaje pasa ahora por el cobre de tierra de la tarjeta antes de llegar al chasis, y el voltaje que desarrolla aparece en la entrada.

La entrada era de una sola terminal (single-ended). Cualquier diferencia de voltaje entre la tierra del sensor y la de la electrónica se suma directo a la medición.

Paso 1: Identifica la vía de acoplamiento

Antes de cambiar nada, averigua cómo entra el ruido. El tutorial MT-095 de Analog Devices sobre EMI y blindaje describe los mecanismos: acoplamiento capacitivo por voltajes que cambian, inductivo por corrientes que cambian y conducido por impedancias compartidas.

Tres pruebas rápidas los separan. Pon en corto la entrada del lado del sensor: si el ruido sigue, entra por el cable o por la tierra. Desconecta el blindaje en un extremo: si el ruido cambia mucho, hay corriente de blindaje de por medio. Mueve o reorienta el cable respecto a los conductores de potencia: si el ruido cambia con la geometría, es acoplamiento por campo. El espectro también ayuda. El zumbido de la red y sus armónicos apuntan a lazos de tierra y acoplamiento magnético; los picos agudos a la frecuencia de conmutación de un variador apuntan a acoplamiento capacitivo o ruido conducido.

Paso 2: Reduce el área del lazo y luego balancea la señal

La captación magnética depende del área del lazo que encierran la señal y su retorno. El MT-095 da el voltaje inducido como V = 2πf·B·A·cos θ × 10⁻⁸ volts, con B en gauss y A en cm². Un ejemplo ilustrativo: un campo de 60 Hz de 0.1 gauss (10 µT) a través de un lazo de 10 cm², que son dos alambres separados 5 mm a lo largo de 20 cm, induce unos 3.8 µV. Suena poco hasta que recuerdas que un termopar tipo K produce unos 40 µV/°C, así que es más o menos 0.1 °C de error.

Al trenzar el par, los lazos sucesivos se cancelan, y el MT-095 señala que las áreas positivas y negativas suman casi cero. Mantener el cable perpendicular al campo y lejos de la fuente ayuda todavía más; el tutorial indica que la intensidad del campo cae rápido con la distancia.

Después haz que la medición sea diferencial. Una entrada diferencial responde al voltaje entre los dos hilos de señal y rechaza el voltaje común a ambos, hasta donde le alcanza su relación de rechazo en modo común (CMRR). A modo de ilustración, 1 V de zumbido en modo común en una entrada con 80 dB de CMRR deja 100 µV, contra el volt completo en una entrada de una sola terminal. Que las impedancias de la fuente y de los cables estén balanceadas evita que ese rechazo se desplome en la práctica.

Paso 3: Decide cómo terminar el blindaje

El blindaje funciona contra campos eléctricos porque le da a la interferencia un camino a tierra antes de que llegue a los conductores de señal. Dónde lo conectas depende de la frecuencia. El MT-095 recomienda:

• Por debajo de 1 MHz, aterrizar el blindaje en un extremo es aceptable y evita un lazo de tierra de baja frecuencia a través del blindaje.
• Arriba de 1 MHz, aterrizar ambos extremos con uniones de 360°, porque un blindaje conectado en un solo extremo se vuelve antena cuando el cable es una fracción importante de la longitud de onda. El tutorial considera que un cable es eléctricamente largo arriba de 1/20 de longitud de onda, que a 100 MHz son 15 cm.
• Cuando necesitas ambas cosas, aterriza un extremo directo y el otro a través de un capacitor de baja inductancia de 0.01 a 0.1 µF. El capacitor es un corto en RF y un circuito abierto a la frecuencia de la red.

No cuentes con el blindaje contra campos magnéticos de baja frecuencia. El MT-095 da la profundidad de piel del cobre como 6.6/√f centímetros; a 60 Hz son unos 8.5 mm, mucho más que cualquier malla de cable. Los campos magnéticos a la frecuencia de la red se reducen con distancia, orientación y área de lazo, o con materiales de alta permeabilidad como tubo conduit de acero o mu-metal.

Paso 4: Une el blindaje al gabinete, no al circuito

Dónde se conecta el blindaje importa tanto como si se conecta. El artículo de Neil Muncy de 1995 en el Journal of the Audio Engineering Society mostró que una práctica común de diseño de equipos, conectar los blindajes de los cables a la tierra de señal del circuito dentro del equipo en lugar de al chasis en el punto de entrada, vuelve al sistema susceptible al ruido por corriente de blindaje. Lo llamó el “problema del pin 1”, por el pin de blindaje del conector XLR, y sostuvo que se podía eliminar en la fabricación casi sin costo.

El principio aplica a cualquier cable de sensor. Une el blindaje al gabinete metálico donde entra el cable, con una conexión corta y ancha (idealmente un prensaestopas de 360°), para que la corriente del blindaje se vaya al chasis sin pasar por el cobre de tierra de la tarjeta.

Paso 5: Diseña la tierra de la tarjeta pensando en el convertidor

Dentro del gabinete, el problema es la impedancia de retorno compartida. El tutorial MT-031 de Kester, Bryant y Byrne sobre la tierra de los convertidores de datos recomienda al menos una capa completa de plano de tierra, y da un número que explica por qué un alambre es mal sustituto: el calibre 22 AWG tiene unos 20 nH por pulgada, así que un transitorio de 10 mA/ns por una pulgada desarrolla unos 200 mV.

Para convertidores con poca corriente digital, el MT-031 recomienda tratar al convertidor como pieza analógica: conectar sus pines AGND y DGND al plano de tierra analógico con conexiones cortas y desacoplar la alimentación digital cerca de los pines. Conectar DGND a una tierra digital ruidosa del sistema, dice el tutorial, es buscarse un desastre. La IEEE Std 1100, la práctica recomendada para alimentar y aterrizar equipo electrónico, cubre el lado de la instalación: tierra de seguridad, uniones equipotenciales y cómo se relacionan las tierras de los equipos con el sistema de tierras del edificio. La tierra de seguridad siempre tiene prioridad; nunca desconectes la tierra física de protección para romper un lazo de tierra.

Paso 6: Verifica en la instalación real

Repite las pruebas del paso 1 después de cada cambio, en el gabinete real y con los variadores y contactores funcionando. Guarda el espectro de antes y de después. Un cambio que no reduce el ruido en la instalación real no es una solución, por más correcto que se vea en papel.

Soluciones de tierra y blindaje según la vía de acoplamiento

Vía de acoplamiento	Síntoma típico	Solución que funciona	Solución que no funciona
Campo eléctrico (capacitivo)	Picos en los flancos de conmutación del variador, ruido que sube con la frecuencia	Blindaje aterrizado, distancia de conductores con dV/dt alto	Solo trenzar
Campo magnético (inductivo), baja frecuencia	Zumbido de 60 Hz que cambia con la posición del cable	Par trenzado, área de lazo pequeña, distancia, conduit de acero	Malla de cobre
Lazo de tierra (conducido)	Zumbido de 60 Hz que cambia al conectar o desconectar tierras	Entrada diferencial, blindaje a tierra en un punto en BF, aislamiento	Agregar más cables de tierra
Corriente de blindaje hacia la tierra de señal	El ruido aparece al conectar el blindaje	Unir el blindaje en la entrada del gabinete (360°)	Conectar el blindaje a la tierra de la tarjeta
Captación de alta frecuencia en cable largo	RF o ruido del variador en un cable de más de λ/20	Blindaje unido en ambos extremos, o un extremo más capacitor	Blindaje aterrizado solo en un extremo

Cómo ponerlo en práctica

Si tienes una hora

En un canal ruidoso, haz las tres pruebas del paso 1 (entrada en corto, blindaje desconectado en un extremo, cable movido) y anota qué cambió. Vas a saber qué vía domina.

Si tienes un sprint

Corrige la vía dominante, repite las pruebas y sigue así hasta que el piso de ruido lo fijen el sensor y la electrónica, no la instalación. Escribe las reglas de cableado (trenzado, punto de terminación del blindaje, distancia de la potencia) en las instrucciones de instalación.

Si quieres que dure toda la vida del producto

Diseña el gabinete con prensaestopas de 360° unidos al chasis, un punto dedicado para terminar blindajes y entradas diferenciales, para que el instalador no se pueda equivocar. Incluye una revisión en campo, como una captura de ruido con la entrada en corto, en la puesta en marcha.

La pregunta que debes hacerte: “¿Sé si este ruido es eléctrico, magnético o un lazo de tierra, o estoy poniendo blindajes a ver si pega?”

Preguntas frecuentes

¿El blindaje del cable de un sensor se aterriza en un extremo o en los dos?

Depende de la frecuencia. Por debajo de 1 MHz, normalmente en un extremo, porque evita un lazo de tierra a través del blindaje. Arriba de 1 MHz, en ambos extremos con uniones de 360°. Cuando importan las dos cosas, aterriza un extremo directo y el otro a través de un capacitor de 0.01 a 0.1 µF.

¿Por qué mi cable blindado no quita el zumbido de 60 Hz?

Porque el zumbido de 60 Hz casi siempre viene de acoplamiento magnético o de un lazo de tierra, y un blindaje delgado de cobre o aluminio apenas afecta los campos magnéticos de baja frecuencia (la profundidad de piel del cobre a 60 Hz es de unos 8.5 mm). Las soluciones efectivas son el par trenzado, un área de lazo menor, la distancia de los conductores de potencia y las entradas diferenciales.

¿Qué es un lazo de tierra en un sistema con sensores?

Se forma cuando el sensor y la electrónica están aterrizados en dos puntos con potenciales distintos, así que circula corriente por el retorno de señal o por el blindaje del cable. El voltaje que desarrolla esa corriente se suma a la medición, casi siempre como zumbido a la frecuencia de la red.

¿Dónde conecto el blindaje del cable?

Al gabinete metálico en el punto donde entra el cable, con una conexión corta y ancha, no a la tierra de señal del circuito. Conectar los blindajes a la tierra de señal hace que la corriente del blindaje pase por la tierra de la tarjeta, que es lo que Muncy identificó como el “problema del pin 1”.

¿Conecto juntos AGND y DGND?

En convertidores con poca corriente digital, el MT-031 de Analog Devices recomienda conectar ambos pines, AGND y DGND, al plano de tierra analógico cerca del convertidor. Los nombres de los pines describen las tierras internas del chip, no dónde deben conectarse en tu tarjeta.

Lecturas relacionadas: fuentes de ruido en sensores, termopar vs RTD vs termistor y el lazo de corriente de 4–20 mA.

Fuentes

1. Muncy, N. (1995). “Noise Susceptibility in Analog and Digital Signal Processing Systems.” Journal of the Audio Engineering Society, 43(6), 435–453. https://aes.org/publications/elibrary/elibrary-page/?id=7945
2. IEEE (2005). IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (IEEE Std 1100-2005, el “Emerald Book”; hoy en estado inactive-reserved). https://standards.ieee.org/ieee/1100/3055
3. Analog Devices (2009). “EMI, RFI, and Shielding Concepts.” Tutorial MT-095, rev. 0. https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-095.pdf
4. Kester, W., Bryant, J., y Byrne, M. (2008). “Grounding Data Converters and Solving the Mystery of ‘AGND’ and ‘DGND’.” Analog Devices, tutorial MT-031, rev. A. https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-031.pdf
5. Ott, H. W. (2009). Electromagnetic Compatibility Engineering. Wiley. https://doi.org/10.1002/9780470508510