Interferencias en Equipos Electrónicos de Medida

5.1 Introducción

El ruido y las señales externas no deseadas se acoplan a todo equipo electrónico, provocando errores en los procesos de medida. Las señales de interferencia pueden tener origen externo o interno. En este tema se abordan las interferencias de origen externo, clasificadas según su mecanismo de acoplo.

Fig. 1. Esquema del mecanismo de acoplo de las interferencias de origen externo.

🔌

Resistivas

Impedancia común

⚡

Capacitivas

Campo eléctrico

🧲

Inductivas

Campo magnético

📡

Electromagnéticas

Radiación

5.2 Pseudo-impedancia

Magnitud experimental para identificar la fuente externa de ruido.

\( Z_{se} = \frac{dv/dt}{di/dt} \quad [\Omega] \)

Acoplo Inductivo

≪ 377 Ω

Campo magnético

Acoplo Electromagnético

≈ 377 Ω

Radiación

Acoplo Capacitivo

≫ 377 Ω

Campo eléctrico

5.3 Acoplo Capacitivo

5.3.1 Concepto y Condiciones

Interferencia electrostática entre conductores cercanos.

Fig. 2. Mecanismo de acoplo capacitivo y eliminación por blindaje electrostático.

Condiciones:

Proximidad entre circuitos
Frecuencias > 1 kHz
Pseudo-impedancia ≫ 377 Ω

Corriente Parásita:

\( i_C = C \cdot \frac{dv}{dt} = \varepsilon \cdot \frac{S}{d} \cdot \frac{dv}{dt} \)

5.3.2 Cuantificación

Fig. 3. Producción de interferencia por acoplo capacitivo.

Fig. 4. Circuito básico de modelado de acoplo capacitivo.

\( C = \frac{V_{er\_rms}}{2 \pi f \cdot V_{fuente\_rms} \cdot R_{eq}} \)

Fig. 5. Formación de interferencia capacitiva en la medida con multímetro.

Tensión de Interferencia (R pequeña):

\( V_m \approx V_n \cdot (j \omega R C_{12}) \)

Tensión de Interferencia (R grande):

\( V_m \approx V_n \cdot \left( \frac{C_{12}}{C_{12} + C_{2M}} \right) \)

Soluciones:

Aumentar la distancia entre conductores.
Apantallamiento electrostático conectado a tierra (en el conductor receptor).

5.4 Acoplo Inductivo

5.4.1 Concepto y Condiciones

Interferencia magnética por corrientes variables (Ley de Faraday-Lenz).

\( \mathcal{E} = -\frac{d\Phi}{dt} = -\frac{d}{dt}(\vec{B} \cdot \vec{S}) \)

Fig. 8. Formación de interferencia inductiva y eliminación por pares trenzados.

Condiciones:

Flujo magnético variable
Frecuencia > 3 kHz
Pseudo-impedancia ≪ 377 Ω

Fig. 9. Interferencia de tipo inductivo y concepto de inductancia mutua.

\( v_{NOISE}(t) = L_M \cdot \frac{di(t)}{dt} \)

Reducción:

Conductores trenzados (reducen el área de inducción).
Cajas ferromagnéticas para transformadores.
Evitar circuitos parásitos hacia tierra.

5.5 Acoplo Electromagnético

5.5.1 Origen

Energía radiada a altas frecuencias (ondas electromagnéticas).

Fig. 10. Mecanismo de acoplo electromagnético.

5.5.2 Condiciones y Reducción

Condiciones:

Frecuencias > 20 MHz
Conductores > λ/20
Pseudo-impedancia ≈ 377 Ω

Fig. 11. Propagación del campo electromagnético.

\( \vec{P} = \vec{E} \times \vec{H} \)

Solución:

Caja metálica conectada a tierra (Jaula de Faraday) con impedancia pequeña.

5.6 Interferencias Conductivas

5.6.1 Concepto

Requiere un circuito cerrado entre emisor y receptor.

5.6.2 Impedancia Común hacia Tierra

Fig. 12. R_T es una impedancia común hacia tierra.

Fig. 13. Interferencia de acoplo resistivo.

Mantener la impedancia de tierra lo más baja posible.
Separar tierras analógicas y digitales.
Unión en un punto único (estrella).

Fig. 14. Amplificador diferencial para eliminar la interferencia resistiva.

5.7 Lazos de Tierra

5.7.1 Concepto

Circuito cerrado que incluye el conductor de tierra y el plano de tierra cuando hay múltiples puntos de conexión.

Fig. 15. Formación de un lazo de tierra y circuito equivalente.

\( v_i \approx v_s + v_{mc} \)

5.7.2 y 5.7.3 Formación por Acoplo Capacitivo o Mala Conexión

Formación de lazo de tierra por acoplo capacitivo

Fig. 16. Formación de un lazo de tierra por acoplo capacitivo.

Formación de lazo de tierra por mala conexión

Fig. 17. Formación de un lazo de tierra por mala conexión del blindaje.

5.7.4 Reducción de Efectos de los Lazos de Tierra

Reducción del efecto de los lazos de tierra

Fig. 18. Tres métodos prácticos para reducir el efecto de los lazos de tierra según la distancia.

⚖️

1. Líneas Balanceadas (Distancia < 30 m)

Se utilizan dos conductores con impedancias iguales (balanceadas) y aterrizaje en un solo punto. Evita el lazo cerrado y rechaza el ruido de modo común.

🔌

2. Transformadores de Aislamiento (Distancia > 30 m)

Acoplan la señal magnéticamente, rompiendo el lazo de tierra (aislamiento galvánico). Ideal para distancias largas, aunque pueden distorsionar señales de baja frecuencia.

💡

3. Fibra Óptica (Cualquier distancia)

Convierte la señal eléctrica en luz. Es totalmente inmune al ruido eléctrico y proporciona un aislamiento galvánico perfecto.

Método	Distancia	Aislamiento Galvánico	Inmunidad a Ruido	Costo
Líneas balanceadas	< 30 m	Parcial	Moderada (depende del CMRR)	Bajo
Transformadores	> 30 m	Completo	Alta (excepto magnética)	Medio
Fibra óptica	Cualquiera	Completo	Total	Alto

5.8 Guarda de Entrada en Amplificador Diferencial

Concepto General

La guarda de entrada (o driven guard) es una técnica de protección que consiste en rodear los conductores de señal con un blindaje conductor conectado a un potencial muy cercano al de la señal misma, en lugar de conectarlo directamente a tierra. Esto elimina o reduce drásticamente las corrientes parásitas que circulan por las capacidades parásitas entre los conductores de señal y el blindaje.

Guarda de entrada en amplificador diferencial

Fig. 19. Sistema completo de medida con guarda de entrada, múltiples niveles de blindaje y aislamiento galvánico.

Análisis del Diagrama

🔹 Componentes Principales

Elemento	Función
Fuente de señal (R₁, R₂)	Transductor o sensor con impedancia de salida
Blindaje del cable	Protección contra acoplo capacitivo externo
R_SH	Resistencia de shunt en el blindaje del cable
Amplificador diferencial	Etapa de entrada con alta impedancia
Blindaje de guarda	Blindaje interno conectado a potencial de guarda
Blindaje exterior y chasis	Protección electromagnética general
Elemento de aislamiento	Transformador de aislamiento para V_sal
V_cm (1–10 V rms)	Tensión de modo común entre tierras

🔹 Puntos Numerados del Circuito

1 y 6: Puntos de tierra (fuente e instrumento)
2: Nodo de la fuente de señal
4: Conexión del blindaje de guarda al amplificador
5 y 6: Tierra del chasis del instrumento
7: Conexión del blindaje del cable

Cómo Funciona la Guarda de Entrada

1. El Problema sin Guarda

Sin guarda de entrada, el blindaje del cable coaxial se conecta a tierra. Esto crea:

Capacidades parásitas (C₃₄, C₄₅ en el diagrama) entre los conductores de señal y el blindaje
Corrientes parásitas que circulan por estas capacidades cuando existe V_cm
Tensión de modo común que se convierte en tensión diferencial por desbalance de impedancias

La tensión de modo común V_cm (1–10 V rms) aparece entre las tierras 1 y 6, y puede enmascarar completamente señales de bajo nivel (termopares: 10–50 mV).

2. La Solución con Guarda Activa

La guarda de entrada conecta el blindaje a un potencial que sigue la tensión de modo común de la señal:

\( V_G = \frac{V_{i1} + V_{i2}}{2} = V_{mc} \)

Donde \(V_G\) = Tensión de la guarda, \(V_{i1}, V_{i2}\) = Tensiones en las entradas del amplificador diferencial

3. Efecto Eléctrico

Al conectar el blindaje a \(V_G \approx V_{mc}\):

Diferencia de potencial nula entre el conductor de señal y el blindaje
Corriente parásita ≈ 0 por las capacidades parásitas C₃₄ y C₄₅
Ganancia de modo común ≈ 0 (idealmente nula)

Salida del Amplificador con Guarda Activa:

\( V_o = G \cdot V_s \cdot \left( \frac{1}{1 + s \frac{\tau_1 + \tau_2}{2}} \right) \)

El término de modo común \(V_{mc}\) desaparece completamente de la ecuación.

Ventajas de la Guarda de Entrada

Ventaja	Descripción
Rechazo al modo común	CMRR muy elevado (>100 dB típico)
Protección contra lazos de tierra	Elimina corrientes parásitas por capacidades
Ideal para señales de bajo nivel	Termopares, galgas extensométricas, EEG, ECG
Compatibilidad con blindaje coaxial	Aprovecha la malla del cable como guarda

Aplicación Práctica

La guarda de entrada es esencial cuando:

La señal es de bajo nivel (< 100 mV)
Existe tensión de modo común elevada (1–10 V rms)
Las resistencias de fuente son altas (R₁, R₂ > 1 kΩ)
Se requiere alta precisión en ambientes industriales ruidosos

Relación con el Documento

Este concepto corresponde a las secciones 5.8 y 5.9.3 del documento, donde se demuestra matemáticamente que:

Sin guarda: La ganancia de modo común es \(|A_{mc}| \approx \omega \cdot |R_1 C_1 - R_2 C_2|\), que puede ser significativa si hay desbalance.
Con guarda activa: La tensión de guarda \(V_G = \frac{V_{i1} + V_{i2}}{2}\) anula las corrientes parásitas, resultando en una ganancia de modo común nula y una salida que depende únicamente de la señal diferencial \(V_s\).