por Martin Glasband

Enfocando el Problema
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En resumidas cuentas se trata de eliminar los problemas de ruido eléctrico. ¿Qué se necesita hacer, por ejemplo, para eliminar completamente las barras de zumbido en una instalación de producción de video?  ¿Es posible enfrentar el problema del ruido eléctrico de CA tan común en los amplificadores de tubos de Clase A?  ¿O por ejemplo los ruidosos amplificadores de guitarra?  Hay muchos otros ejemplos de problemas de ruido eléctrico difíciles de solucionar que han aguantado la prueba del tiempo y donde se ha fracasado en obtener soluciones substanciales.
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¿Tienen razón los ingenieros de RF al decir que lo mejor que se puede hacer con un problema de toma a tierra de CA es evitarlo?  Desde la perspectiva de RF seguramente tiene sentido.  ¿Pero, qué tan seguro es instalar por separado sistemas de toma a tierra para circuitos de RF y de CA, con altas amplitudes de potencia eléctrica, y sólo centímetros de separación entre ellas y potencialmente al alcance por doquiera?  ¿Qué sucede cuando la conexión de toma a tierra de CA fracasa en proveer a la corriente el paso hacia tierra si hay un cortocircuito?  ¿Qué sucede si se quema una fuente de alimentación?  ¿Funcionarían aún los interruptores?  ¿Funcionarían las botas y los guantes de goma?  La práctica es brillante y efectiva pero también sumamente peligrosa.
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¿Reside el problema en la potencia eléctrica en sí misma?  Por supuesto que hay cómo corregir y "limpiar” la potencia eléctrica.  Formalmente, esto se ha hecho de dos maneras:  mejorando el nivel de pureza de la energía eléctrica o mejorando la linearidad del sistema de toma a tierra y por consiguiente, disminuyendo la impedancia.  Desafortunadamente, hasta la energía eléctrica más pura que uno pueda conseguir y el sistema de toma a tierra más lineal y de menor impedancia, todavía trae consigo ruido de CA en circuitos de audio y video.  ¿Cómo puede el ruido todavía afectar una instalación de producción de video con un acondicionamiento activo de potencia  de la más alta calidad y con referencia de señal lineal diseñada profesionalmente?  La razón es que los sistemas de acondicionamiento de potencia no abordan todos los aspectos del problema del ruido eléctrico.  A este respecto, la forma más dañina de ruido (la corriente reactiva en el sistema de toma a tierra) queda sin solución.  Un sistema de toma a tierra de baja impedancia tiene poco efecto sobre la corriente reactiva, por tanto el problema persiste.  Claramente, se necesita un enfoque diferente.
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La respuesta es evitar que las corrientes reactivas se propaguen por el sistema de toma a tierra.  Esto solo se puede conseguir rediseñando el uso de las fases de la fuente de potencia eléctrica.  Para entender este cuadro teórico más claramente, uno necesita mirar el tipo de carga eléctrica, la referencia de señal a tierra y la fase del voltaje en los cables eléctricos.  Por alguna razón, la simple verdad se ha pasado por alto a través de los años.
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Regresando a los Conocimientos Básicos
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Primero, revisemos algo de teoría eléctrica básica que se ha escapado de algún modo a la vista de la mayoría de la comunidad de ingeniería.  Para entender las soluciones a los problemas de ruido presentados aquí, debe primero entenderse cómo la fase de potencia eléctrica puede ser tanto referida a tierra como aplicada a una carga.  Este área de la teoría eléctrica se enseña de manera insatisfactoria y su aplicación es limitada.  Excepto por las técnicas de filtros, unos cuantos usos industriales de multifase y algunas aplicaciones críticas de seguridad, la importancia de la orientación de la fase del voltaje en referencia a una fuente de alimentación es generalmente ignorada.  A continuación se presentan cuatro ejemplos de lo que se entiende por el término "Modo."
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La figura 1 muestra una señal de CA en Modo Directo (a veces llamado Modo Normal).  Un cable lleva un valor de voltaje, el otro cable es un conductor a tierra en el cual circulan corrientes moduladas cuando una carga (o detector de señal) es conectada para completar el circuito.  Este modo se usa frecuentemente en aplicaciones desbalanceadas de baja potencia o de alta impedancia tales como antenas, líneas de señal de video, redes de datos y circuitos de equipo de prueba.
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La figura 2 es un ejemplo parecido al Modo Directo, pero se agrega un tercer cable para proveer una conexión de toma a tierra, como salvaguarda, que no es parte de la trayectoria normal de la corriente del circuito.  Esta es una manera mucho más segura de aplicar una señal de alta tensión tal como suministrar 120 voltos a un refrigerador o una lavadora.  Cuando un aparato eléctrico en general se conecta de esta manera, el chasis del aparato no es parte de la trayectoria normal de la corriente y no tiene potencial eléctrico a menos que haya un cortocircuito interno.  Esta es la configuración normal de un circuito de potencia eléctrica de 120 voltos usada en los EE.UU.  Los dos conductores de CA tienen valores de voltaje desiguales o diferentes con respecto a la conexión de toma a tierra.  Uno de los cables es el polo positivo, también llamado: “vivo”, y el otro es polo negativo o neutro.  Esta configuración de potencia de fase única se llama "Modo Diferencial".
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Si uno hubiera de omitir la conexión de toma a tierra enteramente y aplicara simplemente una señal de 120 voltos a dos cables desde una fuente de energía eléctrica tal como un transformador o generador de fase única, el único potencial de voltaje sería entre los dos cables del circuito (Figura 3).  Un conductor hace referencia al otro y viceversa.  Ninguna parte del circuito de potencia hace referencia a la conexión de toma a tierra.  No hay flujo de corriente o potencial de voltaje significativo en ninguna parte a excepción de entre los dos cables del circuito.  Esta configuración de señal aplicada se llama "Modo Transverso".  La señal es transversa a los dos cables del circuito de la fuente sin tener referencia alguna a la toma a tierra.  Un ejemplo de la aplicación del Modo Transverso de potencia eléctrica son los equipos de rayos X en los hospitales.
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Una cuarta variación es el “Modo Común”.  El potencial de voltaje transverso aplicado hace referencia a la toma a tierra desde el punto medio del secundario del transformador que a su vez es su propio punto cero de cruce (Figura 4).  El circuito de potencia eléctrica se parece a un circuito balanceado de audio o una entrada de conector tipo XLR con transformador para convertir la señal de audio de desbalanceada a balanceada.  En esta configuración, se agrega al devanado del secundario del transformador una conexión central (referencia a tierra) que divide el secundario en dos terminales con potenciales en referencia a tierra de 60 voltos cada uno.  Pero el potencial transverso entre estos dos terminales continúa siendo el usual, 120 voltos.

Se Descubre al Culpable
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Veamos algunos de los problemas creados por los circuitos estándar (Modo Diferencial) de 120 voltos cuando se aplica una potencia eléctrica a una típica carga de impedancia.
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La figura 5 demuestra cómo el ruido invade el sistema de CA de toma a tierra a través del neutro.  Aquí, se aplica una carga transversalmente a una fuente de potencia eléctrica de Modo Diferencial, el  típico caso.  Nótese cómo la toma a tierra del sistema se carga con corrientes armónicas y potenciales de voltaje.  Estas se manifiestan generalmente como un tipo de "firma en voltos" en el sistema de toma a tierra, de diferente valor para cada equipo de audio.  Cuantos más equipos se conectan al sistema eléctrico, más de estas “firmas” aparecen.  Este es quizás uno de los problemas de ruido más difícil de manejar desde la perspectiva de potencia eléctrica y de toma a tierra.
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Si uno opta por usar un transformador de baja impedancia como fuente de potencia eléctrica, el ruido se atenuará algo.  Sin embargo, esto supone un aumento peligroso de picos instantáneos de potencia y de variaciones de voltaje.  En un sistema de baja impedancia, las variaciones de voltaje y las descargas eléctricas transitorias pueden ser apreciablemente mayores de lo normal.  Esto significa que la posibilidad de daño para los equipos eléctronicos es también apreciablemente mayor de lo normal.  Para proteger al equipo de este peligro exagerado se requiere la instalación de una supresora de descargas eléctricas transitorias que puede costar unos $800 y un reactor de línea de unos $2,000, un precio muy elevado solo para conseguir reducir el ruido eléctrico de fondo en 2dB ó 3dB.  Un sistema de toma a tierra radial (en estrella) puede disminuir un tanto el ruido eléctrico, pero como la mayoría de los remedios conocidos, esto no es más que poner un parche.
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Antes de continuar, veamos un problema que también afecta las tomadas a tierra en sistemas de audio.  Este problema se manifiesta cuando se aplica una potencia eléctrica de Modo Diferencial a un circuito balanceado como por ejemplo un filtro de RF.  La figura 6 muestra cómo la fuga de corriente de los condensadores del filtro terminan en el sistema de toma a tierra.  Esta corriente altamente reactiva, no lineal y semiperiódica es quizás uno de los tipos de interferencia de CA (zumbido) más persistente de todas y “resistente al ingeniero”.  El ruido eléctrico producido por fuentes de alimentación del tipo de conmutación de alta frecuencia usadas en equipos digitales y cargas no lineales similarmente reactivas, también escapan hacia el sistema de toma a tierra de una manera similar.  Los amplificadores de tubos de Clase A son particularmente vulnerables a este fenómeno de ruido eléctrico, así como también lo son las entradas balanceadas de los preamplificadores de micrófonos y otros circuitos inductivos de alta ganancia donde las señales de bajo nivel están críticamente referidas a la toma a tierra.
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En conjunto las figuras 5 y 6 ilustran la fuente y la creación de casi todos los ruidos del sistema de toma a tierra (a excepción de interferencias originadas en otra parte de la red de energía eléctrica de un edificio o sistema de toma a tierra, de los componentes defectuosos o desparejos en circuitos de audio, de los esquemas de diseño sub-estándar de sistemas de toma a tierra y de las aberraciones magnéticas ocasionales).  Unos cuantos casos de fuentes de alimentación con chasis conectados a tierra se pueden también incluir en este tipo de aberraciones.  Pero la mayoría de todos estos ruidos eléctricos son raros y, cuando aparecen, son fáciles de identificar.  Lo más importante por reconocer es que la raíz de la mayoría de los ruidos eléctricos de las tomas a tierra están vinculadas directamente al suministro de energía eléctrica desbalanceada.
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La Solución
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Apliquemos una potencia eléctrica balanceada (Modo Común) de 120 voltos al mismo filtro de RF y a la misma impedancia de carga.
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Las figuras 7 y 8 ilustran esta aplicación.  En ambos casos, los elementos de potencia eléctrica fuera de fase se hallan en la toma a tierra.  El efecto de esta condición de carga/potencia eléctrica balanceada en el sistema de toma a tierra se observa también en la red de potencia eléctrica con una ausencia casi total de ruido generado localmente.  Nótese que cuando se aplica una potencia eléctrica balanceada, los picos de voltajes y sus inversos están presentes en igual proporción con respecto a tierra.  Esto significa que las corrientes reactivas generadas por la impedancia de carga están también perfectamente balanceadas.  (En la industria eléctrica, el  término "Fuerza Contra Electro Motriz o FCEM ” se usa a veces para describir estos artefactos de potencia eléctrica).  En un sistema balanceado los elementos contrarios de la potencia eléctrica se anulan (la suma es cero) en la toma a tierra o en la toma central de un devanado, éste es un beneficio obvio en las sensibles instalaciones de producción de audio y video donde en general el ruido de fondo y el rango dinámico se ven afectados directamente por los niveles de ruido de la toma a tierra.
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Por otro lado, en un sistema trifásico de potencia eléctrica, los polos no están desfaseados 180 grados.  La fase entre uno u otro polo es de 120 grados, de tal modo que no existe nunca un momento en el que el sistema esté completamente apagado (cruce común de cero voltos) como en los sistemas de fase única. Por consiguiente, las corrientes reactivas en vez de anularse comienzan a apilarse, por decirlo de alguna manera, una detrás de otra en intervalos muy bien ordenados en ambos cables, el neutro y el de toma a tierra.  Al llegar cada fase a su pico, se libera un pulso de corriente reactiva en el neutro o cable común. Esto ocurre a un promedio de 60 veces por segundo (60Hz) por fase.  Por lo tanto las tres fases se suman de esta manera en el cable neutro creando 180Hz, la tercera armónica.  Las instalaciones de video energizadas por redes trifásicas (120/ 208V) son típicamente asediadas por estos problemas de ruido eléctrico. Cuando se usa directamente potencia eléctrica trifásica de 120 voltos en sistemas electrónicos de video o de audio, uno puede estar seguro que ha de encontrar más interferencias que con otros tipos de sistemas de 120 voltos.
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Normas Subestándar
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Queda aún un asunto por discutir: ¿Cuál es el problema con las tomas a tierra?  La respuesta es simple.  Como regla, el circuito de toma a tierra no está hecho para que circulen por él ningún tipo de corriente, excepto en el caso de que haya un cortocircuito, y en ese caso sólo momentáneamente.  Sin embargo, la entidad que aprueba circuitos eléctricos para el consumidor llamada Underwriters Laboratories (UL) se ha mostrado un tanto relajada al respecto.  A excepción de las salas de operación de los hospitales, en otras aplicaciones las “Corrientes inaceptables en la toma a tierra" han sido vagamente definidas.  Fuera de hospitales, las corrientes inaceptables en una toma a tierra son evaluadas más estrechamente con los niveles de peligro de descarga eléctrica (alrededor de 3.5 miliAmperios).  Parece que esta norma ha tenido resultados contrarios.  La corrupción de datos en sistemas de informática, fallas en discos y el simple ruido de zumbido ocacionan un gasto de tiempo y dinero.  Claramente, los estándares de los UL que definen "la corriente inaceptable en una toma a tierra" son inadecuados para los estándares modernos.  Por otra parte, los UL no son responsables de la re-ingeniería de equipos de audio y de sistemas de CA.  Normalmente, los estándares de rendimiento se dejan a la libre elección de los fabricantes y del mercado.
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El problema básico es que todos los circuitos de Modo Diferencial de 120 voltos de CA, cuando están cargados, crean ruido en la toma a tierra.  Los problemas de ruido eléctrico que ocurren en los circuitos de señal de audio son debidos a una toma a tierra defectuosa.  El antiguo circuito de Edison (donde un circuito de 240 voltos se divide en dos circuitos de 120 voltos) se usa todavía hoy como el medio estándar de distribución de energía eléctrica de 120 voltos.  La potencia eléctrica estándar es desbalanceada.  Incluso cuando se instala un transformador de aislamiento de 120 voltos de alta calidad, un polo se conecta a tierra (se convierte en el neutro), lo cual no es realmente una gran diferencia.  La manera en que la CA es referida y circulada por un circuito eléctrico tiene mucho que ver con la interferencia eléctrica creada en un sistema de toma a tierra.  Si cualquier aspecto de un circuito es usado o cargado de una manera desbalanceada, el ruido eléctrico aparecerá en la toma a tierra.

Exito, Finalmente
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Comprensiblemente, una explicación tan simple de los problemas del ruido eléctrico puede invocar un tipo de escepticismo nervioso o una negación.  Pero, el requerir pruebas no es una demanda irrazonable.  En lugares donde se usan sistemas de potencia eléctrica balanceada, los resultados hablan por sí solos.  Cuando se aplica una potencia eléctrica balanceada en todo un sistema, los resultados frecuentemente son bastantes dramáticos.  Como promedio, se ha notado una mejora de hasta 16dB en el ruido eléctrico de fondo. Cuando los cables de audio y de video se instalan adecuadamente, no existen casos conocidos de que la CA balanceada haya fracasado en aminorar considerablemente el ruido eléctrico de fondo.  En sistemas de electrónica de punta que utilizan equipos digitales de 24 bits, los equipos periféricos necesitan que la potencia eléctrica sea balanceada para aproximarse al nivel de ruido eléctrico de fondo del que un sistema digital es capaz.
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Hace un año, un negociante de sistemas de audio estaba probando unos equipos de tubo de Clase A antes de enviar su exhibición a la convención de la Sociedad de Ingeniería de Audio (Audio Engineering Society o AES).  Con varios amplificadores ya en la mesa de trabajo, estaba resignado a emplear seis horas cambiando condensadores para minimizar algunos problemas de ruido eléctrico (zumbido).  Como cosa del destino, llegó en ese momento una entrega con dos prototipos de sistemas de potencia eléctrica balanceada de 120 voltos que él había solicitado para la convención.  Predeciblemente, y sin embargo milagrosamente, los sistemas de potencia eléctrica balanceados de 120 voltos hicieron el zumbido eléctrico inaudible ahorrándole algunos condensadores y horas de trabajo.
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Pocas, si alguna, son las modificaciones que jamás habrán de hacerse al equipo electrónico.  Sin embargo, en los casos donde los equipos llevan cordones, enchufes y tomas de corriente de dos conexiones, se ha encontrado que cambiando estos por cordones, enchufes y tomas de coriente estándar de tres conexiones (la tercera es la toma a tierra) se reduce aún más el ruido eléctrico de fondo.  Con raras excepciones (donde los esquemas internos de toma a tierra en los equipos son extremadamente sub-estándar) no se deberán desconectar las tomas a tierra de ningún equipo.  Las instalaciones y cableados de audio se hacen considerablemente más fáciles de implementar, como es el caso de cuando se conectan salidas de señal desbalanceadas a entradas balanceadas.  Raramente se requerirán transformadores de aislamiento de audio para eliminar el ruido eléctrico.  Otra razón para hacer una buena toma a tierra es derivar las interferencias de RF a tierra y no permitir que circule en los chasis y las mallas anti-interferencia de los cables que van conectados a tierra.  Una buena toma a tierra donde se conecten todas las mallas anti-interferencias de RF de los cables elimina muchos problemas.  Tales buenos resultados son demasiado numerosos para mencionarlos todos.  Cuando se usa una potencia eléctrica balanceada, la regla general es: "En caso de dudas, conéctese a la toma a tierra todos los conductores y mallas anti-interferencia de RF y no se deje ni una sola sin ser conectada, tanto en las salidas como en las entradas de señal de los equipos".  Si se sigue esta regla la toma a tierra funcionará esencialmente de la manera enseñada en la escuela.
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Cuando se usa potencia eléctrica balanceada, el sistema de tierra es más permisible con los errores inherentes.  Recientemente, el dueño de un estudio necesitaba consultoría y asistencia en instalar un sistema de potencia eléctrica balanceada de 120 voltos para su estudio en casa, una instalación digital de 24 bits que también incluía una cantidad numerosa de equipos de tubos de Clase A.  A pesar de una planificación cuidadosa, hubo un malentendido sobre los detalles con respecto a las tomas a tierra en forma radial (o sistema estrella) para todas las salidas de señal de los equipos.  Por consiguiente, el electricista, poco conocedor de los sistemas de instalación y cableado de CA para estudios, conectó en serie (enlazó) todas las salidas usando únicamente un cable de conexión a tierra de calibre 12.  A pesar de este infortunio, el sistema se desempeñó a la perfección.
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Este episodio indicaría que las potencias eléctricas desbalanceadas son la verdadera causa del ruido eléctrico, y no un mal diseño del sistema de la toma a tierra.  El sistema estaba lleno de conexiones dobles a tierra, enlazadas, pero no se encontraron por ningún lugar corrientes ni potenciales en los chasis con respecto a la toma a tierra.  Así es como debería ser.  Los sistemas de toma a tierra radiales y las redes de referencia lineal de señales no son nada más que parches que, en el mejor de los casos, consiguen sólo enmascarar marginalmente algo del ruido eléctrico.  Para librarse de los problemas del ruido eléctrico, los circuitos de toma a tierra deben ser sólidos y bien diseñados, eso es todo lo que se necesita.  De otro modo, ni cientos de varillas de toma a tierra servirán de ayuda.

En Conclusión...
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El sistema de potencia eléctrica balanceada de 120 voltos es único en el sentido de que lidia específicamente con el balanceo de todos los elementos de carga y potencia eléctrica con respecto a un punto único de toma a tierra.  Esta es la única receta para mantener una toma a tierra estable y sólida al margen de cuán grande sea la instalación o cuántos equipos se pongan a funcionar al mismo tiempo.  Un transformador de aislamiento especialmente bobinado con toma central en el devanado del secundario de 120 voltos, que se muestra en la Figura 4 y nuevamente en la Figura 7 y 8 es básicamente el corazón del sistema.  Ambos, la carga y la potencia eléctrica, se balancean con respecto a la toma central del transformador.  Esta es la verdadera referencia de un sistema de punto único de toma a tierra para un estudio de grabación.  La conexión a tierra del sistema propiamente dicha (las varillas hundidas en la tierra) funciona ahora únicamente como una referencia eléctrica para seguridad personal y para las tomas a tierra de los equipos e interconexionados, como debe ser, y no como un ineficaz hoyo de absorción de corrientes reactivas.
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Toda instalación profesional de producción de audio y video que ha usado sistemas de potencia eléctrica balanceada ha demostrado un aminoramiento significativo en el ruido eléctrico de fondo. Particularmente, en los casos donde se ha prestado una atención minuciosa a la selección de equipos de audio y video con circuitos balanceados de alta calidad y una bien diseñada instalación y cableado de audio y video, las diferencias son asombrosas.
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De manera interesante, la “queja” más común acerca de la potencia eléctrica balanceada viene de parte de los guitarristas, quienes interpretan el zumbido como una confirmación de que el amplificador está funcionando.  Parece que el silencio es una molesta distracción para ellos. Qué pena. Ya se acostumbrarán.