Blindaje y bucles de tierra

Tengo varios equipos que todos necesitan estar conectados a GND (Chassis GND). El problema que tengo es que estoy conectando una tarjeta ADC dentro de una computadora a través de una caja de metal con electrónica personalizada que se conecta a un criostato (escudo de metal).

El problema es que si solo uso mis cables estándar, la computadora GND está conectada a la caja de metal con la electrónica que a su vez está conectada al metal del criostato. Ahora la computadora está conectada a GND a través del enchufe y el criostato está conectado a GND a través de una gran correa de metal al GND del edificio. Esto para mí huele a un mal caso de un bucle de tierra.

Así que estoy pensando que necesito romper el escudo en algún lugar de uno de los cables. La pregunta es dónde? La electrónica está amplificando una señal bastante pequeña del criostato, así que supongo que quiero intentar mantener esa conexión de protección continua. Iba con romper el escudo en la caja en el cable que corre a las computadoras ADC. ¿Es esta una buena idea? ¿No debería preocuparme si Computer GND y cryostat GND están más o menos conectados a la misma regleta?

Tenga en cuenta que el GND de la electrónica debe estar flotando desde el GND del chasis / edificio.

Sí, parece que (un poco confuso) tiene un problema de bucle de tierra, y sí, pueden ser importantes, especialmente cuando se trata de medir pequeñas señales analógicas. Si todas las conexiones a tierra se unen a la misma tira de salida a través de cables de línea relativamente cortos, entonces probablemente estaría bien. Sin embargo, usted dice que esta cosa del criostato (lo que sea que sea) está conectada por separado a la tierra del edificio, por lo que obviamente ese no es el caso y es confuso, por lo tanto, por qué lo mencionó.

En general, es bueno convertir las señales analógicas en digitales lo más cerca posible de la fuente, y luego enviarlas alrededor de las señales digitales. Es mucho más fácil aislarlos, como a través de optoacopladores, transformadores de pulso, radio, etc. En otras palabras, una tarjeta A / D antigua en la computadora no es la mejor arquitectura general desde el punto de vista del nivel del sistema.

Sin embargo, mire la tarjeta A / D con cuidado. Lo más probable es que se pueda configurar para operación de extremo único y diferencial. Este es un caso en el que desea entradas diferenciales. La criostato puede producir una señal referenciada a tierra, pero toma su señal de tierra y salida como diferencial. Esto esencialmente restará el desplazamiento del suelo de la señal antes de convertirlo.

Este truco solo funcionará hasta cierta frecuencia, probablemente unos pocos kHz o 10s bajos de kHz. Debería funcionar bastante bien para restar cualquier señal de tierra debido a las corrientes de retorno de la línea de alimentación de 60 Hz o 50 Hz a través de las rutas de tierra en el circuito. Los picos agudos de modo común aún pueden confundir el amplificador diferencial en el A / D y aparecer como ruido en la salida final. Sin embargo, vale la pena intentarlo. Si no es lo suficientemente bueno, regrese y convierta a digital en el sensor, luego opto-aisle la señal de telemetría digital.

Hay un tutorial sobre bucles de tierra y otras formas de interferencia eléctrica en el sitio web de Loop Slooth .

Este tutorial muestra que los bucles de tierra se comportan de manera diferente en frecuencias bajas y altas. A bajas frecuencias lo que cuenta es la resistencia de los conductores que forman el bucle de tierra, pero no la disposición física, mientras que a altas frecuencias es al revés, porque a altas frecuencias lo que cuenta es la inductancia, no la resistencia. La frecuencia de cruce está dada por R / L, donde R es la resistencia del cable y L es la inductancia del bucle.

Estos temas también se discuten en un documento de Revisión de Instrumentos Científicos (también en un enlace en el sitio web).

El tutorial explica cómo los bucles de tierra resultan de la distinción entre la ley de Faraday y la ley de Kirchoff (la electrónica se basa en la ley de Kirchoff que es válida solo para DC, mientras que el mundo real de las corrientes dependientes del tiempo involucra la ley de Faraday). También analiza la relación de los bucles de tierra con otras formas de interferencia, como el acoplamiento inductivo, el acoplamiento electrostático y el acoplamiento radiativo.

1. A menudo se cree que la amenaza clave de un bucle de tierra es que hay una diferencia sustancial de CC entre las tierras (por ejemplo, 0V y 0.3V). En cuyo caso, conectar los dos con un cable de baja resistencia puede causar una corriente alta y dañar uno (o ambos) de los dispositivos. Puede ser el caso si el consumo actual de los dispositivos es de diferente magnitud entre ellos (por ejemplo, un motor rotativo conectado a un teléfono móvil). Sin embargo, este es un caso poco probable. Entonces, la caída de CC no debería ser un problema.

2. Los bucles de tierra suelen ser un problema porque actúan como transformadores que convierten el campo magnético cambiante (causado por el funcionamiento de dispositivos cercanos como cables de la red eléctrica, bombillas, interruptores, motores, etc.) en voltaje inducido.

En un caso ideal, si hubiera solo un par de cables (conectados a una fuente de alimentación) ubicados uno cerca del otro en todas partes, los lazos de corriente serían los mismos y el EMF inducido sería el mismo. Por lo tanto, medir la diferencia de voltaje entre los cables en cualquier punto produciría el mismo resultado ya sea con un campo magnético o no.

Sin embargo, en la práctica esto rara vez es el caso, los cables no van en pares y no siempre van cerca uno del otro. De esta manera, aparece el ruido (los EMF inducidos en diferentes bucles son diferentes).

Desde el punto de vista práctico, puede hacer lo siguiente: a) asegúrese de que todos los cables estén lo más cerca posible entre sí (no se forman grandes bucles de cables aislados). b) asegúrese de que no haya fuentes de campo magnético variables en el tiempo (agresores de ruido) cerca.

En su caso, los dos dispositivos tienen diferentes conexiones a tierra (red principal y edificio gnd), por lo que, probablemente, se forma un bucle gigante, lo que no es bueno.

El nivel de ruido real dependerá de los campos magnéticos parásitos que rodean su configuración. Si no hay fuentes fuertes de campo magnético variable en el tiempo en su laboratorio, el circuito de tierra puede no ser un problema.

Romper un escudo puede no ser una buena opción porque:

1) cambiará la impedancia del cable, lo que puede ser problemático a altas frecuencias.

2) El gnd del receptor flotará en relación con el gnd del conductor. Cualquier corriente parásita que aparezca en el receptor gnd afectará la señal.