EL RUIDO. GREMLINS EN LA SEÑAL ELÉCTRICA.

[Rocoa]

El ruido es el verdadero enemigo oculto del buen sonido.

El ruido eléctrico es el resultado de una cantidad mayor o menor de señales eléctricas aleatorias que se acoplan en circuitos en los que no deberían estar, por ejemplo, donde pudieran interrumpir o modificar señales de transferencia de información.

El ruido se produce tanto en circuitos de señales como de alimentación, pero, generalmente, se convierte en un problema mayor cuando se produce en circuitos de señales de bajo nivel. Los circuitos de señales y datos son particularmente vulnerables al ruido, dado que funcionan a altas velocidades y con niveles de baja tensión. Cuanto menor sea la tensión de la señal, menos amplitud de la tensión de ruido se puede tolerar.

La relación señal-ruido describe la cantidad de ruido que un circuito puede tolerar antes de que la información válida, es decir, la señal, se vea afectada.

El ruido puede provenir directamente a través de los cables de la red, de otros aparatos conectados a la misma, o puede ser inducido en la red por vía aérea (EMI/RFI) ya que la línea actúa como una antena receptora de campos externos.

Comentemos cuatro aspectos básicos referentes a la génesis del ruido que merece la pena tener en cuenta:

1. Acoplamiento capacitivo

Esto a menudo se denomina ruido electroestático y es un efecto basado en la tensión. La descarga de un rayo es tan solo un ejemplo extremo. Cualquier conductor que esté separado por un material aislante (incluido el aire) constituye un condensador; en otras palabras, la capacidad es una parte inseparable de cualquier circuito. El potencial del acoplamiento capacitivo aumenta con la proximidad, la superficie y a medida que se incrementa la frecuencia.

2. Acoplamiento inductivo

Se trata de ruido acoplado magnéticamente y es un efecto basado en la corriente. Todo conductor por el que fluya corriente posee un campo magnético asociado. Una corriente cambiante puede inducir corriente en otro circuito; dicho de otra forma, el circuito fuente actúa como transformador principal y el circuito de destino se convierte en el secundario. El efecto del acoplamiento inductivo aumenta con los siguientes factores: (1) mayor flujo de corriente, (2) mayor velocidad en el cambio de corriente, (3) proximidad de dos conductores (principal y secundario) y (4) aumento de semejanza del conductor adyacente con una bobina (diámetro redondo en vez de plano, o bobinado en lugar de recto).

Se hace referencia a ambos acoplamientos, inductivo y capacitivo, como efectos de campo próximo, ya que predominan en las distancias cortas y sus efectos de acoplamiento disminuyen con una mayor distancia. Esto ayuda a explicar uno de los misterios del ruido: cómo un leve cambio de posición física de los cables pueden tener efectos tan importantes en el ruido acoplado.

3. Ruido conducido

Dado que todos los ruidos acoplados acaban como ruido conducido, este término se emplea generalmente para denominar al ruido acoplado por una conexión directa y galvánica (metálica). El ruido conducido podría ser de alta frecuencia, pero también de 50 Hz.

4. Interferencias de radiofrecuencia

Las interferencias de radiofrecuencia oscilan entre 10 kHz y decenas de MHz (y superiores). En estas frecuencias, las longitudes de los cables empiezan a actuar como antenas transmisoras y receptoras. El circuito culpable actúa como antena transmisora y el circuito víctima actúa como antena receptora. Las interferencias de radiofrecuencia, como el resto de mecanismos de acoplamiento, son tan reales como la vida misma, pero se pueden controlar (no sin algo de dedicación y esfuerzo, no obstante).
Pensemos que nosotros vemos los conductores como apropiados para la transmisión de señales eléctricas pero la madre naturaleza los toma como antenas.

Si nos referimos al modo en que se transmite el ruido, hay dos tipos básicos de interferencias o ruido (cualquier señal introducida que no debería estar ahí) que van a afectar a nuestro sistema de audio: conducidas y radiadas.

El ruido conducido está superpuesto a la corriente de entrada que proporciona la alimentación desde la fuente de tensión y puede salir o entrar en la fuente de alimentación.

Dentro del ruido conducido podemos distinguir dos modos: modo diferencial y modo común.

RUIDO DE MODO DIFERENCIAL

Cuando los dos cables de señal de la línea tienen ruido que está en contrafase hablamos de ruido de modo diferencial. Consiste en señales indeseadas que se presentan en serie entre la fase y el neutro.
Se conoce también como ruido de modo normal, modo transverso o simétrico.

Las corrientes van a través de un par de cables, desplazándose por uno de ellos desde la generación de la carga y completando el camino a través del otro conductor.
Tiende a disipar su energía en cualquier camino desde el conductor de fase hacia el neutro.

Tales señales son el resultado de las conmutaciones que hacen los equipos electrónicos en su etapa de entrada. Hoy en día las electrónicas con elementos que operan en alta frecuencia proliferan y debido a esto se inserta ruido en modo diferencial en las líneas eléctricas. El uso de filtros atenúa este tipo de ruidos.

RUIDO DE MODO COMÚN

Cuando los voltajes de ruido están en fase uno con el otro hablamos de ruido de modo común. El ruido de modo común son tensiones indeseadas de alta frecuencia que aparecen entre fase y tierra o neutro y tierra.
Se conoce también como ruido de modo a masa o asimétrico.

Está presente tanto en la fase como en el neutro y es medido respecto a tierra (el término común indica que las señales de ruido en cada uno de los conductores transportadores de corriente están en fase y son de igual magnitud; por lo tanto, no hay ninguna señal del voltaje generado por estos conductores por el ruido).

Pero, si ambos conductores transportan la misma corriente en la misma fase, como si estuviesen conectados juntos en paralelo, ¿por dónde drena la corriente? Efectivamente, necesitamos un conductor de retorno para tener el camino pero a veces este no es tan obvio. Puede ser el conductor de tierra del power cord, el apantallamiento del cable de interconexión, el cable de masa que conectamos al chasis de un aparato…..en fin, que a veces este ruido es muy escurridizo.

De los dos tipos de ruido el de modo común es el que ocasiona más problemas porque predomina más que el de modo diferencial.
Esto es porque el ruido casi siempre se transmite a través de un transformador como ruido de modo común, independientemente de que se haya creado como común o diferencial.

En los transformadores de alimentación la energía de alta frecuencia pasa más fácilmente a través de la capacitancia interna de los devanados que a través del acoplamiento inductivo entre ellos.
El ruido de modo normal por lo tanto será transferido desde el primario hasta el secundario a través de la capacitancia interna de los devanados, y simultáneamente a todos los conductores del secundario, apareciendo como ruido de modo común en el secundario.

RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Es muy general y hay que tener en cuenta que las emisiones radiadas acaban siendo conducidas, no desparecen por arte de magia.
Se refiere a cuando los campos magnéticos de dos componentes o aparatos se acoplan uno con el otro (EMI) o, más ampliamente, cuando un elemento recoge radiaciones como las ondas de radio (RFI).
Esta energía interfiere con la señal de audio. Aunque son señales fuera del rango de frecuencia audible (de hecho están muy por encima) provocan distorsiones de las señales musicales.

Hay que precisar que cuando se trata de altas frecuencias los disturbios no han de ser grandes para ocasionar daños. Entre las soluciones a estos problemas están los filtros EMI/RFI y los transformadores de aislamiento.
Debido a que este tipo de ruido puede ser también inducido las soluciones se encaminan en muchos casos a guardar distancias respecto a la fuente de ruido.


El ruido es uno de los temas más "misteriosos" en la calidad eléctrica y al tratar el tema, además de prestarle mucha atención a la toma de tierra, convendría tener claros dos conceptos clave:

•   El primero es que los efectos eléctricos no requieren una conexión directa (por ejemplo, a través de los cables) para que se produzcan (EMI - RFI).

•   El segundo concepto es que no podemos seguir más tiempo anclados en "el reino de los 50 Hz" debido a la gran cantidad de armónicos que generan actualmente los aparatos conectados a la red.

[Rocoa]

La situación en relación al ruido eléctrico se ha vuelto más complicada en las últimas décadas dada la enorme proliferación de dispositivos electrónicos en los hogares. Y todos ellos generan ruido de algún tipo.

Los aparatos que conectamos a la red están preparados para operar con una corriente sinusoidal a 50 Hz (ciclos por segundo) con una tensión de 230 voltios. Y, efectivamente en España la tensión alterna tiene valores nominales de 230V entre fase y neutro y 50 Hz. Esto significa que la tensión en nuestro enchufe alterna su sentido (pasa de positivo a negativo, y otra vez a positivo) 50 veces cada segundo, siendo la intensidad eléctrica que fluye determinada únicamente por las características de la carga conectada.

Pero por diferentes razones se puede presentar un flujo eléctrico a otras frecuencias diferentes a los 50 ciclos y el voltaje puede oscilar también.
Nos referimos a las perturbaciones producidas por las cargas no lineales, que producen corrientes armónicas que circulan hacia atrás, aguas arriba, en el sistema de distribución. 

Como ejemplos de cargas no lineales podríamos citar:
- Equipo industrial (soldadoras, hornos de arco, hornos de inducción, rectificadores).
- Variadores de velocidad para motores CC o asíncronos.
- SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida).
- Equipos de oficina (ordenadores, fotocopiadoras, faxes, etc.).
- Electrodomésticos (televisores, hornos microondas, iluminación fluorescente).
- Algunos dispositivos con saturación magnética (transformadores).

Se trata de tensiones o corrientes sinusoidales que poseen frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia a la cual el sistema de alimentación está diseñado para operar.
La amplitud es inferior a la de la fundamental y la frecuencia es un múltiplo de la fundamental que define el orden del armónico (por ejemplo, el armónico de segundo orden tiene una frecuencia de 2 x 50 Hz y el de tercer orden de 3 x 50 Hz).
Las formas de onda distorsionadas pueden ser descompuestas en una suma de la señal de frecuencia fundamental y las armónicas.
 

Esto causa problemas tanto para los usuarios como para la entidad encargada de la prestación del servicio de energía eléctrica ocasionando diversos efectos nocivos en los equipos de la red. Además, la inyección de armónicos aguas arriba en la red de distribución causa grandes problemas y pérdidas económicas a las empresas.

Muchos aparatos necesitan campos magnéticos para su funcionamiento (motores, transformadores...) y consumen un tipo de energía denominada energía reactiva.
Este tipo de cargas (denominadas inductivas) absorben energía de la red durante la creación de los campos magnéticos que necesitan para su funcionamiento y la entregan durante la destrucción de los mismos, generando así armónicos.

Por otro lado el proceso de rectificación que convierte la corriente alterna en continua, con la que funcionan nuestros aparatos, es muy ruidoso. Grandes cantidades de armónicos de 50Hz se generan en la fuente de alimentación y se propagan hacia delante en los circuitos y hacia atrás en la red eléctrica. Si se utilizan diodos semiconductores, generan una alta frecuencia adicional causada por su naturaleza de interruptor cambiante.

Las modernas fuentes conmutadas son muy eficientes pero generan gran cantidad de ruido.
Así, las sencillas fuentes de alimentación que montan las computadoras y discos duros, con su filtración mínima, producen una significativa cantidad de ruido.

Los servidores digitales, NAS y módems utilizados en los actuales sistemas musicales presentan particulares problemas en lo que se refiere al ruido que derivan a la línea eléctrica que, simultáneamente, alimenta otros componentes de audio y que termina por degradar las prestaciones sonoras del equipo.
Las electrónicas digitales son omnipresentes en los sistemas actuales y ciertamente no son lo mejor en lo que se refiere a la repulsión del ruido y a la generación del mismo.
Si un producto es digital en su naturaleza, los pulsos generados en el mismo a veces siguen la misma ruta dentro de cualquier elemento del sistema o hacia atrás en la línea eléctrica.

Muchos otros aparatos como los microondas, frigoríficos, batidoras, etc. generan ruido y casi todos los aparatos domésticos montan un microprocesador en su interior. Y, obviamente, los fabricantes de aparatos no se preocupan por gastar unos cuantos euros para incluir filtraje en sus productos y así mejorar la vida de los audiófilos.

Y este no desaparece por arte de magia en la toma de tierra. De hecho la toma de tierra es con frecuencia una importante fuente de ruido y las corrientes de alta frecuencia que circulan por la misma poseen a veces unas trayectorias muy complicadas, fluyendo a cualquier aparato conectado a la red.
No podemos imaginarnos lo complejos que son los caminos de las corrientes a través de nuestras casas.

No nos olvidemos de las redes PLC (Power Line Communications), que utilizan las líneas de energía eléctrica convencionales para transmitir datos. El poder transformarlas en líneas digitales de alta velocidad de transmisión de datos está siendo aprovechado por muchos usuarios y por las propias empresas de suministro eléctrico.   

El suministro eléctrico es realmente un sumidero gigante de todo el ruido eléctrico de nuestros vecinos y del que nuestros propios aparatos añaden a la red.
Por tanto, el enemigo está más cerca de lo que pudiéramos pensar (en nuestra propia casa).

[Rocoa]

Directamente relacionado con las cargas reactivas hay otros problemas que pueden afectar a las prestaciones del equipo, como el Factor de Potencia (Power Factor).
Donde quiera que la energía eléctrica realmente usada por una carga sea algo menos que la energía aparente suministrada, las corrientes reactivas serán la diferencia.

Las cargas resistivas son elementos pasivos que no generan desfase en la corriente.
Sin embargo las bobinas (cargas inductivas) y condensadores (cargas capacitivas) son elementos reactivos que generan campos, respectivamente, magnéticos y eléctricos. Estos campos presentan una cierta “inercia” a ser creados o destruidos, y es esta “inercia” la que introduce desfases en la corriente y da lugar a las corrientes reactivas.
Ambos elementos producen efectos contrarios en la corriente. Las bobinas introducen desfases positivos y los condensadores negativos.

Estos desfases hacen disminuir la potencia entregada a una carga resistiva conectada luego de la reactancia sin consumir energía.

La ratio entre la energía realmente consumida (P = Potencia efectiva o real, que es la que se aprovecha como trabajo) y la aparente suministrada (S = Potencia aparente, la consumida por la carga) es lo que se llama Factor de Potencia (coseno de “fi”- φ -).
FP = P/S

El factor de potencia, FP o cosφ (coseno fi) de un circuito de corriente alterna se calcula como el cociente entre la potencia activa (P) y la potencia aparente (S).
Idealmente la ratio debería ser 1:1, algo que solo ocurre en las cargas resistivas, pues así habría menos pérdida de energía no aprovechada.

Lo que ocurre en la práctica es que obtenemos un número decimal menor que 1 y dicho número representa el factor de potencia correspondiente al desfase en grados existente entre la intensidad de la corriente eléctrica y la tensión o voltaje en el circuito de corriente alterna.

Cierta porción del voltaje se queda atrás, desfasada 90 grados respecto a la fase del voltaje fundamental, debido al efecto de la corriente reactiva procedente de una carga de impedancia no lineal.

Voltaje y corriente deben estar en fase para que la energía eléctrica exista y ésta pueda realizar su trabajo pero la presencia de corrientes reactivas significa que alguna porción de la energía eléctrica presente ha cambiado de fase y ese cambio en el voltaje respecto a la fase de la corriente significa que, hasta cierto punto, simplemente no hay corriente.

Así un bajo Factor de Potencia significa que la eficiencia de las fuentes de alimentación del equipo se verán afectadas.

Esta es una de las causas por la cual los audiófilos comentan que su equipo suena mejor de madrugada, un síntoma del fuerte uso de la red eléctrica durante el día y a ciertas horas de la noche, lo que supone una elevada presencia de armónicos.

Entre los efectos instantáneos están las vibraciones y ruido de los transformadores y, a largo plazo, el principal efecto es el calentamiento.

Los diodos, elementos semiconductores y transformadores que se saturan son ejemplos de equipos generadores de armónicos. También los filtros eléctricos y electrónicos y las fuentes conmutadas.

La presencia de los armónicos en la red disminuirá el Factor de Potencia con lo cual la eficiencia energética disminuye, ya que los aparatos consumirán más energía eléctrica de la necesaria para realizar el mismo trabajo.
Se va a traducir en fluctuaciones de tensión, vibraciones, sobrecalentamiento de cables, transformadores, protecciones termo-magnéticas y equipos, y disminución general del desempeño de la red.

Es frecuente sufrir disparos intempestivos de los diferenciales en las horas con mayor presencia de distorsión armónica en la red, llegando a ser necesaria la utilización de diferenciales superinmunizados, calibrados para soportar altas tasas de distorsión.
Y no resulta infrecuente el escuchar el zumbido de algún transformador en esas condiciones.

Una buena solución para lidiar con este problema son los transformadores de aislamiento.
Para luchar con los armónicos también pueden utilizarse filtros pasivos, que atenúan una banda de frecuencias, o activos que cancelan los armónicos inyectando corrientes armónicas exactamente iguales donde surgen.

Jeff Rowland fabrica un módulo externo que permite conectar sus electrónicas en clase D más accesibles, corrigiendo el factor de potencia. Se trata del PC1.

En sus electrónicas de gama alta los módulos de PFC ya van incorporados.
El Power Factor Correction (PFC) utiliza bobinas, condensadores y microprocesadores para mantener el voltaje y la corriente alineadas en fase.

Para entender el PFC hemos de ser conscientes de que en una fuente de alimentación convencional los condensadores se cargan sólo en breves picos de la onda de corriente alterna. El power cord que conecta el amplificador con el enchufe transporta pulsos de corriente de alto nivel de muy corta duración (al ritmo de 100 veces por segundo en corriente de 50 Hz). El problema es que esta corriente se retrasa respecto al voltaje y, por tanto, los picos de corriente están desfasados con el voltaje.

El resultado es reducción de la eficiencia así como grandes variaciones en la cantidad de energía almacenada en los condensadores entre los pulsos.
Esta técnica mantiene completamente cargados los condensadores, reduce el ruido reflejado a la red eléctrica y aumenta la eficiencia.