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Laboratorio Elettronico: evitare i ground loop

Indice Argomento Corrente
1) Definizione di massa elettrica e di terra
2) Come si forma un "anello di terra" o "loop di massa" o ground loop
3) Individuazione degli strumenti con la massa del probe collegata a terra
4) Operazioni da fare quando si utilizza uno strumento
5) Possibili stategie per evitare i ground loop

Definizione di massa elettrica e di terra

In elettrotecnica ed elettronica la massa è la scatola metallica di un apparato elettrico o elettronico, che si comporta come una gabbia di Faraday, quindi scherma dai campi elettrici l'apparato stesso.
La massa in seguito ad un guasto dell'isolamento può andare a contatto con la tensione di rete ed essere pericolosa.
Per ovviare a questo inconveniente la massa dell'apparato viene collegata alla terra dell'impianto elettrico.
Quindi in questo caso il potenziale elettrico della terra e della massa coincidono.
In questo caso se il conduttore di fase accidentalmente entra in contatto con la massa, si innesca una differenza di corrente fra conduttore di fase e neutro (dovuta alla corrente che fluisce verso terra) e scatta l'interruttore diffrenziale (detto comunemente salvavita) e l'alimentazione si interrompe.
Può non essere così, ovvero la massa può non essere connessa alla terra, allora si dice che la massa è a potenziale flottante.
I simboli circuitali della massa e della terra sono differenti per poterle distinguere in un qualsiasi impianto.
La messa a terra ha questo nome perché in genere in un impianto elettrico è ottenuta piantando un palo di materiale conduttore con opportuni accorgimenti nel terreno.
Mentre la massa può avere qualsiasi potenziale elettrico riferito alla terra, la terra è considerata ad un potenziale di riferimento di 0 Volt.

Simbolo elettrico della terra Simbolo elettrico della massa

Simbolo circuitale della terra

Simbolo circuitale della massa

Come si forma un "anello di terra" o "loop di massa" o ground loop (da ora useremo la dizione "ground loop")

I ground loop (letteralmente, “anello di terra”) sono delle particolari situazioni che si verificano frequentemente quando due o più apparati alimentati dalla rete di distribuzione elettrica condividono più di un collegamento di messa a terra.
Questo fa si che si crei un circuito chiuso, in altre parole una spira in cortocircuito che sottoposta a campi magnetici esterni (trasformatori, linee elettriche, cellulari ecc.) viene percorsa da corrente.
Quando questa corrente passa, ad esempio, nella schermatura di un probe (cavo coassiale) per mutua induzione viene indotta una tensione sul conduttore centrale. Questa tensione viene sovrapposta al segnale da misurare e genera un errore.
Mentre per le apparecchiature audio questo si traduce in ronzio all'uscita, per gli apparecchi di misura si traduce in misure con rumore sovrapposto e quindi, tanto più imprecise quanto più il segnale da misurare ha un valore basso rispetto al disturbo.
Di seguito analizzeremo le criticità con degli esempi per rendere meno nebuloso tale concetto.

Esempio di alimentatore con uscita a potenziale flottante rispetto a massa e terra Esempio di alimentatore con uscita a potenziale  con riferimento a massa e terra

Esempio di un alimentatore. Circuito con potenziale flottante, le uscite U1 e U2 hanno un potenziale flottante rispetto a massa e a terra. La massa è collegata a terra ma il circuito interno non lo è ed è isolato dalla rete elettrica dal trasformatore di alimentazione.

Esempio di un alimentatore. Circuito con potenziale riferito a terra. La massa è collegata a terra, il circuito interno è collegato a sua volta a massa, quindi l'uscita U2 risulta collegata a terra e l'uscita U1 è riferita al potenziale di terra.

Nell'esempio sopra, l'alimentatore a destra si presta per innescare un ground loop qualora un altro strumento o circuito abbia una uscita o un probe collegato a terra attraverso la massa.
Usando l'alimentatore dello schema a destra quindi un eventuale oscilloscopio collegato a fini di misura (misura del ripple per esempio) non deve avere la calza del probe collegata al circuito stesso.

Individuazione degli strumenti con la massa del probe collegata a terra

Muniti di un multimetro commutato sulla misura della resistenza colleghiamo un puntale alla massa della presa BNC di un oscilloscopio e l'altro puntale alla terra dell'impianto elettrico.
Quasi tutti gli oscilloscopi hanno la massa della presa BNC collegata alla terra.
In questo caso il multimetro indicherà una resistenza molto bassa.
Poi ripetere la prova sulla massa del connettore BNC del generatore di funzioni e sul polo negativo di tutti gli alimentatori.
Una volta individuati tutti gli strumenti che hanno questa caratteristica contrassegnarli e comportarsi di conseguenza.

Collegamento a terra della calza di schermatura del probe dell'oscilloscopio

Nell'immagine sopra abbiamo un collegamento a terra della calza di schermatura del probe di un oscilloscopio ottenuta collegando la massa dello stesso a terra.
Questo per evitare che il probe possa captare dei campi elettrici, considerata l'alta impedenza di ingresso dell'oscilloscopio.
Questo permette di collegare al circuito di test una sola schermatura del probe, mentre le altre non devono essere collegate per evitare un ground loop.

Operazioni da fare quando si utilizza uno strumento

Prima di tutto occorre determinare se lo strumento ha un ingresso/uscita collegato a terra.
Il collegamento a terra del circuito su cui stiamo lavorando in fase di misura e per tutti gli strumenti ed apparati collegati deve essere sempre e solo uno.

Loop di massa attraverso la schermatura dei probe in un oscilloscopio Loop di massa attraverso la schermatura dei probe in un oscilloscopio

Nell'immagine sopra a sinistra un classico ground loop attraverso la calza di schermatura dei probe di un oscilloscopio (immagine a sinistra).
Per evitare il ground loop occorre collegare al circuito sono una delle due calze metalliche di schermatura dei probe (immagine a destra).

Loop di massa attraverso la schermatura dei probe in un oscilloscopio

Nell'immagine sopra il caso di un ground loop fra due strumenti con la calza della schermatura del probe collegata a massa (su ambedue gli strumenti).
Nell'esempio si tratta di due oscilloscopi ma nella realtà il secondo strumento potrebbe essere un alimentatore o uno strumento di misura o un alimentatore o altro apparto utilizzato.
Anche in questo caso basterebbe utilizzare la schermatura di uno solamente dei due probe, oppure disaccoppiare dalla terra uno dei due oscilloscopi con un trasformatore di isolamento.

Possibili stategie per evitare i ground loop

Per quello che riguarda l'eliminazione dei ground loop si possono adottare due strategie:

  • Non utilizzare mai la calza del probe e mettere a massa il polo negativo del circuito da misurare.
  • Utilizzare la calza di uno solamente dei probe per collegare a massa il polo negativo del circuito da misurare.

E' preferibile la prima soluzione, è più difficile commettere errori.

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