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Cómo aumentar el rango dinámico de tu estudio gracias a la tensión balanceada

Esquema electrónico

El circuito de tierra del sistema eléctrico de nuestro estudio es a la vez nuestro salvavidas y nuestra pesadilla a la hora de tratar de reducir los zumbidos de nuestros equipos. Veamos cómo atacar este problema.

El rango dinámico de una máquina

El rango dinámico de una máquina es la diferencia entre la máxima señal de audio que puede salir de él con una distorsión total que quede dentro de unos parámetros entendidos como “limpios” (habitualmente 0,5% de THD) y el nivel de ruido que sale de ese mismo aparato. Dicho de otro modo, la señal de audio que quede por debajo del nivel de ruido no se escuchará, y la que salga con un nivel superior al máximo se escuchará distorsionada, de modo que la zona operativa será la que quede entre ambos extremos.

Los niiveles máximos de señal de audio suelen ser unos +16dBus/+30dBus, y los niveles de ruido típicos unos -100dBus/-60dBus, dando como resultado niveles típicos de rango dinámico de 75/115dBs.

De este modo, para ampliar el rango de utilización de una máquina solamente tenemos dos vías: aumentar el nivel máximo de señal que esa máquina puede manejar, o reducir el nivel del ruido. Esta última opción en cierta medida depende de nosotros mismos , ya que el ruido se debe en parte a problemas relacionados con la alimentación eléctrica, y por tanto con la instalación eléctrica de nuestro estudio, la cual podemos acondicionar.

Los conductores de una instalación eléctrica monofásica de baja tensión y su aislamiento

El circuito eléctrico normalizado de baja tensión que llega a nuestras viviendas y negocios consta de tres conductores aislados entre sí con un aislamiento asegurado que sobrepasa con creces la tensión nominal de 230V, aunque como veremos más tarde, no aseguran una independencia total entre ellos. Estos aislamientos tan solo nos aseguran que no se produzca un contacto directo entre conductores y por tanto un cortocircuito, pero no evitan las interacciones electromagnéticas entre ellos.

En caso de que el aislamiento no fuera el suficiente —por ejemplo, en el caso de un corte accidental en las cubiertas de los conductores que dejara ambos hilos a una distancia muy reducida y como decimos sin el aislamiento de las cubiertas—, se produciría un arco voltaico que transformaría el aire en plasma permitiendo el paso de una corriente de cortocircuito, situación que podría derivar en un incendio debido a las altas temperaturas que pueden producirse durante el estado de plasma del aire. Por tanto, las cubiertas de los conductores forman nuestra primera línea de defensa. Nos protegen de contactos directos, de peligrosos arcos voltaicos y permiten que cada conductor desarrolle su función encomendada.

Los tres conductores se denominan de la siguiente forma y tienen las siguientes funciones a su cargo:

  • Conductor de fase: Identificado con una cubierta de color negro, gris o marrón, es el encargado de suministrar el diferencial de potencial eléctrico o voltaje que generará una corriente eléctrica al ser cerrado el circuito.
  • Conductor neutro: Identificado de color azul, es el encargado de cerrar el circuito para que se genere esa corriente, también llamada intensidad, que mediremos en amperios.
  • Conductor de tierra: Identificado con franjas verdes y amarillas, tiene la función de proteger a las personas frente a contactos indirectos en conjunción con el interruptor diferencial de nuestro cuadro eléctrico. Se trata de un conductor que no es necesario para el suministro de energía eléctrica y que por tanto es prescindible a nivel puramente funcional, pero aporta un grado mucho mayor de seguridad a la instalación.

Funcionalidad del conductor de tierra

Todos sabemos que la utilización de energía eléctrica conlleva grandes beneficios y grandes riesgos. La electricidad no huele, no se oye, no se ve, es como un éter esotérico capaz de la mejor de las magias pero que a cambio se cobra un precio en vidas humanas en accidentes. Nuestros sentidos nos advierten de depredadores, de acantilados, del fuego... pero evolutivamente no estamos preparados para el peligro que encierra el uso de diferenciales de potencial eléctrico, porque al no habernos expuesto a ellos hasta ahora nuestros sentidos no detectan su presencia; de ahí su peligrosidad y la insistencia en en los parámetros de seguridad de este artículo. Una intensidad de 15miliamperios ocasiona que los músculos queden contraídos y no podamos, por ejemplo, dejar de agarrar con la mano el elemento que nos esté electrocutando en ese momento. Una corriente de 25mA puede causar irregularidades cardíacas, y a partir de 50mA si es aplicada durante más de un ciclo cardíaco, es posible que entremos en fibrilación ventricular.

El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT) estipula que la máxima corriente a la que puede estar expuesto un cuerpo humano debe de ser de 30mA, y determina que las instalaciones deben asegurar que no exista exposición de usuarios a tensiones superiores a 24V en entornos húmedos y a 50V en entornos secos, tensiones que debidas a la resistencia eléctrica del cuerpo humano podrían producir esos 30mA de corriente máxima. Esto significa que, aplicando la ley de Ohm, nuestra instalación debe ser capaz de descargar a través de una resistencia máxima de puesta a tierra de 800 Ohms (valor parecido a la resistencia eléctrica del cuerpo humano) para junto con el interruptor diferencial de seguridad, formar un sistema efectivo ante contactos indirectos garantizando que no estemos expuestos a niveles superiores de esos 30mA mencionados anteriormente (siendo como decimos la tensión de posible exposición 230V).

Pero, ¿qué es un contacto indirecto?

Cualquier conjunto de instalación y aparatos conectados a ella tienen elementos eléctricamente activos y elementos pasivos. Los elementos activos son aquellos que tienen tensión y los pasivos son aquellos, como puedan ser botones, carcasas, mangos... que no deberían estar expuestos a tensión. 

El contacto indirecto es aquella descarga que se produce a través de una persona cuando los elementos pasivos se ven sometidos a tensión eléctrica por un fallo del sistema y, al entrar en contacto con ellos, descargan a través de nosotros. Se diferencia del contacto directo en que realmente el elemento involucrado en el contacto no es tan solo un elemento activo, esto es, no agarramos con la mano un cable de fase a 230V, lo que sería un contacto directo, sino que se produce a través de un elemento que a su vez hace contacto con un cable de tensión.

Tipos de contacto eléctrico

Los contactos indirectos son en realidad relativamente comunes: Supongamos que debido a un golpe, un anclaje de un elemento electrónico de nuestro compresor favorito se suelta y pierde la tuerca y su respectiva arandela y quedan moviéndose dentro del aparato. Si esos elementos metálicos entran en contacto con las partes activas del interior de la máquina provocarían un puente entre dicho elemento con tensión y los elementos pasivos, pudiendo involucrar a las partes externas que están al alcance de la mano. Bien, pues si ahora tocáramos las partes externas del aparato quedaríamos expuestos a un contacto indirecto. Sin embargo, gracias al conjunto que forman el conductor de tierra e interruptor diferencial, esta descarga a través del usuario no se produciría porque el sistema actuaría en el mismo momento del fallo y no en el momento de exposición.

El funcionamiento es el siguiente: El conductor de tierra queda por defecto conectado a la carcasa del aparato cada vez que lo enchufamos, de modo que en el momento del fallo, no en el momento del contacto indirecto sino en el mismo momento del fallo, el conductor de tierra comienza a descargar hacia masa con una intensidad que dependerá de la resistencia a tierra de ese circuito. Si esa corriente es mayor de 30mA, activará el diferencial al percibir éste que la corriente que “va” por el conductor de fase no “vuelve” por el conductor de neutro dado que esa corriente está descargando a tierra. Por tanto se genera una “diferencia” entre ambos valores que lleva al diferencial a cortar el suministro eléctrico. De este modo, el sistema se anticipa al accidente y procede a dar una solución en el mismo momento del problema.

El conductor de tierra, una autopista de bucles y lazos

El problema es que además de servir como descarga cuando se produce un problema, el conductor de tierra siempre tiene algo de tensión parásita, y es precisamente por esta razón por la que hemos querido centrarnos tanto en este conductor, pues atajando este problema nos beneficiaremos de un menor ruido en nuestra cadena de audio.

La verdad es que no solo se producen estas tensiones dentro de los aparatos conectados a la red, sino que incluso sin ellos, por las leyes de Ampère primero y de Lenz después, la corriente que es conducida por los conductores de fase y neutro provocan un campo electromagnético que a su vez provoca una Fuerza ElectroMotriz Inducida (FEMI) en el conductor de tierra que a su vez genera una corriente, la cual, mientras quede por debajo de los 30mA no causará el corte del sistema por parte del diferencial. De modo que podemos tener hasta 24V, atención, unos +30dBus (más de la señal máxima de audio de muchos aparatos) circulando por el circuito de tierra y colándose (una pequeña parte de ella) en nuestra ruta de audio sin que el interruptor diferencial de seguridad actúe, dado que tal y como está diseñado, considera que el sistema es seguro para las personas y con eso a le basta para considerar la situación como “apta”.

En definitiva, lo que sucede es que tenemos tensiones, a veces incluso importantes tensiones, pululando de forma descontrolada y generando ruidos en la cadena de audio en forma de zumbidos en la frecuencia de alimentación y sus múltiplos sin que el diferencial salte y corte el suministro. Incluso si lo hiciera, vale de acuerdo, ha detectado el problema, no es capaz de darle una solución que nos permitiera proseguir nuestro trabajo.

Típica presencia de zumbido en la salida de un aparato de audio
Típica presencia de zumbido en la salida de un aparato de audio

Conscientes de que la conexión a tierra es un alivio pero a la vez un incordio, muchos fabricantes incorporan en la zona trasera de sus aparatos un interruptor que abre el circuito de protección para evitar al entrada de señales no deseadas, eso sí, dejándolo a su vez desprovisto de protección.

Varios aparatos con sus respectivos conmutadores de apertura del circuito de tierra.
Varios aparatos con sus respectivos conmutadores de apertura del circuito de tierra

Sin embargo esta solución no siempre funciona, pues a veces los bucles se cierran por el propio conductor de masa de los cables de señal, por los propios soportes metálicos de formato rack o incluso por contacto directo entre máquinas, de manera que desactivar el circuito de protección no se presenta siempre, ni mucho menos, como una opción eficaz.

Solución, reducir la resistencia de descarga del circuito de tierra

Efectivamente, si tenemos tensión en el circuito de protección de tierra es porque la “conexión al planeta Tierra” de ese circuito tiene una cierta impedancia inevitable que permite esa tensión. Incluso suponiendo que esa conexión fuera perfecta y presentara una resistencia nula, el propio conductor de tierra presenta su propia impedancia en forma de resistencia y de capacitancia debida a la presencia cercana de otros conductores tan solo separados por unos milímetros de dieléctrico formando un condensador lineal, y a esto hay que añadir las FEMs originadas por los campos magnéticos generados por las corrientes circulantes por conductores cercanos o las FEMs generadas por los campos debidos a los transformadores de tensión que llevan los aparatos que tenemos colocados en el área de influencia. ¿Algo más? Ah, pues sí, las FEMs originadas por los campos electromagnéticos de otras máquinas ajenas al audio como neveras, la resistencia debida a malas conexiones en las bornas de las cajas de registro, deficiencias en la fabricación del cable.... y esos valores de impedancia son más altos cuanto más lejana quede la pica de puesta a tierra. Como se puede ver, todo un batiburrillo de fuerzas y contrafuerzas difícilmente controlables.

Pero bueno, supongamos que sí pudiéramos conseguir un circuito de tierra libre de impedancia y que por tanto, un escenario en el que el diferencial pudiera abrir el circuito al detectar la más mínima tensión. Pues en ese caso, simplemente, no podríamos trabajar porque el diferencial estaría constantemente saltando y saltando ante la más mínima tensión. Esto es, como decíamos antes, el diferencial no sirve más que para advertirnos de una determinada situación, exceso  de corriente (ligada a un exceso de tensión) en el circuito de tierra, y lo hace cortando el suministro.

Todo esto lleva a la conclusión de que si bien el sistema tradicional de descarga a tierra a través de una pica trabajando en conjunción con un interruptor diferencial es efectiva en términos de seguridad, no lo es en términos de audiofilia, pero por otro lado, la anulación de dicho circuito puede derivar en situaciones peligrosas además de no ser siempre eficaz. Esto nos lleva a buscar soluciones a través de otras fórmulas. 

La tensión balanceada al rescate

El concepto es utilizar un transformador con un primario conectado a fase en un extremo y a neutro en el otro extremo, quedando sometido a una tensión de 230V (como todos, vaya...) pero con un secundario debidamente bobinado. El punto de genialidad es debido a que este secundario permite establecer un punto intermedio en el número de espiras que queda a 0V. Esto es, a la salida del transformador tenemos +115V en un terminal, -115V en otro terminal y una tercera punta, conectada a este punto intermedio de 0V.

Ejemplo del transformador balanceador de J&K
Ejemplo del transformador balanceador de J&K
Ejemplo del transformador balanceador de Furman
Ejemplo del transformador balanceador de Furman

Es importante entender que al final, lo que importa es que entre los terminales del “enchufe” queden 230V. A la máquina que se va a alimentar, salvo aparatos especiales, no le importa si esos 230V de diferencial eléctrico están distribuidos como 230V/0V o si en realidad hay +115V/-115V. Lo que le importa es que entre ambos terminales haya 230V.

De hecho, un sistema de +115V/-115V es más seguro que uno de 230V/0V dado que si bien la tensión máxima es de efectivamente 230V, la tensión de cada conductor se queda en unos discretos 115V, por lo que en caso de que el usuario quedara expuesto a un contacto directo a uno de los terminales, el peor escenario sería de 115V y no de 230V. Al mismo tiempo, muchos dieléctricos que antes estaban expuestos a 230V, los de fase/tierra, ahora quedan a 115V.

Beneficios prácticos en el nivel de ruido

Ciertamente lo que en definitiva nos importa es si la inclusión de un transformador balanceador podría reducir o no el nivel de ruido de los aparatos de nuestro estudio para así aumentar el rango dinámico de nuestras máquinas.

A continuación se muestra el ruido de fondo de un Focusrite Red3 al que hemos hecho la prueba de alimentarlo directamente a la red del edificio de nuestro estudio y capturar el ruido a la salida de audio de la máquina y posteriormente, conectarlo a la red acondicionada con un SAI de doble conversión de 3KVAs y un transformador balanceador Airlink Advanced Filter Power Supply de 3KVAs y proceder a hacer la misma captura de ruido en la salida de audio de la máquina.

 

Registramos un nivel de ruido de -65,8dBu/-83,8dBF
Registramos un nivel de ruido de -65,8dBu/-83,8dBFs para el canal izquierdo conectado directamente a la red eléctrica

A continuación conectamos el compresor a la línea acondicionada:

Registramos un nivel de ruido de -73,4dBu/-91,4dBFs para el canal izquierdo con la máquina conectada a la red eléctrica acondicionada
Registramos un nivel de ruido de -73,4dBu/-91,4dBFs para el canal izquierdo con la máquina conectada a la red eléctrica acondicionada

Se comprueba una reducción en el nivel de ruido de la máquina de 7,6dBs


Conclusiones

La tensión balanceada funciona. Se aprecia más en ciertos aparatos y menos en otros, pero en general es un sistema beneficioso en nuestra lucha por reducir el nivel de ruido. Lo mejor de todo es que una vez instalado el transformador balanceador en la red eléctrica de nuestro estudio, reduciremos el ruido no solo de nuestros aparatos de rack, sino también de amplificadores de guitarra, amplificadores de auriculares, micrófonos de válvulas o incluso de nuestros monitores.

Los transformadores balanceadores pueden ir provistos de diferentes tipos de filtros como por ejemplo las bobinas de choque en modo común produciendo filtros EMI y es altamente recomendable incorporarlos (los filtros EMI) a la red de una u otra manera, ya sea en unidades específicas o incluyéndolos en los propios transformadores balanceadores como es nuestro caso.

Por último, en mi opinión, un sistema de alimentación ininterrumpida de doble conversión que permita estabilizar tensión y frecuencia y aumente el desacople entre la red de nuestro estudio y la de suministro dándonos además una cierta autonomía en caso de corte de suministro podría completar el acondicionamiento de nuestra red eléctrica interna y permitirnos reducir en varios dBs el ruido de fondo de nuestras máquinas, aumentando como decíamos al inicio del artículo, nuestro rango dinámico.

Ibon Larruzea
EL AUTOR

Ingeniero técnico industrial en máquinas eléctricas por la universidad pública vasca, músico, productor y audiófilo. Profesional del mundo sonoro desde el año 2000, y desde hace unos años dedicado al mastering, compaginándolo con la producción, en los estudios Euridia.

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