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Los fundamentos de los transformadores de aislamiento y cómo seleccionarlos y utilizarlos

Por Art Pini

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

El cableado de energía monofásica tradicional consiste en un cable caliente, un cable neutro y un cable de tierra. Cuando varios dispositivos físicamente separados comparten una línea de alimentación común, es posible crear bucles de puesta a tierra debido a que los dispositivos tienen diferentes potenciales de tierra. Estos bucles de puesta a tierra son especialmente problemáticos en los dispositivos médicos y pueden ser problemáticos durante la prueba del dispositivo. Para los diseñadores, es difícil medir los bucles de tierra con dispositivos que utilizan voltajes de línea rectificados. Los equipos de prueba conectados a tierra, como los osciloscopios, pueden hacer cortocircuitar inadvertidamente las fuentes de alimentación de estos dispositivos. Además, el ruido de alta frecuencia puede viajar por las líneas de energía de CA causando problemas a los transductores e instrumentos sensibles.

Todos estos problemas pueden evitarse mediante la aplicación adecuada de transformadores de aislamiento entre la entrada de energía y el dispositivo.

Los transformadores de aislamiento proporcionan una separación de la conexión a tierra de la línea eléctrica para eliminar los bucles de tierra y la puesta a tierra involuntaria de los equipos de prueba. También suprimen los ruidos de alta frecuencia que se producen en la fuente de energía.

Este artículo tratará las características, los criterios de selección y la aplicación de los transformadores de aislamiento utilizando como ejemplo los dispositivos de Hammond Manufacturing, Bel/Transformador de Señal y Triad Magnetics.

Cómo funcionan los transformadores de aislamiento

Los transformadores de aislamiento proporcionan un aislamiento galvánico entre las líneas de alimentación de CA (red) y el dispositivo alimentado. Eso significa que no hay un camino de corriente continua entre los dos devanados. Sirven a tres propósitos principales:

  • El primero es aislar el secundario del suelo (tierra)
  • El segundo es proporcionar un aumento o disminución de los voltajes de línea (red)
  • El tercero es reducir el ruido de línea que se transmite del primario al secundario o viceversa.

Los transformadores de aislamiento, para empezar, son transformadores, y comparten las características comunes de los transformadores (Figura 1). Los bobinados primarios y secundarios están enrollados en un núcleo ferromagnético común.

Esquema de un simple transformador de potenciaFigura 1: El esquema de un transformador de potencia simple que consiste en un devanado primario de NP vueltas y un devanado secundario de NS vueltas en un núcleo ferromagnético común. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

En la figura, el devanado primario tiene NP vueltas alrededor del núcleo y el devanado secundario tiene NS vueltas. La relación entre el voltaje primario (VP) y el secundario (VS) se muestra en la Ecuación 1:

Ecuación 1 Ecuación 1

Si hay más vueltas en el primario que en el secundario, entonces el voltaje en el secundario será menor que el del primario. Esta es una configuración de reducción. Si el número de vueltas en el primario es menor que el número de vueltas en el secundario, entonces el voltaje del secundario será mayor que el del primario, lo que dará lugar a una configuración de paso. La mayoría de los transformadores de aislamiento tienen el mismo número de vueltas primarias y secundarias, de modo que los voltajes primarios y secundarios son los mismos.

La energía se conserva en los transformadores por lo que, si ignoramos las pérdidas, el producto de la VP y la corriente primaria (IP) será igual al producto de la VS y la corriente secundaria (IS). Los transformadores se clasifican por el producto del voltaje RMS de la corriente primaria RMS. Esta es la "potencia aparente" y se mide en unidades de voltios-amperios, o VA.

Los puntos del esquema son puntos de fase que muestran las direcciones de la corriente primaria y secundaria. La corriente que fluye hacia el lado del punto primario del devanado da como resultado una corriente secundaria que sale del lado del punto del devanado como se muestra en el diagrama. Esto es importante si las bobinas se colocan en serie o en paralelo. La falta de observación de las fases del devanado puede dar lugar a errores.

El escudo de Faraday es un escudo electrostático que reduce la capacitancia entre los devanados primarios y secundarios y generalmente está conectado a tierra. El escudo reduce la amplitud del ruido de modo común y los transitorios a través del transformador.

Los bobinados primarios y secundarios del transformador de aislamiento están altamente aislados para minimizar la conducción directa entre ellos. La medida de la eficacia de este aislamiento es la corriente de fuga. La mayoría de los transformadores de aislamiento también se prueban usando probadores de alto potencial o de alta potencia. Aplican un alto voltaje a través del aislamiento mientras comprueban si hay fugas de corriente.

La estructura física del transformador de aislamiento puede adoptar varias formas, incluida una estructura de tipo concha (Figura 2). Aquí, los bobinados primario y secundario están envueltos concéntricamente con una capa aislante y el escudo de Faraday insertado entre las dos capas.

Diagrama de la vista de corte de un transformador de aislamiento usando una construcción tipo conchaFigura 2: Vista en corte de un transformador de aislamiento usando una construcción tipo concha donde los devanados primarios y secundarios están envueltos concéntricamente con una capa aislante y el escudo de Faraday insertado entre las dos capas. (Fuente de la imagen Digi-Key Electronics)

El escudo de Faraday puede ser implementado como una capa de papel aluminio o como una bobina estrechamente espaciada, como se muestra. La conexión a tierra es generalmente en el lado primario, a un suelo de tierra. Dado que los bobinados primarios y secundarios ya utilizan alambre esmaltado, esta construcción se llama "doble aislamiento".

Alternativamente, las bobinas pueden colocarse una al lado de la otra en el núcleo, en lo que se denomina una construcción de "bobina partida", o envueltas en un núcleo toroidal.

Transformadores de aislamiento comercial

Los transformadores de aislamiento pueden distribuirse con marcos abiertos o pueden estar encerrados en una estructura blindada (Figura 3). El transformador de aislamiento de Hammond Manufacturing 171E utiliza una carcasa blindada. Los escudos de la tapa del extremo contienen el campo magnético del transformador y también sirven para minimizar la captación de los campos externos al transformador. Este transformador de 500 VA, 1:1 también incluye pigtail, NEMA, conectores de entrada y salida de tres cables con conexión a tierra, y un disyuntor de sobrecarga integral.

Aunque la tierra está conectada al conector de salida secundario, no se utilizará en la mayoría de las aplicaciones de transformadores de aislamiento. Este transformador tiene menos de 60 microamperios (µA) de corriente de fuga entre el primario y el secundario a su voltaje de entrada nominal.

Diagrama del transformador de aislamiento con cubiertas de escudo sobre las tapas de los extremosFigura 3: Un ejemplo de un transformador de aislamiento con cubiertas de blindaje sobre las tapas de los extremos del transformador. (Fuente de la imagen: Hammond Manufacturing)

El DU1/4 de Bel/Signal Transformer es un transformador de aislamiento de 250 VA que utiliza una construcción de marco abierto que tiene un doble juego de bobinas con múltiples aristas. Hay dos bobinas primarias y dos secundarias (Figura 4).

Imagen del Transformador de aislamiento de marco abierto Bel/Signal Transformer DU1/4Figura 4: El Bel/Signal Transformer DU1/4 es un transformador de aislamiento de marco abierto con un doble juego de bobinas primarias y secundarias con tomas. (Fuente de la imagen: Bel/Signal Transformer DU1/4)

Los devanados primario y secundario están clasificados idénticamente a 0, 104, 110 y 120 voltios. Esto permite conexiones en serie o en paralelo en el primario o en el secundario. Por lo tanto, se puede mantener una relación nominal de 1:1 para entradas de 110 o 220 voltios. También se puede configurar un transformador elevador de 110 a 220 voltios o un transformador reductor de 220 a 110 voltios. Además, los devanados de múltiples tomas permiten valores de voltaje intermedio como 208 voltios, 214 voltios o 230 voltios (Figura 5).

Las conexiones de energía para este transformador son por medio de terminales de tornillo.

El diagrama de doble bobinado del transformador de señal/bello DU1/4 permite muchas configuraciones de cableado posiblesFigura 5: El doble devanado del DU1/4 permite muchas configuraciones de cableado posibles, incluyendo relaciones de voltaje 1:1, 2:1, 1:2. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Si el primario y el secundario están conectados en serie, el transformador tiene una relación de voltaje de 1:1 para una entrada de 220 voltios. Si el primario y el secundario están conectados en paralelo, el resultado es una relación de voltaje de 1:1 para 110 voltios con el doble de la corriente disponible en comparación con un solo bobinado. Si las primarias se colocan en serie y las secundarias en paralelo, el voltaje de las primarias se reduce en un factor de dos. Si el secundario está conectado en serie y el primario en paralelo, entonces se realiza un incremento de 2:1.

Aislamiento médico

Los transformadores de aislamiento destinados a aplicaciones médicas tienen que cumplir requisitos más estrictos en lo que respecta a las corrientes de fuga. Hay especificaciones de corriente de fuga máxima para fugas en tierra o en el suelo, fugas en el recinto y fugas en el paciente. La fuga a tierra se refiere a las corrientes de fuga en el cable de tierra de un dispositivo. Las corrientes de encierro describen las corrientes que fluyen de una superficie conductora expuesta a tierra a través de un conductor que no es el de tierra. La fuga del paciente es una corriente que fluye a través de un paciente a tierra cuando se conecta normalmente al dispositivo. La mayoría de los dispositivos de esta categoría están certificados bajo la norma UL/IEC 60601-1.

El Modelo MD-500-U de Triad Magnetics es un transformador de aislamiento de 500 VA clasificado para aplicaciones médicas (Figura 6). Este transformador está certificado por Underwriters Laboratories (UL) bajo la especificación UL 60601-2 y tiene una corriente de fuga de 10 µA típica y menos de 50 µA máxima.

La imagen de MD-500-U de Triad Magnetics es un transformador de aislamiento de 500 VAFigura 6: El MD-500-U es un transformador de aislamiento de 500 VA clasificado para aplicaciones médicas. Tiene una corriente de fuga de 10 µA (típica) y utiliza un transformador toroidal para mantenerla compacta y minimizar los campos perdidos. (Fuente de la imagen: Triad Magnetics)

El MD-500-U utiliza un transformador toroidal que minimiza los campos perdidos y maximiza la eficiencia al tiempo que reduce su tamaño. Como la mayoría de los transformadores médicos autónomos, está contenido de forma segura en una caja de acero con fusibles integrados y un interruptor de corte térmico.

Una típica aplicación de transformador de aislamiento

La aplicación más común para un transformador de aislamiento es aislar un dispositivo de la tierra de la línea de CA. Como ejemplo de por qué esto puede ser necesario, considere la fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS). Un SMPS típico alimentado por línea presenta varias preocupaciones relacionadas con la seguridad (Figura 7).

Esquema de un SMPS que muestra las áreas de circuito que están referidas a tierraFigura 7: El esquema de un SMPS que muestra las áreas de circuito que están referenciadas a tierra, y las que no lo están. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Esta es una fuente de alimentación de línea que utiliza la topología de retroceso. El lado primario del circuito, que se muestra resaltado en color amarillo, funciona como un rectificador de onda completa de la entrada de línea (red eléctrica) y la aplica a los rieles principales. Esto significa que los niveles de voltaje que se producen entre los rieles de alto y bajo voltaje son de unos 170 voltios para una línea de 120 voltios, y de unos 340 voltios para una línea de 240 voltios. Este voltaje de línea rectificado se almacena en el condensador de almacenamiento primario, C2.

Tenga en cuenta que las secciones primarias y secundarias de la fuente están aisladas eléctricamente por el transformador flyback, L2, y el acoplador aislado ópticamente, Q4. Mientras que la sección secundaria está conectada a tierra en el terminal de salida negativo (-), la primaria no está conectada a tierra. Esta condición se vuelve problemática cuando se emplean instrumentos de conexión a tierra, como osciloscopios, para la solución de problemas. Conectar la toma a tierra de una sonda de osciloscopio a los componentes del lado primario de la fuente puede provocar un cortocircuito con el consiguiente daño a los componentes primarios, así como al osciloscopio.

El riel primario bajo en el suministro está conectado a la línea de CA neutral. Aunque la línea neutra está conectada a tierra en la entrada de servicio, en el momento en que llega a la entrada de la SMPS puede estar a varios voltios sobre la tierra, lo que la convierte en un punto de conexión inseguro para la tierra de la sonda del telescopio.

La finalidad del transformador de aislamiento es aislar eléctricamente la sección primaria de la SMPS. Una vez aislado, es posible conectar el lado de la conexión de puesta a tierra de una sonda en cualquier punto del circuito primario. Esto coloca la referencia de tierra en cualquier punto al que esté conectado el clip de tierra, eliminando la posibilidad de cortocircuitar el primario.

Esta misma capacidad de aislamiento de tierra hace que los transformadores de aislamiento sean útiles para diagnosticar y corregir los bucles de tierra cuando se conectan varios dispositivos, cada uno con su propia ruta de retorno a tierra.

El(los) transformador(es) permite(n) aislar las tierras para ver qué dispositivos son la fuente de la corriente de fuga a tierra.

Los transformadores de aislamiento también reducen el ruido de alta frecuencia que se transfiere ya sea de la línea al dispositivo conectado o del dispositivo a la línea. Esto se debe a la inductancia en serie del transformador y al escudo de Faraday conectado a tierra que reduce el acoplamiento capacitivo a través del transformador.

Conclusión

Al aislar los dispositivos conectados a su bobina secundaria de la fuente de CA en el primario, los transformadores de aislamiento permiten una redefinición del plano de referencia en los dispositivos secundarios. Esto también permite redirigir y controlar las corrientes de fuga. Al mismo tiempo, minimizan la transmisión de armónicos y ruido de alta frecuencia. Son inmensamente útiles para probar dispositivos relacionados con la energía.

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Información sobre el autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye Digi-Key Electronics. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

Información sobre la editorial

Editores de Digi-Key de América del Norte