¿Qué es aislamiento galvánico?
El aislamiento galvánico es una técnica de diseño utilizada para separar los circuitos eléctricos, con el fin de evitar la transferencia de corrientes no deseadas. Aunque las señales pueden transmitirse entre circuitos aislados galvánicamente, las corrientes parásitas, como las diferencias de potencial en tierra o las corrientes inducidas por la alimentación de corriente alterna (CA), son bloqueadas.
El aislamiento galvánico es una técnica crucial en el diseño de circuitos, especialmente en aplicaciones donde es necesario proteger tanto los componentes electrónicos como a los usuarios de diferencias de potencial no deseadas o corrientes de fuga. Es decir, este método protección está diseñada para mantener separados dos circuitos sin que exista contacto directo entre ellos, permitiendo al mismo tiempo la transferencia de energía de uno a otro. Un ejemplo de su aplicación sería la separación de un sistema de paneles solares de la red eléctrica. Los transformadores ofrecen aislamiento galvánico, y algunos inversores de conexión a la red también incluyen este tipo de protección.
Este aislamiento puede lograrse a través de varias tecnologías, como transformadores, optoacopladores y capacitancia de aislamiento, dependiendo de las necesidades específicas del sistema. En particular, se emplea en fuentes de alimentación, sistemas de comunicación y aplicaciones industriales, donde las diferencias de potencial pueden ser significativas.
Para qué sirve el aislamiento galvánico
El aislamiento galvánico tiene varios propósitos importantes en la electrónica y la ingeniería eléctrica:
- Protección contra descargas eléctricas: En aplicaciones de alta tensión, el aislamiento galvánico protege los circuitos y los operadores de posibles descargas eléctricas peligrosas al mantener separados físicamente los circuitos de bajo y alto voltaje.
- Prevención de la interferencia de ruido: En sistemas sensibles, el aislamiento galvánico reduce la interferencia de ruido eléctrico al evitar que las corrientes de tierra no deseadas se propaguen entre diferentes partes del circuito.
- Protección de componentes electrónicos: Protege los componentes electrónicos delicados al evitar que las corrientes no deseadas o las sobretensiones se transmitan a través de diferentes partes de un sistema, lo que podría causar daños.
- Aislamiento de señales de datos: En redes de datos o comunicaciones, como USB o Ethernet, el aislamiento galvánico asegura que las señales se transfieran sin la interferencia de ruidos eléctricos o diferencias de potencial entre los dispositivos conectados.
- Mejora de la seguridad en dispositivos médicos: En equipos médicos, el aislamiento galvánico es crucial para evitar que las corrientes peligrosas lleguen al paciente o al operador en caso de fallos en el equipo.
Funcionamiento y métodos del aislamiento galvánico
El aislamiento galvánico funciona mediante la separación física de dos circuitos que requieren estar conectados para intercambio de señales o energía, pero sin compartir una referencia de tierra común o trayectos de corriente directa. Los métodos más comunes para lograr este aislamiento incluyen:
- Transformador de aislamiento
Un transformador de aislamiento proporciona aislamiento galvánico entre el devanado primario y el secundario, lo que genera una alimentación o señal “flotante”. Generalmente, la relación entre las tensiones del primario y secundario es de 1:1. A través de la inducción electromagnética, los devanados primario y secundario del transformador están físicamente separados, lo que no ocurre en el caso de un autotransformador, que no proporciona aislamiento galvánico.
El voltaje de aislamiento es la tensión máxima que se puede aplicar de forma segura a los devanados del primario y secundario sin riesgo de daño, y se especifica en kilovoltios como estándar de la industria. Mientras que los transformadores suelen usarse para cambiar voltajes, los transformadores de aislamiento con una relación 1:1 se emplean principalmente en aplicaciones de seguridad. Estos transformadores no suministran un polo a tierra, lo que refuerza su papel en la protección y el aislamiento de los circuitos.
El aislamiento galvánico se emplea cuando es necesario que dos o más circuitos eléctricos se comuniquen, pero operan a diferentes potenciales. Este método es eficaz para interrumpir lazos de tierra, evitando que fluyan corrientes no deseadas entre dos unidades que comparten un conductor de tierra. Además de su aplicación en la eliminación de corrientes parásitas, la separación galvánica también se utiliza como medida de seguridad para evitar que corrientes accidentales pasen a tierra a través del cuerpo humano, protegiendo así a las personas en caso de fallos en el sistema.
- Optoacopladores de aislamiento
Los optoacopladores de aislamiento son dispositivos que transmiten información utilizando ondas de luz. Están compuestos por un emisor, que actúa como fuente de luz, y un receptor fotosensible. Estos dos elementos no están conectados eléctricamente, sino que se mantienen separados dentro de una matriz de plástico aislante y opaco.
Los optoacopladores se utilizan en equipamiento electrónico para la transmisión de señales y potencia de línea, especialmente en entornos donde los dispositivos pueden estar expuestos a subidas de tensión provocadas por rayos, descargas electrostáticas, interferencias de radiofrecuencia, impulsos de conmutación (picos de tensión) y perturbaciones en el suministro eléctrico. Por ejemplo, un rayo distante puede inducir sobretensiones de hasta 10 kV, lo cual supera significativamente los límites de tensión de muchos componentes electrónicos.
Dentro de un sistema, los acopladores ópticos se emplean para separar bloques conectados a la red eléctrica o bloques de alta tensión de otros con diferentes niveles de tensión, garantizando la protección tanto del equipo como de la seguridad. La función principal de un optoaislador es bloquear altas tensiones y transitorios de tensión, evitando que un aumento de tensión en una parte del sistema afecte o destruya las demás partes.
- Capacitancia de aislamiento
La capacitancia de aislamiento se refiere al uso de condensadores para aislar circuitos que operan a diferentes niveles de tensión continua, permitiendo el paso de corriente alterna (CA) mientras bloquean la corriente continua (CC). Los condensadores facilitan el acoplamiento de señales de CA entre circuitos que operan con tensiones diferentes, tanto en CA como en CC.
Sin embargo, ciertos condensadores fabricados con materiales dieléctricos pueden experimentar absorción dieléctrica o “empapado”. Esto significa que, después de ser descargado y desconectado, el condensador puede desarrollar una tensión nuevamente debido a la histéresis en el dieléctrico, lo que puede ser peligroso en algunas aplicaciones, como en circuitos de muestreo y retención de precisión.
Este efecto es similar a lo que ocurre en cables de líneas eléctricas enterradas, donde el magnetismo de la Tierra puede inducir una corriente en los cables, incluso cuando no están conectados a ninguna fuente de energía. Por esta razón, cuando se trabaja en líneas enterradas, es esencial mantener los cables conectados a tierra permanentemente para evitar descargas peligrosas.
En ciertas condiciones, un condensador puede fallar y convertirse en un corto circuito, eliminando su capacidad de aislamiento eléctrico y poniendo en riesgo el circuito conectado, así como la seguridad de las personas. Para mitigar estos riesgos, se utilizan condensadores con calificaciones especiales de seguridad, como los de Clase Y, diseñados para ofrecer un aislamiento seguro.
Los condensadores utilizados como aisladores suelen estar hechos de poliéster, y aunque su tamaño puede ser considerable en función de su capacidad, son muy estables a lo largo del tiempo y con cambios de temperatura. Estos condensadores ofrecen altos niveles de aislamiento, alcanzando tensiones de hasta 630 voltios en aplicaciones comerciales. En el ámbito del audio, se utilizan para separar las etapas de alta y baja frecuencia, así como para acoplar impedancias.
Ventajas del aislamiento galvánico
El aislamiento galvánico ofrece varias ventajas clave para proteger tanto a las personas como a los equipos, mitigando riesgos eléctricos al interrumpir la transmisión de corrientes no deseadas y sobretensiones. Entre las principales ventajas del aislamiento galvánico se encuentran:
- Protección personal y de equipos: Aísla los circuitos de riesgos eléctricos, protegiendo a las personas y los equipos de daños debidos a corrientes de fuga o fallos en el sistema. Además, permite el uso de disyuntores de 30 mA para aumentar la seguridad, evitando la transmisión de voltajes excesivamente altos a la red.
- Mitigación de sobretensiones: El aislamiento galvánico ayuda a reducir el impacto de sobretensiones causadas por diversos factores, como:
- Rayos en líneas eléctricas aéreas: Cuando un rayo impacta una línea eléctrica, genera una subida de tensión de varios miles de voltios, lo que puede causar daños en los equipos conectados a la red.
- Rayos a tierra: Cuando un rayo golpea el suelo, provoca un aumento en el potencial eléctrico de tierra, lo que puede generar sobretensiones en cables subterráneos y tomas de tierra en los hogares.
- Rayos por radiación: El campo electromagnético generado por un rayo puede inducir sobretensiones en las líneas eléctricas y en los equipos eléctricos, incluso a distancias de más de un kilómetro del punto de impacto.
- Limitación de daños: En sistemas fotovoltaicos, en caso de una sobretensión, el daño se limitará a la cadena afectada hasta llegar al inversor, protegiendo el resto del sistema. Si la sobretensión proviene de la red eléctrica, el daño se detendrá en el inversor, evitando que afecte a otros componentes.
En resumen, el aislamiento galvánico actúa como una barrera protectora frente a riesgos eléctricos, mejorando la seguridad y confiabilidad de los sistemas eléctricos, especialmente en aplicaciones que involucran energías renovables y redes eléctricas expuestas a posibles sobretensiones.
Inversores con aislamiento galvánico
Los inversores con aislamiento galvánico integran un convertidor DC/DC que regula la tensión continua, donde se ubica un transformador. Este transformador opera a una frecuencia de trabajo muy elevada, lo que permite reducir su tamaño en comparación con un transformador convencional que funciona a 60 Hz, la frecuencia estándar de las redes eléctricas en Perú, donde los transformadores suelen ser más grandes.
Una vez controlada la tensión continua, esta se convierte en tensión alterna. Si consideramos la red eléctrica como una fuente de tensión alterna y nuestro inversor con aislamiento galvánico genera también una fuente de tensión alterna, se logra inyectar la energía generada por los paneles solares en la vivienda, reduciendo así el consumo de energía de la red eléctrica proporcionada por la compañía.