TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO

TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO
Los transformadores son máquinas eléctricas las cuales constan de dos bobinas o devanados, llamados primario y
secundario, los cuales están acoplados en forma electromagnética, sin que exista unión física entre ambos
devanados. Esta construcción tiene inherente el aislamiento entre el primario y el secundario, por lo tanto
básicamente todo transformador es aislado, pero realmente lo importante es su aislamiento a los ruidos.
Este tipo de aislamiento tiene ciertas consideraciones especiales.
Acoplamiento Capacitivo
Ya que el diseño de los transformadores implica una gran cercanía del primario y el secundario, entre estos
devanados aparece un fenómeno eléctrico denominado capacidades de interdevanado.
La forma en la cual están representadas eléctricamente aparecen en la figura 31.
Figura 31
Estas capacidades pueden servir para que los ruidos de alta frecuencia las usen como trayectoria para pasar desde
el primario al secundario.
De las Leyes Eléctricas básicas sabemos que:
Zcapacitiva= 1/2fC (1)
por lo tanto con los valores de capacidad existentes entre los devanados, y a altas frecuencias Z, se convierte en
valores muy bajos.
Para prevenir lo anterior, o al menos atenuar en gran parte los ruidos que puedan pasar entre los devanados, las
capacidades parásitas pueden reducirse grandemente instalando una Pantalla Electrostática o de Faraday entre
los devanados primario y secundario. La representación eléctrica está en la figura 32.
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Figura 32
De las leyes que rigen los condensadores en paralelo o en serie, sabemos que para los colocados en serie se
cumple que;
Ct=1/C1 + 1/C2 + 1/C3 +.........+ 1/Cn
Llevando a cabo lo anterior, la capacidad total se disminuye grandemente, por lo tanto en la ecuación (1) Z capacitiva
aumenta y así la trayectoria para el ruido de radio frecuencia se ve alterada, al encontrar mayor oposición,
Si un apantallamiento es tan excelente, qué sucede si se colocan dos ?. Una segunda pantalla en el devanado
primario actuaría como una trayectoria de baja impedancia para que el ruido de Modo Común (ampliaremos este
concepto más adelante en el documento) viaje de una pantalla a la siguiente. Esta vía lleva el ruido de Modo
Común lejos del devanado, eliminando la conversión a Modo Normal (también ampliaremos este concepto) que es
inherente a los transformadores.
El doble apantallamiento es muy popular en el mundo de los transformadores trifásicos, más no en el mundo de la
protección para equipos electrónicos en especial los computadores, ya que implica unos costos altos en el diseño
del transformador.
Inclusive en el mundo de los PC hay transformadores que no tiene ningún apantallamiento y el rechazo a los ruidos
está por el orden de -20 Db a -40 Db (Atenuaciones de 10 a 100 veces).
La pantalla puede ser una hoja de cobre, tan delgada como un "foil" de papel de aluminio colocada entre los
devanados primario y el secundario. Observando la figura 32, esta pantalla está aterrizada, con esto se completa la
trayectoria para cualquier ruido originado en el primario del transformador. Esto ayuda mucho a que las cargas
(equipos electrónicos) conectadas en el secundario no se vean afectadas por estos disturbios.
De todas formas, estamos en el mundo físico, por lo tanto no hay perfección y es posible que algún ruido pueda ser
transferido al secundario aun con una o varias Pantallas Electrostáticas. Más adelante veremos en que formas
pueden atenuarse o eliminarse definitivamente.
Ruido de Modo Común
Es un impulso de ruido que se puede medir entre el conector de tierra y el conector de neutro y al mismo tiempo se
puede medir entre la tierra y la fase. Por ser común a ambas líneas con respecto a la tierra se denomina de Modo
Común.
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El ruido de Modo Común es causado por cosas como las descargas atmosféricas, apertura y cierre de breakers,
malas técnicas de aterrizado, falta de tierra, radio transmisores, etc....
De la figura 33, se puede concluir que la Pantalla está diseñada para eliminar el ruido de Modo Común. Siempre
que la tierra sea trayectoria para el ruido estamos hablando de Modo Común.
Figura 33
Colocar una Pantalla en los transformadores, aumenta las características de rechazo o atenuación hasta unos -60
Db (1000 veces). Un impulso de 1000 voltios en el primario aparece en el secundario como 1 voltio. Es evidente
que este rango de atenuación depende de las frecuencias del ruido.
Hay compañías que han logrado atenuaciones de hasta -100 Db (100.000 veces) a frecuencias de unos 500.000 Hz.
Hay otra característica adicional de los transformadores de aislamiento que podrían llevarlos a eliminar
completamente el ruido de Modo Común. Las normas de seguridad, en especial las de la NEC (National Electric
Code) requieren que uno de los terminales del secundario del transformador de aislamiento esté aterrizado y se
identifique como neutro. Esta configuración está en la figura siguiente.
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Figura 34
Un Transformador de Aislamiento permite que la tierra sea restablecida cerca del sistema de cómputo. En realidad,
el neutro está sólidamente referenciado a tierra a través de la unión y no a través de cualquier capacidad distribuida
que pueda existir en la carga. Cualquier ruido de Modo Común que aparezca en el secundario tiene su corriente
cortocircuitada a tierra a través de la unión neutro-tierra del transformador.
De lo anterior podemos concluir que cualquier tipo de voltaje desarrollado en la unión es por lo tanto
extremadamente bajo.
Como se observa también de la figura 34, un terminal del secundario, la pantalla y el núcleo están unidos a tierra,
proporcionando un solo punto de unión. Es muy claro que si el Transformador está montado en un chasis metálico
haciendo parte de un Acondicionador, el chasis está unido a este punto de tierra.
Lo que realmente se hace al diseñar un Acondicionador de voltaje es tratar de hacer que la tierra y cualquier otro
punto de referencia relacionada con esta, tengan la impedancia mas baja posible la una con respecto a la otra. Con
lo anterior obtenemos un punto "limpio" y único de referencia de tierra para cualquier cosa conectada al
Acondicionador.
Ruido de Modo Normal
Este tipo de disturbio es el que puede ser detectado entre la línea de fase y la línea de neutro.
Usualmente son ocasionados por encendidos y apagados de grandes cargas, o por los condensadores que si rven
para correcciones del factor de potencia.
El voltaje de 120 voltios entre fase y neutro es una señal de Modo Normal. Se transfiere del devanado primario al
secundario, por corrientes que inducen cambios en el campo magnético.
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En un sentido amplio, cualquier variación en la corriente que fluye en el devanado primario implica una variación en
el flujo de corriente en el devanado secundario, sin importar la frecuencia del voltaje aplicado. Los principios
eléctricos de los transformadores se cumplen para todas las frecuencias, no solo a 60 Hz.
Un transformador se diseña para transferir señales de Modo Normal, sin importar que la frecuencia de la señal
aplicada este variando.
Un transformador de distribución está construido para trabajar señales de 60 Hz con eficiencias cercanas al 97 %..
Evidentemente la eficiencia de este tipo de transformador a señales de otra frecuencia es muy diferente, ya que el
comportamiento también lo es. La respuesta de frecuencia por lo tanto no es uniforme, a medida que esta aumenta.
Por lo tanto, la forma de onda de un impulso de ruido se ve afectada y presenta distorsión al pasar por el
transformador, pero la amplitud no es afectada apreciablemente.
Antes de continuar, existe otra fuente de ruido normal en el secundario de los transformadores y es un "atributo" del
mismo y se llama conversión.
En realidad es convertir los ruidos de Modo Común del primario en ruidos de Modo Normal en el secundario.
La figura 35 es una representación gráfica de lo mencionado en el párrafo anterior.
Figura 35
Al hablar del ruido de Modo Común, determinamos que estos aparecen en los terminales de entrada del
transformador. Como estos dos impulsos de ruido son comunes a la línea de fase y neutro, aparecen a través del
transformador con un desfase de 180o. Idealmente deberían anularse, pero la realidad es otra.
En los transformadores físicos, no ideales, existen imperfecciones, por lo tanto aparecen discontinuidades en las
capacidades y en general en las impedancias de los devanados, lo cual afecta la velocidad del ruido viajando a
través del primario, lo mismo que la distribución de las corrientes en los alambres.
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Por lo tanto no hay una cancelación total de las señales de Modo Común. La corriente resultante produce una
diferencia de voltaje entre los terminales del devanado secundario del transformador, o entre fase y neutro del
mismo.
En resumen, en los transformadores reales, los voltajes de Modo Común en el primario tienden a producir voltajes
de Modo Normal en el secundario.
Condensadores de Derivación
Como vimos existe ruido de Modo Normal en el secundario de un transformador de aislamiento, ocasionado por los
ruidos de Modo Común del primario. Hay dos formas para eliminarlo.
La colocación de condensadores entre la línea de fase y el neutro en el lado del secundario, proporcionan una
trayectoria de baja impedancia para el ruido de Modo Normal en vez de que sea a través de la carga conectada a
este devanado.
También el uso de VOM (Varistores) entre la línea de fase y neutro en el secundario controlan los impulsos de alta
energía que pasan a través del transformador.
La conexión eléctrica típica está en la siguiente figura.
Figura 36
Otra forma sería una segunda pantalla introducida específicamente para eliminar esta conversión.
La inductancia de los devanados del secundario del transformador trabajan en conjunto con los condensadores, de
la misma forma como lo hace un filtro.
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La inductancia del secundario disminuye grandemente el tiempo de subida de los impulsos de ruido y el
condensador proporciona una trayectoria de retorno del mismo, con esto se obtiene que el ruido se elimine antes de
que llega a la carga.
Es importante tener cuidado en la elección de los valores apropiados de los condensadores.
Los condensadores trabajan en unión con la inductancia del devanado del Transformador, a medida que la
frecuencia aumenta, la reactancia capacitiva disminuye. Lo anterior significa que los ruidos ven cada vez más una
trayectoria de más baja impedancia con respecto a la carga y toman esta vía. En adición, la reactancia inductiva
asociada con el devanado aumenta, oponiéndose al flujo de corriente de alta frecuencia.
La unión de estas virtudes se convierte así en un efectivo filtro de Modo Normal.
Esta capacidad ofrece otras ventajas adicionales aparte de la reducción del Modo Normal. Si algún ruido de Modo
Común aparece sobre el terminal "vivo" o de fase en el secundario, esta capacidad proporciona una trayectoria de
muy baja impedancia a tierra.
Además, existe otra ventaja y es el hecho de que si al lado del secundario es generado por la carga algún tipo de
ruido de Modo Común, los condensadores crean un "loop" para evitar que sea transferido al primario y de ahí a
otros equipos conectados a la red de alterna que alimenta el transformador.
De todo lo anterior se concluye que los Acondicionadores de Voltaje, los cuales poseen Transformador de
Aislamiento garantizan una completa inmunidad a los ruidos para cualquier carga conectados a ellos.
Otro beneficio de los Acondicionadores es su baja impedancia, esto significa que para la carga es como si no
existiera el transformador.
En el momento en el cual la carga demanda corriente instantánea, el transformador la proporciona. Realmente el
significado de un aparato de baja impedancia es que este no limita el paso de corriente por él. Un transformador de
aislamiento puede permitir pasos de hasta el 500 a 1000 % de su corriente nominal por pequeños periodos de
tiempo. Equipos con impedancias internas muy altas no pueden hacer esto, inclusive pueden deteriorarse.
Las fuentes de "suicheo" o conmutación de la mayoría de los equipos electrónicos y en especial de los
microcomputadores, manejan la corriente que necesitan solo durante el pico de la onda senoidal, lo que hace que
las bajas impedancias de los transformadores de aislamiento sean excelentes para su suministro.
Tomado de PC Power Protection de Mark Walker.
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