Aislamiento en la línea eléctrica y acoplamiento capacitivo

Uno de las problemas que se presentan en el diseño de circuitos que son sensibles al aislamiento, y que es poco conocido, se refiere a las características de aislamiento eléctrico entre la línea de alimentación de 110VAC o 220VAC y la de nuestro circuito.

Para entender mejor este análisis empezamos con una breve referencia a la forma como la línea de 220VAC llega al usuario final. Esta descripción se ha realizado como producto de numerosos ensayos en la ciudad de Lima y provincias (por el año 2000), sin considerar la conexión eléctrica de las centrales eléctricas de suministro. En otros países se podrían encontrar casos similares o algo diferentes de acuerdo a sus legislaciones en el Campo Eléctrico.

Aunque en la mayoría de ocasiones no importa mucho la conexión eléctrica de la línea de 220VAC. Es importante para cuando se quiere diseñar con consideraciones de aislamiento. Por ejemplo, alguna vez se puede preguntar cómo es la conexión de la estación generadora de potencia con respecto a la línea de tierra. Se puede pensar que no tiene nada que ver y que se comporta como una referencia independiente, pero no es así. Por ejemplo, es común modelar la línea eléctrica como se muestra en la figura 1.

La referencia a tierra  se encuentra justo en el punto medio. Así que si se toca cualquiera de los hilos de la línea eléctrica se corre el riesgo de recibir hasta 110V de alterna, lo que significa un riesgo menor de chocque eléctrico que si se recibiera los 220V de alterna. La corriente alterna es menos destructiva que la contínua[1], siempre y cuando tenga una frecuencia bastante alta. A 60Hz es tan peligrosa como la continua.

Un modelo más completo de la línea eléctrica debe considerar también la fase de los 220V con respecto a tierra.

Otro tipo de conexión usualmente encontrado es la de la figura 2.

Aquí la conexión es tal vez como la que se debería esperar para mayor seguridad con un hilo conectado a tierra. En estos casos se habla de la línea “viva” para denotar a la que no está conectado a tierra, es decir, la que tiene 220VAC con respecto a tierra o a la otra línea. Los electricistas de estas zonas están bastante ambientados a este tipo de conexión y como saben por experiencia, se puede tocar sin cuidado la línea “muerta”, ya que su potencial es de solo algunos voltios[2]. Sin embargo la línea “viva” es el doble de peligrosa que en el caso anterior. Así que se debe tener mucho más cuidado cuando se trabaja con este tipo de conexión. Es fácil deducir lo que puede pasar si la línea viva se conecta accidentalmente con algún punto que este conectado a tierra o hasta con la misma tierra.

Tener la línea eléctrica referenciada a tierra implica que, se comporta como una fuente de voltaje AC, pero no es solo eso, sino que esa componentede AC incluye componentes armónicas fuertes y ruidos muy pronunciados. Por ello el diseño de circuitos, como amplificadores, transmisores o receptores de radio, se complica si no se tiene un aislamiento suficiente en la etapa de alimentación.

La mejor solución puede ser en trabajar con un transformador de aislamiento para quitar toda referencia de la línea de 220V y ayduaría además siempre disponer de una conexión a tierra, en el circuito.

Quizá se puede argumentar que siempre se va a alimentar un circuito usando un transformador que baje los 220VAC a 9VAC, 12VAC o algo así. Pero aunque este transformador aísla de alguna manera la línea de los 220VAC, no se puede considerar como un verdadero aislador. Son muy pocos los transformadores (y por lo tanto más caros) que consiguen niveles de aislamiento aceptables.

Pero ¿de qué aislamiento estamos hablando? Existe un término conocido como acoplamiento capacitivo. Este se origina entre los bobinados primario y secundario del transformador, y en general entre cualquier bobinado que se encuentre cercano. Este acoplamiento es consecuencia de la forma en que se encuentran arrollados los devanados sobre el soporte. Por lo general el transformador tiene el núcleo típico de tres columnas con los bobinados concéntricos sobre la columna central. El hecho de que los bobinados se encuentren muy cercanos y con una gran  superficie de exposición entre ellas origina el efecto de condensador entre los devanados. Por lo tanto se puede modelar el transformador como se muestra en la figura:

Un método bastante preciso para tener una idea del aislamiento, es usar un capacímetro y medir la capacidad entre el primario y secundario del transformador. Lógicamente cuando esta capacidad sea baja se tendrá un buen aislamiento. Son valores comunes, para transformadores con potencia cercana 100W , 0.5nF, 1nF y hasta más. Por lo tanto no son buenos aisladores. Aún los transformadores llamados “de aislamiento”, son simples separadores de línea que permiten cambiar la referencia de la línea eléctrica de entrada a otra diferente, por lo tanto casi siempre disponen de una toma de tierra y es útil cuando se quiere derivar a tierra de una forma determinada, por que si se deja sin conexión a tierra, el acoplamiento capacitivo se encargará de darle una referencia caprichosa.

Para pequeños transformadores, como los usados en fuentes de alimentación artesanales, tenemos capacidades de 0.1n o 0.2n, que resulta bastante mala para los circuitos sensibles. Los adaptadores comerciales de salida múltiple de hasta 12 voltios de regular calidad usan enrrollados separados en un carrete doble en el mismo eje, y consiguen bajar el acoplamiento hasta 0.02n y hasta 0.01n por lo tanto pueden ser útiles para casos que requieren mejor separación.

Un transformador es un buen aislante cuando el acoplamiento capacitivo es bajo y por lo tanto el potencial con respecto a tierra de cualquier punto del secundario es bajo. Esto se consigue con transformadores con los devanados primario y secundario separados físicamente, es decir no concéntricos. Una método de aislamiento es enrollar los bobinados sobre soportes diferentes y colocarlos uno sobre otro, pero es mejor que los bobinados se encuentren en dos ejes separados como se muestra en la figura.

En general, la calidad del carrete de los bobinados influye en el valor del acoplamiento capacitivo.

¿Pero qué significa que un transformador tenga cierto valor de acoplamiento capacitivo?

El valor del acoplamiento capacitivo se comporta como una impedancia que aisla la línea eléctrica  de un circuito cualquiera. Así, si para cierto transformador vale 1nF , aplicando la fórmula de impedancia de un condensador tendríamos:

Xc = 1/(2*PI*f*C)

Y reemplazando los valores de f (frecuencia) y C, obtendremos algo de 2.6Mohms.

Eso, en buen cristiano, significa que tocar el secundario de ese transformador equivale a tocar la línea de 220VAC (en un punto medio o algo menos), a través de una resistencia de 2.6Mohms.

Si asumimos que una persona común puede tener una impedancia de 300K [3] cuando está parada sobre un piso común, entonces podemos deducir que cuando  esa persona toca el secundario, puede estar recibiendo 11VAC por efecto del acoplamiento capacitivo del transfomador.

En la práctica, uno no toca directamente el secundario de un transformador, pero sí se toca un circuito alimentado a través de la línea eléctrica. El circuito,desde luego tiene una impedancia y esta influirá en la cantidad de corriente y voltaje que reciba.

Consideremos el caso de un circuito como un amplificador de audio con una impedancia de 100K, y una persona que toca la entrada del amplificador, como se muestra en la figura.

Si la persona en ese momento tienen una impedancia de 300K, un simple cálculo de divisor de voltaje nos diría que el circuito recibiría 3.6VAC, mientras que la persona 11VAC. La corriente es también fácil de calcular, y es inofensiva. Sin embargo, si consideramos que el circuito es un amplificador, esos 3.6VAC, podrían ser amplificados, generando ese típico rizado que escuchamos cuando tocamos la entrada sensible de un amplificador.

Alguien podría argumentar que uno no está directamente conectado a tierra, pero se debe saber que a 60Hz, un calzado común ofrece poca impedancia, y más aún si se encuentra húmedo.

[1] La manera como destruye la corriente eléctrica a los tejidos orgánicos (sin considerar la interferencia al impulso nervioso) es por el efecto de la electrólisis. La conducción iónica en los líquidos origina que el fluido interno de las células se descompongan y por consiguiente mueran. Cuando la corriente aplicada es alterna con frecuencia alta, no hay tiempo para producir la electrólisis por lo tanto el efecto es menos destructivo.

[2] La conexión a tierra no es siempre tan eficiente como debería esperarse, así que siempre queda algún remanente de tensión. Como siempre, depende de la zona.

[3] 300K de imepdancia es un valor estimado para la impedancia de una persona. En realidad, el valor varía bastante, dependiendo de que tan buen contacto se haga con la piel, del sudor, y hasta del estado emocional.

 

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