Cuando un electricista de mantenimiento en un hospital de Singapur conectó el desfibrilador portátil a un enchufe de pared regular para realizar una prueba posterior a la reparación, el técnico no dependía del interruptor automático presente en el edificio para proporcionar protección contra descargas eléctricas causadas por una falla a tierra interna en el desfibrilador. Él confiaba en el transformador de aislamiento — una unidad especialmente diseñada que proporcionaba aislamiento eléctrico entre el circuito de OR y la fuente principal de energía en el edificio, proporcionaba un circuito secundario flotante sin conexión a tierra, y estaba equipado con un monitor de aislamiento de línea (LIM) que monitoreaba continuamente el circuito y emitiría una alarma en caso de que la impedancia a tierra cayera por debajo de un valor seguro. Una falla única en el panel no causaría un disparo del interruptor automático; en un sistema aislado, no genera una corriente de falla alta — lo único que sucede es una conexión de un punto del sistema flotante a tierra; el funcionamiento del resto del sistema continúa sin interrupciones. El papel del LIM es detectar esta condición y advertir al personal para completar el procedimiento sin ninguna pérdida abrupta de energía durante la operación. Este es el principio fundamental de operación de los transformadores de aislamiento — no se trata solo de aumentar o disminuir el voltaje. Un transformador de aislamiento proporciona un circuito eléctricamente aislado en el que la ocurrencia de una sola falla no lesiona a nadie y no causa una interrupción en el funcionamiento del equipo. El conocimiento sobre la necesidad de utilizar transformadores de aislamiento y sus principios de operación, así como la especificación e instalación de estos dispositivos, debe ser poseído por cualquier ingeniero eléctrico, gerente de instalaciones o contratista que trabaje en la industria médica o industrial.
Un transformador de aislamiento se puede describir como un transformador con una relación de vueltas de 1:1 (o cualquier relación donde los voltajes entre los lados primario y secundario sean diferentes), que proporciona aislamiento galvánico de los devanados primario y secundario. El segundo devanado está eléctricamente aislado del primero (no hay un circuito cerrado) y generalmente se establece flotante (sin conexión a tierra) o conectado a tierra a través de alta impedancia. Esto le permite realizar dos funciones de seguridad esenciales. Primero, garantiza la seguridad del personal contra descargas eléctricas: cuando está de pie sobre una superficie conectada a tierra, una persona que toca uno de los cables del segundo flotante aislado no siente ninguna descarga eléctrica, porque no hay un circuito cerrado a través de la tierra de regreso a la fuente de voltaje. Solo hay una descarga eléctrica cuando la persona toca ambos conductores a la vez o cuando ocurre una segunda falla a tierra en el otro conductor. Segundo, protege el equipo de las corrientes de falla a tierra. En un sistema aislado, solo una única falla a tierra no causa que la corriente de falla sea demasiado alta, y el circuito no se dispara. Los requisitos clave para el diseño e instalación de un transformador de aislamiento son la resistencia dieléctrica de ambos devanados (que debe soportar al menos el voltaje operativo más un margen; por ejemplo, 1500 V para un sistema de 120 V), un escudo electrostático que prevenga la posible conexión capacitiva de los lados primario y secundario, la conexión a tierra de la carcasa y el núcleo (con el requisito de que el núcleo debe estar conectado al conductor de puesta a tierra en el lado de suministro), y el uso de un monitor de aislamiento de línea (LIM) en el lado secundario del transformador. Según el NEC 517, las fuentes de alimentación eléctrica aisladas (que están compuestas por transformadores, LIM y conductores secundarios no conectados a tierra) deben ser utilizadas en quirófanos y áreas donde se realicen procedimientos húmedos en instalaciones médicas. Este concepto también se puede aplicar en sistemas de control y laboratorios.
Cómo Funciona un Transformador de Aislamiento — y Cómo se Diferencia de un Transformador Estándar
Un transformador aísla sus dos devanados en el sentido de que no existe una conexión directa entre los dos circuitos y la transferencia de energía se realiza a través del campo magnético del núcleo. Pero un transformador convencional está diseñado para asegurar que el devanado secundario esté conectado a tierra. La razón principal para la conexión a tierra es proporcionar un camino de baja impedancia para la corriente de falla, de modo que cualquier falla a tierra resulte en una gran corriente que dispare inmediatamente el dispositivo de sobrecorriente. Este método es eficiente y seguro en muchos casos, pero tiene un inconveniente. Cuando una persona toca un circuito en vivo mientras está sobre un objeto conectado a tierra, se convierte en parte del circuito de falla, y aunque la corriente sea muy baja, aún puede costarle la vida. Sin embargo, un transformador de aislamiento funciona de manera diferente. Al proporcionar el devanado secundario flotante, que no está conectado a tierra y está conectado a través de una alta impedancia, no hay un camino de baja impedancia entre los conductores del secundario y la tierra. Así que incluso si una persona toca uno de los conductores mientras está sobre una superficie conectada a tierra, no está rompiendo el circuito, porque el secundario no tiene conexión a tierra. La corriente peligrosa solo puede pasar a través de una persona si esa persona está en contacto con ambos conductores secundarios al mismo tiempo, o si ocurre una segunda falla a tierra en el segundo conductor, mientras que la primera falla aún persiste. Este principio (que indica que una sola falla a tierra no puede causar una descarga, y por lo tanto no lleva a que el circuito se dispare) es la razón por la cual los transformadores de aislamiento se utilizan en lugares donde una parada repentina del suministro eléctrico puede resultar en un accidente, y donde pueden ocurrir descargas por falla a tierra debido al agua, líquidos conductores, o la presencia de pacientes que no pueden abandonar el lugar.
Las diferencias físicas entre un transformador regular y un transformador de aislamiento no son grandes, pero aún pueden ser significativas. Un transformador de aislamiento generalmente contiene un escudo electrostático, que es una lámina conductora conectada a tierra (pantalla) colocada entre los devanados primario y secundario y que previene el acoplamiento capacitivo de los devanados. El escudo electrostático está conectado al conductor de puesta a tierra del lado de suministro, lo que permite desviar la corriente capacitiva a tierra antes de que pueda alcanzar el circuito secundario. El sistema de aislamiento del transformador debe tener la capacidad de soportar la tensión completa entre las bobinas primaria y secundaria, más un factor de seguridad (en la práctica se requiere soportar 1,500 V CA o más para el sistema de 120 V y 2,500 V CA o más para el sistema de 240 V). Para ver la gama completa de transformadores de aislamiento y transformadores especiales disponibles para diferentes aplicaciones, consulte el catálogo de productos en Subian Eléctrico.
Dónde se Requieren los Transformadores de Aislamiento — y Dónde se Recomiendan
La tabla a continuación resume las aplicaciones más comunes para transformadores de aislamiento, el requisito específico de seguridad u operación que aborda el transformador, y el estándar o código aplicable que rige la instalación.
| Aplicación | Lo que Proporciona el Transformador de Aislamiento | Estándar o Código Aplicable |
|---|---|---|
| Salas de operaciones de hospitales y ubicaciones de procedimientos húmedos | Un sistema de energía aislado y no conectado a tierra que evita que un solo fallo a tierra cause una descarga o interrumpa la energía. Un monitor de aislamiento de línea (LIM) verifica continuamente la impedancia a tierra y emite una alarma si ocurre un primer fallo. El sistema permite que el procedimiento quirúrgico continúe de manera segura mientras se identifica y retira el equipo defectuoso. | Artículo 517 del NEC (Instalaciones de Atención Médica), NFPA 99 (Código de Instalaciones de Atención Médica). El NEC requiere sistemas de energía aislados en salas de operaciones y otras ubicaciones de procedimientos húmedos, a menos que la instalación esté diseñada bajo las disposiciones del “sistema eléctrico esencial” que permiten un enfoque alternativo. |
| Paneles de control industrial y maquinaria | Aislamiento galvánico del circuito de control del circuito de potencia, que protege el PLC, los sensores y la interfaz del operador de picos de voltaje, ruido de bucle a tierra y fallos a tierra en el lado de potencia. El transformador de aislamiento también permite que el circuito de control esté conectado a tierra o flotante de manera independiente del sistema de potencia. | Artículo 409 del NEC (Paneles de Control Industrial), NFPA 79 (Norma Eléctrica para Maquinaria Industrial). UL 508A es la norma para la construcción de paneles de control industrial y requiere que los transformadores de control proporcionen aislamiento entre los circuitos de potencia y de control. |
| Bancos de pruebas de laboratorio y equipos de investigación | Una fuente de alimentación aislada y flotante que protege instrumentos sensibles del ruido eléctrico y de los bucles a tierra, y que protege al personal de descargas al trabajar con conductores expuestos y energizados durante pruebas y desarrollos. Un transformador de aislamiento permite al experimentador conectar una sonda de osciloscopio a tierra a un circuito flotante sin crear un fallo a tierra. | No existe una norma obligatoria única que se aplique a todos los laboratorios, pero los principios de NFPA 70E (Seguridad Eléctrica en el Lugar de Trabajo) y las normas IEC relevantes para equipos de laboratorio son aplicables. Muchas universidades e instituciones de investigación requieren transformadores de aislamiento en todas las fuentes de alimentación de bancos de pruebas. |
| Sistemas eléctricos marinos y en alta mar | Aislamiento del sistema de conexión a tierra de la energía de la costa, que previene la corrosión galvánica del casco del buque y de los metales submarinos por la corriente de tierra del lado de la costa. El transformador de aislamiento rompe la conexión metálica entre el conductor de conexión a tierra del lado de la costa y el sistema de conexión a tierra del buque, mientras sigue proporcionando un secundario a tierra para el sistema eléctrico del buque a través de la propia referencia a tierra del buque. | Estándar E-11 del Consejo Americano de Barcos y Yates (ABYC) (Sistemas Eléctricos de CA y CC en Barcos), ISO 13297 (Pequeñas Embarcaciones — Sistemas Eléctricos — Instalaciones de Corriente Alterna). Los transformadores de aislamiento marinos son una categoría de producto específica diseñada para el entorno marino húmedo, corrosivo y propenso a vibraciones. |
| Equipos de audio, video y transmisión | Eliminación del zumbido y ruido de bucle de tierra al aislar la fuente de alimentación del equipo del sistema de puesta a tierra del edificio. Un transformador de aislamiento rompe el bucle de tierra que de otro modo permitiría que la corriente de 60 Hz fluyera a través de los escudos de los cables de audio o video, lo que introduciría un zumbido en la señal. | Ningún código eléctrico obligatorio requiere transformadores de aislamiento para equipos de audio, pero son una práctica estándar en estudios de grabación profesionales, instalaciones de transmisión y sistemas de sonido en vivo. La Sociedad de Ingeniería de Audio (AES) publica prácticas recomendadas para la puesta a tierra y la interfaz que hacen referencia a los transformadores de aislamiento. |
Cómo especificar e instalar un transformador de aislamiento correctamente
La correcta especificación e instalación de transformadores de aislamiento requieren igualar las propiedades eléctricas del transformador de aislamiento con la carga y el esquema de protección apropiado, así como cumplir con los requisitos relevantes de puesta a tierra y conexión a tierra. Entre las especificaciones clave se encuentran la clasificación en kVA (que debe tener en cuenta la carga conectada — se debe aplicar la regla de carga continua 80% para garantizar un margen térmico adecuado y permitir el aumento futuro de la carga), voltaje primario y voltaje secundario (el voltaje puede ser el mismo en ambos lados primario y secundario — por ejemplo, 120 V en, V out, en caso de aislamiento puro — o diferente si es necesario convertir el voltaje), escudo electrostático (especialmente durante la instalación en aplicaciones donde el ruido eléctrico, picos de voltaje o corriente de modo común en el lado primario pueden influir negativamente en el funcionamiento del equipo en el lado secundario — el escudo debe estar conectado a la tierra del lado de suministro y debe ser capaz de soportar el voltaje de prueba entre primario y secundario), y tipo de envoltura y condiciones ambientales (un transformador de aislamiento en una sala eléctrica puede instalarse en un estilo abierto, mientras que un transformador de aislamiento en una fábrica o laboratorio o en un entorno requiere una envoltura con la clasificación relevante — NEMA 1 es para ubicaciones interiores secas, NEMA 3R es para uso exterior, NEMA 4X es para lavado), y NEMA 12 es para envolturas industriales a prueba de polvo.
Los requisitos de instalación son importantes para la seguridad y el buen funcionamiento del sistema aislado. La carcasa y el núcleo del transformador deben estar en contacto con el conductor de puesta a tierra del equipo en el lado de suministro de acuerdo con los requisitos del NEC para todos los transformadores, incluidos los transformadores de aislamiento, para que el dispositivo de sobrecorriente aguas arriba elimine la falla que ocurre por un cortocircuito del primario al núcleo. El circuito secundario debe estar cableado y dispuesto como un circuito aislado, estando a tierra solo si se especifica mediante alguna aplicación particular (por ejemplo, en aplicaciones marinas cuando el neutro secundario necesita estar conectado a la barra de tierra del buque). Por otro lado, el monitor de aislamiento de línea (LIM) para el sistema de energía de aislamiento en salud debe instalarse en el lado secundario, conectado entre los conductores secundarios y tierra, y equipado con una alarma que se activa en un umbral prescrito — prácticamente 50 kΩ.
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre un transformador de aislamiento y un transformador estándar?
Un transformador de distribución tradicional da lugar a un circuito secundario con una línea neutra a tierra. En este caso, el neutro se mantiene en contacto directo con la tierra, de modo que un incidente de falla a tierra resulta en una gran corriente que provoca el disparo del dispositivo de sobrecorriente. Un tipo separado de transformador llamado transformador de aislamiento proporciona una línea no aterrizada o flotante, mientras que otros tipos de transformadores de aislamiento dan lugar a una línea aterrizada con alta resistencia (es decir, alta impedancia). Por lo tanto, en caso de una falla, no se genera una alta corriente de falla y no ocurre una descarga o un disparo del circuito. Ambos tipos de transformadores ayudan a proporcionar aislamiento galvánico del circuito primario respecto al secundario.
¿Necesito un monitor de aislamiento de línea con un transformador de aislamiento?
De acuerdo con el NEC, cuando se utiliza el transformador de aislamiento en una institución médica dentro de un sistema de energía aislada, se requiere que se proporcione un monitor de aislamiento de línea (LIM). Sin embargo, en el caso de aplicaciones industriales, de laboratorio y navales, no siempre es obligatorio según el código, aunque se recomienda encarecidamente tenerlo instalado en todas las situaciones donde sea importante asegurar que el suministro de energía permanezca inalterado durante una falla a tierra de una fase.
¿Se puede utilizar un transformador de aislamiento para la conversión de voltaje también?
Es correcto. El transformador de aislamiento es capaz de tener cualquier relación de vueltas, ya sea que aumente o disminuya el voltaje y, aun así, proporcione aislamiento galvánico. Un transformador con una relación de vueltas de 2:1 proporcionaría aislamiento y reduciría el voltaje de 240 V a 120 V. Las tareas de aislamiento y conversión de voltaje son independientes entre sí y, por lo tanto, el transformador puede lograr cualquiera de estas tareas o ambas.
¿Qué es el escudo electrostático en un transformador de aislamiento?
Un escudo electrostático consiste en un escudo conductor a tierra, generalmente en forma de lámina de cobre o una pantalla, que se posiciona entre los devanados primario y secundario. Su propósito es minimizar el acoplamiento capacitivo entre los devanados, bloqueando así el ruido eléctrico de alta frecuencia, los picos de voltaje y las corrientes de modo común creadas en el lado primario para que no lleguen al lado secundario a través de la capacitancia entre devanados. El escudo está conectado al conductor de puesta a tierra en el lado de suministro de acuerdo con la mayoría de las normas de transformadores de aislamiento aplicables en el campo médico, de laboratorio y de control industrial.
Referencias
- NFPA 70 (NEC) — Artículo 517 (Instalaciones de Atención Médica) y Artículo 250 (Puesta a Tierra y Conexión). Los requisitos del Código Eléctrico Nacional para sistemas de energía aislada en atención médica, y los requisitos de puesta a tierra y conexión para transformadores y sistemas derivados por separado.
- NFPA 99 — Código de Instalaciones de Atención Médica. La norma integral para sistemas eléctricos, incluidos los sistemas de energía aislada, en hospitales y otras instalaciones de atención médica.
- UL 60601 — Norma de Seguridad para Equipos Eléctricos Médicos. La norma que define los requisitos de diseño, prueba y rendimiento para transformadores de aislamiento utilizados en aplicaciones médicas, incluidos los límites de resistencia dieléctrica y de corriente de fuga.
- ABYC E‑11 — Sistemas Eléctricos de CA y CC en Barcos. La norma del Consejo Americano de Barcos y Yates que requiere transformadores de aislamiento o aisladores galvánicos en conexiones de energía en tierra para prevenir la corrosión galvánica y proteger al personal de descargas en el entorno marino.
El transformador de aislamiento ocupa una posición excepcional en el ámbito de la seguridad eléctrica. A diferencia de otros productos, donde el interruptor se activa al encontrar un fallo a tierra, el transformador no causa el fallo a tierra en absoluto. En caso de detectar un peligro, el dispositivo no deja de funcionar automáticamente, sino que emite una alarma y permite que las personas en la sala actúen según la información. Aparte de eso, en lugar de solo separar dos circuitos, el transformador de aislamiento crea una isla eléctrica flotante con propiedades diferentes en comparación con el resto del edificio. A partir de los puntos mencionados, es fácil ver por qué, para la sala de operaciones, el panel de control industrial, el escritorio de laboratorio o un barco, usar el transformador de aislamiento no es una opción, sino una obligación según las normas de seguridad. Por lo tanto, Subian Electric Company fabrica transformadores de aislamiento para los ámbitos médico, industrial, de laboratorios y de construcción naval.