Aislamiento galvánico: cuándo y por qué separar circuitos

Qué es el aislamiento galvánico

Dos circuitos están aislados galvánicamente cuando no hay ningún camino conductor entre ellos: no comparten masa ni hilo alguno por el que pueda circular corriente continua. Aun así, la energía o la información cruzan la frontera por otro medio: un campo magnético, un campo eléctrico o la luz. Esa frontera es la barrera de aislamiento, y cada lado tiene su propia referencia de tensión, su propio «cero».

Se aísla por tres motivos: la seguridad de las personas, la inmunidad frente al ruido y la posibilidad de que dos equipos trabajen a potenciales distintos sin dañarse.

Bucles de masa: el ruido que entra por el cero

Dos equipos conectados a tierra en puntos distintos casi nunca están al mismo potencial. Las fugas y los retornos de motores y variadores crean diferencias de milivoltios a varios voltios, y mucho más durante un defecto o un rayo. Si además los une un cable cuyo cero o pantalla está conectado en ambos extremos, se cierra un bucle de masa: esa diferencia hace circular corriente por el conductor de referencia, y su caída de tensión se suma a la señal.

En una señal de milivoltios, como la de un termopar, el resultado es un error grande; en un bus de comunicaciones, tramas corruptas o un transceptor dañado si se supera su margen de modo común, que en RS-485 va de −7 a +12 V. La solución de fondo es abrir el bucle, y la forma más limpia es una barrera de aislamiento en uno de los extremos.

Seguridad: separar lo peligroso de lo que se toca

La IEC 61140 fija el límite de la muy baja tensión en 50 V eficaces de alterna o 120 V de continua sin rizado. Un circuito SELV (muy baja tensión de seguridad) queda por debajo de ese límite, no se conecta a tierra y está separado de los circuitos peligrosos por aislamiento doble o reforzado, por ejemplo con un transformador de seguridad según la IEC 61558-2-6. Un circuito PELV cumple lo mismo pero tiene un punto unido a tierra, como el 0 V de los 24 V de un cuadro de máquina. En locales húmedos o con contacto de grandes superficies del cuerpo, los límites admisibles bajan; la EN 60204-1, por ejemplo, fija valores más estrictos para PELV.

Las normas distinguen niveles: aislamiento funcional (solo para que el circuito funcione), básico (una protección frente al choque eléctrico), suplementario, doble (básico más suplementario) y reforzado (una sola barrera equivalente al doble). Un componente «de 3 kV» puede ofrecer solo aislamiento funcional; lo que cuenta es su certificación.

Tipos de aisladores

• Transformador: transporta energía y señales alternas; es la base de cualquier fuente aislada. No deja pasar la continua, así que las señales lentas deben modularse.
• Optoacoplador: un LED y un fotodetector en el mismo encapsulado, separados por un material transparente aislante. Barato, pero lento en sus versiones básicas (microsegundos), y su relación de transferencia de corriente (CTR) cae con los años y la temperatura. Su norma de seguridad es la IEC 60747-5-5.
• Aislador capacitivo: la señal se modula y cruza una capa de dióxido de silicio entre las placas de un condensador integrado. Rápido (de decenas a más de cien megabits por segundo), de bajo consumo y sin desgaste apreciable.
• Aislador magnético: microtransformadores integrados en el chip, aislados con poliimida, o sensores magnetorresistivos. Prestaciones parecidas; algunos transfieren también energía.

Los aisladores capacitivos y magnéticos se certifican con la IEC 60747-17, sucesora de la alemana VDE V 0884-11. Además de la tensión de aislamiento, importa la inmunidad a transitorios de modo común (CMTI, en kV/µs): la velocidad de variación de la tensión entre ambos lados que soporta sin corromper datos, crítica junto a etapas de potencia que conmutan muy rápido.

Convertidores DC-DC aislados

Aislar la señal no sirve si la alimentación cruza la barrera. El lado aislado necesita su propia energía, que suele aportar un convertidor DC-DC aislado: un pequeño transformador de alta frecuencia en un módulo de uno a varios vatios, con tensiones de ensayo de 1 a 6 kV. Dos detalles: la tensión de ensayo, aplicada durante un segundo o un minuto, no es la tensión de trabajo admisible en permanencia, y muchos módulos económicos solo ofrecen aislamiento funcional. Además, la capacidad parásita de la barrera, de unos pocos a decenas de picofaradios, deja pasar ruido de alta frecuencia.

Distancias de fuga y en el aire

En la placa, la barrera se convierte en distancias. La distancia en el aire (clearance) es el camino más corto por el aire entre dos conductores y protege frente a picos de tensión; depende de la tensión de impulso, ligada a la categoría de sobretensión (I a IV), y se corrige por encima de 2.000 m de altitud. La línea de fuga (creepage) es el camino más corto por la superficie del aislante y protege frente al deterioro por suciedad y humedad; depende de la tensión de trabajo, del grado de contaminación (1 a 4) y del índice de resistencia al seguimiento (CTI) del material.

La referencia es la IEC 60664-1:2020, con su modificación de 2025, aunque cada norma de producto puede exigir más. Como orden de magnitud, para red de 230 V en categoría II y grado de contaminación 2, el aislamiento básico pide alrededor de 1,5 mm en el aire y 2,5 mm de fuga, y el reforzado, aproximadamente el doble. Una ranura fresada bajo el aislador alarga la línea de fuga sin agrandar la placa.

Dónde se aplica

• Buses de campo: transceptores RS-485 y CAN aislados, con su DC-DC, cuando los nodos están en cuadros, contenedores o edificios con tierras distintas.
• Medida de alta tensión y corriente: amplificadores aislados o moduladores que leen una resistencia de medida (shunt) flotante en el bus de un variador o de una batería.
• Sensores remotos y entradas analógicas de 4⁠–⁠20 mA, con aislamiento canal a canal.