Comparación de convertidores de potencia aislados y no aislados

Introducción al aislamiento

En los sistemas de conversión de potencia, el aislamiento galvánico se refiere a la ausencia de una vía de conducción directa entre las diferentes secciones del circuito. Esta barrera de aislamiento entre las etapas de entrada y salida es crucial para el correcto funcionamiento del circuito y sirve como medida de seguridad.

Los convertidores aislados disponen de masas separadas para las etapas de entrada y salida, mientras que los no aislados comparten una masa común, lo que permite el flujo de corriente directa entre ambos lados. La inclusión de un transformador en los convertidores aislados facilita el aislamiento mediante la transferencia de potencia a través de energía electromagnética, aunque con cierta pérdida de eficiencia asociada que puede mitigarse con un transformador bien diseñado.

Para transmitir señales a través de la barrera de aislamiento, especialmente en el caso de dispositivos regulados que requieren realimentación, es crucial mantener el aislamiento de estas señales. Los transformadores de señal en miniatura pueden utilizarse para señales de AC, mientras que los optoacopladores son adecuados para señales de DC, garantizando un aislamiento adecuado.

El aislamiento se consigue mediante aislamiento eléctrico, ya sea espaciando los conductores con aire o utilizando materiales no conductores como cinta adhesiva. La eficacia de este aislamiento suele medirse por umbrales de tensión, cuya superación supone un riesgo de ruptura del aislamiento.

Tipos de aislamiento

Existen cuatro niveles principales de aislamiento:

Aislamiento operativo: También conocido como aislamiento funcional, sirve para fines operativos sin proporcionar protección contra los choques.
Aislamiento básico: Compuesto por una capa, proporciona protección contra los golpes.
Aislamiento suplementario: Añade una capa extra al aislamiento básico, mejorando la redundancia.
Aislamiento reforzado: Ofrece el doble de protección que el aislamiento básico con una sola barrera.

Reasons for Isolation

Los convertidores aislados desempeñan un papel fundamental en el cumplimiento de las normas de seguridad, sobre todo cuando se trabaja con tensiones altas y potencialmente peligrosas, como las de los convertidores AC/DC conectados a la red de AC. El aislamiento separa eficazmente la salida de cualquier tensión peligrosa presente en la entrada, garantizando el cumplimiento de las normas de seguridad.

El nivel adecuado de aislamiento, determinado por las normas de seguridad, es crucial para dar prioridad a la seguridad. Los grados de aislamiento, que incluyen el funcional, el básico, el suplementario y el reforzado, proporcionan diversos grados de protección contra las descargas eléctricas, siendo el aislamiento reforzado el que ofrece el mayor nivel de protección.

Existen cuatro grados principales de aislamiento:

Aislamiento operativo: También conocido como aislamiento funcional, sirve para fines operativos sin proporcionar protección contra los choques.
Aislamiento básico: Compuesto por una capa, proporciona protección contra los golpes.
Aislamiento suplementario: Añade una capa extra al aislamiento básico, mejorando la redundancia.
Aislamiento reforzado: Ofrece el doble de protección que el aislamiento básico con una sola barrera.

Las fuentes aisladas son beneficiosas para evitar bucles de masa e interferencias de ruido gracias a su conexión a tierra independiente. Esta separación es ventajosa para los circuitos susceptibles al ruido, ya que aísla la masa de posibles fuentes de interferencia.

Los convertidores aislados también presentan salidas flotantes, a diferencia de los convertidores no aislados con tensión predeterminada entre los terminales de salida. Las salidas flotantes no tienen un voltaje específico o fijo en relación con otros nodos del circuito, lo que permite flexibilidad en el cambio de nivel y la configuración del circuito. Las conexiones entre terminales pueden alterar o invertir las salidas en comparación con otros puntos del circuito, lo que permite aplicaciones versátiles.

Motivos de no aislamiento

A pesar de las ventajas del aislamiento, hay razones de peso para considerar los convertidores no aislados, como el coste, el tamaño y el rendimiento.

Reducción de costes: Los convertidores no aislados suelen ser menos caros debido al uso de inductores disponibles en el mercado en lugar de transformadores hechos a medida, que son más costosos. Los convertidores aislados también pueden requerir componentes adicionales, como optoacopladores, lo que aumenta aún más los costes.
Eficiencia de tamaño: Los convertidores no aislados suelen ser más compactos porque utilizan inductores en lugar de transformadores y funcionan a frecuencias de conmutación más altas, lo que se traduce en componentes magnéticos y condensadores más pequeños.
Mayor eficiencia: Los convertidores no aislados suelen presentar una mayor eficiencia y regulación debido al menor número de componentes y a la ausencia de transformador, lo que permite un control más directo y una regulación precisa de la salida.

Aplicaciones

Los convertidores no aislados se utilizan habitualmente en entornos de punto de carga (POL) para convertir alta tensión en baja tensión, a menudo en entornos industriales donde la fuente de alimentación está encerrada en cajas bien aisladas.

Los convertidores aislados son esenciales en entornos médicos, de defensa y de industria pesada, donde es obligatorio cumplir estrictas normas de aislamiento para garantizar la seguridad. Las industrias que requieren altas tensiones necesitan fuentes de alimentación con un aislamiento robusto para minimizar los riesgos de peligro eléctrico.

En resumen, la elección entre convertidores aislados y no aislados depende de los requisitos específicos de la aplicación, equilibrando factores como el coste, el tamaño, la eficiencia y las consideraciones de seguridad dictadas por el entorno de uso final. Los convertidores aislados son cruciales para las aplicaciones que exigen un estricto cumplimiento de las normas de seguridad, mientras que los convertidores no aislados ofrecen soluciones rentables y compactas para entornos menos peligrosos. Entender la diferencia entre convertidores aislados y no aislados es esencial, sobre todo en el caso de los convertidores DC/DC aislados.