Caso práctico: Aislamiento de circuito de alta potencia

Prototipo de Aislamiento de circuito de alta potencia (Maker Style)

Nivel: Básico – Controlar una carga de alta potencia usando una señal de bajo voltaje mediante aislamiento galvánico.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito controlador que utiliza una pequeña señal de 5 V para activar un relé electromecánico, el cual a su vez conmuta un circuito separado de alta potencia de 12 V que alimenta una bombilla.

  • Por qué es útil:

    • Sistemas automotrices: Permite que una señal de ECU de baja corriente conmute faros de alta corriente.
    • Seguridad: Mantiene el alto voltaje/corriente (el lado de la carga) físicamente separado de la lógica de control sensible (el lado del usuario).
    • Interfaz: Permite a microcontroladores (como Arduino/ESP32) controlar equipos industriales o electrodomésticos de CA (simulados aquí con 12 V).

  • Resultado esperado:

    • La bombilla de 12 V se enciende (ON) solo cuando el interruptor de control de 5 V está cerrado.
    • Se escucha un «clic» audible del componente relé al cambiar de estado.
    • Mediciones: 0 V en la carga cuando la señal de control es 0 V; ~12 V en la carga cuando la señal de control es 5 V.

  • Público objetivo: Estudiantes que tratan con interfaces electromecánicas y protección de circuitos.

Materiales

  • V1: Fuente de voltaje de 5 V CC, función: Suministro de lógica de control
  • V2: Fuente de voltaje de 12 V CC, función: Suministro de carga de alta potencia
  • S1: Interruptor de palanca SPST, función: Disparador de control
  • R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitador de corriente de base para Q1
  • Q1: Transistor BJT NPN 2N2222, función: Controlador de bobina de relé
  • D1: Diodo 1N4007, función: Protección flyback (snubber)
  • K1: Relé SPST de 5 V (resistencia de bobina ~70 Ω), función: Interruptor de aislamiento galvánico
  • L1: Bombilla incandescente de 12 V / 10 W, función: Carga de alta potencia

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos específicos para asegurar conexiones correctas en la simulación y el montaje. El circuito tiene dos lados aislados: el Lado de Control (Nodos: V_CTRL, 0) y el Lado de Carga (Nodos: V_HV, GND_LOAD).

Lado de Control (Baja Potencia):
* V1 (+): Se conecta al Nodo V_CTRL.
* V1 (-): Se conecta al Nodo 0 (Tierra Común).
* S1: Se conecta entre V_CTRL y el Nodo V_TRIG.
* R1: Se conecta entre V_TRIG y el Nodo V_BASE.
* Q1 (Base): Se conecta al Nodo V_BASE.
* Q1 (Emisor): Se conecta al Nodo 0.
* Q1 (Colector): Se conecta al Nodo COIL_LOW.
* K1 (Pin 1 de la bobina): Se conecta al Nodo V_CTRL.
* K1 (Pin 2 de la bobina): Se conecta al Nodo COIL_LOW.
* D1 (Ánodo): Se conecta al Nodo COIL_LOW.
* D1 (Cátodo): Se conecta al Nodo V_CTRL (Polarización inversa a través de la bobina).

Lado de Carga (Alta Potencia):
* V2 (+): Se conecta al Nodo V_HV.
* V2 (-): Se conecta al Nodo GND_LOAD (Aislado del Nodo 0).
* K1 (Contacto Común): Se conecta al Nodo V_HV.
* K1 (Contacto Normalmente Abierto): Se conecta al Nodo BULB_IN.
* L1: Se conecta entre el Nodo BULB_IN y el Nodo GND_LOAD.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Galvanic Isolation Control
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

+-------------------------------------------------------------------------+
|               PRACTICAL CASE: HIGH POWER CIRCUIT ISOLATION              |
+-------------------------------------------------------------------------+

===========================================================================
  PART 1: CONTROL SIDE (5 V Logic)
  Nodes: V_CTRL, V_TRIG, V_BASE, COIL_LOW, 0 (GND)
===========================================================================

  (Trigger Signal Path)
  [ V1: 5 V (+) ] --> [ S1: Switch ] --> [ R1: 1k Ohm ] --> [ Q1: Base ]
                                                               |
                                                               | (Controls)
                                                               v
  (Coil Power Path)                                    [ Q1: Collector ]
  [ V1: 5 V (+) ] ---------> [ K1: Relay Coil ] --------------> |
                            [ || D1 Diode    ]                 |
                            [ (Rev Biased)   ]                 | (Conducts to)
                                                               |
                                                               v
                                                       [ Q1: Emitter ]
                                                               |
                                                               v
                                                       [ Node 0 (GND) ]


             ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~
             ~      MAGNETIC LINK (GALVANIC ISOLATION)   ~
             ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~


===========================================================================
  PART 2: LOAD SIDE (12 V High Power)
  Nodes: V_HV, BULB_IN, GND_LOAD
===========================================================================

  (High Current Path)

  [ V2: 12 V (+) ] --> [ K1: Relay Switch ] --> [ L1: 12 V Bulb ] --> [ GND_LOAD ]
                      [   (COM -> NO)    ]
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el aislamiento y la capacidad de conmutación:

  1. Prueba de voltaje de bobina:

    • Cierra el interruptor S1.
    • Mide el voltaje entre V_CTRL y COIL_LOW.
    • Resultado: Debería leer aproximadamente 5 V (indicando que el transistor está drenando corriente).

  2. Activación de carga:

    • Mantén S1 cerrado.
    • Observa L1 (Bombilla).
    • Resultado: La bombilla se ilumina. Mide el voltaje a través de L1; debería ser ~12 V.

  3. Latencia de conmutación (Requiere osciloscopio):

    • Conecta el Canal 1 a V_TRIG y el Canal 2 a BULB_IN.
    • Conmuta S1 de OFF a ON.
    • Resultado: Observarás un retraso (típicamente 5–15 ms) entre la subida de la señal en el Ch1 y la aparición de energía en el Ch2. Este es el tiempo de conmutación mecánica de la armadura del relé.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* High power circuit isolation
*
* This netlist simulates a relay driver circuit with a high-power load.
* It includes a low-voltage control side (5V) and an isolated high-voltage load side (12V).
*

* --- Analysis Setup ---
.tran 10u 10m
.print tran V(V_TRIG) V(BULB_IN) V(COIL_LOW) I(L_K1_COIL)

* --- Control Side (Low Power) ---

* Supply V1: 5V DC
V1 V_CTRL 0 DC 5

* Switch S1: Modeled as a Pulse Voltage Source to simulate user actuation
* Connects to V_TRIG to drive the base resistor.
* Timing: Off for 1ms, On for 4ms, then Off.
V_S1 V_TRIG 0 PULSE(0 5 1m 10u 10u 4m 10m)

* ... (truncated in public view) ...

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* High power circuit isolation
*
* This netlist simulates a relay driver circuit with a high-power load.
* It includes a low-voltage control side (5V) and an isolated high-voltage load side (12V).
*

* --- Analysis Setup ---
.tran 10u 10m
.print tran V(V_TRIG) V(BULB_IN) V(COIL_LOW) I(L_K1_COIL)

* --- Control Side (Low Power) ---

* Supply V1: 5V DC
V1 V_CTRL 0 DC 5

* Switch S1: Modeled as a Pulse Voltage Source to simulate user actuation
* Connects to V_TRIG to drive the base resistor.
* Timing: Off for 1ms, On for 4ms, then Off.
V_S1 V_TRIG 0 PULSE(0 5 1m 10u 10u 4m 10m)

* Resistor R1: 1k Base Current Limiter
R1 V_TRIG V_BASE 1k

* Transistor Q1: 2N2222 NPN Relay Driver
* Connections: Collector=COIL_LOW, Base=V_BASE, Emitter=0
Q1 COIL_LOW V_BASE 0 2N2222MOD

* Relay Coil K1 (Coil Side)
* Modeled as Inductance + Resistance in series between V_CTRL and COIL_LOW
R_K1_COIL V_CTRL INT_COIL 70
L_K1_COIL INT_COIL COIL_LOW 50m

* Diode D1: Flyback protection (Snubber)
* Anode=COIL_LOW, Cathode=V_CTRL
D1 COIL_LOW V_CTRL 1N4007MOD

* --- Load Side (High Power) ---

* Ground Isolation: High resistance path to global ground 0 to prevent singular matrix
R_ISO GND_LOAD 0 100Meg

* Supply V2: 12V DC
V2 V_HV GND_LOAD DC 12

* Relay Contact K1 (Switch Side)
* Modeled as a Voltage Controlled Switch
* Controlled by the voltage across the coil: V(V_CTRL) - V(COIL_LOW)
* Connects V_HV to BULB_IN when coil is energized
S_K1 V_HV BULB_IN V_CTRL COIL_LOW RELAY_SW_MOD

* Load L1: 12V / 10W Bulb
* Resistance ~ 14.4 Ohms (R = V^2 / P = 144 / 10)
R_L1 BULB_IN GND_LOAD 14.4

* --- Component Models ---

* NPN Transistor Model
.model 2N2222MOD NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=46.91E-9 TF=411.1E-12 ITF=0.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10 RC=0.3 RE=0.2)

* Diode Model
.model 1N4007MOD D(IS=7.02767n RS=0.0341512 N=1.80803 EG=1.11 XTI=3 BV=1000 IBV=5u CJO=10p VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=100n)

* Relay Switch Model
* Threshold Vt=2.5V (Coil is 5V), Hysteresis Vh=0.5V
.model RELAY_SW_MOD SW(Vt=2.5 Vh=0.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the trigger signal (V_TRIG) going high (5V) between 1ms and 5ms. During this window, the coil current (I(L_K1_COIL)) rises, causing the relay switch to close and V(BULB_IN) to switch to ~12V. After 5ms, the trigger drops, coil current decays (snubber active), and the load voltage returns to near zero.
Show raw data table (4100 rows) 
Index   time            v(v_trig)       v(bulb_in)      v(coil_low)     l_k1_coil#branc
0	0.000000e+00	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.002664e-11
1	1.000000e-07	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.002626e-11
2	2.000000e-07	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.002547e-11
3	4.000000e-07	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.002342e-11
4	8.000000e-07	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.001814e-11
5	1.600000e-06	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.000316e-11
6	3.200000e-06	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.969744e-12
7	6.400000e-06	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.000801e-11
8	1.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.002921e-11
9	2.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.970357e-12
10	3.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.004993e-11
11	4.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.955463e-12
12	5.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.004077e-11
13	6.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.984500e-12
14	7.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.001134e-11
15	8.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.001578e-11
16	9.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.000519e-11
17	1.028000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.003686e-11
18	1.128000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.961732e-12
19	1.228000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.005266e-11
20	1.328000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.963169e-12
21	1.428000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.003205e-11
22	1.528000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.984436e-12
23	1.628000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.001919e-11
... (4076 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Omitir el diodo flyback (D1):

    • Error: El transistor Q1 falla permanentemente después de unas pocas conmutaciones.
    • Solución: Coloca siempre un diodo en polarización inversa en paralelo a la bobina del relé para absorber el pico de alto voltaje generado cuando el campo magnético colapsa.

  2. Compartir tierras involuntariamente:

    • Error: Conectar GND_LOAD al Nodo 0 en la protoboard.
    • Solución: Aunque el circuito funcionará, pierdes el aislamiento galvánico. Mantén la ruta de retorno de alta potencia físicamente separada de la tierra lógica.

  3. Corriente de base insuficiente:

    • Error: Usar una resistencia R1 demasiado alta (p. ej., 100 kΩ). El relé no hace clic o lo hace débilmente.
    • Solución: Asegúrate de que el transistor esté en saturación. Para un 2N2222 controlando un relé estándar, 1 kΩ suele ser suficiente.

Solución de problemas

  • Síntoma: El relé hace clic, pero la bombilla no se enciende.

    • Causa: Problema en el Lado de Carga (circuito secundario).
    • Solución: Revisa el suministro V2, verifica que la bombilla L1 no esté fundida y asegúrate de que las conexiones a los pines COM/NO del relé estén firmes.

  • Síntoma: No hay sonido del relé, Bombilla APAGADA.

    • Causa: La bobina no se está energizando.
    • Solución: Revisa el voltaje en el Nodo V_BASE. Si es 0 V, revisa S1. Si es ~0.7 V, revisa si Q1 está instalado correctamente (pinout E-B-C).

  • Síntoma: El transistor se calienta extremadamente.

    • Causa: La corriente de la bobina es demasiado alta para el transistor seleccionado.
    • Solución: Verifica la resistencia de la bobina del relé. Si consume >600 mA, el 2N2222 podría tener poca potencia; usa un transistor de potencia (p. ej., TIP31) o un MOSFET.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Indicador de estado: Añade un pequeño LED y una resistencia de 330 Ω en paralelo con la bobina del relé para indicar visualmente cuando la señal de control está activa.
  2. Actualización a estado sólido: Reemplaza el relé mecánico (K1) y el controlador de transistor con un Optoacoplador y un MOSFET (o Triac para CA) para eliminar el desgaste mecánico y reducir la latencia de conmutación.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué componente se utiliza para separar físicamente el circuito de control del circuito de carga?




Pregunta 3: ¿Qué voltaje tiene la fuente de alimentación destinada a la carga de alta potencia (la bombilla)?




Pregunta 4: ¿Qué sonido característico se espera escuchar cuando el relé cambia de estado?




Pregunta 5: ¿Qué medición de voltaje se espera en la carga cuando la señal de control es de 0 V?




Pregunta 6: ¿Por qué es útil este circuito en sistemas automotrices?




Pregunta 7: ¿Cuál es el estado de la bombilla cuando el interruptor de control de 5 V está cerrado?




Pregunta 8: ¿Qué ventaja de seguridad ofrece este circuito según el texto?




Pregunta 9: ¿Qué tipo de dispositivos pueden usar este circuito como interfaz para controlar equipos industriales?




Pregunta 10: ¿Qué voltaje se espera medir en la carga cuando la señal de control es de 5 V?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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