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Qué protege un diodo flyback y por qué va conectado en paralelo con la bobina

Por qué una bobina se opone al interruptor

Un inductor, ya sea una bobina de relé, un solenoide o el devanado de un motor, almacena energía en su campo magnético. La tensión en sus terminales es proporcional a la rapidez con la que cambia su corriente, por lo que la relación es v = L × di/dt. Mientras la corriente circula de forma constante, la bobina se comporta simplemente como una resistencia y la tensión en sus terminales es I × R. El problema aparece cuando interrumpes la corriente.

Si un transistor o un contacto de relé se abre en unos pocos microsegundos, la corriente intenta caer a cero casi instantáneamente. La bobina responde generando la tensión necesaria para mantener la corriente durante un instante, y esa tensión tiene polaridad opuesta a la de la alimentación. El resultado es un pico breve que puede superar fácilmente la tensión nominal del interruptor. Este es el retorno inductivo (kickback) que los diodos flyback existen para domar.

Dónde va el diodo y por qué permanece inactivo

Un diodo flyback, también llamado de libre circulación o de amortiguación (snubber) en algunos contextos, se conecta en paralelo con la bobina, con el cátodo hacia el positivo de la alimentación y el ánodo hacia el extremo conmutado. Durante el funcionamiento normal, la alimentación mantiene el cátodo positivo, por lo que el diodo está polarizado en inversa y prácticamente no conduce corriente. Solo se activa cuando la bobina intenta invertir su tensión en el momento de la desconexión.

Cuando eso ocurre, la tensión de la bobina polariza directamente el diodo y la excursión inversa se limita a aproximadamente la tensión de alimentación más una caída directa del diodo, normalmente alrededor de 0.7 voltios para un rectificador de silicio. En lugar de un camino a través del interruptor, la corriente de la bobina circula ahora por el diodo y por la resistencia propia de la bobina, decayendo de forma suave. El interruptor solo ve la alimentación más un pequeño margen.

Un ejemplo práctico con un relé de 12 V

Supón que una bobina de relé de 12 V tiene una resistencia de unos 400 ohmios y consume aproximadamente 30 mA cuando está energizada. Asume que la inductancia de la bobina es de alrededor de 0.5 henrios, un valor típico para relés pequeños, aunque debes medirla o consultar la hoja de datos para un diseño real. La energía almacenada en el momento de la desconexión es 0.5 × L × I al cuadrado, es decir, 0.5 × 0.5 × 0.03 al cuadrado, o unos 0.23 milijulios.

Ahora considera que el interruptor se abre en 10 microsegundos. El cambio de corriente es 0.03 amperios en 10e-6 segundos, así que di/dt es 3000 amperios por segundo. La tensión inductiva es 0.5 × 3000, o 1500 voltios. Los circuitos reales tienen capacitancia parásita e inductancia de cableado que alterarán el pico exacto, pero el orden de magnitud es claro: sin un limitador, un transistor con una tensión nominal de unas pocas decenas de voltios no sobreviviría.

Con un diodo flyback, la limitación mantiene la bobina cerca de 12.7 voltios en la excursión inversa. La constante de tiempo de decaimiento es L dividido entre R, es decir, 0.5 dividido entre 400, o 1.25 milisegundos. La corriente cae a casi cero en unas cinco constantes de tiempo, así que la bobina se libera en unos 6 milisegundos en lugar de casi instantáneamente. Esa liberación más lenta es el precio de la protección.

Compromisos y alternativas

El diodo simple es la opción más barata y fiable, pero hace que la bobina se libere más lentamente que sin ningún limitador. Para relés en los que el tiempo de liberación importa, un diodo Zener en serie con un segundo diodo puede limitar a una tensión más alta, como 2 a 3 veces la alimentación, lo que proporciona una descarga más rápida y sigue limitando el pico. Un supresor de transitorios de tensión (TVS), un dispositivo similar a un Zener diseñado para sobretensiones, puede cumplir el mismo papel.

Una resistencia en serie en paralelo con el diodo es otra opción, pero añade pérdidas y no limita tan ajustadamente como un diodo, por lo que es menos común en diseños sencillos. Sea cual sea tu elección, el dispositivo de protección debe colocarse directamente en los terminales de la bobina, porque cualquier cable entre el diodo y la bobina añade inductancia y debilita el limitador.

Consejos de laboratorio

Comprueba la polaridad antes de encender. Un diodo instalado al revés en paralelo con una bobina alimentada cortocircuitará la alimentación a través del diodo en cuanto se aplique el control, que suele ser lo primero que falla. Busca la banda del diodo y confirma que está hacia el riel positivo. Una función de continuidad o de prueba de diodos en tu multímetro mostrará la conducción unidireccional esperada.

Elige un diodo que soporte la corriente de la bobina con margen. Los diodos rectificadores de uso general de la familia 1N400x son una opción habitual para relés y solenoides pequeños. Mantén los terminales cortos y, si tu transistor controla la bobina por el lado bajo, asegúrate de que la tensión nominal del transistor esté holgadamente por encima de la alimentación más la tensión de limitación.