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O que um diodo de roda livre protege e por que ele fica em paralelo com a bobina

Por que a bobina se opõe à chave

Um indutor, seja uma bobina de relé, um solenoide ou um enrolamento de motor, armazena energia em seu campo magnético. A tensão sobre ele é proporcional à rapidez com que sua corrente varia, de modo que a relação é v = L vezes di/dt. Enquanto a corrente flui de forma constante, a bobina se comporta simplesmente como um resistor e a tensão sobre ela é I vezes R. O problema começa quando você desliga a corrente.

Se um transistor ou o contato de um relé abre em alguns microssegundos, a corrente tende a cair para zero quase instantaneamente. A bobina responde gerando a tensão necessária para manter a corrente fluindo por um instante, e essa tensão tem polaridade oposta à da alimentação. O resultado é um pico breve que pode facilmente exceder a tensão nominal da chave. Este é o coice indutivo que os diodos de roda livre existem para domar.

Onde o diodo vai e por que ele permanece inativo

Um diodo de roda livre, também chamado de diodo de circulação ou diodo snubber em alguns contextos, é conectado em paralelo com a bobina, com o catodo voltado para a alimentação positiva e o anodo voltado para o lado chaveado. Durante a operação normal, a alimentação mantém o catodo positivo; assim, o diodo está polarizado reversamente e não conduz praticamente nenhuma corrente. Ele só entra em ação quando a bobina tenta inverter sua tensão no desligamento.

Quando isso acontece, a tensão da bobina polariza o diodo diretamente e a excursão reversa é limitada a aproximadamente a tensão da alimentação mais uma queda direta de diodo, tipicamente em torno de 0,7 volt para um retificador de silício. Em vez de um caminho pela chave, a corrente da bobina passa a circular pelo diodo e pela resistência própria da bobina, decaindo suavemente. A chave vê apenas a alimentação mais uma pequena margem.

Um exemplo prático com um relé de 12 V

Suponha que a bobina de um relé de 12 V tenha uma resistência de cerca de 400 ohms e consuma aproximadamente 30 mA quando energizada. Considere que a indutância da bobina seja em torno de 0,5 henry, faixa típica para pequenos relés, embora você deva medir ou consultar o datasheet para um projeto real. A energia armazenada no desligamento é 0,5 vezes L vezes I ao quadrado, ou seja, 0,5 vezes 0,5 vezes 0,03 ao quadrado, o que resulta em cerca de 0,23 millijoules.

Agora considere que a chave abre em 10 microssegundos. A variação de corrente é de 0,03 A em 10e-6 segundos, portanto di/dt é de 3000 A por segundo. A tensão indutiva é 0,5 vezes 3000, ou seja, 1500 volts. Circuitos reais têm capacitância parasita e indutância de fiação que alteram o pico exato, mas a ordem de grandeza é clara: sem um grampeamento, um transistor com tensão nominal de algumas dezenas de volts não sobreviveria.

Com um diodo de roda livre, o grampo mantém a bobina em torno de 12,7 volts na excursão reversa. A constante de tempo de decaimento é L dividido por R, ou seja, 0,5 dividido por 400, o que dá 1,25 milissegundo. A corrente cai para próximo de zero em cerca de cinco constantes de tempo, de modo que a bobina libera em cerca de 6 milissegundos, em vez de quase instantaneamente. Essa liberação mais lenta é o preço da proteção.

Compromissos e alternativas

O diodo simples é a escolha mais barata e mais confiável, mas faz a bobina liberar mais lentamente do que faria sem qualquer grampo. Para relés em que o tempo de liberação é importante, um diodo Zener em série com um segundo diodo pode grampear em uma tensão mais alta, como 2 a 3 vezes a alimentação, o que proporciona um decaimento mais rápido e ainda limita o pico. Um supressor de transientes de tensão, que é um dispositivo semelhante a um Zener projetado para surtos, pode desempenhar o mesmo papel.

Um resistor em série em paralelo com o diodo é outra opção, mas adiciona perdas e não grampeia tão firmemente quanto um diodo; por isso, é menos comum em projetos simples. Qualquer que seja a escolha, o dispositivo de proteção deve ser colocado diretamente nos terminais da bobina, pois qualquer fio entre o diodo e a bobina adiciona indutância e compromete o grampeamento.

Dicas de bancada

Verifique a polaridade antes de energizar. Um diodo instalado invertido em paralelo com uma bobina acionada pela alimentação causará curto-circuito na alimentação através do diodo assim que o acionamento for aplicado, o que frequentemente é a primeira coisa a dar errado. Procure a faixa no diodo e confirme que ela está voltada para o trilho positivo. A função de continuidade ou de teste de diodo do seu multímetro mostrará a condução esperada em um único sentido.

Escolha um diodo que suporte a corrente da bobina com margem. Diodos retificadores de uso geral da família 1N400x são uma escolha comum para pequenos relés e solenoides. Mantenha os terminais curtos e, se o seu transistor aciona a bobina pelo lado de baixo, certifique-se de que a tensão nominal do transistor esteja confortavelmente acima da alimentação mais a tensão de grampeamento.