Un diodo de retorno es cualquier diodo conectado a través de un inductor que se utiliza para eliminar el retorno, que es el pico repentino de voltaje que se observa en una carga inductiva cuando su corriente de suministro se reduce o interrumpe repentinamente. Se utiliza en circuitos en los que las cargas inductivas están controladas por interruptores y en fuentes de alimentación conmutadas e inversores .
Los circuitos Flyback se han utilizado desde 1930 y se perfeccionaron a partir de 1950 para su uso en receptores de televisión. La palabra flyback proviene del movimiento horizontal del haz de electrones en un tubo de rayos catódicos , porque el haz voló hacia atrás para comenzar la siguiente línea horizontal. [1] [2]
Este diodo se conoce con muchos otros nombres, como diodo amortiguador , diodo de conmutación, diodo de rueda libre, diodo de volante, diodo supresor, diodo de abrazadera o diodo de captura. [3] [4]
La figura 1 muestra un inductor conectado a una batería, una fuente de voltaje constante. La resistencia representa la pequeña resistencia residual de los devanados del cable del inductor. Cuando el interruptor está cerrado, el voltaje de la batería se aplica al inductor, lo que hace que la corriente del terminal positivo de la batería fluya hacia abajo a través del inductor y la resistencia. [5] [6] El aumento de la corriente provoca un EMF (voltaje) inverso a través del inductor debido a la ley de inducción de Faraday que se opone al cambio de la corriente. Dado que el voltaje a través del inductor está limitado al voltaje de la batería de 24 voltios, la tasa de aumento de la corriente está limitada a un valor inicial de por lo que la corriente a través del inductor aumenta lentamente a medida que la energía de la batería se almacena en el campo magnético del inductor. . A medida que aumenta la corriente, cae más voltaje a través de la resistencia y menos a través del inductor, hasta que la corriente alcanza un valor constante con todo el voltaje de la batería a través de la resistencia y nada a través de la inductancia.
Sin embargo, la corriente cae rápidamente cuando se abre el interruptor en la Fig. 2. El inductor resiste la caída de corriente desarrollando un voltaje de polaridad inducido muy grande en la dirección opuesta a la batería, positivo en el extremo inferior del inductor y negativo. en el extremo superior. [5] [3] [6] Este pulso de voltaje, a veces llamado "kick" inductivo, que puede ser mucho mayor que el voltaje de la batería, aparece a través de los contactos del interruptor. Hace que los electrones salten el espacio de aire entre los contactos, provocando que se desarrolle un arco eléctrico momentáneo a través de los contactos cuando se abre el interruptor. El arco continúa hasta que la energía almacenada en el campo magnético del inductor se disipa en forma de calor en el arco. El arco puede dañar los contactos del interruptor, provocando picaduras y quemaduras, y eventualmente destruyéndolos. Si se utiliza un transistor para cambiar la corriente, como cambiar las fuentes de alimentación, el alto voltaje inverso puede destruir el transistor.
Para evitar el pulso de voltaje inductivo al apagar, se conecta un diodo a través del inductor, como se muestra en la Fig. 3. [5] [3] [6] El diodo no conduce corriente mientras el interruptor está cerrado porque está en reversa. polarizado por el voltaje de la batería, por lo que no interfiere con el funcionamiento normal del circuito. Sin embargo, cuando se abre el interruptor, el voltaje inducido a través del inductor de polaridad opuesta polariza hacia adelante el diodo y éste conduce corriente, limitando el voltaje a través del inductor y evitando así que se forme el arco en el interruptor. El inductor y el diodo forman momentáneamente un bucle o circuito alimentado por la energía almacenada en el inductor. Este circuito suministra una ruta de corriente al inductor para reemplazar la corriente de la batería, de modo que la corriente del inductor no caiga abruptamente y no desarrolle un alto voltaje. El voltaje a través del inductor está limitado al voltaje directo del diodo, alrededor de 0,7 - 1,5 V. Esta corriente de "rueda libre" o "retorno" a través del diodo y el inductor disminuye lentamente hasta cero a medida que la energía magnética en el inductor se disipa en forma de calor en la resistencia en serie de los devanados. En un inductor pequeño, esto puede tardar unos milisegundos.
Estas imágenes muestran el pico de voltaje y su eliminación mediante el uso de un diodo flyback ( 1N4007 ). En este caso, el inductor es un solenoide conectado a una fuente de alimentación de 24 V CC. Cada forma de onda se tomó utilizando un osciloscopio digital configurado para activarse cuando el voltaje a través del inductor cayó por debajo de cero. Tenga en cuenta la escala diferente: imagen izquierda 50 V/división, imagen derecha 1 V/división. En la Figura 1, el voltaje medido a través del interruptor rebota/aumenta a alrededor de -300 V. En la Figura 2, se agregó un diodo de retorno en antiparalelo con el solenoide. En lugar de aumentar a -300 V, el diodo de retorno solo permite que se acumule aproximadamente -1,4 V de potencial (-1,4 V es una combinación de la polarización directa del diodo 1N4007 (1,1 V) y el pie del cableado que separa el diodo y el solenoide [ dudoso ] ). La forma de onda en la Figura 2 también es más suave que la forma de onda en la Figura 1, quizás debido al arco en el interruptor de la Figura 1. En ambos casos, el tiempo total para que el solenoide se descargue es de unos pocos milisegundos, aunque la caída de voltaje más baja a través del El diodo ralentizará la caída del relé.
Cuando se utiliza con un relé de bobina de CC , un diodo de retorno puede provocar una caída retardada de los contactos cuando se corta la alimentación, debido a la circulación continua de corriente en la bobina del relé y el diodo. Cuando es importante una apertura rápida de los contactos, se puede colocar una resistencia o un diodo Zener con polarización inversa en serie con el diodo para ayudar a disipar la energía de la bobina más rápido, a expensas de un voltaje más alto en el interruptor.
Los diodos Schottky se prefieren en aplicaciones de diodos de retorno para conmutar convertidores de potencia porque tienen la caída directa más baja (~0,2 V en lugar de >0,7 V para corrientes bajas) y pueden responder rápidamente a la polarización inversa (cuando se vuelve a energizar el inductor). ). Por lo tanto, disipan menos energía mientras transfieren energía del inductor a un condensador.
Según la ley de inducción de Faraday , si la corriente que pasa por una inductancia cambia, esta inductancia induce un voltaje, por lo que la corriente fluirá mientras haya energía en el campo magnético. Si la corriente sólo puede fluir a través del aire, el voltaje es tan alto que el aire conduce. Es por eso que en los circuitos conmutados mecánicamente, la disipación casi instantánea que ocurre sin un diodo de retorno a menudo se observa como un arco a través de los contactos mecánicos que se abren. En este arco la energía se disipa principalmente en forma de calor intenso, lo que provoca una erosión prematura indeseable de los contactos. Otra forma de disipar energía es mediante radiación electromagnética.
De manera similar, para la conmutación de estado sólido no mecánica (es decir, un transistor), grandes caídas de voltaje a través de un interruptor de estado sólido no activado pueden destruir el componente en cuestión (ya sea instantáneamente o mediante desgaste acelerado).
También se pierde algo de energía del sistema en su conjunto y del arco en forma de un amplio espectro de radiación electromagnética, en forma de ondas de radio y luz. Estas ondas de radio pueden provocar clics y chasquidos indeseables en los receptores de radio cercanos.
Para minimizar la radiación similar a una antena de esta energía electromagnética de los cables conectados al inductor, el diodo de retorno debe conectarse lo más cerca físicamente posible del inductor. Este enfoque también minimiza aquellas partes del circuito que están sujetas a un alto voltaje no deseado: una buena práctica de ingeniería.
El voltaje en un inductor es, según la ley de inducción electromagnética y la definición de inductancia :
Si no hay un diodo de retorno sino sólo algo con gran resistencia (como el aire entre dos contactos metálicos), digamos R 2 , lo aproximaremos como:
Si abrimos el interruptor e ignoramos V CC y R 1 , obtenemos:
o
que es una ecuación diferencial con la solución:
Observamos que la corriente disminuirá más rápido si la resistencia es alta, como con el aire.
Ahora, si abrimos el interruptor con el diodo en su lugar, solo necesitamos considerar L 1 , R 1 y D 1 . Para I > 0 , podemos asumir:
entonces:
cual es:
cuya solución (ecuación diferencial de primer orden) es:
Podemos calcular el tiempo que necesita para apagarse determinando para qué t es I ( t )=0 .
Si V CC = I 0 R 1 , entonces
Los diodos de retorno se utilizan comúnmente cuando los dispositivos semiconductores apagan cargas inductivas: en controladores de relé , controladores de motor de puente H , etc. Una fuente de alimentación de modo conmutado también aprovecha este efecto, pero la energía no se disipa en calor sino que se utiliza para bombear un paquete de carga adicional a un condensador, con el fin de suministrar energía a una carga.
Cuando la carga inductiva es un relé, el diodo de retorno puede retrasar notablemente la liberación del relé manteniendo el flujo de corriente de la bobina por más tiempo. Una resistencia en serie con el diodo hará que la corriente circulante decaiga más rápido debido al aumento del voltaje inverso. Un diodo zener en serie pero con polaridad inversa con respecto al diodo flyback tiene las mismas propiedades, aunque con un aumento de voltaje inverso fijo. En este caso se deben comprobar tanto las tensiones del transistor como las potencias nominales de la resistencia o del diodo zener.
