Diodo flyback

Diodo de detención de picos de voltaje a través de un inductor

Diagrama de un circuito simple con una inductancia L y un diodo flyback D. La resistencia R representa la resistencia de los devanados del inductor.

Un diodo flyback es cualquier diodo conectado a través de un inductor que se utiliza para eliminar el flyback, que es el pico de voltaje repentino 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 se controlan mediante 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 volaba hacia atrás para comenzar la siguiente línea horizontal. ^{[1] [2]}

Este diodo se conoce por muchos otros nombres, como diodo amortiguador , diodo conmutador, diodo de rueda libre, diodo de volante, diodo supresor, diodo de sujeción o diodo de captura. ^{[3] [4]}

Operación

Circuitos que ilustran el uso de un diodo flyback

La figura 1 muestra un inductor conectado a una batería, una fuente de voltaje constante. La resistencia representa la pequeña resistencia estática de los devanados de alambre del inductor. Cuando el interruptor está cerrado, el voltaje de la batería se aplica al inductor, lo que hace que la corriente desde el terminal positivo de la batería fluya hacia abajo a través del inductor y la resistencia. ^{[5] [6]} El aumento de la corriente provoca una fuerza electromotriz (voltaje) a través del inductor debido a la ley de inducción de Faraday que se opone al cambio de 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, se reduce más voltaje a través de la resistencia y menos a través del inductor, hasta que la corriente alcanza un valor constante de con todo el voltaje de la batería a través de la resistencia y ninguno a través de la inductancia. ${\displaystyle {dI \over dt}={V_{B} \over L},}$ ${\displaystyle I=V_{B}/R}$

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 inducido muy grande de polaridad en la dirección opuesta de 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 "patada" inductiva, 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, lo que hace 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 como calor en el arco. El arco puede dañar los contactos del interruptor, causando picaduras y quemaduras, y eventualmente destruyéndolos. Si se utiliza un transistor para conmutar la corriente, como fuentes de alimentación conmutadas, 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 polarizado inversamente 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 directamente el diodo y conduce corriente, lo que limita el voltaje a través del inductor y evita 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, por lo que la corriente del inductor no cae abruptamente y no desarrolla 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 "retorno" o "circulación libre" a través del diodo y el inductor disminuye lentamente hasta cero a medida que la energía magnética del inductor se disipa en forma de calor en la resistencia en serie de los devanados. Esto puede tardar unos pocos milisegundos en un inductor pequeño.

(izquierda) Traza del osciloscopio que muestra un pico de voltaje inductivo en el solenoide conectado a una fuente de alimentación de 24 VCC. (derecha) El mismo transitorio de conmutación con un diodo flyback ( 1N4007 ) conectado a través del solenoide. Observe la escala diferente (50 V/división a la izquierda, 1 V/división a la derecha).

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 dispararse cuando el voltaje a través del inductor cayera por debajo de cero. Observe la diferente escala: imagen de la izquierda 50 V/división, imagen de la 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 flyback en antiparalelo con el solenoide. En lugar de aumentar a -300 V, el diodo flyback solo permite que se acumulen 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 de cableado que separa el diodo y el solenoide ^{[ dudoso – discutir ]} ). La forma de onda de la Figura 2 también es más suave que la forma de onda de la Figura 1, quizás debido al arco eléctrico en el interruptor de la Figura 1. En ambos casos, el tiempo total que tarda el solenoide en descargarse es de unos pocos milisegundos, aunque la menor caída de voltaje a través del diodo ralentizará la caída del relé.

Diseño

Cuando se utiliza con un relé de bobina de CC , un diodo flyback 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 la apertura rápida de los contactos es importante, 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 son los preferidos en aplicaciones de diodos flyback para convertidores de potencia de conmutación porque tienen la caída de tensión 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 capacitor.

Inducción en la apertura de un contacto

Según la ley de inducción de Faraday , si la corriente que pasa por una inductancia cambia, esta induce un voltaje, por lo que la corriente fluirá mientras haya energía en el campo magnético. Si la corriente solo puede fluir a través del aire, el voltaje es tan alto que el aire conduce. Por eso, en los circuitos conmutados mecánicamente, la disipación casi instantánea que se produce sin un diodo flyback se observa a menudo como un arco a través de los contactos mecánicos de apertura. La energía se disipa en este arco principalmente en forma de calor intenso, que provoca una erosión prematura indeseable de los contactos. Otra forma de disipar energía es a través de la radiación electromagnética.

De manera similar, en el caso de 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 por 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 ruidos y chasquidos indeseables en los receptores de radio cercanos.

Para minimizar la radiación similar a la de una antena de esta energía electromagnética proveniente de los cables conectados al inductor, el diodo flyback debe estar conectado lo más cerca posible del inductor. Este enfoque también minimiza aquellas partes del circuito que están sujetas a un alto voltaje no deseado, lo que constituye una buena práctica de ingeniería.

Derivación

El voltaje en un inductor es, según la ley de inducción electromagnética y la definición de inductancia :

${\displaystyle V_{L}=-{d\Phi _{B} \over dt}=-L{dI \over dt}}$

Si no hay un diodo flyback sino solo algo con gran resistencia (como el aire entre dos contactos metálicos), digamos, R ₂ , lo aproximaremos como:

${\displaystyle V_{R_{2}}=R_{2}\cdot I}$

Si abrimos el interruptor e ignoramos V _CC y R ₁ , obtenemos:

${\displaystyle V_{L}=V_{R_{2}}}$

o

${\displaystyle -L{dI \over dt}=R_{2}\cdot I}$

que es una ecuación diferencial con la solución:

${\displaystyle I(t)=I_{0}\cdot e^{-{R_{2} \over L}t}}$

Observamos que la corriente disminuirá más rápido si la resistencia es alta, como en el aire.

Ahora bien, si abrimos el interruptor con el diodo puesto, solo tenemos que considerar L ₁ , R ₁ y D ₁ . Para I > 0 , podemos suponer:

${\displaystyle V_{D}=\mathrm {constant} }$

entonces:

${\displaystyle V_{L}=V_{R_{1}}+V_{D}}$

cual es:

${\displaystyle -L{dI \over dt}=R_{1}\cdot I+V_{D}}$

cuya solución (ecuación diferencial de primer orden) es:

${\displaystyle I(t)=(I_{0}+{1 \over R_{1}}V_{D})\cdot e^{-{R_{1} \over L}t}-{1 \over R_{1}}V_{D}}$

Podemos calcular el tiempo que necesita para apagarse determinando para qué t es I ( t ) = 0 .

${\displaystyle t={-L \over R_{1}}\cdot ln{\left({V_{D} \over {V_{D}+I_{0}{R_{1}}}}\right)}}$

Si V _CC = I ₀ R ₁ , entonces

${\displaystyle t={-L \over R_{1}}\cdot ln{\left({1 \over {{\frac {V_{CC}}{V_{D}}}+1}}\right)}={L \over R_{1}}\cdot ln{\left({{\frac {V_{CC}}{V_{D}}}+1}\right)}}$

Aplicaciones

Los diodos flyback se utilizan habitualmente cuando los dispositivos semiconductores desconectan cargas inductivas: en controladores de relés , controladores de motores de puente H , etc. Una fuente de alimentación conmutada también aprovecha este efecto, pero la energía no se disipa en forma de 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 flyback puede retrasar notablemente la liberación del relé al mantener el flujo de corriente de la bobina durante más tiempo. Una resistencia en serie con el diodo hará que la corriente circulante decaiga más rápido con la desventaja de un aumento de la tensión inversa. Un diodo zener en serie pero con polaridad inversa con respecto al diodo flyback tiene las mismas propiedades, aunque con un aumento de la tensión inversa fijo. En este caso, se deben comprobar tanto las tensiones del transistor como las potencias nominales de la resistencia o del diodo zener.

Véase también

• Diodos de uso general 1N400x
• Diodo de señal 1N4148
• Diodos Schottky 1N58xx
• Ley de Lenz

Referencias

1. Schweber, Bill (10 de diciembre de 2019). "Arquitectura y funcionamiento de la fuente de alimentación Flyback". www.electronicdesign.com . Endeavor Business Media . Consultado el 28 de marzo de 2023 .
2. "Introducción al transformador Flyback". Utmel Electronics. 29 de enero de 2021. Consultado el 28 de marzo de 2023 .
3. Wilcher, Don (2012). Aprenda electrónica con Arduino. Apress. págs. 74-75. ISBN 978-1430242673. Recuperado el 14 de mayo de 2020 .
4. Agarwal, Tarun (26 de agosto de 2016). "Funcionamiento de diodos Flyback o de rueda libre y sus funciones". ELPROCUS . Consultado el 21 de mayo de 2018 .
5. Herrick, Robert J. (2003). Circuitos y electrónica de CC/CA: principios y aplicaciones. Cengage Learning. págs. 879–881. ISBN 0766820831.
6. Jacob, J. (2001). Electrónica de potencia: principios y aplicaciones. Cengage Learning. págs. 292–294. ISBN 0766823326.

Lectura adicional

• Ott, Henry (1988). Técnicas de reducción de ruido en sistemas electrónicos (2.ª ed.). Wiley. ISBN 978-0471850687.

Enlaces externos

• Notas técnicas sobre relés - American Zettler
• Notas de aplicación de relés - TE Connectivity
• Circuito RC de relé - Evox Rifa
• Circuitos de aplicación de relés de señal en miniatura Archivado el 2 de octubre de 2016 en Wayback Machine - NEC/Tokin
• Tiempo de encendido y apagado de diodos y desactivación de relés - Clifton Laboratories
• "¿Diodo para picos de bobina de relé y picos de apagado del motor?" - sci.electronics.design
• Calculadora de regulador conmutado Flyback: todo sobre circuitos