diodo flyback

Un diodo de retroceso (también llamado diodo de rueda libre ) es cualquier diodo conectado en paralelo a un inductor que se utiliza para eliminar el retroceso, que es el pico de tensión repentino que se produce en una carga inductiva cuando su corriente de alimentación se reduce o interrumpe repentinamente. Se utiliza en circuitos donde las cargas inductivas se controlan mediante interruptores , así como en fuentes de alimentación conmutadas e inversores .

Los circuitos flyback se utilizan desde 1930 y se perfeccionaron a partir de 1950 para su uso en receptores de televisión. El término flyback proviene del movimiento horizontal del haz de electrones en un tubo de rayos catódicos , ya que el haz retrocedía para iniciar la siguiente línea horizontal. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Este diodo se conoce con muchos otros nombres, como diodo amortiguador , diodo conmutador, diodo de rueda libre, 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 del inductor. Cuando se cierra el interruptor, el voltaje de la batería se aplica al inductor, lo que provoca que la corriente fluya desde el terminal positivo de la batería a través del inductor y la resistencia. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} El aumento de la corriente provoca una fuerza contraelectromotriz (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 ${dI \over dt}={V_{B} \over L},$ de modo 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 la corriente aumenta, cae más voltaje a través de la resistencia y menos a través del inductor, hasta que la corriente alcanza un valor constante de $I=V_{B}/R$ con todo el voltaje de la batería a través de la resistencia y ninguno 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 una tensión inducida muy grande de polaridad opuesta a la de la batería, positiva en el extremo inferior del inductor y negativa en el extremo superior. ^{[ 5 ]}^{[ 3 ]}^{[ 6 ]} Este pulso de tensión, a veces llamado "pico" inductivo, que puede ser mucho mayor que la tensión de la batería, aparece a través de los contactos del interruptor. Provoca que los electrones salten el espacio de aire entre los contactos, lo que provoca que se desarrolle un arco eléctrico momentáneo a través de los contactos al abrirse 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, provocando picaduras y quemaduras, y finalmente destruyéndolos. Si se utiliza un transistor para conmutar la corriente, como en las fuentes de alimentación conmutadas, la alta tensión inversa puede destruir el transistor.

Para evitar el pulso de voltaje inductivo al apagar, se conecta un diodo en paralelo con el 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 en el inductor de polaridad opuesta polariza directamente el diodo, y este conduce corriente, limitando el voltaje en el inductor y, por lo tanto, evitando que se forme un 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 proporciona una ruta de corriente al inductor para reemplazar la corriente de la batería, por lo que la corriente del inductor no cae bruscamente y no desarrolla un alto voltaje. El voltaje en el inductor está limitado al voltaje directo del diodo, alrededor de 0,7 - 1,5 V. Esta corriente de "retorno" o "ruido libre" que circula por el 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 el pico de tensión inductiva en un solenoide conectado a una fuente de alimentación de 24 V CC. (Derecha) El mismo transitorio de conmutación con un diodo de protección ( 1N4007 ) conectado en paralelo al solenoide. Nótese la diferente escala (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 usando un osciloscopio digital configurado para dispararse cuando el voltaje a través del inductor caía por debajo de cero. Nótese la diferente escala: imagen izquierda 50 V/división, imagen derecha 1 V/división. En la Figura 1, el voltaje medido a través del interruptor rebota/pico a alrededor de -300 V. En la Figura 2, se agregó un diodo flyback en antiparalelo con el solenoide. En lugar de pico a -300 V, el diodo flyback 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 cable que separa el diodo y el solenoide ). La forma de onda en la Figura 2 también es más suave que la forma de onda en la Figura 1, quizás debido a la formación de arcos eléctricos 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 menor caída de voltaje a través del diodo ralentizará la desconexión del relé.

Diseño

Cuando se utiliza con un relé de bobina de CC , un diodo de retroceso puede provocar una desconexión retardada de los contactos al interrumpirse la alimentación, debido a la circulación continua de corriente en la bobina del relé y el diodo. Si es importante una apertura rápida de los contactos, se puede colocar una resistencia o un diodo Zener polarizado inversamente en serie con el diodo para ayudar a disipar la energía de la bobina más rápidamente, a costa de un voltaje más alto en el interruptor.

Los diodos Schottky son los preferidos en las aplicaciones de diodos flyback para convertidores de potencia conmutados porque tienen la menor caída de tensión directa (~0,2 V en lugar de >0,7 V para corrientes bajas) y son capaces de responder rápidamente a la polarización inversa (cuando se vuelve a energizar el inductor). Por lo tanto, disipan menos energía al transferir energía del inductor a un condensador .

Inducción al abrir un contacto

Según la ley de inducción de Faraday , si la corriente que atraviesa 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 ocurre sin un diodo de retroceso se observa a menudo como un arco a través de los contactos mecánicos abiertos. La energía se disipa en este arco principalmente como calor intenso, lo que provoca una erosión prematura indeseable de los contactos. Otra forma de disipar energía es mediante radiación electromagnética .

De manera similar, en el caso de la conmutación de estado sólido no mecánica (es decir, un transistor), las grandes caídas de voltaje a través de un interruptor de estado sólido no activado pueden destruir el componente en cuestión (ya sea instantáneamente o a través de un desgaste acelerado).

Parte de la energía también se pierde del sistema en su conjunto y del arco eléctrico en forma de un amplio espectro de radiación electromagnética, en forma de ondas de radio y luz. Estas ondas de radio pueden provocar chasquidos e interferencias indeseables en los receptores de radio cercanos.

Para minimizar la radiación electromagnética que emiten los cables conectados al inductor, similar a la de una antena, el diodo de retroceso debe conectarse lo más cerca posible del inductor. Este enfoque también minimiza las partes del circuito expuestas a una tensión elevada no deseada, lo cual constituye una buena práctica de ingeniería.

Derivación

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

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

Si no hay diodo de retroceso, sino solo algo con una gran resistencia (como el aire entre dos contactos metálicos), digamos $R2$ $,$ lo aproximaremos como:

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

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

que es una ecuación diferencial con la solución:

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

Observamos que la corriente disminuirá más rápidamente si la resistencia es alta, como ocurre con el aire.

Ahora, si abrimos el interruptor con el diodo colocado, solo necesitamos considerar $L 1$ , $R 1$ y $D 1$ . Para $I > 0$ , podemos suponer:

V_{D}=\mathrm {constante}

entonces:

{\ Displaystyle V_ {L} = V_ {R_ {1}} + V_ {D}}

que es:

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

cuya solución (ecuación diferencial de primer orden) es:

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 $I (t) = 0$ .

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

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 comúnmente cuando los dispositivos semiconductores desconectan cargas inductivas: en controladores de relés , controladores de motor 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 inyectar una carga adicional en un condensador, con el fin de alimentar una carga.

Cuando la carga inductiva es un relé, el diodo de retroceso puede retrasar notablemente su liberación al mantener la corriente de la bobina durante más tiempo. Una resistencia en serie con el diodo hará que la corriente circulante disminuya más rápidamente, aunque con el inconveniente de un aumento de la tensión inversa. Un diodo Zener en serie, pero con polaridad inversa respecto al diodo de retroceso, presenta las mismas propiedades, si bien con un aumento fijo de la tensión inversa. En este caso, conviene comprobar tanto la tensión del transistor como la potencia nominal de la resistencia o del diodo Zener.

Véase también

Referencias

↑ 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 .
↑ "Introducción al transformador flyback" . Utmel Electronics. 29 de enero de 2021. Consultado el 28 de marzo de 2023 .
1 2 3 Wilcher, Don (2012). Aprende electrónica con Arduino . Apress. págs. 74–75 . ISBN 978-1430242673. Consultado el 14 de mayo de 2020 .
↑ Agarwal, Tarun (26 de agosto de 2016). "Funcionamiento de los diodos de rueda libre o de retroceso y sus funciones" . ELPROCUS . Consultado el 21 de mayo de 2018 .
1 2 3 Herrick, Robert J. (2003). Circuitos y electrónica de CC/CA: Principios y aplicaciones . Cengage Learning. págs. 879–881 . ISBN 0766820831.
1 2 3 Jacob, J. (2001). Electrónica de potencia: Principios y aplicaciones . Cengage Learning. págs. 292–294 . ISBN 0766823326.

Lecturas adicionales

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 relés - 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/apagado de diodos y amortiguación de relés - Clifton Laboratories
"¿Diodo para picos de bobina de relé y picos de apagado de motor?" - sci.electronics.design
Calculadora de regulador de modo conmutado flyback - Todo sobre circuitos

[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 .

[Wilcher-3] 1 2 3 Wilcher, Don (2012). Aprende electrónica con Arduino . Apress. págs. 74–75 . ISBN 978-1430242673. Consultado el 14 de mayo de 2020 .

[4] Agarwal, Tarun (26 de agosto de 2016). "Funcionamiento de los diodos de rueda libre o de retroceso y sus funciones" . ELPROCUS . Consultado el 21 de mayo de 2018 .

[Herrick-5] 1 2 3 Herrick, Robert J. (2003). Circuitos y electrónica de CC/CA: Principios y aplicaciones . Cengage Learning. págs. 879–881 . ISBN 0766820831.

[Jacob-6] 1 2 3 Jacob, J. (2001). Electrónica de potencia: Principios y aplicaciones . Cengage Learning. págs. 292–294 . ISBN 0766823326.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]