Por qué deberías usar un diodo de retorno en un relé para evitar el ruido eléctrico en tus circuitos

A veces los ingenieros tienden a complicar demasiado un problema en lugar de centrarse en soluciones lógicas simples. Por ejemplo, la moto de mi amigo se estropeó y se pasó horas mirando la batería, el carburador y el sistema eléctrico. Resulta que todo esto no sirvió para nada. Nos divertimos bastante al darnos cuenta que este caos fue provocado por un indicador de combustible defectuoso, que dejó que su tanque de combustible funcionara vacío.

En electrónica, lo que puede parecer un gran problema a veces tiene fácil solución. Por ejemplo, al diseñar placas de circuito impreso que tienen relés mecánicos, puedes evitar grandes picos de tensión y proporcionar supresión de ruido de relé añadiendo un relé diodo de retorno (también conocido como diodo flyback) a tu circuito. Sin embargo, cuando hayas colocado un diodo de retorno en un relé y tu controlador siga reiniciándose, es posible que debas considerar otras fuentes de ruido eléctrico. Al igual que el problema de la moto de mi amigo, a menudo estas fuentes se esconden a simple vista y se pueden resolver con las mismas técnicas de reducción de ruido que has aplicado a tu diseño de PCB. A continuación, te explicamos por qué y cómo puedes utilizar un diodo de retorno para reducir la EMI en tus relés, y qué debes considerar si tu diseño de PCB es parte de un sistema más grande.

¿Qué es un diodo de retorno y por qué lo necesitas?

Si has estado creando placas de circuito impreso que cuentan con relés mecánicos, entonces probablemente hayas oído hablar del diodo de retorno. Si no lo has hecho, y tal vez te estés preguntando qué es un diodo de retorno, has venido al lugar correcto. Para ponerlo en palabras sencillas, un diodo de retorno es un diodo que se coloca con polaridad inversa de la fuente de alimentación y en paralelo a la bobina de inductancia del relé. El diodo de retorno se utiliza para evitar los picos de tensión que ocurren cuando se desconecta la fuente de alimentación. A veces se les llama "diodos amortiguadores" y son un tipo de circuito amortiguador.

¿Por qué colocar un diodo de retorno en la bobina de un relé?

Cuando la fuente de alimentación se conecta al diodo de protección del relé, la tensión de la bobina de inductancia se acumula hasta igualarse con el de la fuente de alimentación. La velocidad a la que puede cambiar la corriente en un inductor está limitada por su constante de tiempo. En este caso, el tiempo que tarda en minimizarse el flujo de corriente a través de la bobina es mayor que el tiempo que tarda en desconectarse de la fuente de alimentación. Al desconectarse, la carga inductiva de la bobina invierte su polaridad en un intento de mantener el flujo de corriente según su curva de disipación (es decir, % del flujo de corriente máximo con respecto al tiempo). Esto hace que se acumule un enorme potencial de tensión en las uniones abiertas del componente que controla el relé.

Esta tensión acumulada se denomina tensión de retorno o tensión flyback. Puede provocar un arco eléctrico y dañar los componentes que controlan el relé. También puede introducir ruido eléctrico que puede acoplarse a señales o conexiones de alimentación adyacentes y hacer que los microcontroladores se bloqueen o se reinicien. Si tienes un panel de control electrónico que se restablece cada vez que se desactiva un relé, es muy posible que tengas un problema con la tensión de retorno.

Para mitigar este problema, se conecta un diodo de retorno con polaridad inversa a la fuente de alimentación. Al colocar un diodo a través de la bobina del relé, el campo electromagnético de retorno y su corriente pasan a través del diodo cuando el relé está activado, ya que el campo electromagnético de retorno impulsa el diodo de protección flyback en polarización directa. Cuando se retira la alimentación, se invierte la polaridad de la tensión en la bobina y se forma un bucle de corriente entre la bobina del relé y el diodo de protección; el diodo vuelve a estar polarizado hacia delante. El diodo en polarización libre permite el paso de la corriente con una resistencia mínima y evita que se acumule la tensión de retorno o flyback, de ahí el nombre de relé de diodo de retorno o diodo de flyback.

_{Diminutos diodos de retorno evitan que una enorme tensión de retorno dañe tus componentes.}

Cómo puede interferir el ruido eléctrico con tu electrónica a pesar de los diodos de retorno integrados

Es posible que hayas pensado que colocar diodos de retorno o flyback en tu circuito de PCB resolverá todos tus problemas de ruido eléctrico. Eso es lo que solía creer hasta que me enfrenté a un problema alucinante cuando un controlador de humedad que diseñé se reiniciaba constantemente. Esto fue a pesar del hecho de que coloqué diodos de retorno en cada relé incorporado.

El controlador de humedad estaba conectado a relés mecánicos externos que controlaban los elementos de calentamiento industrial. Este proyecto de rutina se convirtió en una caza de brujas buscando el problema que causaba que el controlador se reiniciara. Cuando tienes decenas de configuraciones similares que muestran los mismos síntomas, es fácil suponer que has estropeado el diseño del producto.

Después de horas de probar varias fuentes de alimentación, cables, métodos de conexión a tierra y láminas de interferencia electromágnetica (EMI), finalmente me di cuenta de que tal vez fueron los relés mecánicos externos los que estaban causando el problema. Fiel a mi sospecha, ninguno de los relés externos instalados tenía diodos de retorno conectados en paralelo a sus bobinas de inductancia. Las tensiones de retorno resultantes causaron interferencia eléctrica sobre el cable de conexión y dentro del controlador de humedad, lo que provocó el reinicio del sistema.

Si bien tienes poco control sobre las instalaciones eléctricas realizadas por un tercero, no hay excusa para no adherirse a las mejores prácticas con diodos de retorno en tu PCB. Para empezar, querrás asegurarte de que la corriente directa del diodo de retorno sea mayor que la de la bobina. Además, elige un diodo flyback que tenga una tensión inversa más alta que la tensión nominal de la bobina. 

_{La ausencia de un diodo de retorno puede ser tu pesadilla al producir ruido eléctrico.}

En mi práctica, coloco los diodos de retorno lo más cerca posible del relé. Un diodo 1N4007 típico me va bien en la mayoría de las aplicaciones y me ahorra el problema de tener que crear huellas manualmente. Además, tener un buen software de lista de materiales, como la herramienta de gestión de Altium Designer, hace que la gestión de tu ciclo de vida y disponibilidad sea muy fácil. Esto es particularmente útil cuando reutilizo diseños antiguos.