3.9: Circuitos de conmutación de inductores

Un uso popular de los diodos es para la mitigación del “retroceso” inductivo: los pulsos de alta tensión producidos cuando se interrumpe la corriente continua a través de un inductor. Tomemos, por ejemplo, este sencillo circuito de la Figura a continuación sin protección contra contragolpe inductivo.

Retroceso inductivo: (a) Interruptor abierto. (b) Interruptor cerrado, la corriente electrónica fluye desde la batería a través de la bobina que tiene una batería de coincidencia de polaridad. El campo magnético almacena energía. (c) Interruptor abierto, La corriente sigue fluyendo en la bobina debido al colapso del campo magnético. Observe el cambio de polaridad en la bobina. (d) Voltaje de bobina vs tiempo.

Cuando se acciona el interruptor pulsador, la corriente pasa a través del inductor, produciendo un campo magnético a su alrededor. Cuando se desactiva el interruptor, sus contactos se abren, interrumpiendo la corriente a través del inductor y haciendo que el campo magnético colapse rápidamente. Debido a que el voltaje inducido en una bobina de alambre es directamente proporcional a la tasa de cambio en el tiempo del flujo magnético (Ley de Faraday: e = nDΦ/dt), este rápido colapso del magnetismo alrededor de la bobina produce un “pico” de alto voltaje.

Si el inductor en cuestión es una bobina de electroimán, como en un solenoide o relé (construido con el propósito de crear una fuerza física a través de su campo magnético cuando se energiza), el efecto de “contragolpe” inductivo no sirve para nada útil. De hecho, es bastante perjudicial para el interruptor, ya que provoca arcos excesivos en los contactos, reduciendo en gran medida su vida útil. De los métodos prácticos para mitigar el transitorio de alto voltaje creado cuando se abre el interruptor, ninguno tan simple como el llamado diodo de conmutación en la Figura siguiente.

Retroceso inductivo con protección: (a) Interruptor abierto. (b) Interruptor cerrado, almacenando energía en campo magnético. (c) Interruptor abierto, contragolpe inductivo es cortocircuitado por diodo.

En este circuito, el diodo se coloca en paralelo con la bobina, de tal manera que se polarizará de manera inversa cuando se aplique voltaje de CC a la bobina a través del interruptor. Así, cuando la bobina está energizada, el diodo no conduce corriente en la Figura anterior (b).

Sin embargo, cuando se abre el interruptor, la inductancia de la bobina responde a la disminución de la corriente induciendo un voltaje de polaridad inversa, en un esfuerzo por mantener la corriente en la misma magnitud y en la misma dirección. Esta repentina inversión de la polaridad del voltaje a través de la bobina sesga hacia adelante al diodo, y el diodo proporciona una trayectoria de corriente para la corriente del inductor, de modo que su energía almacenada se disipa lentamente en lugar de repentinamente en la Figura anterior (c).

Como resultado, el voltaje inducido en la bobina por su campo magnético colapsado es bastante bajo: simplemente la caída de tensión directa del diodo, en lugar de cientos de voltios como antes. Por lo tanto, los contactos del interruptor experimentan una caída de voltaje igual al voltaje de la batería más aproximadamente 0.7 voltios (si el diodo es silicio) durante este tiempo de descarga.

En el lenguaje electrónico, la conmutación se refiere a la inversión de la polaridad del voltaje o la dirección de la corriente. Así, el propósito de un diodo de conmutación es actuar siempre que el voltaje invierte la polaridad, por ejemplo, en una bobina inductora cuando se interrumpe la corriente a través de ella. Un término menos formal para un diodo de conmutación es snubber, porque “desata” o “sofoca” el contragolpe inductivo.

Una desventaja notable de este método es el tiempo extra que imparte a la descarga de la bobina. Debido a que el voltaje inducido está sujeto a un valor muy bajo, su tasa de cambio de flujo magnético con el tiempo es comparativamente lenta. Recuerde que la Ley de Faraday describe la tasa de cambio del flujo magnético (dΦ/dt) como proporcional al voltaje instantáneo inducido (e o v). Si el voltaje instantáneo se limita a alguna cifra baja, entonces la tasa de cambio del flujo magnético a lo largo del tiempo también se limitará a una cifra baja (lenta).

Si una bobina de electroimán es “amortiguada” con un diodo de conmutación, el campo magnético se disipará a una velocidad relativamente lenta en comparación con el escenario original (sin diodo) donde el campo desapareció casi instantáneamente al soltar el interruptor. La cantidad de tiempo en cuestión probablemente será inferior a un segundo, pero será mensurablemente más lenta que sin un diodo de conmutación en su lugar. Esto puede ser una consecuencia intolerable si la bobina se usa para accionar un relé electromecánico, porque el relé poseerá un “retardo de tiempo” natural al desenergizar la bobina, y un retraso no deseado de incluso una fracción de segundo puede causar estragos en algunos circuitos.

Desafortunadamente, no se puede eliminar el transitorio de alto voltaje del contragolpe inductivo y mantener una rápida desmagnetización de la bobina: no se violará la Ley de Faraday. Sin embargo, si la desmagnetización lenta es inaceptable, se puede llegar a un compromiso entre el voltaje transitorio y el tiempo permitiendo que el voltaje de la bobina aumente a un nivel más alto (pero no tan alto como sin un diodo de conmutación en su lugar). El esquema en la Figura siguiente muestra cómo se puede hacer esto.

(a) Diodo de conmutación con resistencia en serie. (b) Forma de onda de voltaje. (c) Nivel sin diodo. (d) Nivel con diodo, sin resistencia. (e) Nivel de compromiso con diodo y resistencia.

Una resistencia colocada en serie con el diodo de conmutación permite que el voltaje inducido de la bobina se eleve a un nivel mayor que la caída de voltaje directo del diodo, acelerando así el proceso de desmagnetización. Esto, por supuesto, colocará los contactos del interruptor bajo mayor tensión, por lo que la resistencia debe dimensionarse para limitar esa tensión transitoria a un nivel máximo aceptable.