Por Qué Deberías Usar un Diodo de Retorno en un Relé para Evitar el Ruido Eléctrico en tus Circuitos

Los ingenieros a veces 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 podría parecer un gran problema a veces puede tener una solución fácil. Por ejemplo, al diseñar PCB que tienen relés mecánicos, puedes evitar picos de voltaje grandes agregando un diodo de retorno a tu circuito. Sin embargo, cuando hayas colocado un diodo de retorno en un relé y tu controlador aún se reinicie, 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. Aquí te explicamos por qué y cómo puedes usar un diodo de retorno para reducir la EMI en tus relés, y qué debes considerar si tu diseño 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, 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. Se utiliza para evitar los picos de voltaje que ocurren cuando se desconecta la fuente de alimentación. A veces se les llama "diodos amortiguadores" y son un tipo de circuito amortiguador.

Cuando la fuente de alimentación está conectada al relé, el voltaje de la bobina de inductancia se acumula para coincidir 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 lleva minimizar el flujo de corriente a través de la bobina es más largo que el tiempo que lleva desconectar la fuente de alimentación. Tras la desconexión, la bobina de inductancia invierte su polaridad en un intento de mantener el flujo de corriente de acuerdo con su curva de disipación (es decir, % del flujo de corriente máximo con respecto al tiempo). Esto hace que se acumule un enorme potencial de voltaje en las uniones abiertas del componente que controla el relé.

Este voltaje acumulado se llama voltaje de retorno. Puede provocar un arco eléctrico y dañar los componentes que controlan el relé. También puede introducir ruido eléctrico que puede acoplarse a señales adyacentes o conexiones de alimentación y hacer que los microcontroladores se bloqueen o 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 el voltaje de retorno.

Para mitigar este problema, se conecta un diodo con polaridad inversa a la fuente de alimentación. No pasa corriente a través del diodo cuando el relé está energizado. Cuando se retira la fuente de alimentación, se invierte la polaridad del voltaje en la bobina y el diodo se polariza hacia adelante. El diodo permite que la corriente pase con una resistencia mínima y evita que se acumule voltaje de retorno. Por eso se le llama diodo de retorno.

 

_{Los pequeños diodos de retorno evitan que un voltaje de retorno enorme estropee 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 en tu circuito 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 por el tercero tenía diodos de retorno conectados en paralelo a sus bobinas de inductancia. Los voltajes 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 sea mayor que la de la bobina. Además, elige un diodo que tenga un voltaje inverso que sea más alto que el voltaje 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. Más aún, tener un buen software de lista de materiales, como la herramienta de administración de Altium, hace que administrar tu ciclo de vida y disponibilidad sea muy fácil. Esto es particularmente útil cuando reutilizo diseños antiguos.