Perché utilizzare un flyback diode in un relè per prevenire i disturbi elettrici nei circuiti

Gli ingegneri a volte, hanno la tendenza a complicare eccessivamente i problemi, anziché concentrarsi su semplici soluzioni logiche. Un mio amico aveva il problema di una motocicletta che non funzionava e ha sprecato ore controllando la batteria, il carburatore e il sistema elettrico. Tutto inutilmente. Ci siamo divertiti non poco quando si è scoperto che il problema era stato causato dall’indicatore di livello carburante difettoso e che semplicemente, il serbatoio era vuoto.

Anche nel mondo dell’elettronica, problemi complicati possono avere una soluzione semplice. Ad esempio, quando si progettano PCB che includono relè meccanici, è possibile evitare sovratensioni, inserendo un diodo flyback nel circuito. Se, anche dopo aver inserito questo tipo di diodi su un relè, il controller continua a resettarsi, il motivo può essere dovuto ad un diverso tipo di disturbo elettrico. Analogamente a quanto successo con la motocicletta, talvolta la sorgente dei disturbi è nascosta in bella vista e il problema può essere risolto con le stesse tecniche di riduzione dei disturbi applicate al progetto. Di seguito andiamo ad illustrare perché e come utilizzare un diodo flyback per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI) nei relè e cosa tenere in considerazione se il progetto fa parte di un sistema più grande.

Cosa è un diodo flyback e perchè è utile

Se avete esperienza nella creazione di circuiti stampati che includono relè meccanici, allora probabilmente avete familiarità anche con i diodi flyback. Se non l'avete, questo è l'articolo giusto per imparare. Per semplificare, un diodo flyback è un diodo posizionato con polarità inversa dall’alimentazione ed è in parallelo alla bobina di induttanza del relè. Viene utilizzato per evitare le sovratensioni che si verificano quando si disconnette l'alimentazione. A volte vengono chiamati anche “diodi snubber,” dato che sono una tipologia di circuito snubber.

Quando l'alimentazione è collegata al relè, il voltaggio della bobina di induttanza aumenta fino a raggiungere il valore dell’alimentazione. La velocità con la quale la corrente può variare in un induttore, dipende dalla sua costante di tempo. In questo caso, il tempo necessario per ridurre il flusso di corrente attraverso la bobina, è inferiore al tempo che occorre per scollegare l'alimentazione. Una volta effettuata la disconnessione, la bobina di induttanza inverte la propria polarità per cercare di mantenere il flusso di corrente in accordo alla propria curva di dissipazione (che rappresenta il massimo flusso di corrente al variare del tempo). Questo causa un accumulo di voltaggio sui connettori aperti del componente che controlla il relè.

Questo accumulo di tensione viene chiamato tensione di “flyback.” Può causare un arco elettrico e danneggiare i componenti che controllano il relè. Introduce anche disturbi elettrici che possono accoppiarsi a segnali adiacenti o collegamenti di potenza e causare un crash o un reset del microcontroller. Se avete un pannello di controllo elettronico che si resetta ogni volta che un relè viene diseccitato, è molto probabile che la causa sia una tensione di flyback.

Per attenuare il problema, è possibile inserire un diodo collegato all’alimentazione con polarità inversa. Quando il relè viene eccitato non si verifica alcun flusso di corrente attraverso il diodo. Quando l’alimentazione viene scollegata, la polarità della tensione sulla bobina è invertita ed il diodo si polarizza in senso diretto. A questo punto il diodo consente alla corrente di scorrere con una resistenza estremamente bassa e impedisce l’accumulo della tensione di flyback. Questo è il motivo per cui viene chiamato diodo flyback.

^{I diodi flyback impediscono alla tensione di flyback di danneggiare i componenti.}

Come i disturbi elettrici possono interferire con i componenti elettronici nonostante l’impiego dei diodi flyback

A questo punto potreste pensare che tutti i problemi legati ai disturbi elettrici possano essere risolti con l’inserimento dei diodi flyback. Questo era quello che pensavo anche io prima che affrontassi il problema di un termoigrometro, che avevo progettato, che continuava misteriosamente a resettarsi. Ciò avveniva nonostante avessi inserito diodi flyback su ogni singolo relè del circuito.

Il dispositivo era collegato a relè esterni meccanici che controllavano riscaldatori industriali. Questo progetto di routine si era rapidamente trasformato in una difficile processo investigativo per capire cosa stesse causando i continui reset. Quando si è alle prese con decine di installazioni simili che presentano lo stesso problema, è facile presumere che si sia commesso un errore nella fase di progettazione del prodotto.

Dopo aver speso ore lavorando su alimentazione, cavi, metodi di messa a terra e interferenze elettromagnetiche, finalmente iniziai a pensare che il problema poteva essere causato dal relè meccanico esterno. In effetti i problemi erano davvero dovuti al relè esterno: nessuno dei relè installati dalla terza parte era dotato di un diodo flyback posto in parallelo alle bobine di induttanza. La tensione di flyback risultante, causava interferenze elettriche sui cavi di connessione del termoigrometro e i conseguenti reset.

Purtroppo non si può avere pieno controllo sulle installazioni elettriche realizzate da terze parti, ma non ci sono scuse per non rispettare le best practice in materia di diodi flyback per i propri PCB. Innanzitutto, è bene verificare che la corrente diretta del diodo sia superiore a quella della bobina. Poi occorre scegliere un diodo la cui tensione inversa sia più alta della tensione nominale della bobina.

^{La mancanza di un diodo flyback può causare tantissimi problemi.}

Anni di esperienza mi hanno suggerito che la scelta migliore è posizionare il diodo flyback quanto più vicino possibile al relè. Un tipico diodo 1N4007, è un’ottima scelta per la maggior parte delle applicazioni ed elimina il problema di dover calcolare i footprint. Possedere inoltre un buon software per la gestione dei materiali come il tool di gestione delle distinte dei materiali di Altium, rende molto più semplice la gestione della loro disponibilità e del ciclo di vita. Ciò è particolarmente utile quando si reingegnerizzano vecchi progetti. 

Avete domande sui diodi flyback? Contattate un esperto di Altium.

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