La fuerza contraelectromotriz de una bobina, explicada con esquemas de circuito interactivos ── el papel del diodo de rueda libre

Parte 1 de la serie «Protección y averías del circuito de control, con esquemas de circuito interactivos»

Una de las averías clásicas de los circuitos de control es esta: se desconecta un relé o una electroválvula desde una salida a transistor de un PLC y, en ese mismo instante, la salida se estropea. El culpable es la fuerza contraelectromotriz (la sobretensión) que genera la bobina de la carga en el momento de la desconexión, y el remedio de manual es un diodo de rueda libre en paralelo con la bobina. ── Bueno, hasta aquí lo cuenta cualquier manual. Pero por qué el diodo tiene que ir en ese sentido, qué se sacrifica al ponerlo y qué ocurre si se monta al revés… eso rara vez queda claro con un esquema estático y cuatro flechas.

En este artículo observamos directamente esos pocos milisegundos con esquemas de circuito interactivos y gráficas de tensión y corriente en tiempo real. Sin protección, diodo de rueda libre, diodo + Zener, TVS, red RC (snubber) y el peligroso diodo invertido: todo sobre el mismo circuito y con los mismos mandos, de modo que las diferencias entre métodos saltan a la vista. Todas las figuras son interactivas: conmute la salida con el botón y compruebe con sus propios ojos el pico que aparece en la gráfica en el instante de apagar.

Qué encontrará en este artículo

Preguntas habituales y la sección que las responde.

Pregunta	Sección
¿Qué es la fuerza contraelectromotriz y por qué al cortar una bobina aparece alta tensión?	§1
¿Qué pasa exactamente si se desconecta sin protección?	§2 (figura interactiva)
¿Por qué funciona el diodo de rueda libre y qué significa su orientación?	§3 (figura interactiva)
¿Es cierto que el diodo hace que el relé se desactive más despacio?	§4 (figura interactiva)
¿Qué ocurre si el diodo se monta al revés?	§5 (figura interactiva)
¿En qué se diferencian las alternativas (TVS, red RC)?	§6 · §7 (figuras interactivas)
Al final, ¿qué método conviene usar?	§8 (tabla comparativa) / FAQ

1. La corriente de una bobina no puede pararse en seco ── qué es la fuerza contraelectromotriz

Bobinas de relé, electroválvulas, bobinas de contactor… la mayoría de las «cosas que se mueven» dentro de un armario de control son electroimanes, es decir, bobinas. Y una bobina tiene una propiedad que no tienen las resistencias ni las lámparas: detesta que le cambien la corriente bruscamente (autoinducción).

Mientras circula corriente, la bobina almacena energía en su campo magnético. Al abrir el interruptor, el circuito exige «corriente a cero, ya», pero esa energía almacenada no puede desaparecer al instante. Entonces la bobina genera por sí misma una tensión, en el sentido que haga falta para mantener la corriente. Eso es la fuerza contraelectromotriz (FCEM). Su magnitud es proporcional a lo bruscamente que se corte la corriente, y por eso un circuito de 24 V puede producir sin despeinarse picos de varios cientos de voltios. Es la misma historia que el golpe de ariete: cierre un grifo de golpe y la tubería da un golpetazo, porque la inercia del agua tiene que convertirse en un pico de presión en alguna parte. Aquí, la inercia de la corriente se convierte en un pico de tensión.

¿Y dónde cae esa tensión? Sobre quien osó interrumpir la corriente: el elemento que conmuta. En una salida a transistor de un PLC, sobre el transistor de salida; con un contacto de relé, sobre el arco del contacto que se abre. El daño práctico: semiconductores destruidos, contactos erosionados por el arco y ruido radiado a todo lo que haya cerca. «La salida murió justo al desconectar la electroválvula»: esto es lo que pasó en realidad.

Todas las figuras siguientes comparten el mismo esqueleto. A la izquierda de la línea vertical está el lado externo (la bobina y su protección); a la derecha, el lado del PLC: una salida a transistor en configuración sink (NPN). El camino es: fuente de 24 V → resistencia serie de 1 kΩ → bobina → lámpara testigo → transistor de salida → 0 V. El botón «Lógica Y0» del panel hace el papel de la orden de salida del programa. Lo único que cambia de figura a figura es el componente de protección colocado en paralelo con la bobina.

Estas figuras traen dos equipamientos que no había en nuestros artículos anteriores. El primero, las gráficas en tiempo real sobre cada figura: trazan 【V1】 (la tensión en el colector C1 del transistor de salida) e 【I1】 (la corriente de la bobina), con una ventana deslizante de aproximadamente los últimos 0,05 segundos de tiempo simulado. La sobretensión es cosa de un instante, así que el «pico» que queda dibujado en estas gráficas es su principal herramienta de observación. El segundo, el botón «Reiniciar el circuito» arriba a la derecha de cada panel, que recarga la figura a su estado inicial cuando quiera empezar de cero.

V1 Tensión en el colector (C1) del transistor de salida ── vigile el pico de sobretensión I1 Corriente de la bobina ── vigile lo rápido que decae (= lo rápido que se desactiva la carga)

2. Desconectar sin protección ── el fallo de referencia (Fig. 1)

La primera figura no lleva, a propósito, ninguna protección. Todos los esquemas de protección que vienen después se leen en contraste con el fallo que se ve aquí. Ponga «Lógica Y0» en ON, confirme que circula corriente por la bobina, espere un momento y apague ── y observe la gráfica 【V1】 y el valor de C1 justo después de apagar.

En el instante de apagar, la bobina intenta mantener su corriente, pero el transistor ha dejado de conducir y no hay camino de retorno. Así que la bobina tira violentamente hacia arriba del nudo del lado del interruptor y en C1 aparece una aguja de tensión muy por encima de la alimentación. Verá que el panel avisa con «¡sobretensión!» y que en la gráfica 【V1】 queda un pico afilado. Mientras tanto, 【I1】 muestra la corriente de la bobina, sin ningún sitio adonde ir, oscilando y desplomándose.

Haga esto en hardware real y el transistor morirá en cuanto el pico supere su tensión máxima. Y aunque sobreviva una vez, el daño se acumula con cada maniobra hasta que, meses después, una salida deja de funcionar sin avisar ── o el pico viaja por el cableado como ruido y trastorna sensores y comunicaciones cercanos. Todo esto ocurre en plantas reales.

Nota: en la simulación, la tensión tras el apagado oscila y luego se asienta. Es porque la figura incluye un pequeño componente equivalente a la capacidad y fugas del cableado real, añadido para que la oscilación no dure para siempre.

3. El diodo de rueda libre ── un camino de retorno que elimina la sobretensión (Fig. 2)

El remedio de manual es un único diodo en paralelo con la bobina: el diodo de rueda libre (también llamado diodo volante o de recirculación, en inglés flyback diode). La orientación lo es todo: se monta en el sentido que bloquea la corriente mientras la bobina está alimentada (polarización inversa). Recuérdelo así: «el cátodo ── la franja marcada ── hacia el positivo de la alimentación». En funcionamiento normal es como si no existiera; solo trabaja en el instante de apagar.

En la figura siguiente puede meter y quitar ese diodo con un botón. Primero déjelo en «Diodo de rueda libre: no», haga un ciclo ON → OFF y confirme la sobretensión. Luego póngalo en «sí» y repita exactamente los mismos pasos. El mismo circuito y los mismos mandos ── y solo desaparece el pico de 【V1】.

El mecanismo es este. En el instante de apagar, la bobina genera una tensión en el sentido que mantiene su corriente ── y para el diodo en paralelo esa tensión es exactamente directa. En vez de quedarse sin salida, la corriente de la bobina circula ahora por el diodo y da vueltas por la propia bobina (el camino de rueda libre). Como un volante de inercia que sigue girando por sí solo, la corriente sigue circulando mientras la energía almacenada se disipa tranquilamente en forma de calor en la resistencia de la bobina y en el diodo. Visto desde C1, la tensión nunca sube por encima de la alimentación más una caída de diodo (unos 0,7 V). Una aguja de varios cientos de voltios se convierte en un bultito de 0,7 V.

	Sin protección (no)	Con diodo (sí)
C1 justo tras el OFF 【V1】	Se dispara a varias veces la alimentación	Se queda cerca de alimentación + 0,7 V
Adónde va la corriente de la bobina	A ninguna parte → sobretensión y oscilación	Recircula por el diodo
Cómo muere la corriente 【I1】	Oscila y se desploma rápido	Suave, pero se demora más

La última fila de la tabla muestra el único efecto secundario ── pero importante ── de este método. Como el camino de rueda libre disipa la energía con tanta suavidad, la corriente tarda más en llegar a cero. Compare las gráficas 【I1】: sin protección la corriente se esfuma casi al instante; con el diodo se arrastra en una cola larga. Qué significa esa cola en la práctica es el tema de la sección siguiente.

4. El efecto secundario de la desactivación lenta, y el diodo + Zener (Fig. 3)

Un relé o una electroválvula se desactiva ── el contacto se abre, la válvula se cierra ── cuando la corriente de su bobina cae por debajo de cierto nivel. Así que decaimiento lento de la corriente significa desactivación lenta, sin más. Con un diodo de rueda libre a secas, la tensión en el lazo de recirculación es de solo unos 0,7 V, la corriente decae despacio y el tiempo de desactivación de un relé puede multiplicarse varias veces respecto al valor sin protección. Los fabricantes lo dicen abiertamente en sus notas técnicas ── «los supresores de sobretensión alargan el tiempo de desactivación» ── es un compromiso bien conocido. En aplicaciones de maniobras frecuentes, o donde el instante exacto en que se abre un contacto importa a la lógica de control, esto no se puede ignorar.

La solución no es quitar la protección, sino subir a propósito la tensión a la que se recorta la sobretensión (la tensión de fijación o clamp). En la figura siguiente, el camino de recirculación lleva un diodo y un diodo Zener (33 V) en serie. Al apagar, C1 se detiene alrededor de «alimentación + 0,7 V + 33 V»: sigue cómodamente por debajo del límite del transistor, pero como la energía se quema a una tensión mucho más alta que con el diodo a secas, la corriente vuelve a cero visiblemente antes.

Los mismos mandos de antes: ON → esperar → OFF. Compare con el «diodo: sí» de la Fig. 2: la meseta de 【V1】 queda más alta y, a cambio, la cola de 【I1】 es más corta. «Cuánta sobretensión tolero» contra «cómo de rápido debe desactivarse» es un intercambio directo, y la tensión del Zener se elige entre el límite de tensión del componente por un lado y el requisito de tiempo de desactivación por el otro. Esa es la lógica de diseño de este método.

5. Montado al revés no es protección ── es un cortocircuito (Fig. 4)

El modo de fallo que da miedo con el diodo de rueda libre no es olvidarlo ── es montarlo al revés. Un diodo invertido queda polarizado en directa exactamente mientras la salida está en ON. El componente que debía proteger la bobina se convierte, en cuanto se alimenta, en un puente que cortocircuita la bobina, y una corriente enorme se cuela por el camino: alimentación → resistencia serie → diodo.

Nada más encender, los puntos de corriente corren por el diodo en vez de por la bobina, y la bobina apenas trabaja (un relé, simplemente, no llegaría a activarse). En el circuito didáctico hay una resistencia serie que limita los daños, pero el cableado real no la tiene: el resultado es un diodo quemado, una fuente en protección o una salida destruida. Si el síntoma es «pusimos la protección y ahora el relé no funciona ── y el componente está caliente», sospeche primero del diodo invertido.

Comprobar la orientación es sencillo. La franja del diodo (cátodo) va hacia el positivo de la alimentación. Con electroválvulas o relés con diodo incorporado, coteje las marcas +/− de los bornes de la bobina con la polaridad de la fuente. Con esas dos comprobaciones, este accidente queda descartado.

6. El diodo TVS ── recortar a una tensión elegida (Fig. 5)

Un componente comercial construido sobre la misma idea que el diodo + Zener es el diodo TVS (supresor de tensiones transitorias, Transient Voltage Suppressor). Normalmente se comporta como un aislante y solo cuando la tensión en sus bornes supera su valor de diseño entra en conducción, limitando la tensión justo en torno a ese nivel. Al estar diseñado específicamente para absorber sobretensiones, responde rápido y aguanta grandes corrientes momentáneas. En la figura siguiente, un TVS unidireccional se aproxima con un diodo Zener (33 V) en paralelo con la bobina.

Haga el ciclo habitual ON → OFF y confirme dos cosas: el pico de 【V1】 se detiene cerca de 33 V y, como la tensión de recorte es alta, la cola de 【I1】 es más corta que en la Fig. 2: desactivación más rápida. Para que el TVS permanezca inerte en funcionamiento normal, su tensión de reposo (standoff) debe estar por encima de la alimentación, y la pregunta clave al elegirlo es cuán cerca por encima de la alimentación puede fijarla. Los componentes reales vienen en versiones unidireccionales y bidireccionales, con sus propios cálculos de potencia ── eso pertenece a una continuación de esta serie.

7. La red RC (snubber) ── la puerta de entrada cuando el diodo no sirve (Fig. 6)

Todas las protecciones vistas hasta ahora usan componentes con polaridad. Lo que significa que ninguna sirve tal cual para una bobina de CA, donde la corriente se invierte en cada semiciclo: el diodo quedaría en directa en uno de los semiciclos y repetiría el cortocircuito de la Fig. 4. Para bobinas de CA, y para proteger los propios contactos de relé, la opción habitual es una resistencia y un condensador en serie: la red RC o snubber (comercializada también como «supresor de chispas» o apagachispas).

Al apagar, la corriente de la bobina, a punto de quedarse sin salida, entra primero en el condensador. El condensador es justo el componente que absorbe los cambios bruscos de tensión, así que el pico de C1 se atenúa, mientras la resistencia serie doma la corriente de choque y la oscilación. Comparado con la Fig. 1, el pico de 【V1】 es más suave y de bordes más redondeados. No es el recorte casi perfecto de un diodo ── pero al no tener polaridad funciona tanto en CA como en CC, y esa es toda su gracia. Los valores de la figura (0,1 µF + 100 Ω) son didácticos; en un diseño real se eligen según la carga y la tensión (los supresores de chispas comerciales ya traen la pareja seleccionada).

8. Elegir método ── primero «¿CC o CA?», después «¿cómo de rápido debe desactivarse?»

Aquí está todo lo visto en las seis figuras, en una sola hoja. No existe el componente de protección perfecto: se elige respondiendo a tres preguntas ── cuánto hay que recortar la sobretensión, cómo de rápido debe desactivarse la carga y si la bobina es de CC o de CA. Esa es la conclusión de esta primera parte.

Método	Supresión de la sobretensión	Velocidad de desactivación	Uso típico	En una línea
Ninguno (Fig. 1)	✗	―	―	Destruye componentes y contactos. No es una opción
Diodo (Fig. 2)	La más fuerte	Tiende a ser lenta	Bobinas de CC	La opción por defecto. Ojo con la orientación
Diodo + Zener (Fig. 3)	✓ Fuerte	Relativamente rápida	Bobinas de CC	Cuando importa el tiempo de desactivación
TVS (Fig. 5)	✓ Según diseño	Relativamente rápida	Circuitos de CC	Recorte listo para usar, respuesta rápida
Red RC (Fig. 6)	△ Según diseño	Relativamente rápida	CA/CC, contactos	Sin polaridad ── funciona en CA

La colocación también tiene su regla fija: monte la protección lo más cerca posible de los bornes de la bobina. La bobina es la fuente de la sobretensión, y cuanto más cerca de la fuente se suprima, más corto es el tramo de cableado que llega a ver la alta tensión. Algunas unidades de salida de PLC llevan circuitos de absorción incorporados ── trátelos como última línea de defensa, no como sustituto de la protección en la carga.

En las continuaciones de esta serie trataremos los temas que este artículo solo ha señalado: adónde va la corriente cuando se para un motor de CC (la regeneración), una figura dedicada a por qué un diodo simple no sirve en una bobina de CA, y las redes RC y varistores del lado de los contactos ── todo en el mismo formato de circuitos interactivos.

Resumen ── la sobretensión deja de dar miedo cuando la corriente tiene adónde ir

• La corriente de una bobina no puede pararse en seco. Si se la fuerza, la bobina genera una alta tensión en el sentido que mantenga la corriente ── y esa tensión cae sobre el elemento que conmuta (§1, §2).
• El diodo de rueda libre crea una vía de escape (camino de recirculación) que solo existe en el instante del apagado. Orientación: la franja (cátodo) hacia el positivo de la alimentación (§3).
• El compromiso: el diodo frena el decaimiento de la corriente y retrasa la desactivación de relés y válvulas. Donde importe el tiempo, suba la tensión de recorte con diodo + Zener o un TVS (§4, §6).
• Montado al revés, el diodo se convierte en un cortocircuito mientras hay alimentación. «Pusimos la protección y ya no funciona ── y el componente quema» es la señal clásica (§5).
• Las protecciones con polaridad no sirven en bobinas de CA. La red RC es la puerta de entrada válida para CA y CC (§7).
• Proteja justo en los bornes de la bobina; la protección integrada en el PLC es la última línea de defensa (§8).

La base de este artículo ── las salidas a transistor (sink) de un PLC y el cableado de cargas de bobina ── está explicada en «Entender PNP y NPN en diseño eléctrico con esquemas de circuito interactivos» y en «¿Relé, transistor o triac? Entender los tipos de salida de un PLC con esquemas de circuito interactivos», con el mismo tipo de figuras interactivas.

FAQ

P1. ¿Qué es la fuerza contraelectromotriz, en una frase?

R. Es la tensión que una bobina genera por sí misma para mantener su corriente. Cuanto más bruscamente se corta la corriente, más alta es ── varios cientos de voltios incluso en un circuito de 24 V. También se la llama sobretensión de desconexión o retroceso inductivo (inductive kickback).

P2. ¿Dónde va exactamente el diodo de rueda libre?

R. En paralelo con la bobina (relé, electroválvula, etc.), lo más cerca posible de sus bornes. La bobina es la fuente de la sobretensión, así que suprimirla en origen mantiene la alta tensión fuera del cableado. Montarlo en la carga es mejor que montarlo en el bornero del PLC.

P3. ¿Cómo recuerdo la orientación del diodo?

R. «La franja (cátodo) hacia el positivo de la alimentación.» Bien montado, no conduce mientras la bobina está alimentada (polarización inversa) y solo recircula la corriente al apagar. Tras montarlo, alimente la bobina y compruebe que el diodo sigue frío: eso lo confirma.

P4. ¿Es cierto que el diodo hace que los relés se desactiven más despacio?

R. Sí. La tensión de recirculación es de solo unos 0,7 V, la corriente decae despacio y el tiempo de desactivación puede multiplicarse respecto al valor sin protección. Si la velocidad importa, suba la tensión de recorte con diodo + Zener o un TVS (§4, §6).

P5. ¿Cómo elijo el diodo en sí?

R. Como regla rápida: tensión inversa de al menos el doble de la alimentación y corriente directa de al menos la corriente de la bobina. Para una bobina de relé de 24 V, un diodo rectificador corriente (clase 1 A, varios cientos de voltios) cubre la mayoría de los casos. Confirme la elección final con las hojas de datos de la carga y del diodo.

P6. ¿Puedo poner un diodo en una bobina de CA (electroválvula o contactor de CA)?

R. No. En CA la corriente se invierte en cada semiciclo, así que un diodo con polaridad cortocircuita garantizado uno de los semiciclos ── la misma situación que el diodo invertido del §5. En bobinas de CA use protecciones sin polaridad: redes RC o varistores. Hay prevista una figura dedicada al porqué en una continuación.

P7. Mi unidad de salida de PLC trae protección incorporada. ¿Necesito una externa?

R. Trate el circuito incorporado como última línea de defensa. Reduce la probabilidad de matar la salida en el acto, pero no hace nada contra las sobretensiones que viajan por el cableado, el ruido radiado ni el desgaste de contactos en otros puntos. Con cargas inductivas, la protección en la carga sigue siendo la base.

P8. ¿Y si conmuto la bobina con un contacto de relé en vez de con un transistor?

R. El razonamiento es el mismo: proteja la bobina que se conmuta ── familia del diodo para CC, red RC o varistor para CA. Sin protección, el arco en el contacto que se abre lo erosiona y recorta la vida del relé en órdenes de magnitud. También existe la opción de una red RC directamente en paralelo con el contacto, que trataremos en una continuación.

P9. ¿Algo que vigilar con electroválvulas y relés con diodo incorporado?

R. Que la bobina pasa a tener polaridad. La orientación del diodo interno da por hecho que el cableado +/− es correcto, así que un cableado invertido convierte el diodo interno en un camino de cortocircuito nada más dar tensión (§5). No se salte nunca el cotejo de las marcas de los bornes con la polaridad de la fuente.

P10. ¿En qué se diferencia la simulación del hardware real?

R. Las figuras están reducidas al esqueleto del principio. La bobina es un valor didáctico (50 mH con 1 kΩ en serie) y se omiten la inductancia del cableado, las capacidades parásitas, los efectos térmicos y el arco de los contactos (las figuras sin protección incluyen solo el equivalente justo de capacidad/fugas del cableado para que la oscilación no dure para siempre). Use las figuras para entender el principio y las hojas de datos de los fabricantes para los números del diseño real.