Díodo Flyback

Fig. 1 mostra um indutor ligado a uma bateria – uma fonte de tensão constante. O resistor representa a pequena resistência residual dos enrolamentos dos fios do indutor. Quando o interruptor é fechado, a tensão da bateria é aplicada ao indutor, fazendo com que a corrente do terminal positivo da bateria flua para baixo através do indutor e do resistor. O aumento da corrente causa um CEM (tensão) de volta através do indutor devido à lei de Faraday de indução que se opõe à alteração da corrente. Como a tensão através do indutor é limitada à tensão da bateria de 24 volts, a taxa de aumento da corrente é limitada a um valor inicial de d I d t = V B L {\displaystyle {dI \dt}={V_{B} \sobre L}}

Assim a corrente através do indutor aumenta lentamente à medida que a energia da bateria é armazenada no campo magnético do indutor. À medida que a corrente sobe, mais voltagem é reduzida através da resistência e menos através do indutor, até a corrente atingir um valor constante de I = V B / R {\displaystyle I=V_{B}/R}

com toda a tensão da bateria através da resistência e nenhuma através da indutância.

Quando o interruptor é aberto na fig. 2 a corrente cai rapidamente. O indutor resiste à queda de corrente desenvolvendo uma tensão de polaridade induzida muito grande na direcção oposta à da bateria, positiva na extremidade inferior do indutor e negativa na extremidade superior. Este pulso de tensão, por vezes chamado de “pontapé” indutivo, que pode ser muito maior que a tensão da bateria, aparece através dos contactos do interruptor. Ele faz com que os elétrons saltem a caixa de ar entre os contatos, fazendo com que um arco elétrico momentâneo se desenvolva através dos contatos quando o interruptor é aberto. O arco continua até que a energia armazenada no campo magnético do indutor seja dissipada como calor no arco. O arco pode danificar os contatos do comutador, causando pitting e queima, eventualmente destruindo-os. Se um transistor for usado para comutar a corrente, por exemplo na comutação de fontes de alimentação, a alta tensão inversa pode destruir o transistor.

Para evitar o pulso de tensão indutivo no desligamento, um diodo é conectado através do indutor, como mostrado na fig. 3. O diodo não conduz corrente enquanto o interruptor está fechado porque é invertido pela tensão da bateria, de modo a não interferir com o funcionamento normal do circuito. Entretanto, quando o interruptor é aberto, a tensão induzida através do indutor de polaridade oposta para frente vira o diodo, e ele conduz a corrente, limitando a tensão através do indutor e impedindo assim que o arco se forme no interruptor. O indutor e o diodo formam momentaneamente um laço ou circuito alimentado pela energia armazenada no indutor. Este circuito fornece um caminho de corrente ao indutor para substituir a corrente da bateria, para que a corrente do indutor não caia abruptamente e não desenvolva uma tensão elevada. A tensão através do indutor é limitada à tensão de avanço do diodo, cerca de 0,7 – 1,5V. Esta corrente de “volante livre” ou “flyback” através do diodo e indutor diminui lentamente até zero à medida que a energia magnética no indutor é dissipada como calor na resistência em série dos enrolamentos. Isto pode levar alguns milissegundos num pequeno indutor.

Estas imagens mostram o pico de tensão e a sua eliminação através do uso de um díodo de retorno de tensão (1N4007). O indutor neste caso é um solenóide conectado a uma fonte de alimentação de 24V DC. Cada forma de onda foi tomada usando um osciloscópio digital ajustado para disparar quando a tensão através do indutor caiu abaixo de zero. Observe a escala diferente: imagem esquerda 50V/divisão, imagem direita 1V/divisão. Na Figura 1, a tensão medida através do interruptor salta/spikes para cerca de -300 V. Na Figura 2, foi adicionado um diodo flyback em antiparalelo com o solenóide. Em vez de aumentar para -300 V, o díodo de retorno de emergência apenas permite a acumulação de aproximadamente -1,4 V de potencial (-1,4 V é uma combinação da polarização do díodo 1N4007 (1,1 V) e o pé da cablagem que separa o díodo e o solenóide). A forma de onda na Figura 2 também é muito menos saltitante do que a forma de onda na Figura 1, talvez devido ao arco no interruptor para a Figura 1. Em ambos os casos, o tempo total para a descarga do solenóide é de alguns milissegundos, embora a queda de tensão mais baixa através do diodo irá retardar a queda do relé.