Flyback-diode

Figur 1 viser en spole forbundet til et batteri – en konstant spændingskilde. Modstanden repræsenterer den lille restmodstand i induktorens trådviklinger. Når kontakten er lukket, tilføres spændingen fra batteriet til spolen, hvilket får strømmen fra batteriets positive pol til at strømme ned gennem spolen og modstanden. Stigningen i strømmen forårsager en mod-EMF (spænding) over induktoren på grund af Faradays induktionslov, som modvirker ændringen i strømmen. Da spændingen over induktoren er begrænset til batteriets spænding på 24 volt, er strømstigningshastigheden begrænset til en begyndelsesværdi på d I d t = V B L {\displaystyle {dI \over dt}={V_{B} \over L}}}

Så strømmen gennem spolen stiger langsomt, efterhånden som energien fra batteriet lagres i spolens magnetfelt. Efterhånden som strømmen stiger, falder der mere spænding over modstanden og mindre over induktoren, indtil strømmen når en stabil værdi på I = V B / R {\displaystyle I=V_{B}/R}

med hele batterispændingen over modstanden og ingen over induktansen.

Når kontakten åbnes i fig. 2, falder strømmen hurtigt. Induktoren modstår strømfaldet ved at udvikle en meget stor induceret spænding med polaritet i den modsatte retning af batteriet, positiv i den nederste ende af induktoren og negativ i den øverste ende. Denne spændingsimpuls, der undertiden kaldes det induktive “spark”, og som kan være meget større end batterispændingen, vises på tværs af afbryderkontakterne. Den får elektroner til at springe over luftspalten mellem kontakterne, hvilket medfører, at der opstår en kortvarig lysbue over kontakterne, når kontakten åbnes. Lysbuen fortsætter, indtil den energi, der er oplagret i spolens magnetfelt, afgives som varme i lysbuen. Lysbuen kan beskadige kontakterne, forårsage grubning og forbrænding og i sidste ende ødelægge dem. Hvis der anvendes en transistor til at skifte strømmen, f.eks. i switchende strømforsyninger, kan den høje omvendte spænding ødelægge transistoren.

For at forhindre den induktive spændingspuls ved slukning tilsluttes en diode på tværs af induktoren som vist i fig. 3. Dioden leder ikke strøm, mens kontakten er lukket, fordi den er omvendt polariseret af batterispændingen, så den forstyrrer ikke kredsløbets normale drift. Men når afbryderen åbnes, fremspænder den inducerede spænding over induktoren med modsat polaritet dioden i fremadrettet retning, og den leder strøm, hvilket begrænser spændingen over induktoren og dermed forhindrer, at der dannes en lysbue ved afbryderen. Induktoren og dioden danner momentant en sløjfe eller et kredsløb, der drives af den lagrede energi i induktoren. Dette kredsløb leverer en strømvej til induktoren for at erstatte strømmen fra batteriet, så strømmen fra induktoren ikke falder brat, og der udvikles ikke en høj spænding. Spændingen over induktoren er begrænset til diodens forward-spænding, ca. 0,7 – 1,5 V. Denne “freewheeling”- eller “flyback”-strøm gennem dioden og induktoren falder langsomt til nul, efterhånden som den magnetiske energi i induktoren afgives som varme i viklingernes seriemæssige modstand. Dette kan tage nogle få millisekunder i en lille induktor.

Disse billeder viser spændingsspidsen og dens eliminering ved brug af en flyback-diode (1N4007). Induktoren er i dette tilfælde en magnetventil, der er tilsluttet en 24V DC-strømforsyning. Hver bølgeform blev optaget ved hjælp af et digitalt oscilloskop, der var indstillet til at udløse, når spændingen over spolen faldt under nul. Bemærk den forskellige skalering: venstre billede 50V/division, højre billede 1V/division. I figur 1 hopper spændingen målt over kontakten op til ca. -300 V. I figur 2 blev der tilføjet en flyback-diode antiparallelt med magnetspolen. I stedet for at spidse op til -300 V tillader flybackdioden kun, at der opbygges et potentiale på ca. -1,4 V (-1,4 V er en kombination af 1N4007-diodens forward bias (1,1 V) og den ledningsfod, der adskiller dioden og solenoiden). Bølgeformen i figur 2 er også meget mindre hoppende end bølgeformen i figur 1, måske på grund af lysbuer ved kontakten i figur 1. I begge tilfælde er den samlede tid, som solenoiden skal bruge til at aflade, nogle få millisekunder, selv om det lavere spændingsfald over dioden vil forsinke relæets udfald.