Flyback-Diode

Abbildung 1 zeigt eine Spule, die an eine Batterie angeschlossen ist – eine konstante Spannungsquelle. Der Widerstand stellt den kleinen Restwiderstand der Drahtwicklungen der Spule dar. Wenn der Schalter geschlossen ist, wird die Spannung der Batterie an die Spule angelegt, wodurch Strom vom Pluspol der Batterie durch die Spule und den Widerstand fließt. Der Anstieg des Stroms verursacht aufgrund des Faradayschen Induktionsgesetzes eine Gegen-EMK (Spannung) an der Spule, die der Stromänderung entgegenwirkt. Da die Spannung an der Spule auf die Batteriespannung von 24 Volt begrenzt ist, ist die Anstiegsrate des Stroms auf einen Anfangswert von d I d t = V B L {\displaystyle {dI \over dt}={V_{B} \über L}}

Der Strom durch den Induktor steigt also langsam an, da die Energie aus der Batterie im Magnetfeld des Induktors gespeichert wird. Während der Strom ansteigt, fällt mehr Spannung über den Widerstand und weniger über die Spule ab, bis der Strom einen konstanten Wert von I = V B / R {\displaystyle I=V_{B}/R}

, wobei die gesamte Batteriespannung über den Widerstand und keine über die Induktivität fließt.

Wenn der Schalter in Abb. 2 geöffnet wird, fällt der Strom schnell ab. Die Induktivität widersteht dem Stromabfall, indem sie eine sehr große induzierte Spannung mit entgegengesetzter Polarität zur Batterie entwickelt, die am unteren Ende der Induktivität positiv und am oberen Ende negativ ist. Dieser Spannungsimpuls, der auch als induktiver „Kick“ bezeichnet wird und viel größer als die Batteriespannung sein kann, tritt an den Schaltkontakten auf. Er bewirkt, dass Elektronen über den Luftspalt zwischen den Kontakten springen und beim Öffnen des Schalters einen kurzzeitigen Lichtbogen über den Kontakten entstehen lassen. Der Lichtbogen hält an, bis die im Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie in Form von Wärme im Lichtbogen abgeleitet wird. Der Lichtbogen kann die Kontakte des Schalters beschädigen und zu Lochfraß und Verbrennungen führen, die sie schließlich zerstören. Wenn ein Transistor zum Schalten des Stroms verwendet wird, z. B. in Schaltnetzteilen, kann die hohe Sperrspannung den Transistor zerstören.

Um den induktiven Spannungsimpuls beim Ausschalten zu verhindern, wird eine Diode über die Induktivität geschaltet, wie in Abb. 3 gezeigt. Die Diode leitet keinen Strom, wenn der Schalter geschlossen ist, weil sie durch die Batteriespannung in Sperrichtung vorgespannt ist, so dass sie den normalen Betrieb der Schaltung nicht beeinträchtigt. Wenn der Schalter jedoch geöffnet wird, wird die Diode durch die induzierte Spannung an der Spule mit entgegengesetzter Polarität in Vorwärtsrichtung vorgespannt und leitet Strom, wodurch die Spannung an der Spule begrenzt und somit die Entstehung eines Lichtbogens am Schalter verhindert wird. Die Induktivität und die Diode bilden vorübergehend eine Schleife oder einen Stromkreis, der durch die gespeicherte Energie in der Induktivität gespeist wird. Dieser Stromkreis liefert einen Strompfad zur Drossel, um den Strom aus der Batterie zu ersetzen, so dass der Strom in der Drossel nicht abrupt abfällt und keine hohe Spannung entsteht. Die Spannung an der Induktivität ist auf die Durchlassspannung der Diode begrenzt, etwa 0,7 – 1,5 V. Dieser „Freilauf“- oder „Rücklauf“-Strom durch die Diode und die Induktivität sinkt langsam auf Null, da die magnetische Energie in der Induktivität als Wärme in den Serienwiderstand der Wicklungen abgeleitet wird. Dies kann bei einer kleinen Spule einige Millisekunden dauern.

Diese Bilder zeigen die Spannungsspitze und ihre Beseitigung durch den Einsatz einer Flyback-Diode (1N4007). Die Spule ist in diesem Fall ein Solenoid, das an eine 24-V-DC-Stromversorgung angeschlossen ist. Jede Wellenform wurde mit einem digitalen Oszilloskop aufgenommen, das so eingestellt ist, dass es auslöst, wenn die Spannung an der Spule unter Null fällt. Beachten Sie die unterschiedliche Skalierung: linkes Bild 50V/Teilung, rechtes Bild 1V/Teilung. In Abbildung 1 springt die über dem Schalter gemessene Spannung auf etwa -300 V. In Abbildung 2 wurde eine Sperrdiode antiparallel zur Magnetspule hinzugefügt. Anstatt auf -300 V anzusteigen, lässt die Flyback-Diode nur ein Potenzial von etwa -1,4 V zu (-1,4 V ist eine Kombination aus der Vorwärtsspannung der 1N4007-Diode (1,1 V) und dem Fuß der Verdrahtung, die die Diode und die Magnetspule trennt). Die Wellenform in Abbildung 2 ist auch viel weniger sprunghaft als die Wellenform in Abbildung 1, was vielleicht auf einen Lichtbogen am Schalter in Abbildung 1 zurückzuführen ist. In beiden Fällen beträgt die Gesamtzeit für die Entladung der Magnetspule einige Millisekunden, obwohl der geringere Spannungsabfall an der Diode den Ausfall des Relais verlangsamt.