Flyback-diodi

Kuvassa 1 on induktori, joka on kytketty akkuun – vakiojännitelähteeseen. Vastus edustaa induktorin lankakäämien pientä jäännösvastusta. Kun kytkin suljetaan, paristosta tuleva jännite syötetään induktoriin, jolloin pariston positiivisesta navasta virtaa virtaa induktorin ja vastuksen läpi alaspäin. Virran lisääntyminen aiheuttaa Faradayn induktiolain perusteella induktorin yli sähkömagneettisen vastavoiman (jännitteen), joka on vastakkainen virran muutokselle. Koska induktorin yli vaikuttava jännite on rajoitettu akun 24 voltin jännitteeseen, virran kasvuvauhti on rajoitettu alkuarvoon d I d t = V B L {\displaystyle {dI \over dt}={V_B} \over L}}

Induktorin läpi kulkeva virta kasvaa siis hitaasti, kun akun energia varastoituu induktorin magneettikenttään. Virran kasvaessa vastuksen yli putoaa enemmän jännitettä ja induktorin yli vähemmän, kunnes virta saavuttaa tasaisen arvon I = V B / R {\displaystyle I=V_{B}/R}

, jolloin koko pariston jännite on vastuksen yli ja induktanssin yli ei yhtään.

Kun kytkin avataan kuvassa 2, virta laskee nopeasti. Induktori vastustaa virran laskua kehittämällä hyvin suuren indusoidun jännitteen, jonka napaisuus on vastakkainen paristoon nähden, positiivinen induktorin alapäässä ja negatiivinen yläpäässä. Tämä jännitepulssi, jota kutsutaan joskus induktiiviseksi ”potkuksi” ja joka voi olla paljon suurempi kuin paristojännite, ilmestyy kytkimen koskettimien yli. Se saa elektronit hyppäämään koskettimien väliseen ilmarakoon, jolloin koskettimien yli syntyy hetkellinen valokaari, kun kytkin avataan. Valokaari jatkuu, kunnes induktorin magneettikenttään varastoitunut energia haihtuu valokaaren lämmöksi. Valokaari voi vaurioittaa kytkimen koskettimia aiheuttaen reikiintymistä ja palamista ja lopulta tuhota ne. Jos virran kytkemiseen käytetään transistoria, esimerkiksi kytkentävirtalähteissä, korkea käänteisjännite voi tuhota transistorin.

Induktiivisen jännitepulssin estämiseksi poiskytkennän yhteydessä induktorin poikki kytketään diodi kuvan 3 mukaisesti. Diodi ei johda virtaa kytkimen ollessa kiinni, koska se on paristojännitteellä käänteisesti jännitetty, joten se ei häiritse piirin normaalia toimintaa. Kun kytkin kuitenkin avataan, indusoitu jännite induktorin yli vastakkaisella napaisuudella jännittää diodia eteenpäin, ja se johtaa virtaa rajoittaen induktorin yli olevaa jännitettä ja estäen siten valokaaren muodostumisen kytkimelle. Induktori ja diodi muodostavat hetkellisesti silmukan tai piirin, joka saa virtansa induktoriin varastoidusta energiasta. Tämä piiri syöttää induktorille virran, joka korvaa paristosta tulevan virran, joten induktorin virta ei laske äkillisesti eikä siihen synny korkeaa jännitettä. Induktorin yli tuleva jännite on rajoitettu diodin eteenpäin suuntautuvaan jännitteeseen, noin 0,7 – 1,5 V. Tämä diodin ja induktorin läpi kulkeva ”freewheeling”- tai ”flyback”-virta pienenee hitaasti nollaan, kun induktorin magneettinen energia haihtuu lämpönä käämien sarjavastukseen. Tämä voi kestää pienessä induktorissa muutaman millisekunnin.

Näissä kuvissa näkyy jännitepiikki ja sen poistaminen flyback-diodin (1N4007) avulla. Induktori on tässä tapauksessa 24 voltin tasavirtalähteeseen kytketty solenoidi. Kukin aaltomuoto otettiin digitaalisella oskilloskoopilla, joka oli asetettu laukeamaan, kun induktorin yli oleva jännite laski nollan alapuolelle. Huomaa eri skaalaus: vasen kuva 50V/jako, oikea kuva 1V/jako. Kuvassa 1 kytkimen yli mitattu jännite pomppii/piikittää noin -300 V:iin. Kuvassa 2 flyback-diodi lisättiin vastakkain solenoidin kanssa. Sen sijaan, että jännite piikittäisi -300 V:iin, flyback-diodi sallii vain noin -1,4 V:n potentiaalin muodostumisen (-1,4 V on yhdistelmä 1N4007-diodin eteenpäin suuntautuvasta harhasta (1,1 V) ja diodin ja solenoidin erottavan johdotuksen jalasta). Kuvan 2 aaltomuoto on myös paljon vähemmän pomppiva kuin kuvan 1 aaltomuoto, mikä saattaa johtua kuvan 1 kytkimessä olevasta valokaaresta. Molemmissa tapauksissa solenoidin kokonaispurkautumisaika on muutama millisekunti, vaikka pienempi jännitehäviö diodin yli hidastaa releen sammumista.