Flyback dióda

Az 1. ábrán egy akkumulátorhoz – állandó feszültségforráshoz – csatlakoztatott induktor látható. Az ellenállás az induktor huzaltekercselésének kis maradék ellenállását jelképezi. Amikor a kapcsoló zárva van, az akkumulátorból származó feszültség az induktorra kerül, és az akkumulátor pozitív pólusáról áram folyik lefelé az induktoron és az ellenálláson keresztül. Az áram növekedése a Faraday-féle indukciós törvény miatt az induktoron keresztül egy ellen-EMF-et (feszültséget) okoz, amely ellentétes az áramváltozással. Mivel az induktoron átmenő feszültség az akkumulátor 24 voltos feszültségére korlátozódik, az áram növekedési üteme a d I d t = V B L {\displaystyle {dI \over dt}={V_{B} \over L}}

Az induktoron átfolyó áram tehát lassan növekszik, mivel az akkumulátorból származó energia az induktor mágneses terében tárolódik. Ahogy az áram növekszik, egyre több feszültség esik le az ellenálláson és egyre kevesebb az induktoron, amíg az áram el nem éri az I = V B / R {\displaystyle I=V_{B}/R}

úgy, hogy az ellenálláson az akkumulátor teljes feszültsége áthalad, az induktivitáson pedig semmi.

A 2. ábrán látható kapcsoló kinyitásakor az áram gyorsan csökken. Az induktor úgy áll ellen az áramcsökkenésnek, hogy az akkumulátorral ellentétes irányú, az induktor alsó végén pozitív, a felső végén negatív polaritású, nagyon nagy indukált feszültséget fejleszt. Ez a feszültségimpulzus, amelyet néha induktív “rúgásnak” neveznek, és amely sokkal nagyobb lehet, mint az akkumulátor feszültsége, megjelenik a kapcsoló érintkezőin. Ennek hatására az elektronok átugranak az érintkezők közötti légrésen, és a kapcsoló kinyitásakor pillanatnyi elektromos ív alakul ki az érintkezőkön. Az ív addig tart, amíg az induktor mágneses mezejében tárolt energia hő formájában el nem oszlik az ívben. Az ív károsíthatja a kapcsoló érintkezőit, pattanásokat és égést okozva, végül tönkretéve azokat. Ha tranzisztort használnak az áram kapcsolására, például a kapcsoló tápegységekben, a magas fordított feszültség tönkreteheti a tranzisztort.

Az induktív feszültségimpulzus kikapcsoláskor történő megakadályozására a 3. ábrán látható módon diódát kapcsolnak az induktoron keresztül. A dióda nem vezet áramot, amíg a kapcsoló zárva van, mert az akkumulátor feszültsége fordított előfeszítésű, így nem zavarja az áramkör normál működését. A kapcsoló kinyitásakor azonban az induktoron ellenkező polaritású indukált feszültség előrefelé előfeszíti a diódát, és az áramot vezet, korlátozva az induktoron átmenő feszültséget, és így megakadályozza az ív kialakulását a kapcsolónál. Az induktor és a dióda pillanatnyilag egy hurkot vagy áramkört alkot, amelyet az induktorban tárolt energia táplál. Ez az áramkör áramutat biztosít az induktornak az akkumulátorból származó áram helyettesítésére, így az induktor áram nem esik le hirtelen, és nem alakul ki magas feszültség. Az induktoron keresztüli feszültség a dióda előremenő feszültségére korlátozódik, körülbelül 0,7 – 1,5 V-ra. Ez a “szabadonfutó” vagy “flyback” áram a diódán és az induktoron keresztül lassan nullára csökken, ahogy az induktorban lévő mágneses energia hő formájában eloszlik a tekercsek soros ellenállásában. Ez egy kis induktor esetében néhány ezredmásodpercig is eltarthat.

Ezeken a képeken látható a feszültségcsúcs és annak megszüntetése egy flyback dióda (1N4007) használatával. Az induktor ebben az esetben egy 24V-os egyenáramú tápegységhez csatlakoztatott szolenoid. Mindegyik hullámformát egy digitális oszcilloszkóppal vettük fel, amelyet úgy állítottunk be, hogy akkor indítson, amikor az induktoron lévő feszültség nulla alá süllyedt. Figyeljük meg a különböző skálázást: bal oldali kép 50V/osztás, jobb oldali kép 1V/osztás. Az 1. ábrán a kapcsolón mért feszültség körülbelül -300 V-ra ugrik/csúszik. A 2. ábrán a szolenoiddal párhuzamosan egy flyback diódát adtunk hozzá. Ahelyett, hogy -300 V-ra tüskézne, a flyback dióda csak körülbelül -1,4 V potenciált enged felépülni (a -1,4 V az 1N4007 dióda előfeszítésének (1,1 V) és a diódát és a szolenoidot elválasztó vezeték lábának kombinációja). A 2. ábrán látható hullámforma is sokkal kevésbé ugrálós, mint az 1. ábrán látható hullámforma, talán az 1. ábra kapcsolójánál keletkezett ívek miatt. Mindkét esetben a szolenoid teljes kisülési ideje néhány ezredmásodperc, bár a diódán mért kisebb feszültségesés lassítja a relé kiesését.