Diodo Flyback

La figura 1 mostra un induttore collegato a una batteria – una fonte di tensione costante. Il resistore rappresenta la piccola resistenza residua degli avvolgimenti dell’induttore. Quando l’interruttore è chiuso, la tensione dalla batteria è applicata all’induttore, causando la corrente dal terminale positivo della batteria per fluire verso il basso attraverso l’induttore e il resistore. L’aumento della corrente causa un back EMF (tensione) attraverso l’induttore a causa della legge di Faraday dell’induzione che si oppone al cambiamento della corrente. Poiché la tensione attraverso l’induttore è limitata alla tensione della batteria di 24 volt, il tasso di aumento della corrente è limitato ad un valore iniziale di d I d t = V B L {\displaystyle {dI \over dt}={V_{B} \su L}}

Quindi la corrente attraverso l’induttore aumenta lentamente poiché l’energia della batteria viene immagazzinata nel campo magnetico dell’induttore. Man mano che la corrente aumenta, più tensione scende attraverso il resistore e meno attraverso l’induttore, finché la corrente raggiunge un valore costante di I = V B / R {\displaystyle I=V_{B}/R}

con tutta la tensione della batteria attraverso la resistenza e nessuna attraverso l’induttanza.

Quando l’interruttore è aperto in fig. 2 la corrente scende rapidamente. L’induttore resiste alla caduta di corrente sviluppando una tensione indotta molto grande di polarità in direzione opposta alla batteria, positiva all’estremità inferiore dell’induttore e negativa all’estremità superiore. Questo impulso di tensione, a volte chiamato “calcio” induttivo, che può essere molto più grande della tensione della batteria, appare attraverso i contatti dell’interruttore. Fa sì che gli elettroni saltino il traferro tra i contatti, causando un arco elettrico momentaneo che si sviluppa attraverso i contatti quando l’interruttore viene aperto. L’arco continua finché l’energia immagazzinata nel campo magnetico dell’induttore non viene dissipata come calore nell’arco. L’arco può danneggiare i contatti dell’interruttore, causando vaiolature e bruciature, distruggendoli alla fine. Se un transistor è usato per commutare la corrente, per esempio negli alimentatori a commutazione, l’alta tensione inversa può distruggere il transistor.

Per prevenire l’impulso di tensione induttiva allo spegnimento, un diodo è collegato attraverso l’induttore come mostrato in fig. 3. Il diodo non conduce corrente quando l’interruttore è chiuso perché è invertito dalla tensione della batteria, quindi non interferisce con il normale funzionamento del circuito. Tuttavia, quando l’interruttore è aperto, la tensione indotta attraverso l’induttore di polarità opposta polarizza in avanti il diodo, ed esso conduce corrente, limitando la tensione attraverso l’induttore e quindi impedendo la formazione dell’arco sull’interruttore. L’induttore e il diodo formano momentaneamente un circuito alimentato dall’energia immagazzinata nell’induttore. Questo circuito fornisce un percorso di corrente all’induttore per sostituire la corrente dalla batteria, così la corrente dell’induttore non cade bruscamente, e non sviluppa una tensione elevata. La tensione attraverso l’induttore è limitata alla tensione diretta del diodo, circa 0.7 – 1.5V. Questa corrente “a ruota libera” o “flyback” attraverso il diodo e l’induttore diminuisce lentamente fino a zero mentre l’energia magnetica nell’induttore viene dissipata come calore nella resistenza in serie degli avvolgimenti. Questo può richiedere alcuni millisecondi in un piccolo induttore.

Queste immagini mostrano il picco di tensione e la sua eliminazione attraverso l’uso di un diodo flyback (1N4007). L’induttore in questo caso è un solenoide collegato a un’alimentazione di 24V DC. Ogni forma d’onda è stata presa utilizzando un oscilloscopio digitale impostato per innescare quando la tensione attraverso l’induttore è scesa sotto lo zero. Si noti la diversa scalatura: immagine sinistra 50V/divisione, immagine destra 1V/divisione. Nella figura 1 la tensione misurata attraverso l’interruttore rimbalza/picchi a circa -300 V. Nella figura 2, un diodo flyback è stato aggiunto in antiparallelo con il solenoide. Invece di raggiungere i -300 V, il diodo flyback permette solo circa -1,4 V di potenziale da accumulare (-1,4 V è una combinazione della polarizzazione in avanti del diodo 1N4007 (1,1 V) e il piede di cablaggio che separa il diodo e il solenoide). La forma d’onda nella figura 2 è anche molto meno rimbalzante della forma d’onda nella figura 1, forse a causa dell’arco sull’interruttore per la figura 1. In entrambi i casi, il tempo totale per la scarica del solenoide è di pochi millisecondi, anche se la minore caduta di tensione attraverso il diodo rallenterà il dropout del relè.