Flyback diode

Fig. 1 toont een spoel aangesloten op een batterij – een constante spanningsbron. De weerstand vertegenwoordigt de kleine restweerstand van de wikkelingen van de spoel. Wanneer de schakelaar gesloten is, wordt de spanning van de batterij op de spoel gezet, waardoor stroom van de positieve pool van de batterij door de spoel en de weerstand naar beneden loopt. De toename van de stroom veroorzaakt een tegengestelde EMF (spanning) over de spoel ten gevolge van de inductiewet van Faraday, die de verandering van de stroom tegenwerkt. Aangezien de spanning over de spoel beperkt is tot de accuspanning van 24 volt, is de snelheid waarmee de stroom toeneemt beperkt tot een beginwaarde van d I d t = V B L {Displaystyle {dI \over dt}={V_{B} \over L}}

De stroom door de spoel neemt dus langzaam toe naarmate de energie uit de batterij wordt opgeslagen in het magnetische veld van de spoel. Naarmate de stroom toeneemt, valt er meer spanning over de weerstand en minder over de spoel, totdat de stroom een constante waarde bereikt van I = V B / R {\displaystyle I=V_{B}/R}

met alle accuspanning over de weerstand en geen spanning over de spoel.

Wanneer de schakelaar in fig. 2 wordt geopend, daalt de stroom snel. De spoel weerstaat de daling van de stroom door een zeer grote geïnduceerde spanning te ontwikkelen met een polariteit in de tegenovergestelde richting van de batterij, positief aan het onderste uiteinde van de spoel en negatief aan het bovenste uiteinde. Deze spanningspuls, soms de inductieve “kick” genoemd, die veel groter kan zijn dan de batterijspanning, verschijnt over de schakelaarcontacten. Hierdoor springen elektronen over de luchtspleet tussen de contacten, waardoor een kortstondige vlamboog over de contacten ontstaat wanneer de schakelaar wordt geopend. De boog gaat door totdat de energie die in het magnetische veld van de spoel is opgeslagen, als warmte in de boog wordt afgevoerd. De vlamboog kan de schakelcontacten beschadigen, pitting en verbranding veroorzaken, waardoor ze uiteindelijk worden vernietigd. Als een transistor wordt gebruikt om de stroom te schakelen, bijvoorbeeld in schakelende voedingen, kan de hoge sperspanning de transistor vernietigen.

Om de inductieve spanningspuls bij uitschakeling te voorkomen, wordt een diode over de spoel geschakeld, zoals in fig. 3 is te zien. De diode geleidt geen stroom als de schakelaar gesloten is, omdat hij door de batterijspanning wordt omgekeerd, zodat hij de normale werking van de schakeling niet verstoort. Wanneer de schakelaar echter wordt geopend, wordt de diode door de geïnduceerde spanning over de spoel van tegengestelde polariteit voorgespannen en geleidt hij stroom, waardoor de spanning over de spoel wordt begrensd en de boogvorming bij de schakelaar wordt voorkomen. De spoel en de diode vormen tijdelijk een lus of circuit, gevoed door de opgeslagen energie in de spoel. Deze schakeling levert een stroompad aan de spoel ter vervanging van de stroom uit de batterij, zodat de stroom in de spoel niet abrupt daalt en hij geen hoge spanning ontwikkelt. De spanning over de spoel is beperkt tot de voorwaartse spanning van de diode, ongeveer 0,7 – 1,5V. Deze “freewheeling” of “flyback” stroom door de diode en de spoel neemt langzaam af tot nul wanneer de magnetische energie in de spoel als warmte wordt afgevoerd in de serieweerstand van de wikkelingen. Dit kan bij een kleine spoel enkele milliseconden duren.

Deze afbeeldingen tonen de spanningspiek en de eliminatie ervan door het gebruik van een flyback diode (1N4007). De spoel is in dit geval een solenoïde die is aangesloten op een 24V gelijkstroomvoeding. Elke golfvorm is opgenomen met een digitale oscilloscoop die is ingesteld om te triggeren wanneer de spanning over de spoel onder nul dipt. Let op de verschillende schaalverdelingen: linker beeld 50V/divisie, rechter beeld 1V/divisie. In figuur 1 stuitert/ piekt de spanning zoals gemeten over de schakelaar naar ongeveer -300 V. In figuur 2 is een flyback diode toegevoegd in antiparallel met de solenoïde. In plaats van te pieken tot -300 V, laat de flyback diode slechts ongeveer -1,4 V potentiaal toe (-1,4 V is een combinatie van de voorwaartse bias van de 1N4007 diode (1,1 V) en de voet van bedrading die de diode en de solenoïde scheidt). De golfvorm in figuur 2 is ook veel minder springerig dan de golfvorm in figuur 1, misschien als gevolg van vonkvorming bij de schakelaar in figuur 1. In beide gevallen bedraagt de totale ontladingstijd van de solenoïde enkele milliseconden, hoewel de lagere spanningsval over de diode de relaisuitval zal vertragen.