Обратный диод - Flyback diode

Схема простой схемы с индуктивностью L и обратный диод D. Резистор р представляет собой сопротивление обмоток индуктора

А обратный диод это диод подключен через индуктор используется для устранения обратного хода, который является внезапным скачок напряжения видно через индуктивный грузить когда его ток питания внезапно снижается или прерывается. Он используется в цепях, в которых индуктивные нагрузки контролируются переключатели, И в импульсные источники питания и инверторы.

Этот диод известен под многими другими названиями, такими как амортизатор диод, коммутирующий диод, обгонный диод, подавляющий диод, фиксирующий диод, или же поймать диод.^[1]^[2]

Операция

Схемы, иллюстрирующие использование обратного диода

На рис. 1 показан индуктор, подключенный к батарее - источнику постоянного напряжения. Резистор представляет собой небольшое остаточное сопротивление обмоток проводов индуктора. Когда переключатель замкнут, напряжение от батареи подается на катушку индуктивности, в результате чего ток с положительной клеммы батареи течет вниз через катушку индуктивности и резистор.^[3]^[4] Увеличение тока вызывает обратная ЭДС (напряжение) на катушке индуктивности из-за Закон индукции Фарадея который противодействует изменению тока. Поскольку напряжение на катушке индуктивности ограничено напряжением батареи 24 вольт, скорость увеличения тока ограничена начальным значением ${displaystyle {dI over dt} = {V_ {B} over L}}$ Таким образом, ток через катушку индуктивности увеличивается медленно, поскольку энергия от батареи накапливается в магнитном поле индуктора. По мере увеличения тока большее напряжение падает на резисторе и меньше на катушке индуктивности, пока ток не достигнет постоянного значения ${displaystyle I = V_ {B} / R}$ со всем напряжением батареи на сопротивлении и без напряжения на индуктивности.

Когда переключатель открыт на рис. 2 ток быстро падает. Катушка индуктивности противостоит падению тока, создавая очень большое индуцированное напряжение полярности в противоположном направлении от батареи направлении, положительное на нижнем конце индуктора и отрицательное на верхнем конце.^[3]^[1]^[4] Этот импульс напряжения, иногда называемый индуктивным «толчком», который может быть намного больше, чем напряжение батареи, появляется на контактах переключателя. Это заставляет электроны перепрыгивать через воздушный зазор между контактами, вызывая мгновенное электрическая дуга развиваться на контактах при размыкании переключателя. Дуга продолжается до тех пор, пока энергия, накопленная в магнитном поле индуктора, не рассеивается в виде тепла в дуге. Дуга может повредить контакты переключателя, вызвать точечную коррозию и горение, что в конечном итоге приведет к их разрушению. Если транзистор используется для переключения тока, например, в импульсных источниках питания, высокое обратное напряжение может разрушить транзистор.

Чтобы предотвратить появление индуктивного импульса напряжения при выключении, к катушке индуктивности подключен диод, как показано на рис. 3.^[3]^[1]^[4] Диод не проводит ток, пока переключатель замкнут, потому что он обратный по напряжению аккумулятора, поэтому он не мешает нормальной работе схемы. Однако, когда переключатель разомкнут, индуцированное напряжение на катушке индуктивности противоположной полярности предвзятость диод, и он проводит ток, ограничивая напряжение на катушке индуктивности и тем самым предотвращая образование дуги на переключателе. Катушка индуктивности и диод на мгновение образуют петлю или цепь, питаемую энергией, накопленной в катушке индуктивности. Эта схема обеспечивает путь тока к катушке индуктивности для замены тока от батареи, поэтому ток в катушке индуктивности не падает резко и не вырабатывает высокое напряжение. Напряжение на катушке индуктивности ограничено прямым напряжением диода, примерно 0,7 - 1,5 В. Этот "свободный ход" или "обратный" ток через диод и катушку индуктивности медленно уменьшается до нуля, поскольку магнитная энергия в катушке индуктивности рассеивается в виде тепла в последовательном сопротивлении обмоток. В небольшой катушке индуктивности это может занять несколько миллисекунд.

(осталось) Осциллограмма, показывающая всплеск индуктивного напряжения в соленоиде, подключенном к источнику питания 24 В постоянного тока. (правильно) Такой же переходный процесс с обратным диодом (1N4007 ) подключен через соленоид. Обратите внимание на различное масштабирование (50 В / деление слева, 1 В / деление справа).

Эти изображения показывают скачок напряжения и его устранение с помощью обратного диода (1N4007 ). Индуктор в этом случае представляет собой соленоид, подключенный к источнику питания 24 В постоянного тока. Каждая форма сигнала была снята с помощью цифрового осциллографа, настроенного на запуск, когда напряжение на катушке индуктивности опускалось ниже нуля. Обратите внимание на различное масштабирование: левое изображение 50 В / деление, правое изображение 1 В / деление. На рисунке 1 напряжение, измеренное на переключателе, колеблется / увеличивается примерно до -300 В. На рисунке 2 обратный диод был добавлен в антипараллельный с соленоидом. Вместо всплеска до -300 В обратный диод позволяет создать только приблизительно -1,4 В потенциала (-1,4 В представляет собой комбинацию прямого смещения 1N4007 диод (1,1 В) и ножка проводки, разделяющей диод и соленоид^{[сомнительный – обсудить]}). Форма волны на Рисунке 2 также намного менее упругая, чем форма волны на Рисунке 1, возможно, из-за дуги на переключателе, показанном на Рисунке 1. В обоих случаях полное время разряда соленоида составляет несколько миллисекунд, хотя падение напряжения меньше. через диод замедлит выпадение реле.

Дизайн

При использовании с катушкой постоянного тока реле обратный диод может вызвать задержку отключения контактов при отключении питания из-за продолжающейся циркуляции тока в катушке реле и диоде. Когда важно быстрое размыкание контактов, резистор или обратное смещение Стабилитрон могут быть размещены последовательно с диодом, чтобы помочь быстрее рассеивать энергию катушки за счет более высокого напряжения на переключателе.

Диоды Шоттки являются предпочтительными в применениях с обратными диодами для импульсных преобразователей мощности, поскольку они имеют наименьшее прямое падение (~ 0,2 В, а не> 0,7 В для малых токов) и способны быстро реагировать на обратное смещение (при повторном включении индуктора) . Поэтому они рассеивают меньше энергии при передаче энергии от катушки индуктивности к конденсатору.

Индукция при размыкании контакта

Согласно с Закон индукции Фарадея, если ток через индуктивность изменяется, эта индуктивность индуцирует напряжение, поэтому ток будет продолжать течь, пока есть энергия в магнитном поле. Если ток может протекать только по воздуху, значит, напряжение настолько велико, что воздух проводит. Вот почему в схемах с механической коммутацией почти мгновенное рассеивание, которое происходит без обратного диода, часто наблюдается в виде дуги на размыкающих механических контактах. В этой дуге энергия рассеивается в основном в виде сильного тепла, которое вызывает нежелательную преждевременную эрозию контактов. Другой способ рассеивания энергии - электромагнитное излучение.

Точно так же для немеханического твердотельного переключения (то есть транзистора) большие падения напряжения на неактивированном твердотельном переключателе могут разрушить рассматриваемый компонент (либо мгновенно, либо из-за ускоренного износа).

Некоторая энергия также теряется из системы в целом и из дуги в виде широкого спектра электромагнитного излучения в форме радиоволн и света. Эти радиоволны могут вызывать нежелательные щелчки и хлопки на ближайших радиоприемниках.

Чтобы свести к минимуму антенное излучение этой электромагнитной энергии от проводов, подключенных к катушке индуктивности, обратный диод должен быть подключен как можно ближе к катушке индуктивности. Этот подход также сводит к минимуму те части схемы, которые подвергаются нежелательному высокому напряжению - хорошая инженерная практика.

Вывод

Напряжение на катушке индуктивности по закону электромагнитная индукция и определение индуктивность:

{displaystyle V_ {L} = - {dPhi _ {B} over dt} = - L {dI over dt}}

Если нет обратного диода, а есть только что-то с большим сопротивлением (например, воздух между двумя металлическими контактами), скажем, $р 2$ , мы аппроксимируем его как:

{displaystyle V_ {R_ {2}} = R_ {2} cdot I}

Если мы откроем переключатель и проигнорируем $V CC$ и $р 1$ , мы получаем:

{displaystyle V_ {L} = V_ {R_ {2}}}

или

{displaystyle -L {dI over dt} = R_ {2} cdot I}

который является дифференциальное уравнение с решением:

{displaystyle I (t) = I_ {0} cdot e ^ {- {R_ {2} over L} t}}

Мы видим, что ток будет уменьшаться быстрее, если сопротивление велико, например, с воздухом.

Теперь, если мы откроем переключатель с установленным диодом, нам нужно будет только рассмотреть $L 1$ , $р 1$ и $D 1$ .За $я > 0$ , можно предположить:

{displaystyle V_ {D} = mathrm {константа}}

так:

{displaystyle V_ {L} = V_ {R_ {1}} + V_ {D}}

который:

{displaystyle -L {dI over dt} = R_ {1} cdot I + V_ {D}}

чье решение:

{displaystyle I (t) = (I_ {0} + {1 over R_ {1}} V_ {D}) cdot e ^ {- {R_ {1} over L} t} - {1 over R_ {1}} V_ {D}}

Мы можем рассчитать время, необходимое для выключения, определив, на какое время $т$ это $я (т) = 0$ .

{displaystyle t = {- L over R_ {1}} cdot ln {left ({V_ {D} over {V_ {D} + I_ {0} {R_ {1}}}} ight)}}

Приложения

Обратные диоды обычно используются при отключении индуктивных нагрузок полупроводниковыми приборами: в реле водители, H-мост водители моторов и так далее. А импульсный источник питания также использует этот эффект, но энергия не рассеивается на тепло, а вместо этого используется для закачки пакета дополнительного заряда в конденсатор, чтобы подавать питание на нагрузку.

Когда индуктивная нагрузка представляет собой реле, обратный диод может заметно задержать срабатывание реле, удерживая ток катушки дольше. Резистор, включенный последовательно с диодом, ускоряет спад циркулирующего тока из-за повышенного обратного напряжения. Стабилитрон, включенный последовательно, но с обратной полярностью по отношению к обратному диоду, имеет те же свойства, хотя и с фиксированным увеличением обратного напряжения. В этом случае следует проверять как напряжения транзисторов, так и номинальную мощность резистора или стабилитрона.

Смотрите также

дальнейшее чтение

Отт, Генри (1988). Методы снижения шума в электронных системах (2-е изд.). Вайли. ISBN 978-0471850687.

внешняя ссылка

Технические примечания к реле - Американский Цеттлер
Замечания по применению реле - TE подключение
Цепь реле RC - Эвокс Рифа
Схемы применения миниатюрных сигнальных реле - NEC / Tokin
Время включения / выключения диодов и демпфирование реле - Клифтонские лаборатории
"диод для шипов обмотки реле и шипов отключения двигателя?" - sci.electronics.design

[Wilcher-1] а ^б ^c Уилчер, Дон (2012). Изучите электронику с Arduino. Апресс. С. 74–75. ISBN 978-1430242673. Получено 2020-05-14.

[2] Агарвал, Тарун (26.08.2016). «Работа диодов с обратным ходом или обратным ходом и их функции». ELPROCUS. Получено 21 мая 2018.

[Herrick-3] а ^б ^c Херрик, Роберт Дж. (2003). Цепи постоянного / переменного тока и электроника: принципы и применение. Cengage Learning. С. 879–881. ISBN 0766820831.

[Jacob-4] а ^б ^c Джейкоб, Дж. (2001). Силовая электроника: принципы и применение. Cengage Learning. С. 292–294. ISBN 0766823326.

[1]

[2]

[3]

[4]