Обратный диод

Обратный диод — это любой диод, подключенный к индуктору, используемый для устранения обратного хода, который представляет собой внезапный скачок напряжения , наблюдаемый на индуктивной нагрузке , когда ток ее питания внезапно снижается или прерывается. Применяется в цепях, в которых индуктивные нагрузки управляются переключателями , а также в импульсных источниках питания и инверторах .

Схемы обратного хода используются с 1930 года и с 1950 года были усовершенствованы для использования в телевизионных приемниках. Слово «обратный ход» происходит от горизонтального движения электронного луча в электронно-лучевой трубке , потому что луч летит назад, чтобы начать следующую горизонтальную линию. ^[1]^[2]

Этот диод известен под многими другими названиями, такими как снабберный диод, коммутирующий диод, обратный диод, маховик диод, супрессорный диод, фиксирующий диод или улавливающий диод. ^[3]^[4]

Операция

Схемы, иллюстрирующие использование обратноходового диода — Circuits illustrating the use of a flyback diode

На рис. 1 показан дроссель, подключенный к аккумулятору – источнику постоянного напряжения. Резистор представляет собой небольшое остаточное сопротивление проволочных обмоток индуктора. Когда переключатель замкнут, напряжение от батареи подается на индуктор, в результате чего ток от положительной клеммы батареи течет вниз через индуктор и резистор. ^[5]^[6] Увеличение тока вызывает противо-ЭДС (напряжение) на индукторе из-за закона индукции Фарадея, который препятствует изменению тока. Поскольку напряжение на индукторе ограничено напряжением батареи 24 В, скорость увеличения тока ограничена начальным значением ${dI \over dt}={V_{B} \over L},$ поэтому ток через индуктор медленно увеличивается, поскольку энергия батареи сохраняется в магнитном поле индуктора. По мере увеличения тока большее напряжение падает на резисторе и меньшее на индукторе, пока ток не достигнет устойчивого значения $I=V_{B}/R$ со всем напряжением батареи на сопротивлении и ни с одним на индуктивности.

Однако ток быстро падает, когда переключатель размыкается (рис. 2). Индуктор сопротивляется падению тока, создавая очень большое индуцированное напряжение полярности в противоположном направлении от батареи: положительное на нижнем конце индуктора и отрицательное. в верхнем конце. ^[5]^[3]^[6] Этот импульс напряжения, иногда называемый индуктивным «толчком», который может быть намного больше, чем напряжение батареи, появляется на контактах переключателя. Это заставляет электроны прыгать через воздушный зазор между контактами, вызывая мгновенное возникновение электрической дуги на контактах при размыкании переключателя. Дуга продолжается до тех пор, пока энергия, накопленная в магнитном поле индуктора, не рассеется в виде тепла в дуге. Дуга может повредить контакты переключателя, вызывая точечную коррозию и подгорание, что в конечном итоге приведет к их разрушению. Если для переключения тока используется транзистор , например, для переключения источников питания, высокое обратное напряжение может разрушить транзистор.

Для предотвращения импульса индуктивного напряжения при выключении параллельно дросселю подключают диод, как показано на рис. 3. ^[5]^[3]^[6] Диод не проводит ток, пока переключатель замкнут, поскольку он смещен в обратном направлении напряжением батареи, поэтому он не мешает нормальной работе схемы. Однако, когда переключатель разомкнут, индуцированное напряжение на индукторе противоположной полярности смещает диод вперед, и он проводит ток, ограничивая напряжение на индукторе и, таким образом, предотвращая образование дуги на переключателе. Индуктор и диод на мгновение образуют петлю или цепь, питаемую энергией, накопленной в индукторе. Эта схема обеспечивает путь тока к индуктору для замены тока от батареи, поэтому ток индуктора не падает резко и не создает высокого напряжения. Напряжение на катушке индуктивности ограничено прямым напряжением диода и составляет около 0,7–1,5 В. Этот «свободный» или «обратный» ток через диод и индуктор медленно уменьшается до нуля, поскольку магнитная энергия в индукторе рассеивается в виде тепла на последовательном сопротивлении обмоток. В небольшом индукторе это может занять несколько миллисекунд.

(слева) График осциллографа, показывающий всплеск индуктивного напряжения в соленоиде, подключенном к источнику питания 24 В постоянного тока. (справа) Тот же переходный процесс переключения с обратноходовым диодом ( 1N4007 ), подключенным параллельно соленоиду. Обратите внимание на разное масштабирование (50 В/деление слева, 1 В/деление справа).

На этих изображениях показан всплеск напряжения и его устранение с помощью обратноходового диода ( 1N4007 ). В данном случае индуктор представляет собой соленоид, подключенный к источнику питания 24 В постоянного тока. Каждый сигнал снимался с помощью цифрового осциллографа, настроенного на запуск, когда напряжение на катушке индуктивности падало ниже нуля. Обратите внимание на разное масштабирование: левое изображение 50 В/деление, правое изображение 1 В/деление. На рисунке 1 напряжение, измеренное на переключателе, подскакивает/скачет примерно до -300 В. На рисунке 2 обратноходовой диод добавлен антипараллельно соленоиду. Вместо скачка напряжения до -300 В обратный диод позволяет создать потенциал только примерно -1,4 В (-1,4 В представляет собой комбинацию прямого смещения диода 1N4007 (1,1 В) и нижней части провода, разделяющего диод. и соленоид ^{[ сомнительно – обсудить ]}). Форма сигнала на рисунке 2 также более плавная, чем форма сигнала на рисунке 1, возможно, из-за образования дуги в переключателе на рисунке 1. В обоих случаях общее время разряда соленоида составляет несколько миллисекунд, хотя падение напряжения на диод замедлит падение реле.

Дизайн

При использовании с реле катушки постоянного тока обратноходовой диод может вызвать задержку размыкания контактов при отключении питания из-за продолжающейся циркуляции тока в катушке реле и диоде. Когда важно быстрое размыкание контактов, последовательно с диодом можно включить резистор или стабилитрон с обратным смещением , чтобы быстрее рассеять энергию катушки за счет более высокого напряжения на переключателе.

Диоды Шоттки предпочтительны в обратноходовых диодах для переключения силовых преобразователей, поскольку они имеют наименьшее прямое падение напряжения (~ 0,2 В, а не > 0,7 В для малых токов) и способны быстро реагировать на обратное смещение (при повторном включении катушки индуктивности). ). Следовательно, они рассеивают меньше энергии при передаче энергии от катушки индуктивности к конденсатору.

Индукция при размыкании контакта

Согласно закону индукции Фарадея , если ток через индуктивность изменяется, эта индуктивность индуцирует напряжение, поэтому ток будет течь до тех пор, пока в магнитном поле есть энергия. Если ток может течь только по воздуху, напряжение настолько велико, что воздух проводит ток. Вот почему в схемах с механическим переключением почти мгновенное рассеяние, которое происходит без обратноходового диода, часто наблюдается в виде дуги на размыкающихся механических контактах. Энергия рассеивается в этой дуге преимущественно в виде сильного тепла, вызывающего нежелательную преждевременную эрозию контактов. Другой способ рассеивания энергии — электромагнитное излучение.

Аналогичным образом, для немеханического полупроводникового переключателя (т. е. транзистора) большие падения напряжения на неактивированном полупроводниковом переключателе могут вывести из строя соответствующий компонент (либо мгновенно, либо из-за ускоренного износа).

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

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

Вывод

Напряжение на катушке индуктивности согласно закону электромагнитной индукции и определению индуктивности равно :

V_{L}=-{d\Phi _{B} \over dt}=-L{dI \over dt}

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

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

Если мы разомкнем переключатель и проигнорируем $V CC$ и $R 1$ , мы получим:

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

или

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

которое представляет собой дифференциальное уравнение с решением:

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

Мы наблюдаем, что ток будет уменьшаться быстрее, если сопротивление велико, например, у воздуха.

Теперь, если мы разомкнем переключатель при установленном диоде, нам нужно будет учитывать только $L 1$ , $R 1$ и $D 1$ . При $I > 0$ можно предположить:

V_{D}=\mathrm {constant}

так:

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

что такое:

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

решение которого (дифференциальное уравнение первого порядка) есть:

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 вычислить время, необходимое для выключения, определив, для какого $t$ это $I (t) = 0$ .

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

Если $V CC$ = $I 0$ $R 1$ , то

t={-L \over R_{1}}\cdot ln{\left({1 \over {{\frac {V_{CC}}{V_{D}}}+1}}\right)}={L \over R_{1}}\cdot ln{\left({{\frac {V_{CC}}{V_{D}}}+1}\right)}

Приложения

Обратноходовые диоды обычно используются, когда полупроводниковые устройства отключают индуктивную нагрузку: в драйверах реле , драйверах двигателей с H-мостом и т. д. Импульсный источник питания также использует этот эффект, но энергия не рассеивается в виде тепла, а вместо этого используется для нагнетания пакета дополнительного заряда в конденсатор для подачи питания на нагрузку.

Когда индуктивной нагрузкой является реле, обратный диод может заметно задержать размыкание реле, поддерживая ток в катушке дольше. Резистор, включенный последовательно с диодом, приведет к более быстрому затуханию циркулирующего тока за счет увеличения обратного напряжения. Стабилитрон, включенный последовательно, но с обратной полярностью по отношению к обратноходовому диоду, имеет те же свойства, хотя и с фиксированным увеличением обратного напряжения. В этом случае следует проверить как напряжения транзисторов, так и номинальную мощность резистора или стабилитрона.

См. также

Ссылки

^ Швебер, Билл (10 декабря 2019 г.). «Архитектура и работа обратноходового источника питания» . www.electronicdesign.com . Индевор Бизнес Медиа . Проверено 28 марта 2023 г.
^ «Введение в обратноходовой трансформатор» . Утмел Электроникс. 29 января 2021 г. . Проверено 28 марта 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Уилчер, Дон (2012). Изучите электронику с помощью Arduino . Апресс. стр. 74–75. ISBN 978-1430242673 . Проверено 14 мая 2020 г.
^ Агарвал, Тарун (26 августа 2016 г.). «Работа обратных или обратноходовых диодов и их функции» . ЭЛЬПРОК . Проверено 21 мая 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Херрик, Роберт Дж. (2003). Цепи и электроника постоянного/переменного тока: принципы и применение . Cengage Обучение. стр. 879–881. ISBN 0766820831 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Джейкоб, Дж. (2001). Силовая электроника: принципы и приложения . Cengage Обучение. стр. 292–294. ISBN 0766823326 .

Дальнейшее чтение

Отт, Генри (1988). Методы шумоподавления в электронных системах (2-е изд.). Уайли. ISBN 978-0471850687 .

Внешние ссылки

Технические примечания по реле - American Zettler
Замечания по применению реле — TE Connectivity
Реле RC-цепи — Evox Rifa
Прикладные схемы миниатюрных сигнальных реле - NEC/Tokin
Время включения/выключения диода и демпфирование реле - Clifton Laboratories
"диод для шипов катушки реле и шипов отключения двигателя?" - наука.электроника.дизайн
Калькулятор регулятора режима обратноходового переключения — все о схемах

[1] Швебер, Билл (10 декабря 2019 г.). «Архитектура и работа обратноходового источника питания» . www.electronicdesign.com . Индевор Бизнес Медиа . Проверено 28 марта 2023 г.

[2] «Введение в обратноходовой трансформатор» . Утмел Электроникс. 29 января 2021 г. . Проверено 28 марта 2023 г.

[Wilcher-3] Jump up to: ^а ^б ^с Уилчер, Дон (2012). Изучите электронику с помощью Arduino . Апресс. стр. 74–75. ISBN 978-1430242673 . Проверено 14 мая 2020 г.

[4] Агарвал, Тарун (26 августа 2016 г.). «Работа обратных или обратноходовых диодов и их функции» . ЭЛЬПРОК . Проверено 21 мая 2018 г.

[Herrick-5] Jump up to: ^а ^б ^с Херрик, Роберт Дж. (2003). Цепи и электроника постоянного/переменного тока: принципы и применение . Cengage Обучение. стр. 879–881. ISBN 0766820831 .

[Jacob-6] Jump up to: ^а ^б ^с Джейкоб, Дж. (2001). Силовая электроника: принципы и приложения . Cengage Обучение. стр. 292–294. ISBN 0766823326 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]