Обратный диод

Для проверки этой статьи нужны дополнительные цитаты . Помогите улучшить эту статью , добавив ссылки на надежные источники . Материалы без ссылок могут быть оспорены и удалены. Найти источники:  «Flybackdiod» – новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( октябрь 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

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

Схемы обратного хода использовались с 1930 года и были усовершенствованы с 1950 года для использования в телевизионных приемниках. Слово обратное движение происходит от горизонтального движения электронного луча в электронно-лучевой трубке , поскольку луч возвращался назад, чтобы начать следующую горизонтальную линию. ^{[1] [2]}

Этот диод известен под многими другими названиями, такими как снабберный диод, коммутирующий диод, обратный диод, маховиковый диод, подавляющий диод, фиксирующий диод или диод-ловушка. ^{[3] [4]}

На рис. 1 показана катушка индуктивности, подключенная к батарее — источнику постоянного напряжения. Резистор представляет собой небольшое статическое сопротивление обмоток катушки индуктивности. Когда переключатель замкнут, напряжение от батареи подается на катушку индуктивности, заставляя ток с положительного полюса батареи течь вниз через катушку индуктивности и резистор. ^{[5] [6]} Увеличение тока вызывает обратную ЭДС (напряжение) на катушке индуктивности из-за закона индукции Фарадея , который препятствует изменению тока. Поскольку напряжение на катушке индуктивности ограничено напряжением батареи 24 вольта, скорость увеличения тока ограничена начальным значением поэтому ток через катушку индуктивности медленно увеличивается, поскольку энергия от батареи сохраняется в магнитном поле катушки индуктивности. По мере увеличения тока большее напряжение падает на резисторе и меньшее на катушке индуктивности, пока ток не достигнет устойчивого значения со всем напряжением батареи на сопротивлении и нулевым на индуктивности.${\displaystyle {dI \over dt}={V_{B} \over L},}$${\displaystyle I=V_{B}/R}$

Однако ток быстро падает, когда переключатель размыкается на рис. 2. Индуктор сопротивляется падению тока, создавая очень большое индуцированное напряжение полярности в противоположном направлении от батареи, положительное на нижнем конце индуктора и отрицательное на верхнем конце. ^{[5] [3] [6]} Этот импульс напряжения, иногда называемый индуктивным «ударом», который может быть намного больше напряжения батареи, появляется на контактах переключателя. Он заставляет электроны перескакивать через воздушный зазор между контактами, вызывая кратковременное 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, в конечном итоге разрушая их. Если для переключения тока используется транзистор , например, импульсные источники питания, высокое обратное напряжение может разрушить транзистор.

Чтобы предотвратить импульс индуктивного напряжения при выключении, диод подключен параллельно индуктору, как показано на рис. 3. ^{[5] [3] [6]} Диод не проводит ток, пока переключатель замкнут, потому что он обратно смещен 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 накопленной энергией в индукторе. Эта цепь подает ток на индуктор, чтобы заменить ток от батареи, поэтому ток индуктора не падает резко и не создает высокого напряжения. Напряжение на индукторе ограничено прямым напряжением диода, 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 в последовательном сопротивлении обмоток. Это может занять несколько миллисекунд в небольшом индукторе.

На этих изображениях показан всплеск напряжения и его устранение с помощью диода обратного хода ( 1N4007 ). В этом случае индуктор представляет собой соленоид, подключенный к источнику питания постоянного тока 24 В. Каждая форма сигнала была получена с помощью цифрового осциллографа, настроенного на срабатывание, когда напряжение на индукторе падает ниже нуля. Обратите внимание на разное масштабирование: левое изображение 50 В/деление, правое изображение 1 В/деление. На рисунке 1 напряжение, измеренное на переключателе, подпрыгивает/прыгает примерно до -300 В. На рисунке 2 диод обратного хода был добавлен антипараллельно соленоиду. Вместо всплеска до -300 В диод обратного хода позволяет создать только около -1,4 В потенциала (-1,4 В — это комбинация прямого смещения диода 1N4007 (1,1 В) и основания проводки, разделяющей диод и соленоид ^{[ сомнительно – обсудим ]} ). Форма сигнала на рисунке 2 также более плавная, чем форма сигнала на рисунке 1, возможно, из-за искрения на переключателе на рисунке 1. В обоих случаях общее время разряда соленоида составляет несколько миллисекунд, хотя меньшее падение напряжения на диоде замедлит отключение реле.

При использовании с реле постоянного тока катушки , диод обратного хода 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 обратно смещенный стабилитрон могут быть включены последовательно с диодом, чтобы помочь быстрее рассеять энергию катушки за счет более высокого напряжения на переключателе.

Диоды Шоттки предпочтительны в приложениях с диодами обратного хода для импульсных преобразователей мощности, поскольку они имеют наименьшее прямое падение напряжения (~0,2 В вместо >0,7 В для малых токов) и способны быстро реагировать на обратное смещение (когда индуктор снова активируется). Поэтому они рассеивают меньше энергии при передаче энергии от индуктора к конденсатору.

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. Вот почему в механически коммутируемых цепях почти мгновенное рассеивание, которое происходит без обратного диода, часто наблюдается в виде дуги через размыкающиеся механические контакты. Энергия рассеивается в этой дуге в первую очередь в виде интенсивного тепла, что вызывает нежелательную преждевременную эрозию контактов. Другой способ рассеивания энергии — через электромагнитное излучение.

Аналогично, для немеханического твердотельного переключателя (т. е. транзистора) большие падения напряжения на неактивированном твердотельном переключателе могут разрушить соответствующий компонент (либо мгновенно, либо из-за ускоренного износа).

Часть энергии 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 треск на близлежащих радиоприемниках.

Чтобы минимизировать антенноподобное излучение этой электромагнитной энергии от проводов, подключенных к индуктору, диод обратного хода должен быть подключен как можно ближе к индуктору. Такой подход также минимизирует те части схемы, которые подвергаются нежелательному высокому напряжению — хорошая инженерная практика.

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

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

Если нет обратноходового диода, а есть только что-то с большим сопротивлением (например, воздух между двумя металлическими контактами), скажем, R ₂ , мы аппроксимируем это как:

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

Если мы разомкнем переключатель и проигнорируем V _CC и R ₁ , то получим:

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

или

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

которое представляет собой 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, в случае воздуха.

Теперь, если мы откроем переключатель с установленным диодом, нам нужно будет учитывать только L ₁ , R ₁ и D ₁ . Для I > 0 мы можем предположить:

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

так:

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

что является:

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

решение которого (дифференциальное уравнение первого порядка) имеет вид:

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

Мы можем рассчитать время, необходимое для выключения, определив, для какого t оно равно I ( t ) = 0 .

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

Если VCC = I0R1 , _то​​​

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

Обратные диоды обычно используются, когда полупроводниковые приборы отключают индуктивные нагрузки: в релейных драйверах, драйверах двигателей H-моста и т. д. Импульсный источник питания также использует этот эффект, но энергия не рассеивается в виде тепла, а вместо этого используется для накачки пакета дополнительного заряда в конденсатор, чтобы подавать питание на нагрузку.

Когда индуктивной нагрузкой является реле, обратный диод может заметно задержать срабатывание реле, дольше поддерживая ток катушки. Резистор, включенный последовательно с диодом, ускорит затухание циркулирующего тока за счет 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 проверить как напряжение транзистора, так и номинальные мощности резистора или стабилитрона.

• Диоды общего назначения 1N400x
• 1N4148 сигнальный диод
• Диоды Шоттки 1N58xx
• Закон Ленца

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

• Технические заметки о реле - American Zettler
• Замечания по применению реле - TE Connectivity
• Релейная RC-цепь - Evox Rifa
• Схемы применения миниатюрных сигнальных реле Архивировано 2016-10-02 в Wayback Machine - NEC/Tokin
• Диодное время включения/выключения и реле-снаббинг - Clifton Laboratories
• "диод для скачков катушки реле и скачков отключения двигателя?" - sci.electronics.design
• Калькулятор импульсного регулятора обратного хода - Все о схемах