Dioda Flyback - Flyback diode

Schemat prostego obwodu o indukcyjności L i diodę lasery D . Rezystor R reprezentuje rezystancję uzwojeń cewki indukcyjnej

Dioda lasery to dioda połączona poprzek cewki stosowany do usuwania lasery, które jest nagłe napięcie szczytowe widać poprzek indukcyjnego obciążenia , gdy wartości prądu zasilającego nagle zmniejszone lub przerwane. Znajduje zastosowanie w obwodach, w których obciążenia indukcyjne są sterowane za pomocą przełączników oraz w przełączaniu zasilaczy i falowników .

Dioda jest znany pod wieloma innymi nazwami takimi jak tłumiącego diody , komutacji diody , dioda gasząca , diody przeciwzakłóceniowy , diod zacisk lub diody haczyk .

Operacja

Obwody ilustrujące zastosowanie diody flyback

Na rys. 1 pokazano cewkę podłączoną do akumulatora - źródło stałego napięcia. Rezystor reprezentuje małą rezystancję resztkową uzwojeń drutu cewki indukcyjnej. Gdy przełącznik jest zamknięty, napięcie z akumulatora jest podawane na cewkę indukcyjną, powodując przepływ prądu z dodatniego bieguna akumulatora przez cewkę i rezystor. Wzrost prądu powoduje powstanie pola elektromagnetycznego wstecznego (napięcia) na cewce z powodu prawa indukcji Faradaya, które przeciwstawia się zmianie prądu. Ponieważ napięcie na cewce jest ograniczone do napięcia akumulatora wynoszącego 24 V, szybkość wzrostu prądu jest ograniczona do wartości początkowej So, prąd płynący przez cewkę rośnie powoli, ponieważ energia z akumulatora jest magazynowana w polu magnetycznym cewki indukcyjnej . Gdy prąd rośnie, więcej napięcia spada na rezystorze, a mniej na cewce, aż prąd osiągnie stałą wartość przy całym napięciu akumulatora na rezystancji i żadnym na indukcyjności. ${\ Displaystyle {dI \ ponad dt} = {V_ {B} \ ponad L}}$ ${\ displaystyle I = V_ {B} / R}$

Gdy przełącznik jest otwarty, jak na rys. 2 prąd gwałtownie spada. Cewka indukcyjna przeciwdziała spadkowi prądu, wytwarzając bardzo duże indukowane napięcie o polaryzacji w przeciwnym kierunku do akumulatora, dodatnie na dolnym końcu cewki i ujemne na górnym końcu. Ten impuls napięciowy, czasami nazywany „impulsem indukcyjnym”, który może być znacznie większy niż napięcie akumulatora, pojawia się na stykach przełącznika. Powoduje, że elektrony przeskakują szczelinę powietrzną między stykami, powodując chwilowe powstanie łuku elektrycznego na stykach, gdy przełącznik jest otwarty. Łuk trwa, aż energia zmagazynowana w polu magnetycznym cewki indukcyjnej zostanie rozproszona w postaci ciepła w łuku. Łuk może uszkodzić styki przełącznika, powodując wżery i spalenia, aw końcu je niszcząc. Jeśli tranzystor jest używany do przełączania prądu, na przykład w przełączaniu zasilaczy, wysokie napięcie wsteczne może zniszczyć tranzystor.

Aby zapobiec indukcyjnemu impulsowi napięcia przy wyłączaniu, dioda jest podłączona do cewki indukcyjnej, jak pokazano na rys. 3. Dioda nie przewodzi prądu, gdy wyłącznik jest zamknięty, ponieważ jest spolaryzowany odwrotnie przez napięcie akumulatora, więc nie zakłóca normalnej pracy obwodu. Jednak gdy przełącznik jest otwarty, napięcie indukowane na cewce o przeciwnej polaryzacji do przodu polaryzuje diodę i przewodzi prąd, ograniczając napięcie na cewce, a tym samym zapobiegając tworzeniu się łuku na przełączniku. Cewka indukcyjna i dioda chwilowo tworzą pętlę lub obwód zasilany energią zmagazynowaną w cewce. Obwód ten dostarcza ścieżkę prądową do cewki indukcyjnej w celu zastąpienia prądu z akumulatora, dzięki czemu prąd cewki nie spada gwałtownie i nie wytwarza wysokiego napięcia. Napięcie na cewce jest ograniczone do napięcia przewodzenia diody, około 0,7 - 1,5 V. Ten „płynny” lub „powracający” prąd przepływający przez diodę i cewkę indukcyjną spada powoli do zera, gdy energia magnetyczna w cewce indukcyjnej jest rozpraszana w postaci ciepła w szeregowej rezystancji uzwojeń. Może to zająć kilka milisekund w przypadku małej cewki indukcyjnej.

(po lewej) Wykres oscyloskopu pokazujący indukcyjny skok napięcia w solenoidzie podłączonym do źródła zasilania 24 VDC. (po prawej) Ten sam stan przejściowy przełączania z diodą flyback ( 1N4007 ) podłączoną do elektromagnesu. Zwróć uwagę na różne skalowanie (50 V / działkę po lewej, 1 V / działkę po prawej).

Obrazy te pokazują skok napięcia i jego eliminację poprzez zastosowanie diody flyback ( 1N4007 ). Cewka w tym przypadku jest cewką podłączoną do źródła zasilania 24 V DC. Każdy przebieg został pobrany za pomocą oscyloskopu cyfrowego ustawionego na wyzwalanie, gdy napięcie na cewce spadło poniżej zera. Zwróć uwagę na różne skalowanie: lewy obraz 50V / działkę, prawy obraz 1V / działkę. Na rysunku 1 napięcie zmierzone na przełączniku odbija się / skacze do około -300 V. Na rysunku 2, dioda flyback została dodana przeciwrównolegle do elektromagnesu. Zamiast skoków do -300 V, dioda flyback pozwala na zbudowanie tylko około -1,4 V potencjału (-1,4 V to połączenie polaryzacji do przodu diody 1N4007 (1,1 V) i stopki okablowania oddzielającej diodę i elektromagnes). Przebieg na rysunku 2 jest również znacznie mniej sprężysty niż przebieg na rysunku 1, być może z powodu wyładowań łukowych na przełączniku na rysunku 1. W obu przypadkach całkowity czas rozładowania elektromagnesu wynosi kilka milisekund, chociaż spadek napięcia jest niższy. w poprzek diody spowolni zanikanie przekaźnika.

Projekt

W przypadku użycia z przekaźnikiem cewkowym DC , dioda flyback może powodować opóźnione wypadanie styków po odłączeniu zasilania, ze względu na ciągłą cyrkulację prądu w cewce przekaźnika i diodzie. Gdy ważne jest szybkie otwarcie styków, rezystor lub diodę Zenera o polaryzacji wstecznej można umieścić szeregowo z diodą, aby pomóc w szybszym rozpraszaniu energii cewki kosztem wyższego napięcia na przełączniku.

Diody Schottky'ego są preferowane w zastosowaniach z diodami flyback do przełączania konwerterów mocy, ponieważ mają najniższy spadek przewodzenia (~ 0,2 V zamiast> 0,7 V dla niskich prądów) i są w stanie szybko reagować na odchylenie wsteczne (gdy cewka jest ponownie pod napięciem). Dlatego rozpraszają mniej energii podczas przesyłania energii z cewki indukcyjnej do kondensatora.

Indukcja przy otwarciu kontaktu

Zgodnie z prawem indukcji Faradaya , jeśli prąd przepływający przez indukcyjność zmienia się, indukcyjność ta indukuje napięcie, więc prąd będzie płynął tak długo, jak długo będzie energia w polu magnetycznym. Jeśli prąd może przepływać tylko przez powietrze, napięcie jest zatem tak wysokie, że powietrze przewodzi. Dlatego w obwodach przełączanych mechanicznie prawie natychmiastowe rozpraszanie, które występuje bez diody flyback, jest często obserwowane jako łuk na otwieranych stykach mechanicznych. Energia jest rozpraszana w tym łuku głównie w postaci intensywnego ciepła, które powoduje niepożądaną przedwczesną erozję styków. Innym sposobem rozpraszania energii jest promieniowanie elektromagnetyczne.

Podobnie, w przypadku niemechanicznego przełączania półprzewodnikowego (tj. Tranzystora), duże spadki napięcia na nieaktywowanym przełączniku półprzewodnikowym mogą zniszczyć dany element (natychmiast lub w wyniku przyspieszonego zużycia).

Część energii jest również tracona z całego systemu oraz z łuku jako szerokiego spektrum promieniowania elektromagnetycznego w postaci fal radiowych i światła. Te fale radiowe mogą powodować niepożądane kliknięcia i trzaski w pobliskich odbiornikach radiowych.

Aby zminimalizować promieniowanie anteny tej energii elektromagnetycznej z przewodów podłączonych do cewki indukcyjnej, dioda flyback powinna być podłączona fizycznie jak najbliżej cewki indukcyjnej. Takie podejście minimalizuje również te części obwodu, które są narażone na niepożądane wysokie napięcie - dobra praktyka inżynierska.

Pochodzenie

Napięcie na cewce indukcyjnej zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej i definicją indukcyjności :

{\ Displaystyle V_ {L} = - {d \ Phi _ {B} \ ponad dt} = - L {di \ ponad dt}}

Jeśli nie ma diody flyback, a tylko coś o dużej rezystancji (np. Powietrze między dwoma metalowymi stykami), powiedzmy $R 2$ , będziemy to przybliżać jako:

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

Jeśli otworzymy przełącznik i zignorujemy $V CC$ i $R 1$ , otrzymamy:

{\ Displaystyle V_ {L} = V_ {R_ {2}}}

lub

{\ Displaystyle -L {di \ ponad dt} = R_ {2} \ cdot I}

który jest równaniem różniczkowym z rozwiązaniem:

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

Obserwujemy, że prąd będzie spadał szybciej, jeśli opór jest wysoki, na przykład w przypadku powietrza.

Teraz, jeśli otworzymy przełącznik z diodą na miejscu, musimy wziąć pod uwagę tylko $L 1$ , $R 1$ i $D 1$ . Dla $I > 0$ możemy założyć:

{\ displaystyle V_ {D} = \ mathrm {stała}}

więc:

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

który jest:

{\ Displaystyle -L {di \ ponad dt} = R_ {1} \ cdot I + V_ {D}}

którego rozwiązaniem jest:

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

Możemy obliczyć czas potrzebny do wyłączenia, określając, dla którego $t$ wynosi $I (t) = 0$ .

{\ Displaystyle t = {- L \ nad R_ {1}} \ cdot ln {\ lewo ({V_ {D} \ ponad {V_ {D} + I_ {0} {R_ {1}}}} \ po prawej) }}

Aplikacje

Diody flyback są powszechnie stosowane, gdy obciążenia indukcyjne są wyłączane przez urządzenia półprzewodnikowe: w sterownikach przekaźników, sterownikach silników mostków H i tak dalej. Zasilacz impulsowy wykorzystuje także ten efekt, ale energia nie jest rozpraszana na ciepło, a zamiast tego stosuje się do pompowania pakietu dodatkowego ładunku do kondensatora, w celu dostarczania mocy do obciążenia.

Gdy obciążenie indukcyjne jest przekaźnikiem, dioda flyback może zauważalnie opóźnić wyzwolenie przekaźnika, utrzymując przepływ prądu cewki przez dłuższy czas. Rezystor połączony szeregowo z diodą przyspieszy zanikanie krążącego prądu z powodu wady zwiększonego napięcia wstecznego. Dioda Zenera połączona szeregowo, ale z odwrotną polaryzacją w stosunku do diody flyback, ma te same właściwości, ale ze stałym wzrostem napięcia wstecznego. W takim przypadku należy sprawdzić zarówno napięcia tranzystora, jak i moc znamionową rezystora lub diody Zenera.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Ott, Henry (1988). Techniki redukcji szumów w systemach elektronicznych (wyd. 2). Wiley. ISBN 978-0471850687 .

Linki zewnętrzne

Uwagi techniczne dotyczące przekaźników - American Zettler
Uwagi dotyczące aplikacji przekaźnika - TE Connectivity
Obwód przekaźnikowy RC - Evox Rifa
Obwody aplikacyjne przekaźników miniaturowych - NEC / Tokin
Czas włączania / wyłączania diody i tłumienie przekaźnika - Clifton Laboratories
"dioda dla skoków cewki przekaźnika i skoków odcięcia silnika?" - sci.electronics.design

Languages

In other projects