Обратный диод

редактировать

Схема простой цепи с индуктивностью L и обратным диодом D. Резистор R представляет собой сопротивление обмоток катушки индуктивности

A обратный диод - это диод, подключенный к катушке индуктивности, используемый для устранения обратного хода, то есть внезапного скачка напряжения, наблюдаемого на индуктивном 62>нагрузка, когда ее ток питания внезапно снижается или прерывается. Он используется в схемах, в которых индуктивные нагрузки управляются переключателями, а также в импульсных источниках питания и инверторах.

. Этот диод известен под многими другими названиями, такими как демпфер диод, коммутирующий диод, обратный диод, подавляющий диод, фиксирующий диод, или задерживающий диод .

Содержание

1 Работа
2 Конструкция
3 Индукция при размыкании контакта
- 3.1 Выводы
4 Применения
5 См. также
6 Ссылки
7 Дополнительная литература
8 Внешние ссылки

Работа

Схемы, иллюстрирующие использование обратного диода

Рис. 1 (вверху слева) показывает 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. 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 вольт, скорость увеличения тока ограничена начальным значением $d I dt = VBL {\ displaystyle {dI \ over dt} = {V_ {B} \ over L}}$ ${\ displaystyle {dI \ over dt} = {V_ {B} \ over L}}$ Таким образом, ток через катушку индуктивности медленно увеличивается, поскольку энергия от батареи накапливается в магнитном поле индуктора. По мере увеличения тока на резисторе падает больше напряжения, а на катушке индуктивности - меньше, пока ток не достигнет постоянного значения $I = VB / R {\ displaystyle I = V_ {B} / R}$ ${\ displaystyle I = V_ {B} / R}$ при полном напряжении батареи на сопротивлении и отсутствии напряжения на индуктивности.

Когда переключатель разомкнут (рис. 2 вверху справа), ток быстро падает. Катушка индуктивности сопротивляется падению тока, создавая очень большое индуцированное напряжение полярности в противоположном направлении от батареи направлении, положительное на нижнем конце индуктора и отрицательное на верхнем конце. 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 кратковременную электрическую дугу, которая возникает 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 для переключения тока используется транзистор , 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. Диод не проводит ток, пока переключатель замкнут, потому что он смещен в обратном направлении от напряжения аккумулятора, поэтому он не мешает нормальной работе схемы. Однако, когда переключатель разомкнут, индуцированное напряжение на катушке индуктивности противоположной полярности смещает диод в прямом направлении, 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.

(слева) Осциллограмма, показывающая скачок индуктивного напряжения в соленоиде, подключенном к источнику питания 24 В постоянного тока. (справа) Тот же переходный процесс с обратным диодом (1N4007 ), подключенным через соленоид. Обратите внимание на различный масштаб (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 волны 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, подскакивает / подскакивает примерно до -300 В. На Рисунке 2 обратный диод был добавлен в антипараллельно с соленоидом. Вместо пикового значения -300 В обратный диод позволяет создать только приблизительно -1,4 В потенциала (-1,4 В представляет собой комбинацию прямого смещения диода 1N4007 (1,1 В) и ногу проводки разделяющей диод и соленоид). 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.

Конструкция

При использовании с катушкой постоянного тока реле обратный диод может вызвать задержанное отключение контактов при отключении питания из-за продолжающейся циркуляции тока в катушка реле и диод. Когда важно быстрое размыкание контактов, резистор или смещенный в обратном направлении стабилитрон можно установить последовательно с диодом, чтобы ускорить рассеивание энергии катушки за счет более высокого напряжения на переключателе.

Диоды Шоттки предпочтительны в обратных диодах для импульсных преобразователей мощности, потому что они имеют наименьшее прямое падение (~ 0,2 В, а не>0,7 В для малых токов) и способны быстро реагировать на обратное смещение (когда индуктор снова включается). Поэтому 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 идет течет, 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.

Аналогичным образом, 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 виде 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 следует подключать как можно ближе к катушке индуктивности физически. Этот подход также сводит к минимуму те части схемы, которые подвергаются нежелательному высокому напряжению - хорошая инженерная практика.

Вывод

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

VL = - d Φ B dt = - L d I dt {\ displaystyle V_ {L} = - {d \ Phi _ {B} \ over dt} = - L {dI \ over dt}}

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

Если нет обратного диода, а есть только что-то с большое сопротивление (например, воздух между двумя металлическими контактами), скажем, R 2, мы аппроксимируем его как:

VR 2 = R 2 ⋅ I {\ displaystyle V_ {R_ {2} } = R_ {2} \ cdot I}

V _ {{R_ {2}}} = R_ {2} \ cdot I

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

VL = VR 2 {\ displaystyle V_ {L} = V_ {R_ {2}}}

V_ {L} = V _ {{R_ {2}}}

или

- L d I dt = R 2 ⋅ I {\ displaystyle -L {dI \ over dt} = R_ {2} \ cdot I }

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

которое является дифференциальным уравнением с решением:

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

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 учитывать только L 1, R 1 и D 1. Для I>0 мы можем предположить:

VD = constant {\ displaystyle V_ {D} = \ mathrm {constant}}

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

так:

VL = VR 1 + VD {\ displaystyle V_ {L} = V_ {R_ {1}} + V_ {D}}

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

, что составляет:

- L d I dt = R 1 ⋅ I + VD {\ displaystyle -L {dI \ over dt} = R_ {1 } \ cdot I + V_ {D}}

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

, решение которого:

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

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 время I (t) = 0.

t = - LR 1 ⋅ ln (VDVD + I 0 R 1) {\ displaystyle t = {- L \ over R_ {1}} \ cdot ln {\ left ({V_ {D} \ over {V_ {D} + I_ {0} {R_ {1}}}} \ right)}}

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

Приложения

Обратные диоды обычно используются, когда индуктивные нагрузки отключаются полупроводниковыми устройствами: в драйверах реле, драйверах двигателей H-моста, и так далее. Импульсный источник питания также использует этот эффект, но энергия не рассеивается на тепло, а вместо этого используется для закачки пакета дополнительного заряда в конденсатор для подачи питания на нагрузку.

Когда индуктивная нагрузка представляет собой реле, обратный диод может заметно замедлить 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.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

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

Внешние ссылки

Технические примечания к реле - American Zettler
Замечания по применению реле - TE Connectivity
RC-цепи реле - Evox Rifa
Схемы применения миниатюрных сигнальных реле - NEC / Tokin
Время включения / выключения диода и демпфирование реле - Clifton Laboratories
"диод для шипов катушки реле и двигателя шипы отключения? " - sci.electronics.design