Обратный диод

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален.
Найти источники: «Обратный диод» - новости · газеты · книги · ученый · JSTOR ( октябрь 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Схема простой цепи с индуктивностью L и обратный ходом диода D . Резистор R представляет собой сопротивление обмоток индуктора.

Обратный ход диод представляет собой диод подключен параллельно к катушке индуктивности , используемой для устранения обратного хода, который является внезапным всплеск напряжения виден поперек индуктивной нагрузки , когда ее подача ток внезапно уменьшаются 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 демпфирующий диод , коммутирующий диод , диод свободного хода , подавляющий диод , фиксирующий диод или задерживающий диод . ^[1]^[2]

Операция [ править ]

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 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 ${\ displaystyle {dI \ over dt} = {V_ {B} \ over L}}$ 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 со всем напряжением батареи на сопротивлении, а не на индуктивности. ${\ displaystyle I = V_ {B} / R}$

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 мгновенную электрическую дугу.развиваться 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, 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. ^[3]^[1]^[4] Диод не проводит ток, пока переключатель замкнут, потому что он смещен в обратном направлении из- за напряжения батареи, поэтому он не мешает нормальной работе схемы. Однако, когда переключатель разомкнут, индуцированное напряжение на катушке индуктивности противоположной полярности смещается в прямом направлении.диод, и он проводит ток, ограничивая напряжение на катушке индуктивности и тем самым предотвращая образование дуги на переключателе. Индуктор 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 всплеск 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 различное масштабирование (50 В / деление слева, 1 В / деление справа).

На этих изображениях показан 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, подскакивает / колеблется примерно до -300 В. На Рисунке 2 обратный диод был добавлен антипараллельно соленоиду. Вместо пикового значения -300 В обратный диод позволяет создать только приблизительно -1,4 В потенциала (-1,4 В представляет собой комбинацию прямого смещения 1N4007диод (1,1 В) и ножка проводки, разделяющей диод и соленоид ^{[ сомнительно - 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 [ править ]

При использовании с реле с катушкой постоянного тока 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 стабилитрон с обратным смещением можно подключить последовательно с диодом, чтобы помочь быстрее рассеивать энергию катушки за счет более высокого напряжения на переключателе.

Диоды Шоттки предпочтительнее использовать в обратных диодах для импульсных преобразователей мощности, потому что они имеют самое низкое прямое падение (~ 0,2 В, а не> 0,7 В для малых токов) и способны быстро реагировать на обратное смещение (когда катушка индуктивности переключается). под напряжением). Поэтому они рассеивают меньше энергии при передаче энергии от катушки индуктивности к конденсатору.

Индукция при открытии контакта [ править ]

Согласно закону 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.

Аналогичным образом, для немеханического твердотельного переключения (например, 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. Такой подход также сводит к минимуму те части схемы, которые подвержены нежелательному высокому напряжению - хорошая инженерная практика.

Вывод [ править ]

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

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

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

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

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

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

или же

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

которое является дифференциальным уравнением 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 рассмотреть только $L 1$ , $R 1$ и $D 1$ . При $I > 0$ можно считать:

{\ Displaystyle V_ {D} = \ mathrm {константа}}

так:

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

который:

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

чье решение:

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 $t$ это значение $I (t) = 0$ .

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

Приложения [ править ]

Обратные диоды обычно используются при отключении индуктивных нагрузок полупроводниковыми устройствами: в драйверах реле, драйверах двигателей с Н-мостом и т. Д. Импульсный источник питания также использует этот эффект, но энергия не рассеивается в тепло , а вместо этого используется , чтобы накачать пакет дополнительного заряда в конденсатор, чтобы к источнику питания на нагрузку.

Когда индуктивная нагрузка представляет собой реле, обратный диод может заметно задержать срабатывание реле, удерживая ток катушки, протекающий 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 [ править ]

1N400x диоды общего назначения
Сигнальный диод 1N4148
1N58xx диоды Шоттки
Закон Ленца

Ссылки [ править ]

^ a b c Уилчер, Дон (2012). Изучите электронику с Arduino . Апресс. С. 74–75. ISBN 978-1430242673. Проверено 14 мая 2020 .
^ Агарвал, Тарун (2016-08-26). «Работа диодов с обратным ходом или обратного хода и их функции» . ЭЛПРОКУС . Проверено 21 мая 2018 .
^ a b c Херрик, Роберт Дж. (2003). Цепи постоянного / переменного тока и электроника: принципы и применение . Cengage Learning. С. 879–881. ISBN 0766820831.
^ a b c Джейкоб, Дж. (2001). Силовая электроника: принципы и применение . Cengage Learning. С. 292–294. ISBN 0766823326.

Дальнейшее чтение [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

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

[Wilcher-1] Уилчер, Дон (2012). Изучите электронику с Arduino . Апресс. С. 74–75. ISBN 978-1430242673. Проверено 14 мая 2020 .

[2] Агарвал, Тарун (2016-08-26). «Работа диодов с обратным ходом или обратного хода и их функции» . ЭЛПРОКУС . Проверено 21 мая 2018 .

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

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

[1]