Diodo Flyback - Flyback diode

Diagrama de um circuito simples com uma indutância L e um de retorno de diodo D . O resistor R representa a resistência dos enrolamentos do indutor

Um diodo flyback é um diodo conectado através de um indutor usado para eliminar o flyback, que é o pico repentino de tensão visto em uma carga indutiva quando sua corrente de alimentação é repentinamente reduzida ou interrompida. É usado em circuitos nos quais as cargas indutivas são controladas por interruptores e na comutação de fontes de alimentação e inversores .

Esse diodo é conhecido por muitos outros nomes, como diodo de amortecimento , diodo de comutação , diodo de roda livre , diodo supressor , diodo de grampo ou diodo catch .

Operação

Circuitos ilustrando o uso de um diodo flyback

A Fig. 1 mostra um indutor conectado a uma bateria - uma fonte de tensão constante. O resistor representa a pequena resistência residual dos enrolamentos do fio do indutor. Quando a chave é fechada, a tensão da bateria é aplicada ao indutor, fazendo com que a corrente do terminal positivo da bateria flua para baixo através do indutor e do resistor. O aumento na corrente causa uma contra EMF (voltagem) através do indutor devido à lei de indução de Faraday que se opõe à mudança na corrente. Uma vez que a voltagem através do indutor é limitada à voltagem da bateria de 24 volts, a taxa de aumento da corrente é limitada a um valor inicial de Então a corrente através do indutor aumenta lentamente conforme a energia da bateria é armazenada no campo magnético do indutor . À medida que a corrente aumenta, mais voltagem cai no resistor e menos no indutor, até que a corrente alcance um valor constante de com toda a voltagem da bateria na resistência e nenhuma na indutância. ${\ displaystyle {dI \ over dt} = {V_ {B} \ over L}}$ ${\ displaystyle I = V_ {B} / R}$

Quando o interruptor é aberto na fig. 2 a corrente cai rapidamente. O indutor resiste à queda de corrente desenvolvendo uma grande tensão induzida de polaridade na direção oposta da bateria, positiva na extremidade inferior do indutor e negativa na extremidade superior. Este pulso de tensão, às vezes chamado de "impulso" indutivo, que pode ser muito maior do que a tensão da bateria, aparece nos contatos da chave. Isso faz com que os elétrons saltem o espaço de ar entre os contatos, fazendo com que um arco elétrico momentâneo se desenvolva através dos contatos quando a chave é aberta. O arco continua até que a energia armazenada no campo magnético do indutor seja dissipada como calor no arco. O arco pode danificar os contatos da chave, causando corrosão e queima, eventualmente destruindo-os. Se um transistor for usado para alternar a corrente, por exemplo, na troca de fontes de alimentação, a alta tensão reversa pode destruir o transistor.

Para evitar o pulso de tensão indutiva no desligamento, um diodo é conectado ao indutor, conforme mostrado na fig. 3. O diodo não conduz corrente enquanto a chave está fechada porque é polarizado reversamente pela tensão da bateria, portanto, não interfere na operação normal do circuito. No entanto, quando a chave é aberta, a tensão induzida através do indutor de polaridade oposta polariza o diodo e conduz a corrente, limitando a tensão através do indutor e, assim, evitando que o arco se forme na chave. O indutor e o diodo formam momentaneamente um loop ou circuito alimentado pela energia armazenada no indutor. Este circuito fornece um caminho de corrente para o indutor para substituir a corrente da bateria, de forma que a corrente do indutor não caia abruptamente e não desenvolva uma alta tensão. A tensão através do indutor é limitada à tensão direta do diodo, em torno de 0,7 - 1,5V. Essa corrente de "giro livre" ou "flyback" através do diodo e indutor diminui lentamente até zero à medida que a energia magnética no indutor é dissipada como calor na resistência em série dos enrolamentos. Isso pode levar alguns milissegundos em um pequeno indutor.

(esquerda) Traçado do osciloscópio mostrando pico de tensão indutiva no solenóide conectado a uma fonte de alimentação de 24 VCC. (direita) O mesmo transiente de comutação com um diodo flyback ( 1N4007 ) conectado ao solenóide. Observe a escala diferente (50 V / divisão à esquerda, 1 V / divisão à direita).

Essas imagens mostram o pico de tensão e sua eliminação por meio do uso de um diodo flyback ( 1N4007 ). O indutor, neste caso, é um solenóide conectado a uma fonte de alimentação de 24 Vcc. Cada forma de onda foi obtida usando um osciloscópio digital configurado para disparar quando a tensão no indutor caísse abaixo de zero. Observe as diferentes escalas: imagem esquerda 50V / divisão, imagem direita 1V / divisão. Na Figura 1, a tensão medida através da chave pula / pula para cerca de -300 V. Na Figura 2, um diodo flyback foi adicionado em antiparalelo com o solenóide. Em vez de aumentar para -300 V, o diodo flyback permite apenas que aproximadamente -1,4 V de potencial seja acumulado (-1,4 V é uma combinação da polarização direta do diodo 1N4007 (1,1 V) e a base da fiação que separa o diodo e o solenóide). A forma de onda na Figura 2 também é muito menos saltitante do que a forma de onda na Figura 1, talvez devido ao arco no interruptor da Figura 1. Em ambos os casos, o tempo total para o solenóide descarregar é de alguns milissegundos, embora a queda de tensão mais baixa através do diodo diminuirá a queda do relé.

Projeto

Quando usado com um relé de bobina CC , um diodo flyback pode causar queda retardada dos contatos quando a energia é removida, devido à circulação contínua de corrente na bobina e diodo do relé. Quando a abertura rápida dos contatos é importante, um resistor ou diodo Zener de polarização reversa pode ser colocado em série com o diodo para ajudar a dissipar a energia da bobina mais rapidamente, às custas de uma tensão mais alta na chave.

Os diodos Schottky são preferidos em aplicações de diodo flyback para comutação de conversores de potência, porque eles têm a queda direta mais baixa (~ 0,2 V em vez de> 0,7 V para correntes baixas) e são capazes de responder rapidamente à polarização reversa (quando o indutor está sendo reativado energizado). Portanto, eles dissipam menos energia enquanto transferem energia do indutor para um capacitor.

Indução na abertura de um contato

De acordo com a lei da indução de Faraday , se a corrente através de uma indutância muda, essa indutância induz uma voltagem, de modo que a corrente continuará fluindo enquanto houver energia no campo magnético. Se a corrente só pode fluir através do ar, a tensão é, portanto, tão alta que o ar conduz. É por isso que em circuitos comutados mecanicamente, a dissipação quase instantânea que ocorre sem um diodo flyback é freqüentemente observada como um arco através dos contatos mecânicos de abertura. A energia é dissipada neste arco principalmente como calor intenso que causa erosão prematura indesejável dos contatos. Outra forma de dissipar energia é por meio da radiação eletromagnética.

Da mesma forma, para comutação não mecânica de estado sólido (ou seja, um transistor), grandes quedas de tensão em uma chave de estado sólido não ativada podem destruir o componente em questão (instantaneamente ou por meio de desgaste e desgaste acelerado).

Alguma energia também é perdida do sistema como um todo e do arco como um amplo espectro de radiação eletromagnética, na forma de ondas de rádio e luz. Essas ondas de rádio podem causar cliques e estalos indesejáveis em receptores de rádio próximos.

Para minimizar a radiação semelhante a uma antena desta energia eletromagnética dos fios conectados ao indutor, o diodo flyback deve ser conectado o mais próximo fisicamente do indutor quanto possível. Essa abordagem também minimiza as partes do circuito que estão sujeitas a uma alta tensão indesejada - uma boa prática de engenharia.

Derivação

A tensão em um indutor é, pela lei da indução eletromagnética e a definição de indutância :

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

Se não houver um diodo flyback, mas apenas algo com uma grande resistência (como o ar entre dois contatos de metal), digamos, $R 2$ , iremos aproximar como:

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

Se abrirmos a chave e ignorarmos $V CC$ e $R 1$ , obteremos:

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

ou

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

que é uma equação diferencial com a solução:

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

Observamos que a corrente diminuirá mais rapidamente se a resistência for alta, como com o ar.

Agora, se abrirmos a chave com o diodo no lugar, precisamos apenas considerar $L 1$ , $R 1$ e $D 1$ . Para $I > 0$ , podemos assumir:

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

tão:

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

qual é:

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

cuja solução é:

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

Podemos calcular o tempo que ele precisa para desligar determinando para qual $t$ é $I (t) = 0$ .

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

Formulários

Os diodos flyback são comumente usados quando as cargas indutivas são desligadas por dispositivos semicondutores: em drivers de relé , drivers de motor H-bridge e assim por diante. Uma fonte de alimentação comutada também explora esse efeito, mas a energia não é dissipada em calor e, em vez disso, é usada para bombear um pacote de carga adicional em um capacitor, a fim de fornecer energia a uma carga.

Quando a carga indutiva é um relé, o diodo flyback pode atrasar visivelmente a liberação do relé, mantendo a corrente da bobina fluindo por mais tempo. Um resistor em série com o diodo fará com que a corrente circulante decaia mais rapidamente com a desvantagem de um aumento da tensão reversa. Um diodo zener em série, mas com polaridade reversa em relação ao diodo flyback, tem as mesmas propriedades, embora com um aumento fixo de voltagem reversa. As tensões do transistor e as classificações de potência do resistor ou diodo zener devem ser verificadas neste caso.

Veja também

Referências

Leitura adicional

Ott, Henry (1988). Técnicas de Redução de Ruído em Sistemas Eletrônicos (2ª ed.). Wiley. ISBN 978-0471850687 .

links externos

Notas técnicas do relé - American Zettler
Notas de aplicação do relé - TE Connectivity
Circuito Relé RC - Evox Rifa
Circuitos de aplicação de relés de sinal em miniatura - NEC / Tokin
Tempo para ligar / desligar o diodo e bloqueio do relé - Clifton Laboratories
"diodo para picos da bobina do relé e picos de desligamento do motor?" - sci.electronics.design

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