フライバックダイオード

フライバック ダイオードは、インダクタに接続されるダイオードで、フライバックを除去するために使用されます。フライバックとは、誘導負荷の供給電流が突然減少または中断されたときに誘導負荷に発生する突然の電圧スパイクです。これは、誘導負荷がスイッチによって制御される回路や、スイッチング電源およびインバータで使用されます。

フライバック回路は1930年代から使用されており、1950年代からテレビ受信機用に改良されました。フライバックという言葉は、ブラウン管内の電子ビームの水平方向の動きに由来しており、ビームが戻って次の水平線を開始するためです。^{[1] [2]}

このダイオードは、スナバダイオード、整流ダイオード、フリーホイールダイオード、フライホイールダイオード、サプレッサーダイオード、クランプダイオード、キャッチダイオードなど、さまざまな名前で知られています。 ^{[3] [4]}

図 1 は、定電圧源であるバッテリーに接続されたインダクタを示しています。抵抗器は、インダクタのワイヤ巻線の小さな静的抵抗を表します。スイッチが閉じられると、バッテリーからの電圧がインダクタに適用され、バッテリーのプラス端子からの電流がインダクタと抵抗器を通って流れます。^{[5] [6]}電流が増加すると、電流の変化に反対するファラデーの電磁誘導の法則により、インダクタの両端に逆起電力(電圧) が発生します。インダクタの両端の電圧はバッテリーの電圧 24 ボルトに制限されるため、電流の増加率は初期値に制限され、バッテリーからのエネルギーがインダクタの磁場に蓄えられるにつれて、インダクタを流れる電流はゆっくりと増加します。電流が増加すると、抵抗器の両端の電圧降下が大きく、インダクタの両端の電圧降下は小さくなり、電流が一定値の に達し、バッテリー電圧がすべて抵抗器の両端にかかり、インダクタンスの両端にはかからない状態になります。 ${\displaystyle {dI \over dt}={V_{B} \over L},}$${\displaystyle I=V_{B}/R}$

しかし、図 2 でスイッチが開くと、電流は急速に低下します。インダクタは、バッテリの反対方向に非常に大きな誘導電圧を発生させることで、電流の低下に抵抗します。この極性は、インダクタの下端でプラス、上端でマイナスです。^{[5] [3] [6]}この電圧パルスは、誘導「キック」と呼ばれることもあり、バッテリ電圧よりもはるかに大きくなる可能性があり、スイッチ接点に現れます。これにより、電子が接点間の空隙を飛び越え、スイッチが開くと接点全体に瞬間的な電気アークが発生します。アークは、インダクタの磁場に蓄積されたエネルギーがアークの熱として消散するまで続きます。アークはスイッチ接点を損傷し、穴あきや燃焼を引き起こし、最終的にはスイッチ接点を破壊する可能性があります。スイッチング電源などのトランジスタを使用して電流を切り替える場合、高い逆電圧によってトランジスタが破壊される可能性があります。

ターンオフ時の誘導電圧パルスを防止するために、図3に示すように、インダクタの両端にダイオードが接続されています。^{[5] [3] [6]}ダイオードは、バッテリー電圧によって逆バイアスされているため、スイッチが閉じている間は電流を流さず、回路の通常の動作を妨げません。ただし、スイッチが開くと、インダクタの両端の逆極性の誘導電圧がダイオードを順方向にバイアスし、ダイオードが電流を流してインダクタの両端の電圧を制限し、スイッチでアークが発生するのを防ぎます。 インダクタとダイオードは、インダクタに蓄積されたエネルギーによって電力が供給されるループまたは回路を瞬間的に形成します。この回路は、バッテリーからの電流を置き換える電流経路をインダクタに供給するため、インダクタ電流が急激に低下したり、高電圧が発生したりすることはありません。インダクタの両端の電圧は、ダイオードの順方向電圧、約0.7〜1.5Vに制限されます。ダイオードとインダクタを流れるこの「フリーホイール」または「フライバック」電流は、インダクタ内の磁気エネルギーが巻線の直列抵抗で熱として消散するにつれて、ゆっくりとゼロまで減少します。小型のインダクタでは、この処理に数ミリ秒かかる場合があります。

これらの画像は、電圧スパイクと、フライバック ダイオード ( 1N4007 ) の使用によるその除去を示しています。この場合、インダクタは 24V DC 電源に接続されたソレノイドです。各波形は、インダクタの両端の電圧がゼロ以下に下がったときにトリガーするように設定されたデジタル オシロスコープを使用して取得されました。 異なるスケールに注意してください。 左の画像は 50V/div、右の画像は 1V/div です。図 1 では、スイッチの両端で測定された電圧が約 -300 V まで跳ね上がり/スパイクしています。図 2 では、フライバック ダイオードがソレノイドと逆並列に追加されています。フライバック ダイオードは、-300 V までスパイクする代わりに、約 -1.4 V の電位しか発生させません (-1.4 V は、1N4007ダイオードの順方向バイアス (1.1 V) と、ダイオードとソレノイドを分離する配線の足元^{[疑わしい–議論]}を組み合わせたものです)。図 2 の波形も図 1 の波形よりも滑らかになっていますが、これはおそらく図 1 のスイッチでのアーク放電によるものと思われます。どちらの場合も、ソレノイドが放電するのにかかる合計時間は数ミリ秒ですが、ダイオードの電圧降下が低いため、リレーのドロップアウトが遅くなります。

DC コイルリレーで使用する場合、フライバック ダイオードは、リレー コイルとダイオード内で電流が継続的に循環するため、電源が切断されたときに接点のドロップアウトが遅れることがあります。接点を迅速に開くことが重要である場合は、抵抗器または逆バイアス ツェナーダイオードをダイオードと直列に配置して、スイッチの電圧が高くなりますが、コイルのエネルギーをより速く消散させることができます。

ショットキー ダイオードは、順方向電圧降下が最も低く (低電流の場合、>0.7 V ではなく ~0.2 V)、逆バイアスにすばやく応答できるため、スイッチング電力コンバータのフライバック ダイオード アプリケーションに適しています (インダクタが再通電されている場合)。そのため、インダクタからコンデンサにエネルギーを転送する際のエネルギー消費が少なくなります。

ファラデーの電磁誘導の法則によれば、インダクタンスを流れる電流が変化すると、このインダクタンスによって電圧が誘導されるため、磁場にエネルギーがある限り電流が流れます。電流が空気中のみを流れる場合、電圧が非常に高いため空気が伝導します。そのため、機械的にスイッチされる回路では、フライバック ダイオードがない場合に発生するほぼ瞬間的な消散が、開いている機械的接点を横切るアークとして観察されることがよくあります。このアークでは、主に高熱としてエネルギーが消散し、接点の望ましくない早期の腐食を引き起こします。エネルギーを消散させるもう 1 つの方法は、電磁放射です。

同様に、非機械的なソリッドステート スイッチング (トランジスタなど) の場合、アクティブ化されていないソリッドステート スイッチでの大きな電圧降下により、問題のコンポーネントが破壊される可能性があります (瞬時に、または加速された摩耗によって)。

システム全体から、またアークから、電波や光の形で広範囲の電磁放射としていくらかのエネルギーが失われます。これらの電波は、近くの無線受信機に望ましくないクリック音やポップ音を引き起こす可能性があります。

インダクタに接続された配線からのこの電磁エネルギーのアンテナのような放射を最小限に抑えるには、フライバック ダイオードをインダクタに物理的に可能な限り近づけて接続する必要があります。このアプローチにより、不要な高電圧の影響を受ける回路部分も最小限に抑えられます。これは優れたエンジニアリング手法です。

電磁誘導の法則とインダクタンスの定義により、インダクタの電圧は次のようになります。

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

フライバックダイオードがなく、大きな抵抗（2つの金属接点間の空気など）（R ₂など）だけがある場合は、次のように近似します。

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

スイッチを開いてV _CCとR _{1 を}無視すると、次のようになります。

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

または

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

これは次のような解を持つ 微分方程式です。

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

空気などの抵抗が大きい場合、電流はより速く減少することが観察されます。

ここで、ダイオードを取り付けた状態でスイッチを開くと、L ₁、R ₁、D ₁のみを考慮する必要があります。I > 0の場合、次のように仮定できます。

${\displaystyle V_{D}=\mathrm {定数} }$

それで：

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

つまり:

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

その（一次微分方程式の）解は次のようになります。

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

どのtでI ( t ) = 0であるかを判断することで、電源をオフにするのに必要な時間を計算できます。

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

V _CC = I ₀ R ₁の場合、

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

フライバック ダイオードは、半導体デバイスが誘導負荷をオフにするときによく使用されます (リレードライバー、H ブリッジモーター ドライバーなど)。スイッチング モード電源もこの効果を利用しますが、エネルギーは熱として消費されず、代わりに負荷に電力を供給するために、コンデンサに追加の電荷パケットを送り込むために使用されます。

誘導負荷がリレーの場合、フライバック ダイオードはコイル電流を長く流し続けることでリレーのリリースを著しく遅らせることができます。ダイオードと直列に抵抗器を接続すると、循環電流の減衰が速くなりますが、逆電圧が増加するという欠点があります。フライバック ダイオードと逆極性の直列ツェナー ダイオードは、逆電圧の増加は固定ですが、同じ特性を持ちます。この場合、トランジスタ電圧と抵抗器またはツェナー ダイオードの電力定格の両方を確認する必要があります。

• 1N400x汎用ダイオード
• 1N4148 信号ダイオード
• 1N58xx ショットキーダイオード
• レンツの法則

• オット、ヘンリー（1988年）。電子システムにおけるノイズ低減技術（第2版）。Wiley。ISBN 978-0471850687。

• リレー技術ノート - American Zettler
• リレー アプリケーション ノート - TE Con​​nectivity
• リレー RC 回路 - Evox Rifa
• ミニチュア信号リレーの応用回路 Archived 2016-10-02 at the Wayback Machine - NEC/Tokin
• ダイオードのターンオン/オフ時間とリレースナビング - Clifton Laboratories
• 「リレーコイルスパイクとモーターシャットオフスパイク用のダイオード？」 - sci.electronics.design
• フライバック スイッチ モード レギュレータ計算機 - All About Circuits