دیود هرزگرد چیست؟ — به زبان ساده

در این آموزش یکی از کاربردهای مهم دیودهای پیوند PN را معرفی می‌‌کنیم که به عنوان دیود هرزگرد (Freewheel Diode) یا دیود فلای‌بک یا بازگشتی (Flyback Diode) شناخته می‌شود. دیود هرزگرد دیودی است که به ترمینال‌های یک بار القایی یا سلفی متصل می‌شود تا از ولتاژ‌ بالای لحظه کلیدزنی جلوگیری کند.

بارهای القایی سوئیچینگ مانند موتورها، رله‌ها، ترانسفورماتورها (در منابع تغذیه سوئیچینگ)، سلونوئیدها و... یک عمل بسیار رایج است. هنگام طراحی مدارهای سوئیچینگ برای چنین بارهای القایی، باید توجه ویژه‌ای به ضربات پالسی ولتاژ داشته باشیم که به عنوان بازگشت یا فلای‌بک القایی (Inductive Flyback) نیز شناخته می‌شوند.

بدون داشتن یک مدار حفاظتی تعبیه شده در طراحی مدار، سوئیچ‌ها (چه مکانیکی و چه نیمه‌هادی) آسیب جدی خواهند دید و ممکن است مدار عملکرد خود را از دست بدهد. قبل از آشنایی با مفهوم بازگشت یا فلای‌بک القایی و دیود فلای‌بک یا همان دیود هرزگرد اندکی درباره چگونگی عملکرد دیود توضیح می‌دهیم.

دیود چگونه کار می‌کند؟

می‌دانیم که یک دیود قطعه‌ای نیمه‌هادی است که جریان بسیار کمی (معمولاً برحسب میلی‌آمپر) از آن می‌گذرد و دیود اساساً به عنوان یک سوئیچ یا کلید باز عمل می‌کند.

بارهای القایی در مدارهای DC

وقتی جریان از یک حلقه سیم رسانا عبور کند، یک میدان مغناطیسی در اطراف آن تولید می‌شود. این حلقه رسانا القاگر نامیده می‌شود.

در حقیقت، وقتی با الکترونیک و مدارها سر و کار داریم، حتی یک قطعه کوچک سیم یا مسیر روی PCB را می‌توان به عنوان یک القاگر (یا قطعه القایی) در نظر گرفت، زیرا اندوکتانس دارد؛ یعنی دارای این قابلیت است که انرژی را به فرم میدان مغناطیسی در خود ذخیره کند.

فیلم آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک و شبیه سازی در پروتئوس و اورکد Proteus و OrCAD در فرادرس

کلیک کنید

همان‌طور که قبلاً گفتیم، برخی قطعات شناخته شده که القاگر دارند (و با نام بارهای القایی شناخته می‌شوند)، موتورها، رله‌های الکترومغناطیسی، ترانسفورماتورها و... هستند.

مدار شکل زیر یک سلف ساده را نشان می‌دهد که به یک منبع توان DC با یک سوئیچ (کلید) متصل شده است.

وقتی کلید بسته است، سلف میدان مغناطیسی تشکیل داده و کاملاً انرژ‌ی‌دار می‌شود و جریان از ترمینال مثبت منبع توان خارج شده و از سلف می‌گذرد؛ یعنی سلف با عبور جریان مخالفت می‌کند، در حالی که انرژی‌اش افزایش می‌یابد.

اکنون اگر کلید را باز کنیم، گذر جریان با وقفه روبه‌رو می‌شود و میدان مغناطیسی شروع به کاهش می‌کند. طبق قانون لنز، میدان مغناطیسیِ در حال کاهش جریانی را در مدار القا می‌کند که جهت آن عکس است. در نتیجه، یک پتانسیل منفی روی سلف ایجاد می‌شود که قبلاً به دلیل عبور جریان مستقیم مثبت بود. این اتفاق نیروی ضد محرکه الکتریکی (Back EMF) یا ولتاژ بازگشتی (Flyback Voltage) نامیده می‌شود.

اکنون به دلیل ولتاژ بازگشتی، سلف اساساً یک منبع توان خواهد شد که پتانسیل آن از خود منبع توان هم بسیار بزرگ‌تر است. برای یک منبع توان 12 ولت DC، ضربه ولتاژ بازگشتی تا چند صد ولت نیز می‌رسد. این حمله یا ضربه ولتاژ بزرگ را می‌توان با استفاده از معادله زیر تعیین کرد:

$$\large V = L di/dt$$

که در آن، $$V$$ ولتاژ دو سر سلف، $$L$$ اندوکتانس و $$di/dt$$ نرخ تغییر جریان است.

این بدین معنی است که هرچه تغییر جریان گذرنده از سلف سریع‌تر باشد، ضربه ولتاژ‌ بزرگ‌تر خواهد بود.

ولتاژ‌ فلای‌بک

ولتاژ فلای‌بک یا فلای‌بک القایی یک ضربه ولتاژ است که وقتی منبع تغذیه به صورت ناگهانی قطع شود ایجاد می‌شود. دلیل ایجاد این ضربه ولتاژ این واقعیت است که یک تغییر ناگهانی لحظه‌ای در جریان گذرنده از سلف رخ می‌دهد. ثابت زمانی سلف سرعتی را تعیین می‌کند که جریان می‌تواند در یک سلف تغییر کند. این مورد شبیه ثابت زمانی یک خازن است که نرخ تغییر ولتاژ را نشان می‌دهد.

فیلم آموزش الکترونیک 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

ثابت زمانی یک سلف $$T = L / R$$ است که در آن، $$L$$ اندوکتانس برحسب هانری و $$R$$ مقاومت سری برحسب اهم است. مشابه یک خازن، تقریباً پنج ثابت زمانی طول می‌کشد تا جریان یک سلف به مقداری نزیک به صفر برسد.

فرض کنید در مدار بالا اندازه سلف 10 میلی‌هانری و مقاومت سری 10 اهم است. بنابراین، وقتی کلید بسته می‌شود، حداکثر جریان از سلف عبور خواهد کرد.

اکنون، می‌خواهیم ببینیم که اگر کلید به طور ناگهانی باز شود، چه اتفاقی رخ خواهد داد.

ابتدا ثابت زمانی را محاسبه می‌کنیم. با استفاده از فرمول ثابت زمانی و جایگذاری مقادیر مفروض بالا در آن، مقدار ثابت زمانی ۱ ثانیه به دست می‌آید. بنابراین، از لحظه باز شدن کلید تقریباً ۵ ثانیه طول می‌کشد که جریان گذرنده از سلف متوقف شود. این بدین معنی است که جریان عبوری از مدار، حتی بعد از باز شدن کلید برقرار است (فرض می‌کنیم باز شدن کلید چند میلی‌ثانیه طول بکشد). اما چگونه ممکن است چنین چیزی رخ دهد؟

پاسخ این پرسش از دیدگاه سلف قابل ارائه است. فاصله اتصالات کلید که اساساً هوا است، از دیدگاه سلف به عنوان یک مقاومت بسیار بزرگ در نظر گرفته می‌شود که در حدود چند مگااهم است. مفهوم این گفته آن است که از دید سلف، یک مقاومت در فاصله هوایی وجود دارد و مدار هنوز بسته است.

اکنون که مدار بسته است، سلف تلاش خواهد کرد جریان خود را به صفر برساند و برای این کار، ولتاژ دو سر مقاومت فاصله هوایی را با معکوس کردن پلاریته با استفاده از انرژی ذخیره شده به فرم میدان مغناطیسی کاهش می‌دهد.

سلف تلاش می‌کند جریانش طبق منحنی کاهش گذر جریان باشد. طبق قانون اهم ($$V = I \times R$$)، این مسئله مشکل‌زا خواهد بود. حتی برای مقادیر کوچک، وقتی جریان را در مقاومت بسیار بزرگ فاصله هوایی (چند صد اهم) ضرب کنیم، منجر به یک ولتاژ بسیار بزرگ در مقاومت فاصله هوایی خواهد شد. این ولتاژ بزرگ همان خاستگاه ولتاژ فلای‌بک یا ولتاژ ضربه‌ای است.

اثر ولتاژ بازگشتی بر کلید‌ها

از آنجایی که هنگام باز شدن کلید مقاومت فیزیکی وجود ندارد، اگر از یک کلید مکانیکی استفاده کنیم، ضربه/آرک بین کلید و ترمینال دیگر رخ خواهد داد. همه انرژی آرک معمولاً به صورت گرما در کنتاکت‌های کلید تخلیه می‌شود. این امر می‌تواند منجر به آسسیب‌دیدگی دائمی کلید‌ها یا کاهش چشم‌گیر طول عمر آن‌ها شود. دقت کنید که وقتی از واژه کلید یا سوئیچ استفاده می‌کنیم، منظورمان انواع مکانیکی یا نیمه‌هادی آن‌ها مانند ترانزیستورها است.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

دیود هرزگرد

برای جلوگیری از آسیب‌دیدگی کلید به دلیل ضربات ولتاژ یا بازگشت القایی، از یک دیود هرزگرد (Freewheel Diode) یا دیود فلای‌بک (Flyback Diode) استفاده می‌شود. دلیل اصلی استفاده از دیود فلا‌ی‌بک ایجاد یک مسیر جایگزین برای عبور جریان سلف است.

شکل بالا همان مدار سلف را نشان می‌دهد که یک دیود هرزگرد به آن افزوده شده است. لازم به ذکر است که وقتی کلید بسته است، دیود بایاس معکوس می‌شود. در نتیجه، وقتی کلید بسته باشد، دیود تأثیری بر عملکرد بخش‌های دیگر مدار ندارد و حداکثر جریان از سلف عبور خواهد کرد.

اما وقتی کلید باز شود، تغییر پلاریته سلف سبب می‌شود دیود بایاس مستقیم گردد. بنابراین، دیود اجازه عبور جریان را با سرعتی که توسط ثابت زمانی تعیین می‌شود خواهد داد. وقتی دیود بایاس مستقیم شود، مقاومت آن بسیار کمتر شده و در نتیجه، افت ولتاژ دو سر دیود برای عبور جریان بسیار کم خواهد بود. این موضوع از آرک زدن و در نتیجه آسیب دیدن قطعه سوئیچینگ جلوگیری می‌کند.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• تقویت کننده های الکترونیکی — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس
• تقویت کننده امیتر مشترک (Common Emitter Amplifier) – مفاهیم پایه

^^