什么是反激二极管?

在本教程中，我们将了解一个PN结二极管作为反激二极管或自由滚轮二极管的主要应用之一。二极管的应用也可以称为抑制二极管，缓冲二极管，回激二极管，钳位二极管等。

需要注意的一点是，本教程是用直流电路解释的。在交流电路中，有一种特殊的电路叫做缓冲电路(由一个电容和一个电阻组成)，通常用于相同的目的。

介绍

开关感应负载，如电机，继电器，变压器(在SMPS)，螺线管等是一个非常普遍的应用。当为这种感应负载设计开关电路时，你需要特别注意高压尖峰或也称为电感反激。

如果在电路设计中没有嵌入适当的电路保护，开关(无论是机械开关还是半导体开关)将会严重损坏，并可能导致电路故障。在了解什么是电感反激，如何反激二极管的工作和其他相关方面，首先让我们简单地看一下二极管的工作。

二极管是如何工作的?

我们知道二极管是一种半导体开关，即不需要任何机械运动来改变其状态的开关。当二极管正向偏置且电压大于阈值电压时，二极管充当闭合开关，大电流沿正向流动，即阳极到阴极。

当二极管反向偏置时，非常小的电流(通常在μ A中)流动，二极管本质上充当开路开关。

记住这一点，让我们继续讨论感性负载和高压尖峰。

直流电路中的电感负载

当电流通过一个导电线圈时，线圈周围就会产生磁场。这个导电回路被称为电感器。

事实上，在电子和电路中，即使是PCB上的一小段电线或痕迹也可以被认为是电感器(或电感元件)，因为它具有电感，即能够以电磁场的形式存储能量。

如前所述，一些常见的带有电感器的设备(也称为感应负载)有电动机、螺线管、电磁继电器、变压器等。

下面的电路显示了一个简单的电感连接到一个直流电源开关。

当开关关闭时，感应器就会形成磁场并完全通电。电流从电源的正端通过电感器流到负端，即电感器抑制电流在电路中流动，而它建立的能量。

如果现在打开开关，则电流流程中断，磁场开始折叠。根据Lenz的定律，折叠磁场在电路中引起电流，但朝着相反的方向。

结果，在电感上产生一个负电位，因为电流的正向流动曾经有一个正电位。这通常被称为反电动势或反电动势或反激电压。

现在，由于反激电压，电感本质上成为了一个功率源，具有比实际电源本身更大的潜力。对于一个12V直流电源，反激电压尖峰可以是几百伏特。高压尖峰由下面的方程确定。

V = L di/dt，其中

• V是通过电感器的电压
• L是电感
• Di /dt是电流的变化率

这意味着通过电感器的电流变化越快，电压尖峰就越高。

反激电压及其起源

反激电压或电感式反激电压是当电感器的电源突然被移除时产生的电压尖峰。这个电压尖峰的原因是，不可能有一个瞬间变化的电流流过电感器。

电感器的时间常数决定了电流通过电感器的变化速率。这类似于电容器的时间常数，它决定了它的电压可以改变的速率。

电感器τ = L/R的时间常数，其中L为电感(Henries)， R为串联电阻(Ohms)。

与电容器类似，它需要近5个时间常数(5τ)来消散电感器中的电流。

假设，在上述电路中，电感为10H，串联电阻为10Ω。因此，当开关关闭时，最大电流流过电感器。

现在，让我们看看当开关突然打开时会发生什么。

首先，让我们计算时间常数。利用时间常数公式，代入上述假设值，可以清楚地看出时间常数为1秒。

因此，从开关打开的那一刻起，大约需要5秒，才能完全停止电流的流动。这意味着即使在开关断开后，电流仍在电路中流动(假设完全断开开关需要几毫秒)。这怎么可能呢?

这可以从电感器的角度理解。开关间隙，本质上是空气，被电感视为一个巨大的电阻，电阻是在几个兆欧姆的顺序。这意味着电路仍然是关闭的，从电感的观点，一个巨大的电阻填充在空气间隙。

现在是确认电路仍然关闭,电感会消散当前为了这样做,感应器将电压下降气隙电阻通过逆转其极性使用能源的形式存储在它的磁场。

现在，电感试图流过电流，根据它的电流耗散曲线。根据欧姆定律V = ixr，这可能会有问题。

即使是一个小电流，当它乘以巨大的空气电阻(几百兆欧姆)将导致一个非常高的电压通过空气电阻。这是反激电压或尖峰电压的来源。

反激电压对开关的影响

由于开关打开时没有物理电阻，如果使用机械开关，开关与另一端之间会产生火花/电弧。来自电弧的所有能量通常以热的形式通过开关的触点释放出来。

这可能会潜在地永久损坏开关或大幅减少开关的寿命。当谈到开关时，它们可以是机械开关或半导体开关如晶体管。

反激二极管如何防止电压尖峰?

为了保护开关不因电压尖峰或电感反激而损坏，使用反激二极管或自由滚轮二极管。使用反激二极管背后的基本想法是为电感电流流动提供一个替代路径。

上图显示了相同的电感电路，但附加了一个反激二极管。重要的是要注意，当开关闭合时二极管是反向偏置连接的。

因此，当开关闭合，最大电流流过电感器时，二极管不会影响其余电路的工作。

但当开关打开时，电感极性的改变将使二极管处于正偏置。因此，二极管将允许电流以由电感的时间常数决定的速率流动。

当二极管正向偏置时，它的电阻非常小，因此流过二极管的电压降对于电流来说会显著地小。这样可以防止开关装置处产生电弧，从而保护开关装置不受损坏。