플라이백 다이오드

frame|유도자 L과 플라이백 다이오드 D가 있는 간단한 회로도. 저항 R은 유도자 권선의 저항을 나타낸다.

플라이백 다이오드(), 또는 자유 진동 다이오드()는 전류 공급이 갑자기 감소하거나 중단될 때 유도성 부하에 발생하는 갑작스러운 전압 스파이크인 플라이백을 제거하는 데 사용되는 유도자에 걸쳐 연결된 다이오드이다. 이 다이오드는 유도성 부하가 개폐기로 제어되는 회로, 스위칭 전원 공급 장치 및 인버터에 사용된다.

플라이백 회로는 1930년부터 사용되었으며 1950년부터 텔레비전 수신기에 사용하기 위해 정교하게 개선되었다. 플라이백이라는 단어는 브라운관에서 전자빔의 수평 이동에서 유래했다. 빔이 다음 수평선을 시작하기 위해 되돌아갔기 때문이다.

이 다이오드는 스너버 다이오드, 정류 다이오드, 자유 진동 다이오드, 서프레서 다이오드, 클램프 다이오드 또는 캐치 다이오드와 같이 여러 다른 이름으로 알려져 있다.

 작동 원리 
right|600px|플라이백 다이오드 사용을 보여주는 회로

그림 1은 배터리(일정한 전압원)에 연결된 유도자를 보여준다. 저항은 유도자 와이어 권선의 작은 정적 저항을 나타낸다. 스위치가 닫히면 배터리의 전압이 유도자에 인가되어 배터리의 양극 단자에서 유도자와 저항을 통해 전류가 흐르게 된다. 전류 증가는 패러데이 전자기 유도 법칙으로 인해 전류 변화에 반대하는 역기전력(전압)을 유도자에 생성한다. 유도자에 걸리는 전압은 배터리의 전압인 24볼트로 제한되므로 전류 증가율은 초기 값 로 제한된다. 따라서 배터리 에너지가 유도자의 자기장에 저장됨에 따라 유도자를 통한 전류는 천천히 증가한다. 전류가 증가함에 따라 저항에 더 많은 전압이 강하되고 유도자에 더 적은 전압이 강하되며, 전류는 의 안정적인 값에 도달하여 모든 배터리 전압이 저항에 걸리고 유도자에는 전압이 걸리지 않는다.

그러나 그림 2에서 스위치가 열리면 전류는 빠르게 떨어진다. 유도자는 배터리와 반대 방향의 극성을 가진 매우 큰 유도 전압을 발생시켜 전류 감소에 저항하며, 유도자의 아래쪽 끝은 양극이고 위쪽 끝은 음극이다. 때때로 유도성 "킥"이라고 불리는 이 전압 펄스는 배터리 전압보다 훨씬 클 수 있으며 스위치 접점에 나타난다. 이는 전자가 접점 사이의 공기 틈을 뛰어넘어 스위치가 열릴 때 접점 사이에 순간적인 아크 방전이 발생하게 한다. 아크는 유도자의 자기장에 저장된 에너지가 아크에서 열로 소산될 때까지 계속된다. 아크는 스위치 접점을 손상시켜 구멍과 화상을 유발하고 결국 파괴할 수 있다. 스위치 모드 전원 공급 장치와 같이 전류를 스위칭하는 데 트랜지스터가 사용되는 경우 높은 역전압은 트랜지스터를 파괴할 수 있다.

차단 시 유도성 전압 펄스를 방지하기 위해 그림 3에 표시된 것처럼 다이오드가 유도자에 연결된다. 다이오드는 스위치가 닫혀 있는 동안 배터리 전압에 의해 역방향 바이어스되므로 전류를 통전하지 않아 회로의 정상 작동을 방해하지 않는다. 그러나 스위치가 열리면 유도자에 걸리는 반대 극성의 유도 전압이 다이오드를 순방향 바이어스시켜 전류를 통전하고 유도자에 걸리는 전압을 제한하여 스위치에 아크가 형성되는 것을 방지한다. 유도자와 다이오드는 유도자에 저장된 에너지에 의해 구동되는 루프 또는 회로를 일시적으로 형성한다. 이 회로는 배터리에서 오는 전류를 대체할 전류 경로를 유도자에 공급하므로 유도자 전류가 갑자기 떨어지지 않고 높은 전압을 발생시키지 않는다. 유도자에 걸리는 전압은 다이오드의 순방향 전압인 약 0.7~1.5V로 제한된다. 다이오드와 유도자를 통한 이 "자유 진동" 또는 "플라이백" 전류는 유도자의 자기 에너지가 권선의 직렬 저항에서 열로 소산됨에 따라 천천히 0으로 감소한다. 이는 작은 유도자에서 몇 밀리초가 걸릴 수 있다.

이 이미지들은 플라이백 다이오드(1N4007)를 사용하여 전압 스파이크와 그 제거를 보여준다. 이 경우 유도자는 24V DC 전원 공급 장치에 연결된 솔레노이드이다. 각 파형은 유도자에 걸리는 전압이 0 아래로 떨어질 때 트리거되도록 설정된 디지털 오실로스코프를 사용하여 측정되었다. 다른 스케일에 유의: 왼쪽 이미지 50V/division, 오른쪽 이미지 1V/division. 그림 1에서는 스위치에 걸리는 전압이 약 -300V로 튀어오르거나 스파이크를 발생시킨다. 그림 2에서는 솔레노이드와 역병렬로 플라이백 다이오드가 추가되었다. -300V로 스파이크를 발생시키는 대신, 플라이백 다이오드는 약 -1.4V의 전위만 형성되도록 허용한다 ( -1.4V는 1N4007 다이오드의 순방향 바이어스 (1.1V)와 다이오드와 솔레노이드를 분리하는 배선의 발자국 (foot)의 조합이다). 그림 2의 파형은 그림 1의 파형보다 더 부드러운데, 이는 그림 1에서 스위치에 아크가 발생했기 때문일 수 있다. 두 경우 모두 솔레노이드가 방전되는 총 시간은 몇 밀리초이지만, 다이오드에 걸리는 더 낮은 전압 강하는 계전기 드롭아웃을 늦출 것이다.

 설계 
DC 코일 전자계전기와 함께 사용할 때, 플라이백 다이오드는 계전기 코일과 다이오드에 전류가 계속 흐르기 때문에 전원이 제거될 때 접점의 지연된 이탈을 유발할 수 있다. 접점의 빠른 개방이 중요한 경우, 다이오드와 직렬로 저항 또는 역바이어스 제너 다이오드를 배치하여 코일 에너지를 더 빨리 소산시키는 데 도움이 될 수 있지만, 스위치에서 더 높은 전압이 발생할 수 있다.

쇼트키 다이오드는 스위칭 전력 변환기에서 플라이백 다이오드 애플리케이션에 선호된다. 왜냐하면 순방향 전압 강하가 가장 낮고(저전류의 경우 0.7V 이상이 아닌 약 0.2V) 역바이어스에 빠르게 반응할 수 있기 때문이다(유도자가 다시 에너지를 공급받을 때). 따라서 유도자에서 커패시터로 에너지를 전달하는 동안 더 적은 에너지를 소산한다.

 접점 개방 시 유도 
패러데이 전자기 유도 법칙에 따르면, 유도자를 통해 흐르는 전류가 변하면 이 유도자는 전압을 유도하여 자기장에 에너지가 있는 한 전류가 흐르게 된다. 전류가 공기를 통해서만 흐를 수 있다면 전압이 너무 높아서 공기가 전도된다. 이것이 기계적으로 스위칭되는 회로에서 플라이백 다이오드 없이 발생하는 거의 순간적인 소산이 종종 개방되는 기계적 접점 전체에 걸친 아크로 관찰되는 이유이다. 에너지는 이 아크에서 주로 강렬한 열로 소산되며, 이는 접점의 바람직하지 않은 조기 침식을 유발한다. 에너지를 소산하는 또 다른 방법은 전자기 복사를 통한 것이다.

유사하게, 비기계적 솔리드 스테이트 스위칭(즉, 트랜지스터)의 경우, 비활성화된 솔리드 스테이트 스위치에 걸리는 큰 전압 강하는 해당 부품을 파괴할 수 있다(즉시 또는 가속된 마모 및 손상을 통해).

일부 에너지는 또한 시스템 전체에서 그리고 아크에서 무선 전파 및 빛의 형태로 넓은 스펙트럼의 전자기 복사로 손실된다. 이러한 무선 전파는 근처의 무선 수신기에서 바람직하지 않은 딸깍거림과 튀는 소리를 유발할 수 있다.

유도자에 연결된 전선에서 이러한 전자기 에너지의 안테나 같은 복사를 최소화하려면 플라이백 다이오드를 유도자에 물리적으로 가능한 한 가깝게 연결해야 한다. 이 접근 방식은 또한 원치 않는 고전압에 노출되는 회로 부분을 최소화한다. 이는 좋은 엔지니어링 관행이다.

 유도 
유도자에서의 전압은 전자기 유도 법칙과 유도계수의 정의에 따라 다음과 같다.

플라이백 다이오드가 없고 저항이 큰 것(두 금속 접점 사이의 공기 등)만 있다고 가정하고, 이를 라고 하면 다음과 같이 근사할 수 있다.

스위치를 열고 와 을 무시하면 다음과 같다.

또는

이것은 다음 해를 갖는 미분방정식이다.

저항이 공기와 같이 높으면 전류가 더 빠르게 감소한다는 것을 알 수 있다.

이제 다이오드가 있는 상태에서 스위치를 열면 , , 만 고려하면 된다.
의 경우 다음과 같이 가정할 수 있다.

따라서:

이는 다음과 같다.

이것의 (1차 미분방정식) 해는 다음과 같다.

가 이 되는 시간을 결정하여 꺼지는 데 필요한 시간을 계산할 수 있다.

만약 = 이면

 응용 분야 
플라이백 다이오드는 반도체 장치가 유도성 부하를 끌 때 일반적으로 사용된다. 전자계전기 드라이버, H-브리지 모터 드라이버 등에서 그렇다. 스위치 모드 전원 공급 장치 또한 이 효과를 활용하지만, 에너지는 열로 소산되지 않고 대신 추가 전하 팩을 커패시터에 주입하여 부하에 전력을 공급하는 데 사용된다.

유도성 부하가 전자계전기인 경우, 플라이백 다이오드는 코일 전류를 더 오래 흐르게 함으로써 계전기의 해제를 눈에 띄게 지연시킬 수 있다. 다이오드와 직렬로 연결된 저항은 역전압 증가라는 단점이 있지만 순환 전류를 더 빨리 감소시킨다. 플라이백 다이오드에 대해 역극성이지만 직렬로 연결된 제너 다이오드는 고정된 역전압 증가와 동일한 특성을 가진다. 이 경우 트랜지스터 전압과 저항 또는 제너 다이오드 전력 정격을 확인해야 한다.

 같이 보기 
 1N400x 일반 목적 다이오드
 1N4148 신호 다이오드
 1N58xx 쇼트키 다이오드
 렌츠의 법칙

 각주 

 더 읽어보기 
 

 외부 링크 
 Relay Technical Notes - American Zettler
 Relay Application Notes - TE Connectivity
 Relay RC Circuit - Evox Rifa
 Application Circuits of Miniature Signal Relays - NEC/Tokin
 Diode Turn-on/off Time and Relay Snubbing - Clifton Laboratories
 "diode for relay coil spikes and motor shutoff spikes?" - sci.electronics.design
 Flyback Switch Mode Regulator Calculator - All About Circuits

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