Flyback diódák
Altium Designer

Elektromos zaj megakadályozása az áramkörökben, Flyback diódák használata relékhez

Altium  Designer
2020. november 25.

altium blogs flyback picture

 
A legegyszerűbb megoldás a megoldás?! Igaz, sokszor nem is gondolnánk.. Vegyünk egy példát! Nemrég egy barátom lerobbant a motorkerékpárjával, órákig ellenőrizte az akkumulátort, a karburátort és az elektromos rendszert. Persze kiderült, hogy mindezt hiába tette, hiszen a gondot igazából csak egy hibás üzemanyag-jelző okozta, amely hagyta, hogy az üzemanyagtartály kiürüljön.
 
Az elektronikában számtalan esetben, ami néha nagy problémának tűnik, annak egész egyszerű megoldása van. Például relékkel ellátott nyomtatott áramkörök tervezésekor is elkerülhetőek a relé által okozott tüskék és zaj jelenségek, ha egy flyback diódát adunk az áramkörhöz. Figyelni kell azonban arra, ha egy flyback-diódát helyeztünk el egy relén, de a mikrokontrollerünk mégis folyton újraindul, lehetséges, hogy más elektromos zajforrásokat is figyelembe kell vennünk. Pont, mint a barátom motorkerékpárján. Gyakran ezek a források a szemünk előtt rejtőznek és az ismert, eddig is használt zajcsökkentő technikákkal megoldhatóak. Íme, miért és hogyan használjunk flyback diódát relék EMI-jének csökkentésére, illetve mit kell figyelembe vennünk, ha a tervezés egy nagyobb rendszer része.

Mi az a Flyback dióda és miért van rá szükség?

Amennyiben készített már relékkel ellátott nyomtatott áramköri lapokat, akkor bizonyosan hallott már a flyback diódáról. A flyback, vagy másnéven freewheeling dióda fordított polaritással helyezkedik el a tápegységtől és párhuzamos a relé induktív tekercsével. Dióda használta a relé áramkörben megakadályozza, hogy a tápegység kikapcsolásakor hatalmas feszültségtüskék keletkezzenek. A flyback diódát néha flywheel, freewheeling, relé vagy snubber diódának is szokták nevezni, mivel a flyback dióda áramkör egyfajta snubber áramkör.

Miért használjunk diódát egy tekercsre?

Amikor a tápegységet csatlakoztatjuk a reléhez, a relé tekercsének feszültsége a tápforrás feszültségének megfelelő értékre emelkedik. Induktivitásban az áram változásának sebességét az idő állandója korlátozza. Ebben az esetben a tekercsen átfolyó áram minimalizálásához szükséges idő hosszabb, mint a tápegység eltávolításához szükséges idő. Kikapcsoláskor tehát a tekercsben lévő induktív terhelés megfordítja a polaritását, és megpróbálja az áramot a disszipációs görbéjének megfelelően (maximális áramáramlás %-osan az idő függvényében) tovább folytatni. Ezáltal a relét vezérlő alkatrész nyitott csomópontjain hatalmas feszültségtüske keletkezik.
Ezt a feszültséget nevezzük flyback feszültségnek. Ezen feszültség elektromos ív kialakulásához vezethet, amely károsíthatja a relét vezérlő alkatrészeket. Olyan elektromos zajt is képes létrehozni, mely jelvezetékekre, vagy akár tápvezetékekre is kapcsolódhat, ezáltal a mikrokontrollerek összeomlását, vagy újraindulását okozhatja. Ha az Ön eletronikai vezérlőpanelje minden alkalommal újraindul, amikor egy relét kikapcsol, akkor nagyon valószínű, hogy a flyback feszültséggel van problémája.
A probléma megoldása/enyhítése érdekében csatlakoztassunk egy diódát fordított polaritással a reléhez. A relé energizálódásakor a relével párhuzamos dióda előre irányú (forward) előfeszítésben van hajtva.  Mikor a vezérlőfeszültséget eltávolítjuk a relé tekercsének mágneses mezeje megfordul és ellentétes áram fog folyni, ekkor a dióda ismét előre irányú (forward) előfeszítetté válik. Így a flyback dióda minimális ellenállással söntöli az áramot, ezzel megakadályozza a feszültségtüske kialakulását.

 

altium blogs flyback picture

Az apró flyback diódák megakadályozzás, hogy a hatalmas flyback feszültség károsítsa az alkatrészeket.

 

Flyback dióda bekötése a relé zajszűréséhez

A flyback védődióda elhelyezése meglehetősen egyszerű. Közvetlenül a relé tekercsével párhuzamosan kell elhelyezni. Az alábbi képen látható a relében lévő flyback dióda vázlata. Ezen a vázlaton a flyback dióda vezetékével párhuzamosan lévő R ellenállás a tekercs saját egyenáramú ellenállását jelenti.

 

Flyback dióda bekötése egy relé áramkörben.

 

Figyelembe kell vennünk, hogy a dióda elhelyezése nem akadályozza meg azt, hogy a feszültségcsúcs ne terjedjen el egyéb áramköri elemre. Ehelyett egy alacsony ellenállású utat biztosít, amely átirányítja az áramot. Így a feszültségcsúcs a következő elemnél sokkal kisebb lesz. Egy egyszerű 1N4007 dióda használata elegendő a nagy feszültségcsúcsok elnyomására egy 24 VDC-s relében diódás védőáramkörrel.
 
A relé kapcsolójának nyitott vagy zárt állásától függ a diódában folyó áram útja. Mivel a kapcsoló kezdetben zárva van, az induktív terhelés tranziens válaszként egy elektromágneses mezőt hoz létre, és a feszültség lassan emelkedik a tápfeszültség értékére. Amint a kapcsoló kinyílik, az induktivitás által létrehozott elektromágneses mező irányt vált, és a föld felé mutat, átmeneti választ hozva létre, amely lassan lecseng. A szabadonfutó dióda által előreirányú (forward) előfeszítésben létrehozott alacsony ellenállású huroknak köszönhetően az áram a diódán keresztül kerül söntölésre, ahelyett, hogy az áramkörben máshol nagy feszültségtüskéket hozna létre.

 

altium blogs flyback picture

Áramáramlás a flyback dióda vezetékezésén keresztül egy relé áramkörben.

 

Hogyan zavarhatja meg az elektromos zaj az elektronikát a Flyback diódák használata ellenére?

Talán azt gondolta, hogy a flyback diódák elhelyezése egy relé áramkörben megoldja az összes elektromos zajproblémát. Én is ezt hittem, amíg nem szembesültem egy észbontó problémával, amikor egy általam tervezett páratartalom-szabályozó folyamatosan újraindult. Ez annak ellenére történt, hogy minden relét diódás védőáramkörrel használtam.
 
A páratartalom-szabályozó külső relékhez volt csatlakoztatva, amelyek az ipari fűtőelemeket vezérelték. Ez a rutinprojekt boszorkányüldözéssé alakult, hogy megtaláljam a kontroller újraindulását okozó problémát. Amikor több tíz hasonló beállításnál ugyanazok a problémák jelentkeznek, könnyű azt feltételezni, hogy elrontottuk a tervezést.
 
Miután órákig próbálgattam különböző tápegységeket, kábeleket, földelési módszereket és elektromágneses interferencia (EMI) fóliát, végül rájöttem, hogy talán a külső relék okozzák a problémát. Gyanúmnak megfelelően a külső cég által beszerelt relék egyikében sem volt a tekercsükkel párhuzamosan kapcsolt flyback diódaáramkör. Az így keletkező feszültségek elektromos interferenciát okoztak az összekötő kábelen keresztül és így okozták a rendszer újraindulását.
 
Bár a külső cég által elvégzett elektromos szerelésekre kevés befolyása van, nincs mentség arra, hogy ne tartsa be a legjobb gyakorlatokat a flyback diódák esetében a nyomtatott áramköri lapon. Először is, meg kell győződni arról, hogy a flyback dióda le tud-e vezetni akkora áramot (forward current), mint a tekercsé, amikor a tekercs elektromágneses mezeje előfeszítésbe hozza. Továbbá olyan flyback diódát kell választani, amelynek fordítottan előfeszített feszültsége nagyobb (reverse voltage), mint a tekercs névleges feszültsége.

 

altium blogs flyback picture

A flyback dióda hiánya az Ön elektromos rémálma lehet.

 

Az én gyakorlatomban a flyback diódákat a lehető legközelebb helyezem a reléhez. Egy tipikus 1N4007 dióda jól szolgál nekem a legtöbb alkalmazásban, és megkímél a kézi utómunkától. Sőt, egy jó BOM-al, mint például az Altium Designer management tool kezelőeszközével az életciklusuk és a rendelkezésre állásuk kezelése is gyerekjáték. Ez különösen akkor hasznos, amikor régebbi terveket használunk újra.