دیود فلای بک (Flyback Diode) / دیود هرزگرد (Freewheeling Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود فلای بک (Flyback Diode) / دیود هرزگرد (Freewheeling Diode) :
دیود فلای بک (Flyback Diode) که با نام دیود هرزگرد (Freewheeling Diode) یا دیود اسنابر (Snubber Diode) نیز شناخته می شود، یک دیود محافظ است که به صورت موازی و معکوس (Reverse Parallel) با یک بار القایی (Inductive Load) مانند رله، سلف، موتور، یا شیر برقی (Solenoid) قرار می گیرد. وظیفه اصلی این دیود، محافظت از کلیدهای الکترونیکی (مانند ترانزیستورها و MOSFETها) در برابر ولتاژ معکوس بالایی است که هنگام قطع جریان در بار القایی تولید می شود.
مکانیزم کار دیود فلای بک بر اساس قانون القای فارادی (Faraday's Law of Induction) است. وقتی جریان از یک سلف عبور می کند، انرژی در میدان مغناطیسی آن ذخیره می شود. هنگامی که کلید قطع می شود و جریان سعی می کند به سرعت به صفر برسد، سلف با ایجاد یک ولتاژ معکوس (Back EMF) در جهت مخالف تغییر جریان، سعی در حفظ جریان دارد. این ولتاژ معکوس می تواند بسیار بالا باشد (چندین برابر ولتاژ تغذیه) و به راحتی به کلید آسیب بزند.
دیود فلای بک که به صورت موازی معکوس با سلف قرار گرفته است، در شرایط عادی (وقتی کلید روشن است و جریان از سلف عبور می کند) بایاس معکوس دارد و جریانی از آن عبور نمی کند. هنگامی که کلید قطع می شود و ولتاژ معکوس در سلف ایجاد می شود، این ولتاژ باعث می شود دیود بایاس مستقیم شود و مسیری برای جریان سلف فراهم کند. به این ترتیب، جریان سلف به تدریج و از طریق دیود کاهش می یابد و انرژی ذخیره شده در سلف به صورت گرما در دیود و مقاومت سلف تلف می شود.
بدون دیود فلای بک، ولتاژ معکوس ایجاد شده می تواند به سرعت به چند صد ولت برسد و باعث شکست (Breakdown) ترانزیستور سویچینگ شود. با استفاده از دیود، ولتاژ دو سر کلید در لحظه قطع به حدود
\[ V_{DS} = V_{supply} + V_F \]محدود می شود، که در آن
\[ V_F \]افت ولتاژ مستقیم دیود (حدود ۰.۷ ولت برای سیلیکون و ۰.۳ ولت برای شاتکی) است. این ولتاژ کاملا برای کلید ایمن است.
انتخاب دیود فلای بک مناسب نیازمند توجه به چند پارامتر است: جریان مستقیم دیود (I_F) باید حداقل برابر با حداکثر جریان سلف باشد، سرعت بازیابی معکوس (Reverse Recovery Time) باید کوتاه باشد (به ویژه در کاربردهای با فرکانس بالا مانند مبدل های سوئیچینگ)، و ولتاژ معکوس دیود (V_RRM) باید بیشتر از ولتاژ تغذیه باشد. برای کاربردهای فرکانس بالا، دیودهای شاتکی به دلیل سرعت بالا و افت ولتاژ پایین، انتخاب بهتری هستند.
در مدارات رله (Relay Circuits)، دیود فلای بک معمولا به موازات سیم پیچ رله نصب می شود. این کار از آسیب به ترانزیستور یا آی سی درایور رله جلوگیری می کند. با این حال، باید توجه داشت که استفاده از دیود فلای بک زمان قطع رله را افزایش می دهد، زیرا جریان سلف به آرامی از طریق دیود کاهش می یابد. این مسئله در کاربردهایی که سرعت قطع رله مهم است (مانند مدارات مخابراتی) باید در نظر گرفته شود.
در مدارات درایو موتورهای DC (Motor Drive Circuits)، از دیود فلای بک برای محافظت از پل H (H-Bridge) استفاده می شود. در این کاربردها، معمولا چهار دیود فلای بک به صورت معکوس با چهار کلید پل H موازی می شوند تا از ولتاژهای القایی ناشی از اینرسی موتور محافظت کنند. این دیودها همچنین در ترمز دینامیکی (Dynamic Braking) موتورها نقش دارند.
در مبدل های سوئیچینگ (Switching Converters) مانند مبدل های باک (Buck) و فلای بک، دیود هرزگرد نقش حیاتی دارد. در مبدل باک، هنگامی که کلید اصلی قطع می شود، دیود هرزگرد مسیر جریان سلف را حفظ می کند. انتخاب دیود با افت ولتاژ پایین و بازیابی سریع برای بازده مبدل بسیار مهم است. در ولتاژهای خروجی پایین، اغلب از دیود شاتکی استفاده می شود.
در مدارات راه انداز شیرهای برقی (Solenoid Drivers) در صنعت (مانند پنوماتیک و هیدرولیک)، دیود فلای بک یک جزء استاندارد است. شیرهای برقی سلف های بزرگی هستند و قطع ناگهانی جریان آنها می تواند ولتاژهای بسیار بالایی ایجاد کند. دیود فلای بک از آسیب به کارت های کنترل PLC و درایورها جلوگیری می کند.
در برخی کاربردها، به جای یک دیود ساده، از ترکیب دیود و مقاومت یا دیود و زنر (Diode-Zener Combination) استفاده می شود. این ترکیب می تواند زمان قطع را کاهش دهد (با افزایش ولتاژ معکوس در حد ایمن) و انرژی را به شکل کنترل شده تری تلف کند. این روش در کاربردهایی که سرعت قطع بالا مهم است، مفید است.
در نهایت، دیود فلای بک یک جزء ساده اما بسیار حیاتی در هر مداری است که با بارهای القایی سروکار دارد. استفاده نکردن از این دیود یکی از رایج ترین اشتباهات در طراحی مدارات الکترونیکی است که منجر به خرابی های مکرر و غیرقابل پیش بینی می شود. با اضافه کردن یک دیود ارزان قیمت، می توان قابلیت اطمینان و طول عمر مدار را به طور چشمگیری افزایش داد.
