Was ist eine Freilaufdiode?
Eine Freilaufdiode, auch Rückleitungsdiode, Flyback-Diode oder Flywheel-Diode genannt, ist eine gewöhnliche Halbleiterdiode, die parallel zu induktiven Lasten wie Elektromagneten, Relais, Spulen oder Motoren eingesetzt wird, um die beim Abschalten entstehende Induktions- bzw. Selbstinduktionsspannung kurz zu schließen. Ein typischer Anwendungsfall ist der Einsatz eines Transistors als Schalter, wenn sich ein Relais oder Motor im Laststromkreis befindet. Die Diode wird dabei im Laststromkreis in Sperrrichtung (Kathode an VCC) parallel zur induktiven Last geschaltet und verhindert so schädliche Spannungsspitzen im Abschaltmoment.
Hinweis: Eine parallel zu einem Relais geschaltete Freilaufdiode bewirkt eine Abfallverzögerung des Relais, die jedoch meist gering ist und nur in den seltensten Fällen stört.
Hintergrund
In Schaltungen mit induktiven Lasten entsteht eine elektromagnetische Induktion, wenn der Strom durch den Abschaltvorgang unterbrochen wird. Während des leitenden Zustands baut der Stromfluss in einer Induktivität ein Magnetfeld auf, das beim Abschalten der Spannung schlagartig zusammenbricht. Die Induktivität, zum Beispiel eine Spule, versucht dabei, die Änderung des Stromflusses zu verhindern und die abgeschaltete Spannung aufrechtzuerhalten, indem sie eine umgekehrte Induktionsspannung erzeugt. Dadurch entstehen sehr hohe negative Spannungsspitzen, die deutlich größer sein können als die ursprüngliche Betriebsspannung. Das kann andere Bauteile im Stromkreis beschädigen oder zerstören. Dazu gehört auch der Schalttransistor. Um diese Spannungsüberhöhungen zu begrenzen und die Schaltung zu schützen, wird eine Freilaufdiode parallel zur induktiven Last geschaltet.
Dimensionierung
Die Freilaufdiode muss so gewählt werden, dass sie den maximalen Strom der induktiven Last verkraftet und eine ausreichend hohe Sperrspannung besitzt, um auftretende Spannungsspitzen sicher aufzunehmen. Mindestens sollte sie die Versorgungsspannung als Sperrspannung aushalten können.
Typischerweise werden Schottky-Dioden oder schnelle Gleichrichterdioden verwendet, da sie eine kurze Reaktionszeit und gute Rückleitungseigenschaften besitzen. In der Praxis reicht jedoch meist eine ganz normale Silizium-Diode aus.
- Eine kleine 1N4148 kann für Ströme bis etwa 1 A eingesetzt werden.
- Einfache Gleichrichterdioden aus der 1N400x-Serie sind ebenfalls geeignet.
Nur bei PWM-Anwendungen mit Frequenzen im kHz-Bereich ist der Einsatz schneller Schaltdioden erforderlich.
Entscheidend ist die Einschaltzeit (Forward Recovery Time) der Diode. Diese ist selbst bei langsamen Dioden sehr klein und liegt im Bereich weniger Nanosekunden. Deshalb müssen in den meisten Fällen keine schnellen Schaltdioden verwendet werden.
Was ist, wenn die Freilaufdiode „vergessen“ wird?
Eine vergessene Freilaufdiode kann tückische Folgen haben. Manche Transistoren wirken plötzlich defekt und funktionieren am nächsten Tag scheinbar wieder. In anderen Fällen sinkt ihre Stromverstärkung unbemerkt, sodass sie nicht mehr richtig durchschalten.
In solchen Situationen kann es sinnvoll sein, die betroffenen Transistoren vorsorglich auszutauschen und zu entsorgen. Auch dann, wenn noch keine Fehlfunktion festgestellt wurde.
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