反激二极管:电压问题和开关解决方案

2019年7月9日

当代二极管和电流流的图片

还记得老恐怖电影和《科学怪人》里那些巨大的刀开关吗?开关太大了，他们需要一个手掌大小的手柄。最可怕的开关是那些排成一列的开关，它们操纵着酷刑架。这个疯狂的科学家会疯狂地尖叫，同时以施虐的乐趣投掷每一个开关，随着电压越来越高，他的受害者痛苦的哭声不断升级——这些开关是多么伟大的舞台道具啊!

这就是当时的科技，尼古拉·特斯拉(Nicola Tesla)从他来的地方飘下楼梯，把人类带进电灯、水力发电、x射线、感应电机(用洗衣机解放了妇女)、特斯拉线圈和无线传输，这里仅举几个例子。作为电现象和磁场的永不满足的探索者，特斯拉不仅遇到了过高的电压，他还追求它们!正是在摆弄开关引起的反向极性和电压升高时，特斯拉进行了观察，最终发现了他所谓的“广播能量”——我们今天称之为“无线”的无形能量。

为什么开关会引起反极性和电压升高?

特斯拉观察到，在他的三相交流电系统中，当刀式开关快速关闭和打开时，会产生强烈的爆炸。他观察到，当开关动作的速度足够短，功率足够大时，其效果就像闪电一样。

在有电感器(产生磁场的线圈)和开关的电路中，极性反转和电压激增都可能发生。开关引起的电压尖峰是大多数设备设计时无法承受的。当开关打开，电流下降时，电感的磁场崩溃，通过打开的开关触点发送反向的电压脉冲。

这个电压比源电压，导致电子跳过开关触点之间的空气间隙，在它们之间产生电弧。电弧持续，直到储存在电感磁场中的能量通过电弧作用以热的形式消散。这是最不可取的，因为电弧会损坏开关触点，引起点蚀和燃烧，最终破坏它们，并可能引起火灾。

开关的反激二极管解决方案

反向极性和电压激增在开关触点正是什么反激二极管地址。这个问题在一系列应用中都是一个真正的威胁，包括移动电子产品、电池供电系统、汽车电源、直流供电玩具、汽车中使用的桶形连接器产品，甚至连接到USB端口的系统。

这种现象有很多名字，使得这个话题让电子工程师初学者感到困惑。除了反向极性，你还会发现诸如“感应踢”、“负极性事件”和“自由电流”等术语。如果你曾经把你的汽车电池向后插入，不小心连接了错误的端子，以至于你的电池被炸了，你已经经历了反向极性的破坏性影响!因此需要一个反激二极管来保护电路。

当然，在特斯拉的时代，反激二极管还没有发明出来，所以他不得不开发自己的方法来解决他所谓的“污染电流反转”，这干扰了他的闪电实验。他的解决方案有两方面:1)他将两块强磁铁置于与火花间隙成直角的点上，形成磁场，部分熄灭火花;2)他在火花间隙的两侧放置了两个喇叭形状的电极(喇叭避雷器)。打开开关后，线圈电感产生的反极性电流被磁场沿喇叭拉动，直到喇叭迅速熄灭。就这样，他实现了一种非常强大的单向冲动。

电压和电流通过一条路径的双重描述

在您的设计中通过二极管工作可能是这样的

反激二极管是如何工作的?

flyback一词指的是光束(电视)或电流返回到起始点或原始点。为了防止反向极性电压脉冲开关关闭，反激二极管并联连接在整个电感。反激二极管的功能是只允许电流在一个方向上通过，而在相反的方向上阻止它。就像流体的球形止回阀一样，该阀允许向前流动，但如果流体向后流动，球体就会自行固定，通道就会被阻塞。

如果反激二极管的电压是负的(电路电流流动，开关关闭)，没有电流可以从二极管流出——它是关闭的，或“反向偏置”。当开关打开时，二极管传导电流——它是ON，或“正向偏置”。当开关打开，反向极性电压浪涌由崩溃磁场的能量供电时，电感和二极管瞬间形成一个电路。反激二极管提供电流以取代来自电池的电流，并且电感电流不会突然下降——防止电弧在开关处形成。

反激二极管有很多名字。它也被称为自由二极管，缓冲器二极管，抑制二极管，捕捉二极管，钳位二极管和换向二极管。