Freilaufdiode

Nachfolgend möchte ich kurz den Sinn einer Freilaufdiode, die parallel zu einer induktiven Last angeschlossen wird, darstellen.

Als Anwendungsbeispiel soll das hier vorgestelltte HF-Relais mit 400 mH Induktivität geschaltet werden. Ein MOS-FET vom Typ IRF510 dient als Schalter. Die Schaltung sieht in LTSpice folgendermaßen aus:

Schaltplan Freilaufdiode

 

Bestimmt  wird einmal die Schaltspannung U_G am Gate des Schalt-FETs und die Drain-Sourcespannung U_D. Mit Freilaufdiode sieht alles wunderbar aus.  Das FET schaltet bei U_G = 4V durch und das Relais würde anziehen.

Spannung mit Freilauf Diode 2

Wird die Freilaufdiode jedoch entfernt ändert sich das Ganze dramatisch. Beim Einschalten ist noch alles in Ordnung. Beim Ausschalten entsteht durch die Selbstinduktion der Spule jedoch eine hohe Überspannung. In dem simulierten Beispiel mehr als 200 V!

Das MOS-FET IRF510 besitzt nach Datenblatt eine maximal zulässige Drain-Sourcespannung von 100V und würde wahrscheinlich zerstört werden.

Spannung ohne Freilaufdiode 2

Das Beispiel ist, wenn man sich die Flankensteilheit der Gatespannung anguckt noch recht harmlos.  Wird die Spule schneller geschaltet, können leicht einige 100 V Überspannung erzeugt werden. Die Größe der selbstinduzierten Spannung bestimmt sich dabei nach

 u_L\left(t\right) = - L \cdot \frac{\mathrm{d}i_L\left(t\right)}{\mathrm{d}t}\, .

Die Wirkung der Freilaufdiode lässt sich über den Strom durch die Diode (rot) darstellen. In dem Moment, in dem die Spule eine hohe Spannung induzieren möchte, führt dies zu einem Stromfluss durch die Diode. Dieser Strom wirkt der Selbstinduktion der Spule entgegen, da es zu keiner schnellen Stromänderung kommt.

Spannung mit Freilauf Diode Strom2

 

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