ไดโอดฟลายแบ็ก (หรือเรียกว่าไดโอดฟรีวีลลิ่ง ) คือไดโอด ใดๆ ที่ต่อคร่อมตัวเหนี่ยวนำเพื่อกำจัดฟลายแบ็ก ซึ่งเป็นแรงดันไฟฟ้ากระชาก อย่างฉับพลัน ที่เกิดขึ้นกับโหลดเหนี่ยวนำ เมื่อกระแสไฟเลี้ยงลดลงหรือถูกตัดขาดอย่างกะทันหัน ใช้ในวงจรที่ควบคุมโหลดเหนี่ยวนำด้วยสวิตช์และในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งและอินเวอร์เตอร์

วงจรฟลายแบ็กถูกนำมาใช้ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2473 และได้รับการปรับปรุงตั้งแต่ปี พ.ศ. 2493 เพื่อใช้ในเครื่องรับโทรทัศน์ คำว่าฟลายแบ็กมาจากการเคลื่อนที่ในแนวนอนของลำแสงอิเล็กตรอนในหลอดรังสีแคโทดเนื่องจากลำแสงจะบินกลับเพื่อเริ่มต้นเส้นแนวนอนถัดไป^{[ 1 ] [ 2 ]}

ไดโอดนี้รู้จักกันในชื่ออื่นๆ อีกมากมาย เช่น ไดโอด สนับเบอร์ ไดโอดคอมมิวเทติ้ง ไดโอดฟรีวีลลิ่ง ไดโอดเพรสเพรสเซอร์ ไดโอดแคลมป์ หรือไดโอดแคทช์^{[ 3 ] [ 4 ]}

รูปที่ 1 แสดงตัวเหนี่ยวนำที่ต่อกับแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นแหล่งจ่ายแรงดัน คงที่ ตัวต้านทานแสดงถึงความต้านทานคงที่เล็กน้อยของขดลวดตัวเหนี่ยวนำ เมื่อปิดสวิตช์ แรงดันจากแบตเตอรี่จะถูกส่งไปยังตัวเหนี่ยวนำ ทำให้กระแสจากขั้วบวกของแบตเตอรี่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทาน^{[ 5 ] [ 6 ]}การเพิ่มขึ้นของกระแสทำให้เกิดEMF ย้อนกลับ (แรงดัน) คร่อมตัวเหนี่ยวนำเนื่องจากกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ซึ่งต่อต้านการเปลี่ยนแปลงของกระแส เนื่องจากแรงดันคร่อมตัวเหนี่ยวนำถูกจำกัดไว้ที่แรงดันของแบตเตอรี่ 24 โวลต์ อัตราการเพิ่มขึ้นของกระแสจึงถูกจำกัดไว้ที่ค่าเริ่มต้นดังนั้นกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำจึงเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ เนื่องจากพลังงานจากแบตเตอรี่ถูกเก็บไว้ในสนามแม่เหล็กของตัวเหนี่ยวนำ เมื่อกระแสเพิ่มขึ้น แรงดันจะตกคร่อมตัวต้านทานมากขึ้นและตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำน้อยลง จนกระทั่งกระแสถึงค่าคงที่ โดยที่แรงดันแบตเตอรี่ทั้งหมดตกคร่อมตัวต้านทานและไม่มีแรงดันตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำ ${\displaystyle {dI \over dt}={V_{B} \over L},}$${\displaystyle I=V_{B}/R}$

อย่างไรก็ตาม กระแสไฟฟ้าจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเปิดสวิตช์ในรูปที่ 2 ตัวเหนี่ยวนำจะต้านทานการลดลงของกระแสไฟฟ้าโดยการสร้างแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำขนาดใหญ่มากที่มีขั้วในทิศทางตรงกันข้ามกับแบตเตอรี่ คือเป็นบวกที่ปลายด้านล่างของตัวเหนี่ยวนำและเป็นลบที่ปลายด้านบน^{[ 5 ] [ 3 ] [ 6 ]}พัลส์แรงดันไฟฟ้านี้ บางครั้งเรียกว่า "แรงกระตุ้น" แบบเหนี่ยวนำ ซึ่งอาจมีขนาดใหญ่กว่าแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่มาก จะปรากฏขึ้นที่หน้าสัมผัสของสวิตช์ มันทำให้อิเล็กตรอนกระโดดข้ามช่องว่างอากาศระหว่างหน้าสัมผัส ทำให้ เกิด ประกายไฟ ชั่วขณะ ขึ้นที่หน้าสัมผัสเมื่อเปิดสวิตช์ ประกายไฟจะดำเนินต่อไปจนกว่าพลังงานที่เก็บไว้ในสนามแม่เหล็กของตัวเหนี่ยวนำจะถูกกระจายไปเป็นความร้อนในประกายไฟ ประกายไฟสามารถสร้างความเสียหายให้กับหน้าสัมผัสของสวิตช์ ทำให้เกิดรอยบุ๋มและการไหม้ และในที่สุดก็ทำลายหน้าสัมผัส หาก ใช้ ทรานซิสเตอร์ในการสลับกระแสไฟฟ้า เช่น แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง แรงดันย้อนกลับสูงสามารถทำลายทรานซิสเตอร์ได้

เพื่อป้องกันพัลส์แรงดันเหนี่ยวนำเมื่อปิดสวิตช์ จึงต่อไดโอดคร่อมตัวเหนี่ยวนำ ดังแสดงในรูปที่ 3 ^{[ 5 ] [ 3 ] [ 6 ]}ไดโอดจะไม่นำกระแสขณะที่สวิตช์ปิดอยู่ เนื่องจากได้ รับแรงดัน ไบแอสย้อนกลับจากแรงดันแบตเตอรี่ ดังนั้นจึงไม่รบกวนการทำงานปกติของวงจร อย่างไรก็ตาม เมื่อเปิดสวิตช์ แรงดันเหนี่ยวนำที่ขั้วตรงข้ามจะทำให้ ไดโอด ได้รับแรงดันไบแอสไปข้างหน้าและนำกระแส ทำให้แรงดันคร่อมตัวเหนี่ยวนำถูกจำกัด และป้องกันไม่ให้เกิดประกายไฟที่สวิตช์ ตัวเหนี่ยวนำและไดโอดจะสร้างวงจรหรือลูปชั่วขณะหนึ่งซึ่งได้รับพลังงานจากพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำ วงจรนี้จะจ่ายกระแสไปยังตัวเหนี่ยวนำเพื่อทดแทนกระแสจากแบตเตอรี่ ดังนั้นกระแสในตัวเหนี่ยวนำจึงไม่ลดลงอย่างกะทันหันและไม่เกิดแรงดันสูง แรงดันคร่อมตัวเหนี่ยวนำถูกจำกัดไว้ที่แรงดันไปข้างหน้าของไดโอด ประมาณ 0.7 - 1.5V กระแส "ฟรีวีลลิ่ง" หรือ "ฟลายแบ็ก" ที่ไหลผ่านไดโอดและตัวเหนี่ยวนำจะค่อยๆ ลดลงจนเป็นศูนย์ เนื่องจากพลังงานแม่เหล็กในตัวเหนี่ยวนำถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนในความต้านทานอนุกรมของขดลวด ซึ่งอาจใช้เวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาทีในตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็ก

(ซ้าย)ภาพกราฟออสซิลโลสโคปแสดงแรงดันกระชากเหนี่ยวนำในโซลินอยด์ที่ต่อกับแหล่งจ่ายไฟ 24 โวลต์กระแสตรง(ขวา)สัญญาณการสวิตช์แบบเดียวกันนี้เมื่อต่อไดโอดฟลายแบ็ก ( 1N4007 ) คร่อมโซลินอยด์สังเกตมาตราส่วนที่แตกต่างกัน (50 โวลต์/ช่องทางด้านซ้าย, 1 โวลต์/ช่องทางด้านขวา)

ภาพเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงแรงดันไฟฟ้าที่พุ่งสูงขึ้นและการกำจัดแรงดันไฟฟ้านั้นโดยใช้ไดโอดฟลายแบ็ก ( 1N4007 ) ในกรณีนี้ ตัวเหนี่ยวนำคือโซลินอยด์ที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ DC 24V รูปคลื่นแต่ละรูปถูกบันทึกโดยใช้เครื่องออสซิลโลสโคป ดิจิทัล ที่ตั้งค่าให้ทริกเกอร์เมื่อแรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวเหนี่ยวนำลดลงต่ำกว่าศูนย์ โปรดสังเกตมาตราส่วนที่แตกต่างกัน: ภาพซ้าย 50V/ช่อง ภาพขวา 1V/ช่อง ในรูปที่ 1 แรงดันไฟฟ้าที่วัดได้คร่อมสวิตช์จะพุ่งสูงขึ้นประมาณ -300 V ในรูปที่ 2 ได้เพิ่มไดโอดฟลายแบ็กแบบขนานกลับด้านกับโซลินอยด์ แทนที่จะพุ่งสูงถึง -300 V ไดโอดฟลายแบ็กจะยอมให้ศักย์ไฟฟ้าสะสมได้เพียงประมาณ -1.4 V เท่านั้น (-1.4 V เป็นผลรวมของไบแอสไปข้างหน้าของ ไดโอด 1N4007 (1.1 V) และปลายสายไฟที่คั่นระหว่างไดโอดกับโซลินอยด์) รูปคลื่นในรูปที่ 2 มีความเรียบเนียนกว่ารูปคลื่นในรูปที่ 1 อาจเป็นเพราะการเกิดประกายไฟที่สวิตช์ในรูปที่ 1 ในทั้งสองกรณี เวลาทั้งหมดที่โซลินอยด์คายประจุคือไม่กี่มิลลิวินาที แม้ว่าแรงดันตกคร่อมไดโอดที่ต่ำกว่าจะทำให้การทำงานของรีเลย์ช้าลง ก็ตาม

เมื่อใช้ร่วมกับ รีเลย์ขดลวด DC ไดโอดฟลายแบ็กอาจทำให้หน้าสัมผัสปิดช้าลงเมื่อตัดไฟ เนื่องจากกระแสไฟฟ้ายังคงไหลเวียนอยู่ในขดลวดรีเลย์และไดโอด หากต้องการให้หน้าสัมผัสเปิดอย่างรวดเร็ว สามารถต่อตัวต้านทานหรือไดโอดซีเนอร์ แบบไบแอสกลับ อนุกรมกับไดโอดเพื่อช่วยระบายพลังงานจากขดลวดได้เร็วขึ้น แต่จะทำให้แรงดันไฟฟ้าที่สวิตช์สูงขึ้น

ไดโอด Schottkyเป็นที่นิยมใช้ในวงจร flyback diode สำหรับตัวแปลงพลังงานแบบสวิตชิ่ง เนื่องจากมีแรงดันตกคร่อมขณะเดินกระแสต่ำที่สุด (~0.2 V แทนที่จะเป็น >0.7 V สำหรับกระแสต่ำ) และสามารถตอบสนองต่อแรงดันไบแอสย้อนกลับได้อย่างรวดเร็ว (เมื่อตัวเหนี่ยวนำได้รับพลังงานอีกครั้ง) ดังนั้นจึงสูญเสียพลังงานน้อยกว่าขณะถ่ายโอนพลังงานจากตัวเหนี่ยวนำไปยังตัวเก็บประจุ

ตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์หากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำเปลี่ยนแปลง ตัวเหนี่ยวนำนั้นจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นกระแสไฟฟ้าจะไหลต่อไปตราบใดที่มีพลังงานอยู่ในสนามแม่เหล็ก หากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้เฉพาะอากาศ แรงดันไฟฟ้าจะสูงมากจนอากาศสามารถนำไฟฟ้าได้ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมในวงจรที่ใช้สวิตช์เชิงกล การสูญเสียพลังงานอย่างรวดเร็วที่เกิดขึ้นโดยไม่มีไดโอดฟลายแบ็ก มักจะสังเกตเห็นเป็นประกายไฟที่เกิดขึ้นระหว่างหน้าสัมผัสเชิงกลที่เปิดออก พลังงานจะถูกสูญเสียไปในประกายไฟนี้ส่วนใหญ่ในรูปของความร้อนสูง ซึ่งทำให้เกิดการสึกกร่อนของหน้าสัมผัสก่อนกำหนดอย่างไม่พึงประสงค์ อีกวิธีหนึ่งในการสูญเสียพลังงานคือผ่านการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

ในทำนองเดียวกัน สำหรับการสวิตช์แบบโซลิดสเตทที่ไม่ใช้กลไก (เช่น ทรานซิสเตอร์) แรงดันตกคร่อมสูงในสวิตช์โซลิดสเตทที่ยังไม่ทำงานอาจทำให้ชิ้นส่วนนั้นเสียหายได้ (ไม่ว่าจะเสียหายทันทีหรือผ่านการสึกหรออย่างรวดเร็ว)

พลังงานบางส่วนสูญเสียไปจากระบบโดยรวมและจากส่วนโค้งของคันโยกในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าหลากหลายสเปกตรัม ทั้งคลื่นวิทยุและแสง คลื่นวิทยุเหล่านี้อาจทำให้เกิดเสียงคลิกและเสียงดังที่ไม่พึงประสงค์ในเครื่องรับวิทยุที่อยู่ใกล้เคียง

เพื่อลดการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่คล้ายกับเสาอากาศจากสายไฟที่เชื่อมต่อกับตัวเหนี่ยวนำ ควรต่อไดโอดฟลายแบ็กให้ใกล้กับตัวเหนี่ยวนำมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ วิธีนี้ยังช่วยลดส่วนของวงจรที่อาจได้รับแรงดันไฟฟ้าสูงโดยไม่พึงประสงค์ ซึ่งเป็นหลักปฏิบัติทางวิศวกรรมที่ดี

ตามกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและนิยามของค่าเหนี่ยวนำ แรงดันไฟฟ้าที่ตัวเหนี่ยวนำจะเป็นดังนี้ :

${\displaystyle V_{L}=-{d\Phi _{B} \over dt}=-L{dI \over dt}}$

หากไม่มีไดโอดฟลายแบ็ก แต่มีเพียงสิ่งที่มีความต้านทานสูง (เช่น อากาศระหว่างหน้าสัมผัสโลหะสองจุด) สมมติว่าเป็นเราจะประมาณค่าได้ดังนี้:

${\displaystyle V_{R_{2}}=R_{2}\cdot I}$

ถ้าเราเปิดสวิตช์และไม่สนใจV และR เราจะได้:

${\displaystyle V_{L}=V_{R_{2}}}$

หรือ

${\displaystyle -L{dI \over dt}=R_{2}\cdot I}$

ซึ่งเป็นสมการเชิงอนุพันธ์ที่มีคำตอบดังนี้:

${\displaystyle I(t)=I_{0}\cdot e^{-{R_{2} \over L}t}}$

เราสังเกตว่ากระแสไฟฟ้าจะลดลงเร็วขึ้นหากความต้านทานสูง เช่น ในกรณีของอากาศ

ทีนี้ ถ้าเราเปิดสวิตช์โดยที่ไดโอดยังอยู่ เราก็ต้องพิจารณาแค่L , R และD เท่านั้น สำหรับI > 0เราสามารถสมมติได้ว่า:

${\displaystyle V_{D}=\คณิตศาสตร์ {คงที่} }$

ดังนั้น:

${\displaystyle V_{L}=V_{R_{1}}+V_{D}}$

ซึ่งก็คือ:

${\displaystyle -L{dI \over dt}=R_{1}\cdot I+V_{D}}$

ซึ่งคำตอบของสมการเชิงอนุพันธ์อันดับหนึ่งคือ:

${\displaystyle I(t)=(I_{0}+{1 \over R_{1}}V_{D})\cdot e^{-{R_{1} \over L}t}-{1 \over R_{1}}V_{D}}$

เราสามารถคำนวณเวลาที่ต้องใช้ในการปิดระบบได้โดยการหาค่าt ที่ ทำให้I ( t ) = 0

${\displaystyle t={-L \over R_{1}}\cdot ln{\left({V_{D} \over {V_{D}+I_{0}{R_{1}}}}\right)}}$

ถ้าV = I R แล้ว

${\displaystyle t={-L \over R_{1}}\cdot ln{\left({1 \over {{\frac {V_{CC}}{V_{D}}}+1}}\right)}={L \over R_{1}}\cdot ln{\left({{\frac {V_{CC}}{V_{D}}}+1}\right)}}$

ไดโอดฟลายแบ็กมักใช้เมื่ออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ตัดการทำงานของโหลดเหนี่ยวนำ เช่น ในวงจรขับรีเลย์ วงจร ขับมอเตอร์ แบบ H-bridgeและอื่นๆแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดก็ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์นี้เช่นกัน แต่พลังงานจะไม่ถูกแปลงเป็นความร้อน แต่จะถูกนำไปใช้ในการปั๊มประจุเพิ่มเติมเข้าไปในตัวเก็บประจุ เพื่อจ่ายพลังงานให้กับโหลด

เมื่อโหลดแบบเหนี่ยวนำเป็นรีเลย์ ไดโอดฟลายแบ็กสามารถหน่วงเวลาการปลดรีเลย์ได้อย่างเห็นได้ชัดโดยการทำให้กระแสในขดลวดไหลนานขึ้น ตัวต้านทานที่ต่ออนุกรมกับไดโอดจะทำให้กระแสหมุนเวียนลดลงเร็วขึ้น แต่มีข้อเสียคือแรงดันย้อนกลับจะเพิ่มขึ้น ไดโอดซีเนอร์ที่ต่ออนุกรมแต่มีขั้วกลับกันกับไดโอดฟลายแบ็กจะมีคุณสมบัติเช่นเดียวกัน แม้ว่าจะมีแรงดันย้อนกลับเพิ่มขึ้นคงที่ก็ตาม ในกรณีนี้ควรตรวจสอบทั้งแรงดันของทรานซิสเตอร์และพิกัดกำลังของตัวต้านทานหรือไดโอดซีเนอร์ด้วย

• ไดโอดอเนกประสงค์ 1N400x
• ไดโอดสัญญาณ 1N4148
• ไดโอด Schottky 1N58xx
• กฎของเลนซ์

• ออตต์, เฮนรี (1988). เทคนิคการลดเสียงรบกวนในระบบอิเล็กทรอนิกส์ (ฉบับที่ 2). ไวลีย์. ISBN 978-0471850687.

• บันทึกทางเทคนิคเกี่ยวกับรีเลย์ - American Zettler
• หมายเหตุเกี่ยวกับการใช้งานรีเลย์ - TE Connectivity
• วงจรรีเลย์ RC - Evox Rifa
• วงจรการใช้งานของรีเลย์สัญญาณขนาดเล็กเก็บถาวรเมื่อ 2016-10-02 ที่Wayback Machine - NEC/Tokin
• เวลาเปิด/ปิดไดโอดและการลดความเร็วรีเลย์ - คลิฟตัน แล็บโบรเคชั่นส์
• "ไดโอดสำหรับป้องกันสัญญาณรบกวนในขดลวดรีเลย์และสัญญาณรบกวนขณะมอเตอร์หยุดทำงาน?" - sci.electronics.design
• เครื่องคำนวณวงจรควบคุมแรงดันแบบสวิตช์โหมดฟลายแบ็ก - ทุกเรื่องเกี่ยวกับวงจร