Es ist ein unverzichtbares Bauteil in vielen Schaltkreisen mit induktiven Lasten: die Freilaufdiode.
Freilaufdioden
Neben Gleichrichterschaltungen und Verpolungsschutz gibt es noch eine Reihe anderer wichtiger Diodenschaltungen. Heute werden wir uns die so genannten "Freilaufdioden" ansehen. Wir wollen herausfinden, worum es sich dabei handelt und warum sie oft unverzichtbar sind.
Die Schaltung
Um zu verstehen, was eine Freilaufdiode macht, habe ich eine kleine Beispielschaltung gebaut. Sie besteht aus einem Taster, einem MOSFET und einem Relais. Sie wird mit einer 9-V-Batterie betrieben. Wenn man den Taster drückt, schaltet sich der MOSFET ein und aktiviert das Relais.
Neben den oben genannten Bauteilen gibt es noch ein weiteres: eine in Sperrichtung gepolte Diode, die parallel zum Relais geschaltet ist. Dies ist die Freilaufdiode. Die Diode ist für die Funktion der Schaltung nicht erforderlich. Auf den ersten Blick könnte man meinen, sie sei überflüssig. Dies ist jedoch nicht der Fall. Sie ist für den Schutz der Schaltung unerlässlich. Genauer gesagt für den Schutz des MOSFETs.
Warum braucht der MOSFET diesen Schutz, und wie kann die Diode ihn bereitstellen? Um das zu verstehen, müssen wir zunächst einmal verstehen, was genau passiert.
Selbstinduktion bei Spulen
Selbstinduktion bezeichnet das Phänomen, dass bei einer Änderung des Stromflusses durch eine Spule, ein Strom in ihr induziert wird, die dieser Änderung entgegenwirkt (Lenzsche Regel). Wird die Stromzufuhr zu einer Spule unterbrochen, bricht das Magnetfeld um sie herum zusammen und durch die Selbstinduktion entstehen hohe Spannungsspitzen, die andere Komponenten der Schaltung beschädigen können.
Nach dem faradayschen Induktionsgesetz wird durch eine Änderung des Magnetfelds ein Strom in der Spule induziert. Nach der Lenzschen Regel ist dieser Strom der Änderung des magnetischen Flusses entgegengesetzt. In der Praxis bedeutet dies, dass das kollabierende Magnetfeld einen Strom induziert, der das Magnetfeld kurzzeitig weiter aufrechterhält.
Aufgrund des induzierten Stroms ist das obere Ende der Spule nun im Vergleich zum unteren Ende negativ geladen. Man kann die Batterie und die Spule als zwei Spannungsquellen in Reihe betrachten. Die Spannung der Batterie und die in der Spule induzierte Spannung summieren sich zu einer Gesamtspannung auf, die deutlich höher sein kann als die ursprüngliche Versorgungsspannung.
Sehen wir einmal, was in unserer Schaltung passiert. Ich habe die Spannung zwischen Drain und Source (rot) und Gate und Source (blau) der MOSFETs gemessen.
Sobald ich den Taster loslasse, sinkt die Gate-Source-Spannung auf 0 V und der MOSFET schaltet sich ab. Die Spule des Relais ist nun stromlos und aufgrund der Selbstinduktion liegen am MOSFET kurzeitig Spannungen von bis zu 70 V an, während das Magnetfeld zusammenbricht. Der von mir verwendete FQP30N06L-MOSFET ist für eine maximale Spannung von 60 V ausgelegt. Wiederholte Spannungsspitzen in dieser Größenordnung werden ihn früher oder später zerstören.
Schutz durch Freilaufdioden
Der Zweck der Freilaufdiode besteht darin, den MOSFET vor der Spannungsspitzen, die beim Abschalten induktiven Lasten entstehen, zu schützen. Sie beginnt zu leiten und begrenzt damit die Spannung an der Spule. Sie schließt die Spule praktisch kurz. Die Diode muss richtig dimensioniert sein, um dem standzuhalten. Da die Spannungsspitze jedoch nur den Bruchteil einer Sekunde dauert, stellt dies normalerweise kein Problem dar.
Dank der Freilaufdiode ist der MOSFET nun geschützt.
