逆起電力の発生原理と対策をわかりやすく解説

逆起電力は、モータやスピーカー、リレーなどの誘導性負荷によって発生する逆方向のサージ電圧です。発生原理や対策方法をわかりやすく解説しています。

リレーやモータなどの誘導性負荷を駆動する回路を考えます。 スイッチがオンで電流が流れている状態からオフになっても、コイルは電流を流し続けようとします。 しかし、オフ状態ではスイッチがHi-Zになっているため、電圧が急上昇します。 この時発生する電圧は、電源電圧：VCCよりも大きくなるため、コイルには逆向きの電圧がかかります。 それにより、コイル電流は低下していき、それに伴い電圧も低下していきます。 電気回路におけるコイルの動作、役割

スイッチにトランジスタを使用した場合、サージ電圧によりトランジスタがブレイクダウンするため、下図のような電流、電圧波形になります。 トランジスタがオフすると、逆起電力が発生し、コレクタ電圧：VCが上昇します。 VCがトランジスタの降伏電圧：V CEO を超えると、コイル電流がトランジスタのコレクタ-エミッタ間に流れます。 このとき、コイルにはVCC-V CEO の逆向きの電圧がかかるため、コイル電流は徐々に減少していきます。 コイル電流がほぼゼロまで低下すると、V CEO が低下し、ブレイクダウン状態が解除されます。 わずかな電流はトランジスタのコレクタ-エミッタ間の寄生容量とコイルで共振を起こし、徐々にゼロに収束していきます。 ブレイクダウンしている間、トランジスタには V CEO × IL の大きな電力がかかります。 この時発生する過渡熱により、トランジスタが熱破壊する可能性があるため、逆起電力対策が必要になります。

スイッチがハイサイドにあり、ローサイドの誘導性負荷を駆動する場合を考えます。 トランジスタがオフしてもコイルは電流を流し続けようとするため、負サージが発生します。 負荷に印加される電圧をモニタする回路などが存在する場合、逆起電力による負サージでデバイスが破壊される場合があります。

逆起電力の対策方法

1. ダイオードによる対策回路
2. バリスタによる対策回路
3. スナバ回路による対策
4. アクティブクランプによる対策

スイッチがオフした時に流れ続ける電流が、ダイオードを介して電源側へ戻されます。 コレクタ電圧はダイオードによりクランプされるため、 VCC+VF までしか上昇しません。

1. コイルにかかる逆電圧は-VFと小さいため、コイル電流がゼロになるまでの時間が長い
2. 電源側へ電流が逆流するため、電源電圧が上昇する場合がある

選定の基準として良く書かれている 「回路電圧の10倍以上の逆耐圧を持つもの」 という条件ですが、この回路では逆起電圧はダイオードの順方向に発生します。 ダイオードに逆電圧がかかっているのはスイッチがオンしている時になるので、逆耐圧は電源電圧＋αの部品でも破壊することはありません。

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