リレーコイルと還流ダイオード
切った後もコイルは続ける
リレーは磁気コイルでスイッチ接点を動かします。フライバック（還流）ダイオードは駆動スイッチを開いた後もコイル電流の経路を作ります。磁場のエネルギーが瞬時に消えず減っていく様子を見ましょう。
実験台
回路の設定を変え、測定値を予想してから課題を確認しましょう。教材用のモデルで、各レッスンに仮定を説明しています。
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動作の仕組み
安定して通電したコイルを抵抗RとインダクタンスLで表します。解放操作は常にある理想0.7 Vダイオードを通る減衰の時点を選び、実験室の電源は保ちます。保護のない電圧、接点運動、バウンス、実物の復帰時間は扱いません。
Vsはコイル電源、Rは巻線抵抗、Lはインダクタンス、Iは電流、tはスイッチを開いてからの時間です。Vswはスイッチ節点の0 Vに対する電圧、Dはダイオードです。mHは千分の一ヘンリー、msは千分の一秒、µJは百万分の一ジュールのエネルギーです。解放前はI0 = Vs/R。式のexpは指数減衰、maxは負の電流を防ぎます。電流が流れる間はVsw = Vs + 0.7 V、ゼロになるとVsw = Vsです。
難易度
組み立て · 組み立てる
電源5 V、巻線抵抗100 Ω、インダクタンス100 mHで電源を入れます。コイル通電を保ち、50 mAと125 µJを読みます。
ヒントを見る
Vs = 5 V; R = 100 Ω; L = 100 mH → I = 50 mA; E = 125 µJ
探究 · 境界を調べる
同じ5 V、100 Ω、100 mHでコイルを解放し、切った後1 msを選びます。約13.969 mAとスイッチ節点5.7 Vを読みます。
ヒントを見る
Vs = 5 V; R = 100 Ω; L = 100 mH; t = 1 ms → I ≈ 13.969 mA; Vsw = 5.7 V
自力で解く · 課題を解く
5 V、100 Ω、100 mHを保ち、解放したコイルの3 msを選びます。電流と蓄積エネルギーをゼロにします。
ヒントを見る
Vs = 5 V; R = 100 Ω; L = 100 mH; t = 3 ms → I = 0 mA; E = 0 µJ
追加の読み物と回路レシピ
切った後もコイルは続ける
スイッチが開いても電流は瞬時に止まりません。磁場がエネルギーを放出し、巻線とダイオードの新しい輪へ電流を流します。ダイオードの向きは通常の電源電流を止め、減衰中の電流を通します。
I0 = Vs/R; I(t) = max((I0 + 0.7/R) × exp(−Rt/L) − 0.7/R, 0); E = ½LI²
初期エネルギーE = ½LI²は巻線とダイオードで消費されます。一定のダイオード電圧は電流に逆らう電圧を加えます。電流ゼロでモデルの減衰を止めます。
役立つ法則
5 V、100 Ω、100 mHでは約2.097 msで電流がゼロになります。固定の0.7 Vダイオード電圧により有限時間で止まります。純粋な指数減衰だけならいつまでもゼロに近づきます。
モデルの外では
低電圧の還流経路は電圧の負担を抑えますが、電流を回し続けます。高い制限電圧の場合より実物の接点の復帰が遅くなることがあります。この電気モデルは接点の時間を予測しません。
避けたい落とし穴
解放操作は安定していたコイルから始め、短時間だけ通電した場合を扱いません。計算上の電流ゼロは実際の接点が動いた時刻ではありません。
インダクタンスだけを2倍にし、電源、抵抗、測定時点1 msを保ちます。残るコイル電流は…
- 大きくなる
- 変わらない
- すぐゼロになる
詳しく読む
初期電流Vs/Rは同じですが、大きなインダクタンスで減衰が遅くなり、同じ時点で多く残ります。
組み立てる
5 V、100 Ω、100 mHでコイルを通電します。定常50 mAは125 µJを蓄え、閉じた理想スイッチ節点は0 Vです。
I = 50 mA; Vsw = 0 V; E = 125 µJ
境界を調べる
同じ値でコイルを解放し、1 msを選びます。約13.969 mA、節点5.7 V、残るエネルギー9.757 µJを読みます。
I ≈ 13.969 mA; Vsw = 5.7 V; E ≈ 9.757 µJ
一つ変える
5 V、100 Ωで、解放後1 msの100 mHと200 mHを比べます。初期電流は同じでも、大きなインダクタンスはより多くのエネルギーと電流を保ちます。