Qual o papel desse diodo?

Acabei de comprar um kit do Arduino Uno e estou passando por todos os projetos no livreto que acompanha o kit. Desde o circuito mais simples de LEDs e resistores, para ter uma ideia da placa do Arduino, da placa de ensaio e para tirar o pó dos meus conhecimentos de eletrônica que não são utilizados há cerca de 30 anos. Precisa tirar o pó.

Um dos circuitos é simplesmente demonstrar a comutação de energia usando um motor e um transistor NPN. Entendo todos os aspectos desse cuicuit mais básico, exceto a função de um diodo que, até onde sei, não desempenha nenhum papel na operação do circuito. Certamente está lá por uma razão, então minha pergunta é: qual é essa razão?

Este diodo deve suprimir qualquer EMF traseiro causado quando o motor é desligado. Em geral, quando se tem uma carga indutiva, como um motor, ou o solenóide de um eletroímã, quando você o liga, ocorre uma queda inicial na corrente, pois parte da corrente atua para formar um campo magnético ao redor da bobina. Inversamente, ao desligar, esse campo magnético criado precisa se dissipar. Quando não há diodo de back-EMF no lugar, o caminho seria através do BJT, o que quase certamente o danificaria, ou talvez outros componentes, dependendo do circuito.

Quanto à polaridade do próprio diodo, ao passar a corrente por um caminho, você gera um campo nessa direção respectiva. Quando você interrompe a fonte, esse campo volta à sua posição de "descanso", o que significa que a corrente flui para o outro lado momentaneamente.

Todas as cargas reativas (capacitivas e indutivas) possuem esse tipo de característica de "armazenamento" que precisa ser considerada no projeto; as cargas resistivas são a exceção. Se você quiser saber mais sobre as equações que governam e tal, a wikipedia é um bom lugar para começar, ou para uma boa leitura, tente "A Arte da Eletrônica", Horowitz e Hill, 3ª edição.

O motor é uma CARGA INDUTIVA.

Devido à Lei de Indução de Faraday, que afirma que uma corrente de variação / mudança no tempo cria um campo magnético com uma magnitude diretamente proporcional à mudança na corrente através do condutor ao longo do tempo e (com tanta simetria na física), um campo magnético em mudança cria um campo elétrico. campo (uma diferença de tensão) ao redor do condutor que se manifesta como uma oposição à mudança de corrente que criou o campo magnético. Isso se deve à Lei de Lenz, que completa a Fórmula de Faraday para Indução Eletromagnética, na qual uma força eletro-motriz é criada igual à taxa de mudança no campo magnético ao longo do tempo (que foi causada pela mudança no fluxo de corrente.

Lei de Faraday: back-EMF = (-1) dB / dt N em que back-EMF é o potencial de tensão oposto ao fluxo de corrente criando a resistência à mudança "-1" é a lei de Lenz, "dB" é a alteração no fluxo magnético , e "dT" é o período de tempo durante o qual a mudança é medida e N é quantas bobinas de fio estão dentro do campo elétrico variável.

Seu motor é indutivo devido às muitas bobinas de fio. Quando ele é iniciado, ele ganha velocidade lentamente, em vez de estar instantaneamente na velocidade máxima, devido à lei de Lenz, fazendo com que o back-EMF resista à mudança no fluxo de corrente até que o fluxo de corrente não esteja mais mudando e no máximo. Agora há energia armazenada no campo magnético correspondente. Quando você desliga o motor, ele ainda gira e agora, em vez de consumir energia, está gerando energia. O EMF traseiro original fluiu em direção à alimentação, mas agora, à medida que o motor diminui, a indutância resistirá à mudança de corrente e forçará uma corrente a fluir para a frente e para dentro do coletor de transistores.

Como a corrente é o fluxo de elétrons, os elétrons devem vir de algum lugar. Seu transistor conecta o motor ao GROUND, onde ele estava inicialmente fornecendo elétrons. Os elétrons "movidos" pela força eletromotiva induzida pelo campo magnético em colapso se acumulariam no coletor de transistores sem o diodo e precisariam ser provenientes da fonte de alimentação que não será assim. Com um diodo fornecendo um caminho de retorno para esse EMF, ele se dissipará através do diodo e do motor após alguns loops.

Portanto, o diodo fly back permite que os elétrons fluam ao redor do motor e não para a fonte de alimentação ou o transistor (causando dano potencial), criado pela auto-indução nos enrolamentos do motor quando desligado e causado pela mudança repentina de energia. corrente para zero.