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コイルに生じる起電力で電圧は増加？減少？
- コイルを有する電気回路のスイッチをONにすると，逆起電力の影響で，電流はステップ状の変化ではなく少し緩やかに上昇していくと思います．
- 逆起電力によってマイナス方向に電圧が瞬時に変化すると思います．実際，下記サイトの中央辺りを見ると，電流が０から増加する時，自己誘導起電力の値は０からマイナス方向に変化しています．
- ですが，下記のサイトを見ると，電圧はプラス方向に変化しているグラフとなっています．電流の増加を妨げるように逆起電力が働いているのなら，電圧はマイナスに変化すると思ったのですが，そうでないのはなぜでしょうか？
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＞＞スイッチをオフにするとコイルの上から下に流れる電流が減少するので逆起電力はコイルの上から下に向かって発生しますよね？ そうです。 逆起電力はコイルの上から下に向かって発生したとき、電圧はどっちがプラスでどっちがマイナスになりますか？ 大切なのは逆起電力はコイルから発生していることを考えることです（まるで電池のように）。 現象としては、コイルは上から下に電流を流し続けようとするのです。図の右に、下から上に電流を流そうとする電池があるのですがどっちがプラスでしょうか。 ＞＞そうすると保護ダイオードの向きも上から下だと思ったのですが、そうでは無いのはなぜなのでしょうか？ トランジスタがONのとき、つまりスイッチが閉じているとき、コイルにかかっている電圧は上が+Vで下がマイナス（0V）です。 このときダイオードの向きが下向き（アノードが上でカソードが下）だとダイオードが導通してしまうじゃないですか。 ダイオードが下向きでは、ダイオードON → トランジスタONでショート同然となり、実用回路として成り立たないのが分かると思います。 元の回路に戻って。 コイルに電流が流れている状態からトランジスタがOFF、つまりスイッチが開いて電流が流れなくなると、逆起電力によってコイルは電流を流し続けようとしますが、電流が流れないためA点にプラスの高電圧が発生します。 よって、コイルの上（電源側）よりもA点のほうが電圧が高くなるため、ダイオードが図のように接続されていればこの時だけ導通して、高電圧の発生が防げるのです。
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- m_and_dmp
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・・・スイッチをオフにするとコイルの下方向に向かって流れる電流が減少するので逆起電力はコイルの下に向かって発生しますよね？そうすると保護ダイオードの向きも上から下・・・ ＞＞＞この疑問につきましてはATM_Phamtom さんの回答の第４パラグラフのとおりですが私の回答に対する補足でもありますので、回答します。 「逆起電力はコイルの下に向かって発生（貴補足の引用）」は、リレーのコイルを電池に置き換えてみれば、「A点側がプラス、+V側がマイナス」となりませんか？この電圧を吸収するには、ダイオードの向きはA点から+V に向かう方向になります。 余談ですが、トランジスタがオンのとき、リレーのコイルの+V側がプラス、A点側がマイナスとなって、リレーのコイルに下向きの電流が流れますが、ダイオードをリレーのコイルと並列に下向きに取り付けると、ダイオードに電流が流れ、リレーのコイルには電流が流れません。ダイオードに流れる電流を制限する要素は少ないので、ダイオード（トランジスタ）に大きな電流が流れ、どちらかが破損することになります。
お礼
ご返答頂き大変ありがとうございます． ＞リレーのコイルを電池に置き換えてみれば、「A点側がプラス、+V側がマイナス」となりませんか？この電圧を吸収するには、ダイオードの向きはA点から+V に向かう方向になります。 これで自分の誤解が解けました．またダイオードの向きについても補足を有難うございます． 本当にありがとうございました！
- atm_phantom
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回答者の皆さんが電磁誘導について詳しく説明していらっしゃるので、私はそれ自体に対する回答は差し控えます。ただ、No. 4 の回答に対しての 「 ただまだわからないのが、なぜダイオードの向きが上向きなのでしょうか？スイッチをオフにするとコイルの上から下に流れる電流が減少するので逆起電力はコイルの上から下に向かって発生しますよね？そうすると保護ダイオードの向きも上から下だと思ったのですが、そうでは無いのはなぜなのでしょうか？」 という質問者の追加質問に対して説明させてください。 貴方の引用文章で、「 コイルの上から下に流れる電流が減少するので逆起電力はコイルの上から下に向かって発生しますよね？」は誤っています。外部回路に対して電流値を維持しようとする方向に働くのです。トランジスタが ON → OFF に変化しようとするとリレーのコイルに逆起電力が上側が - 、下側が + の向きに発生します。 すると保護ダイオードが無いときにはトランジスタスイッチのコレクタ - エミッタ間には [ 電源電圧 ] + [ リレーのコイルに発生するスパイク状の高い逆起電力 ] が印可されますよね。トランジスタスイッチのコレクタ - エミッタ間の許容耐電圧は機械的なスイッチの接点極間耐電圧ほど高くない場合が多いのでトランジスタスイッチが破壊してしまう虞があるのです。リレーのコイルの逆起電力が上側が - 、下側が + なので、トランジスタが OFF しても保護ダイオードを通してコイル電流は流れ続け抵抗損失や保護ダイオードの順方向損失などによりコイルに蓄えられた磁気エネルギー ( L * i^2 ) / 2 は徐々に減少してゆきますので、電流の減少も比較的ゆっくりとなります。すると L * di / dt によって表さされる逆起電力も小さくなり、スパイク状の高電圧 ( 理論的には電流を階段状に 0 とすると無限大の値となります。現実ではコイルの電流を遮断するときの接点のアークの消滅様態などによる切れ方により有限となります。) の発生をなくしトランジスタスイッチの破壊を防ぐことができる。だから「 保護ダイオード 」なのです。 しかし、この保護ダイオードは乱用してはいけませんよ。リレーのコイルの電流がゆっくりと減少するという事はコイルの作る磁束もゆっくりと減少し、その ( 回路図に表現されていない ) 接点もゆっくり開くという事です。すると接点は ( 回路図に表現されていない ) 電流を切るときに発生する遮断アークに長時間曝されることとなります。接点の開閉能力いっぱいの開閉をするような場合、開閉回数が少ない短期間は何もなく調子よく動作しているかもしれませんが、次第に接点の耐弧メタルの表面を遮断アークの超高温が荒らしてゆき、ついには母材の銅が溶けて接点溶着という事になり、リレーは故障します。 従って、保護ダイオードを設置するリレーは接点の開閉能力はリレーの製造者がリレー単体で保証している開閉容量より遥かに小さくなると考えるべきで、大きな電流を開閉する電磁接触器に適用しようとする場合は保護ダイオードを設置したリレーの接点を二個直列にして電磁接触器のコイルを間接的に開閉したり、電磁接触器のコイル電流によっては途中に中継のパワーリレーを用いるなどの配慮が必要です。
お礼
保護ダイオードについて詳細に教えて頂きありがとうございます．保護ダイオードでなぜ過電圧が防げるのかも理解できていなかったので大変助かりました．本当にありがとうございました．
- 4810noja
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NF回路設計ブロックのサイトにある図は、典型的なリレードライブ回路です。 A点が+VになったのはトランジスタがOFFになったからです。 分からなければトランジスタをスイッチに置き換えてみたらどうですか？ トランジスタがOFFとは電流が流れないこと、つまりスイッチなら開いた状態。 A点の電圧はどうなりますか？
お礼
わかりやすいご回答をありがとうございます。A点は最終的には電源電圧の+Vに落ち着くということでしょうか？。。。ただまだわからないのが、なぜダイオードの向きが上向きなのでしょうか？スイッチをオフにするとコイルの上から下に流れる電流が減少するので逆起電力はコイルの上から下に向かって発生しますよね？そうすると保護ダイオードの向きも上から下だと思ったのですが、そうでは無いのはなぜなのでしょうか？
- m_and_dmp
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No.1 です。 トランジスタが理想的なスイッチング動作をするものとして、t<0 では、トランジスタがオンなので、A点(トランジスタのコレクタ）の電圧はゼロになっています。 t=0 でトランジスタがオフになり、その瞬間、A点の電圧は急上昇しますが、やがて下降し、電源電圧と等しい値、+V に落ち着きます。その訳は、トランジスタがオフ（スイッチが離れた状態）なので、トランジスタを取り去った状態と同じです。すると、リレーには電流は流れませんので、リレーの電圧降下はゼロです。よって、A点の電圧は電源電圧と等しく+V になります。
お礼
詳しく教えて頂き誠にありがとうございます。ただまだわからないのが、なぜダイオードの向きが上向きなのでしょうか？スイッチをオフにするとコイルの下方向に向かって流れる電流が減少するので逆起電力はコイルの下に向かって発生しますよね？そうすると保護ダイオードの向きも上から下だと思ったのですが、私がどう誤解しているのでしょうか？。。。
- kimamaoyaji
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リレーのコイルの導通時の電圧の変動はプラスからマイナスです、つまりその逆方向に逆起電力は発生するのでマイナスの逆のプラスです。 貴方の言われる逆起電力だと思いますが？？（マイナスからプラスでなく、プラスからマイナスです、考え方を少し変えれば例えば12Vですがアース点を０Vにすれば12Vですがアース点を12Vに変えると12Vは0Vとなり0Vは-12Vとなります、-12Vの逆起電力がプラスになるのは当たり前だと思いませんか？）
お礼
ご回答ありがとうございます． ＞リレーのコイルの導通時の電圧の変動はプラスからマイナスです、つまりその逆方向に逆起電力は発生するのでマイナスの逆のプラスです。 なるほどです，逆起電力で電圧がマイナスからプラスに変化している理由が理解できました．ただ一つ気になるのが，逆起電力が消失したとき（A点の電圧が定常値になったときに），電圧値がプラスになっているのはなぜなのでしょうか？電圧の変動がプラスからマイナスになるのなら，URL先のグラフは，最初逆起電力によって電圧がプラス側に上昇した後，電圧値はt=0のときの電圧よりマイナス側に変化するはずだと思ったのですが．．．すみません恐れ入りますが教えて頂ければ幸いです．
- m_and_dmp
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コイルに生じる逆起電力の向きは「電流の向きとは逆」ではなく、電流の変化を妨げる方向です。 「下記のサイトを見ると，・・・」のページはリレーのコイルに流れている電流を遮断するときの波形です。「一定の大きさで流れている電流をゼロにする」という電流の変化です。電流が減る方向に変化するので、逆起電力は電流を増やす方向（電源電圧の向きと同じ向き）に発生し、電流を流し続けようとします。
お礼
＞「一定の大きさで流れている電流をゼロにする」という電流の変化です。電流が減る方向に変化するので、逆起電力は電流を増やす方向（電源電圧の向きと同じ向き）に発生し、電流を流し続けようとします。 なるほどです，教えていただきありがとうございます。 電圧値がプラス側に急上昇している理由がわかりました．ただ気になったのが，逆起電力によって電圧値が上昇しているのはわかるのですが，その後の電圧値がｔ＝０のときよりプラスに変化しているのはなぜなのでしょうか？電流は減る方向に変化するのなら，電圧値は(逆起電力によってプラス側に変化した後は)やがてt=0のときより低くなるのではないでしょうか？恐れ入りますが，ご教授頂ければ幸いです．
お礼
とてもわかり易い説明をありがとうございます． ＞逆起電力はコイルの上から下に向かって発生したとき、電圧はどっちがプラスでどっちがマイナスになりますか？ 起電力なので，上がマイナスで下がプラスなのですね． ＞下から上に電流を流そうとする電池があるのですがどっちがプラスでしょうか。 これも同様に上がプラスでしたからマイナスなのですね． ダイオードの方向の説明もとてもわかり易く理解することができました．本当に助かりました．ありがとうございました！！