フリーホイールダイオードとは？モータ・リレーの逆起電力を逃がす仕組み

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フリーホイールダイオードは、回路図ではダイオード1個だけの小さな部品です。けれど、付け忘れたり向きを間違えたりすると、トランジスタが壊れたり、電源がショートしたりします。

この記事では、12V のリレーをトランジスタで ON/OFF する回路を1つ決めて、最初から最後までその回路で説明します。中学の理科（電流・電圧）がわかれば読めるように書きました。

フリーホイールダイオードとは：コイルの横の「逆向きのダイオード」

フリーホイールダイオードとは、コイル（リレー・モータ・ソレノイド）の両端に、ふだんは電流が流れない向きでつなぐダイオードです。

この記事で使う回路は次のとおりです。マイコンの合図でトランジスタが ON になると、＋12V からリレーのコイルを通って GND へ電流が流れ、リレーが動きます。

部品	この記事で使う値	役目
リレーのコイル	12V・400Ω（例）→ 30mA	電流が流れると磁石になり、接点を動かす
トランジスタ	2N3904（NPN）	マイコンの合図で、コイルの電流を ON/OFF する
ベース抵抗	1.6kΩ	マイコンから流す合図の電流を決める
フリーホイールダイオード	1N4148 か 1N4007	OFF の瞬間の電流の逃げ道

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呼び方はいろいろ。すべて同じもの

フリーホイールダイオードは、フライホイールダイオード・還流ダイオード・FWD とも呼ばれます。どれも同じ使い方を指します。

「フリーホイール」は、ペダルを止めても車輪が回り続ける自転車のしくみの名前です。スイッチを切っても、コイルの電流がダイオードを通って回り続けることから、こう呼ばれます。

つまり、フリーホイールダイオードは「コイルと並列・ふだんは流れない向き」の2つを守ってつなぐ、保護のためのダイオードです。

なぜ OFF の瞬間に高い電圧が出るのか：水道のたとえ

コイルは「電流の変化を嫌う」部品です。流れている電流を急に止めると、止めまいとして高い電圧（逆起電力）を出します。

コイルに電流が流れると、まわりに磁気ができ、そこにエネルギーがたまります。電流を止めようとすると、コイルはためたエネルギーで電流を流し続けようとします。

では、弁の手前に「ぐるっと回って戻る逃げ道の管」があったらどうでしょう。弁を閉めても水は輪の中を回り、だんだん勢いをなくして止まります。ガツンは起きません。この逃げ道が、フリーホイールダイオードです。

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つまり、逆起電力は「急に止めたこと」への反動です。逃げ道を用意して、ゆっくり止まらせればよいのです。

どれくらい高くなる？ V＝L×（電流の変化÷時間）で計算する

コイルが出す電圧は、電流の変化の大きさに比例し、止めるのにかかった時間に反比例します。止める時間が100分の1になれば、電圧は100倍です。

L はインダクタンスといい、コイルの「電流の変化の嫌いさ」の大きさです。単位は H（ヘンリー）です。

例として、L＝0.1H（説明のための例）のコイルに流れていた 30mA を 0 にする場合を計算します。

止めるのにかかった時間	計算	コイルに出る電圧
1ms（1000分の1秒）	0.1 × 0.03 ÷ 0.001	3V
0.1ms	0.1 × 0.03 ÷ 0.0001	30V
10µs（10万分の1秒）	0.1 × 0.03 ÷ 0.00001	300V
1µs（100万分の1秒）	0.1 × 0.03 ÷ 0.000001	3,000V

トランジスタは、1µs ほどの速さで電流を切ることができます。そのため、何も対策しないと電圧はどこまでも上がろうとします。実際には、どこかで電流が流れ出すところ（多くは、トランジスタが耐えきれなくなるところ）まで上がります。

リレーメーカーの TE Connectivity は、対策のない 12V のリレーは電源を切ったときに 1,000〜1,500V の電圧を出す可能性がある、と説明しています。

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つまり、電源が 12V でも、コイルを急に切ると何百V・何千V にもなりうる。この電圧からスイッチ素子を守るのがダイオードの役目です。

ダイオードがないと、OFF の瞬間に何が起きるか

ダイオードがないと、逆起電力が電源の 12V に上乗せされて、トランジスタのコレクタにかかります。耐圧を超えると、トランジスタが壊れます。

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つまり、守りたいのはトランジスタ（スイッチ素子）です。コイルそのものが壊れるわけではありません。

ON のときと OFF の瞬間：電流の道を色で追う

ON のときは「＋12V→コイル→トランジスタ→GND」。OFF の瞬間は「コイル→ダイオード→コイル」の輪。ダイオードに電流が流れるのは、OFF のあとだけです。

	ON のとき（赤）	OFF の瞬間（オレンジ）
電流の道	＋12V → コイル → トランジスタ → GND	コイル → ダイオード → コイル（輪）
ダイオード	逆向きなので流れない	順向きになり流れる
コイルの下の端（コレクタ）	約0.2V	12V＋約1V＝約13V で止まる
コイルの電流	30mA	30mA から、だんだん減って0へ

OFF の瞬間、コイルの下の端は＋になろうとします。けれど、電源の電圧より約1V 高くなったところで、ダイオードが ON になって電流を流します。そのため、コレクタの電圧は約13V で止まり、40V まで上がりません。

輪の中を回る電流は、ダイオードの約1V とコイルの抵抗で少しずつエネルギーを熱として失い、やがて0になります。電源には戻りません。

つまり、ダイオードは「コレクタの電圧を 12V＋約1V で頭打ちにする部品」です。

波形で見る：ダイオードがあるとき・ないとき

ダイオードがあると、OFF の瞬間の電圧は約13V で止まります。そのかわり、コイルの電流はすぐには0にならず、ゆっくり減ります。

	ダイオードなし	ダイオードあり
コレクタの電圧	一瞬で耐圧を超えるほど跳ね上がる	約13V で止まり、やがて 12V
コイルの電流	一瞬で0	ゆっくり減って0
トランジスタ	壊れるおそれ	安全

電流がゆっくり減る速さは、コイルのインダクタンス L と抵抗 R で決まります。L÷R が大きいコイルほど、ゆっくり減ります。

この「ゆっくり」が、あとで説明するフリーホイールダイオードの弱点（リレーが離れるのが遅れる）につながります。

つまり、ダイオードは電圧の跳ね上がりを止める代わりに、電流を長く残します。これが、ほかの保護方法との違いになります。

向きの覚え方：帯は「ふだん電圧が高い側」

ダイオードの帯（カソード）は、ふだん（ON のとき）電圧が高い側の、コイルの端に向けます。トランジスタが GND 側にある回路なら、電源の＋側です。

品種によっては、ダイオードが中に入ったリレーやリレーモジュールもあります。その場合はコイルに＋と−の向きが決まっているので、データシートの向きどおりにつなぎます。

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つまり、迷ったら「ON のとき、このダイオードに電流は流れないか？」と指でたどります。流れるなら向きが逆です。

よくある失敗3つ：付け忘れ・逆向き・位置違い

フリーホイールダイオードの失敗は、付け忘れ・向きが逆・スイッチと並列につなぐ、の3つが代表です。

失敗1：付け忘れる

OFF のたびに、コレクタに高い電圧がかかります。1回で壊れることもあれば、ON/OFF を繰り返すうちに傷むこともあります。リレーやモータを動かす回路では、まずダイオードがあるかを確かめます。

失敗2：向きを逆にする

帯を GND 側（トランジスタ側）に向けると、ON にしたとたん、＋12V → ダイオード → トランジスタ → GND と、コイルを通らずに電流が流れます。電源のショートです。

コイルにはほとんど電圧がかからないのでリレーは動かず、ダイオードやトランジスタが熱くなって壊れます。

失敗3：スイッチ（トランジスタ）と並列につなぐ

ダイオードをコレクタと GND の間（帯をコレクタ側）につなぐ間違いです。OFF の瞬間にコレクタが＋に跳ね上がっても、このダイオードには逆向きの電圧なので電流が流れません。守れません。

MOSFET の中にあるダイオード（ボディダイオード）が役に立たないのも同じ理由です。必ず、コイルの両端につなぎます。

つまり、回路図を描いたら、ON の道と OFF の道を指でたどります。「ON で流れない・OFF で輪ができる」なら正解です。

選び方は3つ：耐圧・電流・速さ

フリーホイールダイオードは、耐圧（逆電圧）・平均電流・速さ（逆回復時間）の3つを、データシートで確かめて選びます。

① 耐圧：電源電圧の3倍以上を目安に

ON のとき、ダイオードには電源の 12V が逆向きにかかります。パナソニックのリレーの資料では、トランジスタでリレーを動かすときのダイオードの逆方向の電圧を「電源電圧の約3倍」としています。

例：12V × 3 ＝ 36V 以上。1N4148（100V）も 1N4007（1000V）も足ります。

② 電流：コイルの電流と同じか、それ以上

OFF の瞬間、コイルに流れていた電流がそのままダイオードに流れます。同じ資料では、平均の電流の定格を「コイル電流と同等」としています。

例：12V ÷ 400Ω ＝ 30mA 以上。1N4148（平均150mA）も 1N4007（1A）も足ります。

③ 速さ：ON/OFF の回数で決める

リレーのように1秒に数回までの ON/OFF なら、速さを気にしなくて構いません。一般整流用の 1N4007 で十分です。

PWM で1秒に何千回も ON/OFF するモータでは、ダイオードが「流れる」から「止まる」に切り替わる時間（逆回復時間 trr）が効いてきます。遅いと、次に ON にした瞬間にダイオードを通して大きな電流が流れ、損失やノイズが増えます。ショットキーバリアダイオードや高速用（UF4007 など）を選びます。

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つまり、12V の小型リレーなら「1N4148 か 1N4007」で迷う必要はありません。電流が大きいときと PWM のときだけ、もう一度データシートを見ます。

早見表：何に使う？でフリーホイールダイオードを選ぶ

答えだけ知りたい人向けの早見表です。どの行も、耐圧は電源の3倍以上・平均電流はコイル電流以上、を満たしているかを確かめてから使ってください。

使い方	コイルの電流	選ぶ種類	型番の例（最大定格）
小型リレー（5〜24V）	〜100mA	小信号用か一般整流用	1N4148（100V・平均150mA）、1N4007（1000V・1A）
リレー・ソレノイド（ときどき ON/OFF）	〜1A	一般整流用	1N4007（1000V・1A）
PWM で動かすモータ・ソレノイド	〜1A	ショットキーか高速用	12V 以下：SS14（40V・1A）／24V：UF4007（1000V・1A・trr 75ns）
1A を超えるもの	1A 超	電流の大きい品種	コイル電流以上の平均電流の品種をデータシートで選ぶ

コイルの電流は「電源電圧 ÷ コイルの抵抗」で求めます。コイルの抵抗は、リレーやソレノイドのデータシートに載っています。

つまり、迷ったら 1N4007。PWM ならショットキーか高速用。1A を超えたら電流の定格から選び直す、の3通りで足ります。

リレー・モータ・ソレノイドでの使い分け

どれも直流のコイルなので、つなぎ方は同じです。違うのは、電流の大きさと、ON/OFF の回数です。

	リレー	DC モータ（PWM）	ソレノイド
電流（目安）	数十mA	数百mA〜数A	数百mA〜数A
ON/OFF の回数	ときどき	1秒に何千回	ときどき
選ぶダイオード	1N4148・1N4007	ショットキー・高速用	電流の大きい一般整流用
気をつけること	接点が離れるのが遅れる	OFF のたびに電流が流れるので発熱と平均電流	戻りを速くしたいならツェナーや抵抗を足す
身の回りの例	エアコン・給湯器・自動車の電装	おもちゃ・ロボット・ファン	洗濯機の給水弁・自動販売機

PWM で動かすモータでは、ダイオードは OFF のたびに電流を流します。ときどき流れるだけのリレーと違い、ダイオードの発熱と平均電流を必ず確かめます。

モータの回る向きを変える回路（Hブリッジ）では、4つのスイッチ素子それぞれのダイオードが、同じ逃げ道の役目をします。

つまり、「コイルが入っていて、直流で ON/OFF する」回路には、ほぼ必ずフリーホイールダイオードか、その代わりの保護が要ります。

弱点：OFF してからリレーが離れるまでが遅くなる

フリーホイールダイオードを付けると、コイルの電流がゆっくり減るので、リレーの接点が離れるのが遅れます。

輪の中で電圧を食うのは、ダイオードの約1V とコイルの抵抗だけです。電流を減らす力が弱いので、電流がなかなか減りません。リレーは、電流がある程度まで減ってはじめて接点を離します。

パナソニックや TE のリレーの資料は、ダイオードで復帰（接点が離れること）が遅れると、接点の電気的な寿命が短くなったり、軽く溶着したりすることがある、と注意しています。

つまり、ダイオードは「電圧を一番低く抑える代わりに、切れるのが遅い」方法です。遅れが困るかどうかで、次の一手を決めます。

速く切りたいとき：ツェナー・TVS・抵抗を組み合わせる

電流を速く減らすには、輪の中に「電圧を食う部品」を足します。ただし、そのぶんスイッチ素子にかかる電圧は高くなります。

方法	つなぎ方	スイッチにかかる電圧	12V の例
ダイオード＋ツェナー	ダイオードとツェナーを向かい合わせに直列にして、コイルと並列	12V＋Vz＋約1V	Vz＝24V なら約37V
双方向 TVS	双方向の TVS をコイルと並列	12V＋クランプ電圧	TVS の品種で決まる
抵抗＋ダイオード	抵抗とダイオードを直列にして、コイルと並列	12V＋電流×R＋約1V	400Ω なら 12＋12＋1＝約25V

TE はリレーの接点の寿命のために、ダイオードとツェナーを直列にしてコイルと並列につなぐ方法を勧めています。パナソニックの資料にも、ダイオードだけで遅れすぎる場合に効果がある、と書かれています。

パナソニックの資料には、ツェナーダイオードをトランジスタのコレクタとエミッタの間（回路電圧の2倍以上）に付けて遅れを短くする方法も載っています。

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つまり、「速く切る」と「スイッチにかかる電圧」は引き換えです。速くしたぶん、スイッチ素子の耐圧に余裕を持たせます。

スナバ・TVS・バリスタとの違い：守るのはスイッチの側

逆起電力の対策は、ダイオードのほかに RC スナバ・TVS・バリスタがあります。どれも「コイルの電流の逃げ道」を作り、スイッチ（トランジスタやリレーの接点）を守る部品です。

方法	使える電源	スイッチにかかる電圧（12V の例）	主な使い道
ダイオードだけ	直流だけ	約13V（いちばん低い）	リレー・小さなモータ
ダイオード＋ツェナー	直流だけ	12＋Vz＋約1V	早く離したいリレー・ソレノイド
双方向 TVS	直流・交流	12＋クランプ電圧	向きを決めたくない所
RC スナバ	直流・交流	R と C の値しだい	交流のコイル・接点の保護
バリスタ	直流・交流	高め	交流 100V・200V の機器

直流のコイルを ON/OFF するなら、まずフリーホイールダイオードです。交流のコイルにはダイオードが使えないので、RC スナバかバリスタを使います。

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つまり、「直流ならダイオード、遅れが困るならツェナー、交流なら RC スナバかバリスタ」と覚えておけば、最初の選択で迷いません。

組んだら確かめる：テスターで向き、オシロで電圧

最低限、電源を入れる前にテスターで向きを確かめます。余裕があれば、オシロスコープで OFF の瞬間のコレクタの電圧を見ます。

最低限ここだけ：テスターで向きを見る

余裕があれば：オシロで OFF の瞬間を見る

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つまり、向きはテスター、効き目はオシロ。この2つで、フリーホイールダイオードが正しく働いているかを確かめられます。

よくある質問（FAQ）