Was ist die Lenz'sche Regel und wie wirkt sie sich auf PCB-Design aus?

Was ist die Lenzsche Regel?

Die Lenz'sche Regel besagt, dass ein induziertes Elektromagnetisches Feld (Gegen-EMF) zu elektrischem Strom und magnetischen Feldern führt, die der Änderung des magnetischen Flusses entgegenwirken. Diese Theorie kann durch die Gleichung des Lenz'schen Gesetzes vereinfacht dargestellt werden.

Gleichung der Lenz'schen Regel

Das Minuszeichen der Gleichung steht für die entgegenwirkende Änderung, die auftritt, wenn der Induktionsfluss der Änderung des induzierten Gegen-EMF entgegenwirkt. 

Die Lenz'sche Regel kann auch aus einer anderen Perspektive ausgedrückt werden, wenn der Induktionsfluss in die entgegengesetzte Richtung des verursachenden Stroms fließt. Diese Aussage bringt Sie den Auswirkungen der Lenz'schen Regel auf das PCB-Design näher.

Lenz'sche Regel, Gegen-EMF und Induktionsspule 

Abbildung 1: Induktionsspule ist aktiviert

Die einfachste Demonstration der Lenz'schen Regel kann durch eine simple Verknüpfung einer Gleichstrombatterie, eines Schalters und einer Induktionsspule erfolgen, wie in der Abbildung weiter oben angezeigt (Abbildung 1). Wenn der Schalter geschlossen ist und eine Gesamtschaltung entsteht, fließt der Strom linksherum. Laut des Lenz'schen Gesetzes kann ein elektromagnetisches Feld auf der Induktionsspule in entgegengesetzter Richtung der aktuellen, durch die Batterie verursachten Fließrichtung induziert werden. 

Abbildung 2: Induktionsspule ist deaktiviert

Wenn das Gegen-EMF sich an der Induktionsspule aufbaut, öffnet sich der Schalter und der Stromkreis wird unterbrochen. Die Regel von Lenz besagt, dass der induzierte Stromfluss stets den ihn verändernden Faktoren entgegenwirkt. Das führt dazu, dass das magnetische Feld an der Induktionsspule die Richtung und den Pol wechselt, während es versucht, den Stromverlauf fortzuführen. Das entgegenwirkende magnetische Feld, das bei der Unterbrechung des Stromkreises entsteht, nennt man Gegen-EMF.

Das Gegen-EMF ist von großer Bedeutung für die Bedienung von Elektromotoren , da es für die Entstehung eines entgegenwirkenden magnetischen Felds sorgt, das den Rotor antreibt. Das Gegen-EMF nimmt in einem Motor stets denselben Wert der Spannungszufuhr an.

Störeffekt des Gegen-EMF und dessen Vermeidung

Das Gegen-EMF kann zwar als treibende Kraft von Gleichstrommotoren dienen, auf der anderen Seite kann es aber auch unterschiedliche Probleme auf der Leiterplatte verursachen. Eines der herkömmlichsten Induktionselemente bei einem PCB-Design ist ein mechanisches Relais. Mechanische Relais bestehen aus Induktionsspulen, die bei Aktivierung elektromagnetisch werden. 

Die Aktivierung eines mechanischen Relais ist in der Regel harmlos, doch wenn das Relais freigesetzt wird, kann das generierte Gegen-EMF Auswirkungen auf die Stabilität der Hardware haben. Zum Beispiel kann es bei Mikrocontrollern zu einem harten Reset kommen, wenn das Relais freigesetzt wird, oder das Gegen-EMF bewirkt eine umgekehrte Polarität des Stroms, die stark genug ist, um unmittelbare Komponenten zu beschädigen.

Das folgende Schema (Abbildung 3) zeigt ein mechanisches Relais, das deaktiviert wurde. Das induzierte Gegen-EMF an der Induktionsspule des Relais bemüht sich um die Erhaltung des Stromflusses, wenn das Relais aktiviert ist. Da sich der Transistor jetzt in ‚ausgeschaltetem‘ Zustand befindet, kann eine erhöhte positive Spannung zu Schäden führen, wenn sie die Durchbruchspannung des Anschlusses übertrifft.

Abbildung 3: Relais ist deaktiviert und bewirkt Gegen-EMF

Das Gegen-EMF kann auch eine Lichtbogenbildung auf dem Relais begünstigen, wenn Sie einen Gleichstrommotor anschließen, um Kontakte auf dem Relais zu öffnen. Da Gleichstrommotoren aus Induktionsspulen bestehen, gilt die gleiche Theorie des Lenzschen Gesetz, wenn sie nicht angeschlossen sind. Da das Gegen-EMF die abnehmende Spannung beibehält, kann ein hohes Rückstrompotenzial zur Lichtbogenbildung über der Lücke des Relaiskontakts führen. Dieses Phänomen kann eine elektromagnetische Störung (EMS) begünstigen, die sich negativ auf die Stabilität der Hardware auswirkt.

Am besten schränkt man die Auswirkungen eines Gegen-EMF ein, indem man eine Schutzdiode verwendet. Dafür platziert man eine Diode auf der Induktionsspule in entgegengesetzter Polarität, wenn die Spule aktiviert ist. Wenn die Spule deaktiviert ist, wird die Diode in Vorwärtsrichtung gepolt, wobei sie einen Pfad zur sicheren Ausspeisung des Gegen-EMF bietet, ohne andere umliegende Komponenten zu gefährden.

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