Qué es la ley de Lenz y de qué manera afecta al diseño de PCB

^{Para entender la ley de Lenz, empieza por imanar una bobina inductiva.}

La ley de Lenz es una de las leyes físicas fundamentales que describe la multitud de relaciones entre la electricidad y el magnetismo. Junto con la ley de Ampere, la ley de Gauss, la ley de Faraday, la ley de Coulomb y la ley de la fuerza de Lorentz, tenemos todo lo que necesitamos para entender el comportamiento clásico del campo electromagnético. Entre estas leyes, la ley de Lenz y la ley de Faraday trabajan juntas para describir cómo el campo magnético en tu PCB está relacionado con la corriente eléctrica en los conductores.

¿Qué significa esto para el diseño de la placa de circuito impreso o PCB? Si tienes claro cómo funciona la ley de Lenz, podrás entender mejor cómo afectarán a tu diseño la diafonía y la EMI, así como la influencia general de los inductores en tu diseño. Veamos qué significa exactamente la ley de Lenz para tu diseño de PCB y cómo rige el comportamiento de las señales.

¿Qué es la ley de Lenz?

Si necesitas refrescar tus conocimientos básicos de física, es importante recordar que la ley de Lenz es el único efecto del electromagnetismo que no tiene su propia ecuación. Pero, ¿qué es la ley de Lenz? La ley de Lenz está relacionada con la ley de inducción de Faraday, que relaciona el campo magnético que atraviesa una bobina con la tensión inducida en una bobina. En concreto, la ley de Faraday establece que la magnitud de la fuerza electromotriz (FEM, también conocida como tensión) inducida en una bobina de alambre es proporcional a la velocidad de cambio del flujo magnético que pasa por la bobina:

La ley de Faraday no dice nada sobre cómo se produce un cambio en el flujo magnético que entra en la bobina. La bobina podría girar (como en un motor o generador), el área de la bobina que encierra el campo magnético podría estirarse o comprimirse, o la magnitud/dirección del campo magnético podría cambiar. Todos estos efectos producirían un cambio en el flujo magnético que pasa a la bobina, provocando la generación de un campo electromagnético.

Si te fijas en la fórmula del a ley de Lenz anterior, verás que hay un signo negativo. La ley de Lenz es la razón por la que ponemos un signo negativo en la ecuación anterior. En resumen, la ley de Lenz dice que el campo electromagnético inducido tiene una polaridad que produce una corriente cuyo campo magnético se opone al cambio que la produce cuando el flujo magnético está aumentando. Cuando el flujo magnético disminuye, el campo electromagnético inducido tiene polaridad opuesta. Esta afirmación nos acerca, de hecho, al efecto de la ley de Lenz en el diseño de PCB.

Ley de Lenz, fuerza contraelectromotriz y bobina inductora

^{Ley de Lenz. Figura 1: el inductor se energiza}

La demostración más sencilla de la ley de Lenz se puede hacer con una simple conexión de una batería de CC, un interruptor y una bobina inductora, como se muestra en la figura anterior (figura 1). Cuando el interruptor se cierra, formando un circuito completo, la corriente fluye en el sentido contrario a las agujas del reloj. Conforme a la ley de Lenz, en el inductor se genera un campo electromagnético en dirección opuesta a la de la corriente generada por la batería. 

^{Ley de Lenz. Figura 2: el inductor se desenergiza}

A medida que la fuerza contraelectromotriz se acumula en el inductor, el interruptor se abre y se interrumpe el circuito. Como destaca la ley de Lenz, la corriente inducida es siempre opuesta a los factores que la provocan. Como consecuencia, el campo magnético en el inductor cambia de dirección y polaridad al intentar seguir el flujo de la corriente. El campo electromagnético opuesto que se produce cuando el circuito se interrumpe se conoce como fuerza contraelectromotriz.

La fuerza contraelectromotriz es fundamental para el funcionamiento de los motores eléctricos, ya que genera un campo magnético opuesto que hace girar el rotor. La fuerza contraelectromotriz de un motor asume siempre un valor prácticamente igual que el de la tensión de alimentación.

Efecto disruptivo de la fuerza contraelectromotriz y prevención

Si bien la fuerza contraelectromotriz puede ser la fuerza propulsora de los motores de CC, también puede representar una amenaza que ocasiona infinidad de problemas en una PCB. Uno de los componentes inductivos más comunes de un diseño PCB es el relé mecánico. Los relés mecánicos se componen de bobinas inductivas que se vuelven electromagnéticas cuando se energizan. 

Energizar un relé mecánico es generalmente inocuo, pero, cuando el relé se desconecta, la fuerza contraelectromotriz generada puede afectar a la estabilidad del hardware. Por ejemplo, la desconexión de un relé puede provocar el restablecimiento de los valores de fábrica (hard reset) de los microcontroladores; o bien, la fuerza contraelectromotriz puede introducir una corriente en polaridad inversa suficientemente grande como para dañar los componentes próximos.

En el siguiente esquema (figura 3), se muestra un relé mecánico que se ha desenergizado. La fuerza contraelectromotriz inducida en la bobina inductiva del relé intenta mantener el flujo de la corriente cuando el relé se energiza. Como el transistor está ahora en el estado «desactivado», una tensión positiva creciente puede provocar daños si sobrepasa la tensión de ruptura de la conexión.

^{Ley de Lenz. Figura 3: el relé se desenergiza, produciendo fuerza contraelectromotriz}

La fuerza contraelectromotriz puede provocar también la formación de arco eléctrico si se conecta un motor de CC a los contactos abiertos del relé. Puesto que los motores de CC están formados por bobinas inductivas, es aplicable la misma teoría de la ley de Lenz cuando se desconectan. A medida que la fuerza contraelectromotriz intenta mantener la corriente decreciente, un potencial inverso alto puede provocar la formación de arco eléctrico en la separación entre contactos del relé. Este fenómeno puede provocar interferencia electromagnética, que pone en peligro la estabilidad del hardware.

La manera más fácil de mitigar el efecto de la fuerza contraelectromotriz es con un diodo de retorno. Esto se hace colocando un diodo a través de la bobina inductiva en polaridad inversa cuando la bobina se energiza. Cuando la bobina se desenergiza, la polaridad del diodo cambia a directa, proporcionando una ruta para descargar la fuerza contraelectromotriz de forma segura sin que afecte a otros componentes próximos.

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