Quels sont les effets indésirables de loi de Lenz sur la conception des PCB ?

^{Pour comprendre la loi de Lenz, vous commencez par exciter une bobine inductive.}

Les réunions d'équipe peuvent devenir frustrantes si vous un membre de l'équipe s'oppose constamment à vos idées par simple plaisir. Faire face à un courant induit opposé, c'est un peu comme faire face à ce genre de champion de la contrariété. Il ne suffit pas de suivre les normes et de présenter des arguments solides. Pour faire face à l'opposition, aussi bien en équipe que dans la conception des PCB, vous devez développer une autre approche, proposer autre chose.

Qu’est-ce que la loi de Lenz ?

Si vous avez besoin d'une mise à jour sur les principes fondamentaux de la physique, rappelons que la loi de Lenz stipule que toute force électromagnétique induite (FEM opposée) produit un courant et des champs magnétiques qui s'opposent à ce changement. Cette théorie est plus simplement exprimée par l'équation de la loi de Lenz :

Le signe négatif de l'équation désigne le changement opposé qui se produit lorsque le flux magnétique s'oppose au changement du champ électromagnétique induit. 

La loi de Lenz peut également être exprimée d'un autre point de vue : le courant induit circule dans la direction opposée au changement qui en est la cause. Cette formulation nous rapproche de l'effet de la loi Lenz dans la conception des PCB.

Loi de Lenz, FEM opposée et bobine d'induction

^{Figure 1 : L’inducteur est sous tension.}

La démonstration la plus simple de la loi de Lenz peut être réalisée par le simple raccordement d'une batterie CC, d'un interrupteur et d'une bobine d'inductance (Figure 1 ci-dessus). Lorsque l'interrupteur est fermé, que le circuit est complet, le courant circule dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Selon la loi de Lenz, un champ électromagnétique sur l'inducteur sera induit dans une direction opposée au flux de courant causé par la batterie. 

^{Figure 2 : L’inducteur est hors tension.}

Lorsque la force électromagnétique opposée s'accumule au niveau de l'inducteur, le commutateur s'ouvre et le circuit est coupé. Comme le souligne la loi Lenz, le courant induit s'oppose toujours aux facteurs qui le modifient. Par conséquent, le champ magnétique de l'inducteur change de direction et de polarité lorsqu'il tente de suivre le flux du courant. Le champ électromagnétique opposé qui se produit lorsque le circuit est interrompu est appelé FEM opposée (force électromagnétique opposée).

La FEM opposée joue un rôle fondamental dans le fonctionnement des moteurs électriques, parce qu’elle crée un champ magnétique opposé qui fait tourner le rotor. La FEM opposée d'un moteur prend presque toujours une valeur égale à la tension d'alimentation.

Effet perturbateur de la FEM opposée et prévention

Alors que la FEM opposée peut faire tourner des moteurs à courant continu, elle peut aussi provoquer de nombreux problèmes dans un PCB. Le relais mécanique est l’un des éléments inductifs les plus utilisés dans les PCB. Les relais mécaniques sont constitués de bobines inductives qui deviennent électromagnétiques lorsqu'elles sont sous tension. 

L'activation d'un relais mécanique est généralement inoffensive, mais lorsque le relais est relâché, la FEM opposée peut affecter la stabilité matérielle. Par exemple, des microcontrôleurs peuvent subir un redémarrage à froid chaque fois qu'un relais est relâché, ou la FEM opposée peut induire un courant à polarité inversée suffisamment important pour endommager les composants les plus proches.

La Figure 3 donne un exemple de relais mécanique mis hors tension. La FEM opposée induite sur la bobine inductive du relais tente de maintenir le flux du courant lorsque le relais est excité. Comme le transistor est maintenant à l'état "off", une tension positive croissante peut causer des dommages si elle dépasse la tension de claquage de la jonction.

^{Figure 3 : Le relais désexcité produit une FEM opposée.}

La FEM opposée peut également provoquer des arcs électriques sur le relais si un moteur CC est connecté aux contacts du relais. Comme les moteurs CC sont constitués de bobines inductives, la loi de Lenz s'applique à chaque déconnexion. Comme la FEM opposée tente de maintenir le courant décroissant, un potentiel inverse élevé peut provoquer un arc électrique entre les contacts du relais. Ce phénomène peut induire des interférences électromagnétiques (IEM) qui compromettent la stabilité matérielle.

La méthode la plus simple pour atténuer les effets de la FEM opposée est d'utiliser une diode flyback. La diode est montée sur la bobine inductive, en inversion de polarité lorsque la bobine est excitée. Lorsque la bobine est hors tension, la diode est polarisée dans le sens passant, ce qui permet de décharger la FEM opposée sans risque et sans affecter les autres composants à proximité.

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