Czego dotyczy prawo Lenza i jak wpływa na projekt płytki PCB?

Spotkania zespołu mogą być frustrujące, gdy któryś z jego członków dla zasady stale sprzeciwia się naszym pomysłom. Radzenie sobie z prądem przeciwnym przypomina radzenie sobie z takim oponentem. Zwykłe przestrzeganie zasad i wysuwanie logicznych argumentów nie wystarcza; żeby poradzić sobie ze sprzeciwem, zarówno w przypadku zespołu, jak i projektu PCB, trzeba zastosować alternatywne podejście.

Czego dotyczy prawo Lenza?

Na wypadek, gdyby potrzebne było odświeżenie podstaw fizyki, prawo Lenza mówi, że indukowany prąd elektryczny generuje pole magnetyczne przeciwdziałające zmianie strumienia magnetycznego, który wyindukował ten prąd. Tę teorię można uprościć do równania opisującego prawo Lenza:

Znak minus w równaniu oznacza przeciwdziałanie zmianie, co następuje, gdy strumień elektromagnetyczny przeciwdziała zmianie indukowanej siły elektromotorycznej (SEM). 

Na prawo Lenza można również spojrzeć z innej perspektywy, gdy prąd indukcyjny płynie w takim kierunku, że przeciwdziała przyczynie, która go wywołała. To stwierdzenie zbliża nas do wpływu prawa Lenza na projekt PCB.

Prawo Lenza, wsteczna siła elektromagnetyczna i cewka wzbudnika

_{Projektowanie PCB - zasilanie wzbudnika}

Żeby w najprostszy sposób zaprezentować prawo Lenza, wystarczy prosty obwód z baterią, przełącznikiem i cewką wzbudnika, jak pokazano na rysunku powyżej (rys. 1). Po zamknięciu obwodu przełącznikiem prąd płynie w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara. Zgodnie z prawem Lenza pole elektromagnetyczne wzbudzone w cewce będzie miało kierunek odwrotny do kierunku przepływu prądu z baterii. 

_{Projektowanie PCB - wyłączanie wzbudnika}

Gdy wzbudnik wytwarza wsteczną siłę elektromotoryczną, przełącznik się otwiera i obwód zostaje przerwany. Zgodnie z prawem Lenza prąd indukcyjny zawsze przeciwdziała przyczynie, która go wywołała. Wskutek tego pole magnetyczne wzbudnika zmienia kierunek i polaryzację, próbując podtrzymać przepływ prądu. Przeciwne pole elektromagnetyczne powstające po przerwaniu obwodu nazywa się wsteczną siłą elektromotoryczną.

Wsteczna SEM ma kluczowe znaczenie dla działania silników elektrycznych, ponieważ wytwarza przeciwne pole magnetyczne, które obraca wirnik. Wsteczna SEM w silniku zawsze przyjmuje niemal tę samą wartość co napięcie zasilania.

Szkodliwy wpływ wstecznej SEM i przeciwdziałanie

Chociaż wsteczna SEM może być siłą napędową silników prądu stałego, może być również utrapieniem powodującym liczne problemy na płytce PCB. Jednym z najbardziej indukcyjnych elementów na płytce PCB jest przekaźnik mechaniczny. Przekaźniki mechaniczne zawierają cewki indukcyjne, które po doprowadzeniu zasilania wytwarzają pole magnetyczne. 

Wzbudzenie przekaźnika mechanicznego jest zasadniczo nieszkodliwe, jednak wsteczna SEM wygenerowana po jego wyłączeniu może zakłócić stabilność sprzętu. Może na przykład dochodzić do wymuszonego zresetowania mikrokontrolerów przy każdym wyłączeniu przekaźnika, albo wsteczna SEM może wytworzyć na tyle silny prąd o odwrotnej polaryzacji, żeby uszkodzić podzespoły w bezpośrednim sąsiedztwie.

Na schemacie poniżej (rys. 3) pokazano przekaźnik mechaniczny, który został wyłączony. Wsteczna SEM wygenerowana w cewce indukcyjnej przekaźnika próbuje podtrzymać przepływ prądu, jaki płynął przy włączonym przekaźniku. Ponieważ tranzystor jest teraz w stanie „wyłączenia”, rosnące napięcie dodatnie może spowodować uszkodzenia, jeśli jego wartość przekroczy napięcie przebicia połączenia.

_{Rys. 3: Projektowanie PCB - wyłączony przekaźnik i wytwarzanie wstecznej SEM} 

Wsteczna SEM może również spowodować wyładowanie łukowe, gdy silnik prądu stałego zostanie podłączony ro rozwartych styków przekaźnika. Ponieważ silniki prądu stałego zawierają cewki indukcyjne, to samo prawo Lenza obowiązuje, gdy są odłączone. Gdy wsteczna SEM usiłuje utrzymać malejący przepływ prądu, wysoki potencjał przeciwny może spowodować wyładowanie łukowe między otwartymi stykami przekaźnika. To zjawisko może wytworzyć zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) zagrażające stabilności sprzętu.

Najprostszym sposobem łagodzenia wpływu wstecznej SEM jest zastosowanie diody zabezpieczającej. Polega to na podłączeniu równolegle z cewką indukcyjną diody, której polaryzacja jest przeciwna do zasilanej cewki. Po wyłączeniu cewki dioda staje się spolaryzowana dodatnio, umożliwiając bezpieczne rozładowanie wstecznej SEM bez wpływu na sąsiednie podzespoły.

Dzięki niezawodnemu oprogramowaniu do projektowania PCB, takiemu jak Altium Designer, można wykorzystać rozbudowaną bibliotekę, aby zapobiec niepożądanym efektom prawa Lenza i dobrze zorganizować układ PCB. Jeśli zmagasz się z problemami związanymi z siłą elektromagnetyczną lub chcesz dowiedzieć się więcej o wpływie prawa Lenza na projekt PCB, porozmawiaj z ekspertem Altium.