Che effetto ha la legge di Lenz nei PCB e come influisce sulla loro progettazione?

Inductive coil

Le riunioni di gruppo possono essere frustranti se avete un membro che si oppone costantemente alle vostre idee solo per il gusto di farlo. Lo stesso vale quando bisogna trattare la corrente opposta. Seguire semplicemente le regole e trovare argomenti validi non è sufficiente. Quando si incontra una resistenza, nelle riunioni di gruppo o nella progettazione di PCB, è necessario sviluppare un approccio alternativo.

Che cos’è la legge di Lenz?

Se avete bisogno di un ripasso sui fondamenti di fisica, la legge di Lenz afferma che qualsiasi campo elettromagnetico indotto (forza controelettromotrice) produrrà campi di corrente e campi magnetici che si oppongono al cambiamento. La teoria può essere semplificata tramite l’equazione della legge di Lenz:

Il segno negativo sull'equazione indica il cambiamento opposto che si verifica quando il flusso magnetico si oppone al cambiamento della forza controelettromotrice indotta. 

La legge di Lenz può essere espressa anche da un'altra prospettiva, in cui la corrente indotta fluisce nella direzione opposta a quella del cambiamento che la causa. Questa affermazione, infatti, la avvicina all'effetto della legge di Lenz nella progettazione di PCB.

Legge di Lenz, forza controelettromotrice e bobina di induzione

Energized inductor

Figura 1: L’induttore è magnetizzato e la forza controelettromotrice non ha ancora effetto

La dimostrazione più semplice della legge di Lenz può essere realizzata con un semplice collegamento tra una batteria CC, un interruttore e una bobina di induzione, come mostrato nella figura precedente (Figura 1). Quando l'interruttore è chiuso, formando così un circuito completo, la corrente scorre in senso antiorario. Secondo la legge di Lenz, un campo elettromagnetico sull'induttore viene indotto in una direzione opposta al flusso di corrente generato dalla batteria. 

De-energized inductor

Figura 2: La forza elettromotrice è accumulata sull’induttore smagnetizzato

Quando la forza controelettromotrice si accumula sull'induttore, l'interruttore si apre e il circuito si interrompe. Come sottolinea la legge di Lenz, la corrente indotta si oppone sempre ai fattori che la modificano. Di conseguenza, il campo magnetico dell'induttore cambia direzione e polarità nel tentativo di continuare il flusso di corrente. Il campo elettromagnetico opposto che si verifica quando il circuito viene interrotto, è chiamato forza controelettromotrice.

La forza controelettromotrice è fondamentale per il funzionamento dei motori elettrici in quanto crea un campo magnetico opposto che fa girare il rotore. La forza controelettromotrice in un motore assume quasi sempre lo stesso valore della tensione di alimentazione.

Effetti distruttivi della forza controelettromotrice e soppressione

Se la forza controelettromotrice può essere la forza motrice dei motori a corrente continua, può rappresentare anche la causa che genera numerosi problemi in un PCB. Uno degli elementi più induttivi in una progettazione di PCB è un relè meccanico. Questi relè sono costituiti da bobine induttive che diventano elettromagnetiche quando sono magnetizzate. 

Magnetizzare un relè meccanico di solito non provoca danni, ma quando viene rilasciato la forza controelettromotrice generata può influire sulla stabilità dell'hardware.  Ad esempio, i microcontrollori possono subire un reset totale ogni volta che un relè viene rilasciato oppure la forza controelettromotrice può introdurre una corrente di polarità inversa sufficientemente grande da danneggiare i componenti vicini.

Il seguente schema (Figura 3) mostra un relè meccanico smagnetizzato. La forza controelettromotrice indotta alla bobina di induzione del relè tenta di mantenere il flusso di corrente quando il relè è magnetizzato. Poiché il transistor è disattivato, una tensione positiva crescente può causare danni se supera la tensione disruptiva della giunzione.

De-energized relay with back EMF

Figura 3: Il relè è smagnetizzato e genera la forza controelettromotrice

La forza controelettromotrice può anche causare la formazione di arco elettrico sul relè se si collega un motore CC per aprire i contatti del relè. Dato che i motori CC sono costituiti da bobine di induzione, la stessa teoria della legge di Lenz si applica quando viene scollegato. Poiché la forza controelettromotrice cerca di mantenere la corrente decrescente, un elevato potenziale inverso può causare la formazione di un arco elettrico nella separazione tra i contatti dei relè. Questo fenomeno può indurre interferenze elettromagnetiche (EMI) che compromettono la stabilità dell'hardware.

Il modo più semplice per ridurre l’effetto della forzacontroelettromotrice è quello di utilizzare undiodo di ricircolo. Il diodo viene posizionato sulla bobina di induzione in polarità inversa quando la bobina è magnetizzata. Quando viene smagnetizzata, il diodo diventa polarizzato in senso diretto, fornendo un percorso per scaricare in sicurezza la forza controelettromotrice senza influenzare altri componenti vicini.

Grazie ad un software di progettazione di PCB affidabile come Altium Designer, è possibile usufruire di una vasta libreria per evitare gli effetti indesiderati della legge di Lenz e mantenere i vostri layout ben organizzati. Se avete problemi legati alla forza controelettromotrice o volete saperne di più sugli effetti della legge Lenz sulla progettazione dei PCB, contattate un esperto di Altium.

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