Was ist die Lenzsche Regel und wie wirkt sie sich auf PCB Design aus?

Inductive coil Um die Lenzsche Regel im PCB-Design nachvollziehen zu können, beginnen wir mit der Aktivierung von

Um die Lenzsche Regel im PCB-Design nachvollziehen zu können, beginnen wir mit der Aktivierung von 

Besprechungen im Team können wirklich frustrierend sein, wenn ein Teammitglied stets etwas gegen Ihre Ideen einzuwenden hat, nur um etwas gegen Sie zu sagen. Das Auseinandersetzen mit magnetischen Flussänderungen ist mit einem solchen Teammitglied zu vergleichen. Es reicht nicht, einfach nur den Normen zu entsprechen und fundierte Argumente zu bringen, wenn man mit Oppositionen zu tun hat, ob in der Teambesprechung oder beim PCB-Design – hier hilft nur ein alternativer Ansatz.

Was ist die Lenzsche Regel?

Für den Fall, dass Sie eine Auffrischung bezüglich Ihrer Physikgrundkenntnisse benötigen: Die Lenzsche 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 Lenzschen Gesetzes vereinfacht dargestellt werden.

 Alt Text: Die Lenzsche Regel Formel im PCB-Design

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

Die Lenzsche 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 Lenzschen Regel auf das PCB-Design näher.

Lenzsche Regel, Gegen-EMF und Induktionsspule 

  Abbildung 1: Die Lenzsche Regel erklärt

Abbildung 1: Die Lenzsche Regel erklärt 

  • Induktionsspule ist aktiviert

Die einfachste Demonstration der Lenzschen 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 Lenzscher Regel kann ein elektromagnetisches Feld auf der Induktionsspule in entgegengesetzter Richtung der aktuellen, durch die Batterie verursachten Fließrichtung induziert werden. 

 Abbildung 2: Die Lenzsche Regel Formel erklärt

Abbildung 2: Die Lenzsche Regel Formel erklärt

  • Induktionsspule ist deaktiviert

Wenn das Gegen-EMF sich an der Induktionsspule aufbaut, öffnet sich der Schalter und der Stromkreis wird unterbrochen. Die Lenzsche Regel 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 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 bei der Lenzschen Regel Formel

Abbildung 3: Relais ist deaktiviert und bewirkt Gegen-EMF bei der Lenzschen Regel Formel

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 der Lenzschen Regel, 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.

Mit einer zuverlässigen PCB-Designsoftware wie Altium Designer können Sie eine umfangreiche Bibliothek effektiv nutzen, um ungewollte Auswirkungen der Lenzschen Regel zu verhindern und die Organisation Ihres PCB-Layouts beizubehalten. Wenn Sie Probleme bezüglich EMF haben oder mehr über die Auswirkungen der Lenzschen Regel auf Ihr PCB-Design erfahren möchte, wenden Sie sich an einen Experten von Altium.

Über den Autor

Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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