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什么是Lenz Law?对pcb电路设计有哪些帮助?

如果您的团队成员经常反对您的想法,那么团队会议可能会让您感到沮丧。处理反向电流就像处理这样的对手一样。仅仅遵循规范并提出合理的论据是不够的;在处理反对意见时,在团队设置以及PCB设计中,您需要开发一种替代方法。

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什么是Lenz Law?

以防万一你需要对你的物理基础进行更新,Lenz Law指出任何感应电磁场(反电动势)都会产生与变化相反的电流和磁场。这个理论可以通过伦茨定律方程简化:

方程上的负号表示磁通量与变化相反时发生的相反变化在诱导反电动势中也是如此。

楞次定律也可以从另一个角度表达,其中感应电流在与引起它的变化相反的方向上流动。事实上,这一陈述使您更接近Lenz Law在PCB设计中的影响。

Lenz Law,Back-EMF和电感线圈

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图1:电感器通电

可以安排最简单的Lenz Law演示简单连接直流电池开关和电感线圈,如上图所示(图1)。当开关闭合,形成完整的电路时,电流以逆时针方式流动。根据Lenz定律,电感器上的电磁场将在与电池引起的电流相反的方向上被感应。

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图2:电感器断电

当反电动势在电感器处积聚时,开关打开,电路断开。正如伦茨法强调的那样,感应电流总是反对改变它的因素。结果,当电感器试图继续电流流动时,电感器处的磁场改变方向和极性。电路断开时产生的相反电磁场称为反电动势。

反电动势是电动机运行的基础,因为它会产生反转磁场,使转子转动。电动机中的反电动势总是假设电压值几乎相同。

反电动势和预防的破坏性影响

虽然反电动势可以是直流电机的驱动力,也可能是导致PCB出现多重问题的威胁。 PCB设计中最具感应性的元件之一是机械继电器。机械继电器由感应线圈组成,感应线圈在通电时变为电磁。

机械继电器通电通常是无害的,但当继电器释放时,产生的反电动势会影响硬件的稳定性。例如,每次释放继电器时,微控制器都可能会经历硬复位,或者反电动势可能会以相反的极性引入足够大的电流以损坏直接元件。

下面的示意图(图3)显示了机械已经断电的继电器。在继电器的感应线圈处感应的反电动势试图在继电器通电时保持电流的流动。由于晶体管现在处于“关闭”状态,如果超过结的击穿电压,增加的正电压可能会造成损坏。

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图3:继电器断电,产生反电动势

如果要连接直流电机,反电动势也会引起继电器电弧放电打开继电器的触点。由于直流电动机由感应线圈制成,因此当断开时,同样的伦茨定律理论也适用。当反EMF试图保持减小的电流时,高反向电位可能引起继电器触点的间隙上的电弧放电。这种现象可能会导致电磁干扰(EMI),从而影响硬件稳定性。

减轻反电动势影响的最简单方法是使用反激式二极管。这是通过在线圈通电时以相反的极性在感应线圈上放置二极管来完成的。当线圈断电时,二极管变为正向偏置,提供安全放电反电动势的路径,而不会影响其他附近组件。

使用AltiumDesigner?等可靠的PCB设计App,您可以利用扩展以防止Lenz Law的不良影响并保持PCB布局井井有条。

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