Qué es la ley de Lenz y de qué manera afecta al diseño de PCB

Para entender la ley de Lenz, empieza por imanar una bobina inductiva.

Para entender la ley de Lenz, empieza por imanar una bobina inductiva.

Las reuniones de equipo pueden ser frustrantes si un miembro del equipo se opone de manera constante y por principio a tus ideas. Y combatir la corriente opuesta es algo parecido. Seguir simplemente las normas y aportar argumentos sólidos no basta. Al encontrar resistencia, ya sea en las reuniones de equipo o en el diseño de PCB, necesitas seguir un enfoque alternativo.

¿Qué es la ley de Lenz?

Si necesitas un recordatorio de los conceptos de física fundamentales, la ley de Lenz establece que «El sentido de las corrientes o fuerza electromotriz inducida es tal que se opone siempre a la causa que la produce, o sea, a la variación del flujo». Esta teoría puede simplificarse con la ecuación de la ley de Lenz:

 

El signo negativo en la ecuación se debe a que el voltaje inducido tiene un sentido tal que establece una corriente que se opone al cambio de flujo magnético. 

La ley de Lenz también se puede expresar desde otro punto de vista, en el que la corriente inducida fluye en dirección opuesta al cambio que la provoca. Esta afirmación nos acerca, de hecho, al efecto de la ley de Lenz en el diseño de PCB.

Ley de Lenz, fuerza contraelectromotriz y bobina inductora 

 Ley de Lenz. Figura 1: el inductor se energiza

Ley de Lenz. Figura 1: el inductor se energiza

La demostración más sencilla de la ley de Lenz se puede hacer con una simple conexión de una batería de CC, un interruptor y una bobina inductora, como se muestra en la figura anterior (figura 1). Cuando el interruptor se cierra, formando un circuito completo, la corriente fluye en el sentido contrario a las agujas del reloj. Conforme a la ley de Lenz, en el inductor se genera un campo electromagnético en dirección opuesta a la de la corriente generada por la batería. 

Ley de Lenz. Figura 2: el inductor se desenergiza

Ley de Lenz. Figura 2: el inductor se desenergiza

A medida que la fuerza contraelectromotriz se acumula en el inductor, el interruptor se abre y se interrumpe el circuito. Como enfatiza la ley de Lenz, la corriente inducida es siempre opuesta a los factores que la provocan. Como consecuencia, el campo magnético en el inductor cambia de dirección y polaridad al intentar seguir el flujo de la corriente. El campo electromagnético opuesto que se produce cuando el circuito se interrumpe se conoce como fuerza contraelectromotriz.

La fuerza contraelectromotriz es fundamental para el funcionamiento de los motores eléctricos, ya que genera un campo magnético opuesto que hace girar el rotor. La fuerza contraelectromotriz de un motor asume siempre un valor prácticamente igual que el de la tensión de alimentación.

Efecto disruptivo de la fuerza contraelectromotriz y prevención

Si bien la fuerza contraelectromotriz puede ser la fuerza propulsora de los motores de CC, también puede representar una amenaza que ocasiona infinidad de problemas en una PCB. Uno de los componentes inductivos más comunes de un diseño PCB es el relé mecánico. Los relés mecánicos se componen de bobinas inductivas que se vuelven electromagnéticas cuando se energizan. 

Energizar un relé mecánico es generalmente inocuo, pero, cuando el relé se desconecta, la fuerza contraelectromotriz generada puede afectar a la estabilidad del hardware. Por ejemplo, la desconexión de un relé puede provocar el restablecimiento de los valores de fábrica (hard reset) de los microcontroladores; o bien, la fuerza contraelectromotriz puede introducir una corriente en polaridad inversa suficientemente grande como para dañar los componentes próximos.

En el siguiente esquema (figura 3), se muestra un relé mecánico que se ha desenergizado. La fuerza contraelectromotriz inducida en la bobina inductiva del relé intenta mantener el flujo de la corriente cuando el relé se energiza. Como el transistor está ahora en el estado «desactivado», una tensión positiva creciente puede provocar daños si sobrepasa la tensión de ruptura de la conexión.

Ley de Lenz. Figura 3: el relé se desenergiza, produciendo fuerza contraelectromotriz

Ley de Lenz. Figura 3: el relé se desenergiza, produciendo fuerza contraelectromotriz

La fuerza contraelectromotriz puede provocar también la formación de arco eléctrico si se conecta un motor de CC a los contactos abiertos del relé. Puesto que los motores de CC están formados por bobinas inductivas, es aplicable la misma teoría de la ley de Lenz cuando se desconectan. A medida que la fuerza contraelectromotriz intenta mantener la corriente decreciente, un potencial inverso alto puede provocar la formación de arco eléctrico en la separación entre contactos del relé. Este fenómeno puede provocar interferencia electromagnética, que pone en peligro la estabilidad del hardware.

La manera más fácil de mitigar el efecto de la fuerza contraelectromotriz es con un diodo de retorno. Esto se hace colocando un diodo a través de la bobina inductiva en polaridad inversa cuando la bobina se energiza. Cuando la bobina se desenergiza, la polaridad del diodo cambia a directa, proporcionando una ruta para descargar la fuerza contraelectromotriz de forma segura sin que afecte a otros componentes próximos.

Con un software de diseño de PCB fiable, como Altium Designer, puedes sacar partido de una extensa biblioteca para evitar efectos no deseados de la ley de Lenz y mantener tus planos bien organizados. Si tienes problemas relacionados con la fuerza electromotriz o quieres aprender más acerca de los efectos de la ley de Lenz en el diseño de PCB, habla con un experto de Altium.

Acerca del autor

Altium Designer

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

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