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什么是楞次定律以及它是如何影响PCB设计的?

如果你的团队成员经常反对你的想法,团队会议可能会令人沮丧。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。

什么是楞次定律?

如果您需要更新物理基础知识,楞次定律(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。这个理论可以通过楞次定律方程简化:

等式上的负号表示当磁通量与感应反电动势的变化相反时发生的相反变化。

楞次定律还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。

图1:电感器通电

最简单的Lenz Law演示可以通过简单连接直流电池,开关和电感线圈进行安排,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。

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。当电路断开时发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,因为它产生了转动转子的相反磁场。电动机中的反电动势总是假定电压值几乎相同。

反电动势的破坏作用及预防

虽然反电动势可以成为直流电机的驱动力,但它也可能是导致PCB出现多重问题的威胁。 PCB设计中最常见的电感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。

通电机械继电器通常是无害的,但是当继电器释放时,产生的反电动势会影响硬件的稳定性。例如,微控制器可能在每次释放继电器时都会硬件复位,或者反电动势可能以相反的极性引入足够大的电流以损坏直接组件。

下面的原理图(图3)显示了一个已经断电的机械继电器。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,如果增加的正电压超过结的击穿电压,则可能导致损坏。

图3:继电器断电,产生反电动势

如果您正在连接直流电机以打开继电器的触点,则反电动势也会在继电器上产生电弧。由于直流电动机由感应线圈制成,因此在断开连接时应用相同的楞次定律理论。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。这种现象可能会引起电磁干扰(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的元件。

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