Bei der Verwendung induktiver Lasten wie Motoren oder Relais kann die in dem Moment, in dem der Strom abgeschaltet wird, entstehende Gegen-EMK zu schwerwiegenden Schäden an der Stromversorgung oder den Steuerkreisen führen. Insbesondere in Bereichen, in denen eine hohe Zuverlässigkeit gefordert ist, wie beispielsweise bei medizinischen Geräten oder Industrieanlagen, sind geeignete Maßnahmen gegen die Gegen-EMK unerlässlich.
Wenn Sie das Prinzip der Entstehung von Gegen-EMK richtig verstehen und die konkreten Auswirkungen auf Motoren und Stromversorgungsanlagen erfassen, können Sie bereits in der Konstruktionsphase wirksame Maßnahmen einplanen.
Lassen Sie uns unser Verständnis der Gegen-EMK vertiefen, um eine sichere und zuverlässige Produktkonstruktion zu gewährleisten.
| Unter der Aufsicht der Vertriebsgruppe für elektronische Bauteile der C.I. Takiron Co., Ltd. Dieser Artikel wurde auf der Grundlage der hochentwickelten technischen Kompetenz und des Fachwissens erstellt, die wir seit unserer Gründung im Jahr 1919 als führendes Unternehmen in der Kunststoffverarbeitung erworben haben.Unsere Abteilung analysiert kontinuierlich die Markttrends und neuesten Technologien im Bereich ultrakompakter, hochpräziser Mikromotoren und konzentriert sich darauf, Konstrukteuren und Entwicklern Informationen mit hohem Mehrwert zur Verfügung zu stellen. Als Expertenteam mit fundierten Kenntnissen der Produkteigenschaften unterstützen wir Sie durch die Bereitstellung präziser und praxisorientierter Inhalte bei der Lösung Ihrer Herausforderungen und bei technologischen Innovationen. |
Prinzip und Mechanismus der Entstehung von Gegen-EMK
Das Verständnis der Mechanismen, durch die eine Gegen-EMK entsteht, ist der erste Schritt zu einer sicheren Produktkonstruktion.
In diesem Artikel werden sowohl die bei einer Stromunterbrechung auftretenden transienten Spannungsspitzen (Induktionsspitzen) als auch die während des Motorbetriebs kontinuierlich auftretende Gegen-EMK behandelt.
Im Folgenden werden diese Entstehungsmechanismen unter drei Gesichtspunkten ausführlich erläutert.
Inhalt dieses Abschnitts
- Die in der Spule gespeicherte Energie und die Rolle des Magnetfelds
- Die Gleichung für den Zusammenhang zwischen Stromänderung und Gegen-EMK
- Charakteristik der Gegen-EMK bei laufendem Motor
Durch das Verständnis dieser Faktoren können Sie die Auswirkungen der Gegen-EMK auf das Produkt vorhersagen und bereits in der Konstruktionsphase wirksame Maßnahmen einplanen.
Die in der Spule gespeicherte Energie und die Rolle des Magnetfelds
Wenn durch eine Spule Strom fließt, entsteht in ihrer Umgebung ein Magnetfeld, und elektrische Energie wird als magnetische Energie gespeichert. Diese gespeicherte Energie wird beim Unterbrechen des Stromflusses schlagartig freigesetzt, wodurch eine Gegen-EMK entsteht.
Da die Stärke des Magnetfelds proportional zur Anzahl der Windungen der Spule und zur Stärke des fließenden Stroms ist, ist die gespeicherte Energie bei Motoren, die mit hohen Stromstärken arbeiten, größer, wodurch auch die entstehende Gegen-EMK größer ausfällt.
Die kernlosen Motoren von C.I. Takiron weisen aufgrund ihrer kernlosen Bauweise eine geringe Wicklungsinduktivität auf und können somit zur Verringerung der bei einer Stromunterbrechung auftretenden transienten Spannungsspitzen beitragen. Dadurch wird die Belastung der Schutzschaltungen verringert, was eine sicherere Produktkonstruktion ermöglicht.
Die Gleichung für den Zusammenhang zwischen Stromänderung und Gegen-EMK
Die Größe der Gegen-EMK lässt sich durch eine Berechnungsformel ausdrücken.
Formel zur Berechnung der Gegen-EMK: V = -L × (dI/dt)
| Symbole | Bedeutung | Einheit |
| V | Größe der Gegen-EMK | V (Volt) |
| L | Induktivität der Spule | H (Henry) |
| dI/dt | Änderung des Stroms pro Zeiteinheit | A/s (Ampere pro Sekunde) |
Aus dieser Gleichung lässt sich ableiten, dass die entstehende Gegen-EMK umso höher ist, je stärker die Stromänderung ist und je größer die Induktivität ist.
Da sich der Strom beim Schaltvorgang innerhalb einer extrem kurzen Zeitspanne von wenigen Mikrosekunden ändert, wird der Wert von dI/dt sehr groß, wodurch eine hohe Gegen-EMK entsteht.
Aus dieser Gleichung V = -L × (dI/dt) geht hervor, dass es zwei Ansätze gibt, um die bei einer Stromunterbrechung auftretenden transienten Spannungsspitzen zu unterdrücken: entweder „die Induktivität zu verringern“ oder „die Stromänderung abzumildern“.
Durch den Einsatz von Motoren mit geringer Induktivität, wie beispielsweise kernlose Motoren, lassen sich die bei einer Stromunterbrechung auftretenden transienten Spannungsspitzen leichter reduzieren.
Charakteristik der Gegen-EMK bei laufendem Motor
Wenn sich ein Gleichstrommotor dreht, entsteht in der Spule kontinuierlich eine „Drehgegen-EMK“.
Diese Gegen-EMK ist eine Spannung, die durch die Drehung des Motors in der Spule induziert wird; sie wirkt der angelegten Spannung entgegen und dient dazu, den Motorstrom zu begrenzen.
Je höher die Drehzahl ist, desto größer wird die Dreh-Gegen-EMK, und da sich die Differenz zur angelegten Spannung verringert, nimmt der durch den Motor fließende Strom ab.
Dadurch stabilisiert sich die Drehzahl auf natürliche Weise, was zur Drehzahlregelung des Gleichstrommotors und zur Aufrechterhaltung eines stabilen Drehbetriebs beiträgt.
Kernlose Motoren weisen je nach Produktspezifikation eine geringe Wicklungsinduktivität auf und können somit zur Reduzierung transienter Spannungsspitzen beim Abschalten beitragen. Da der tatsächliche Grad der Dämpfung jedoch von den Motorkonstanten und der Ansteuerschaltung (Klemmsystem) abhängt, ist eine Überprüfung in der Konstruktionsphase erforderlich.
Durch die Reduzierung vorübergehender Spannungsspitzen wird die Belastung des Regelkreises verringert, was auch bei schnellen Start-Stopp-Vorgängen eine stabile Regelung ermöglicht. Insbesondere bei Anwendungen mit häufigen Start-Stopp-Vorgängen trägt diese Eigenschaft unmittelbar zur Verbesserung der Produktzuverlässigkeit bei.
Auswirkungen der Gegen-EMK auf den Motor und die Stromversorgung
Das Auftreten einer Gegen-EMK kann zu schwerwiegenden Schäden an der Steuerungsschaltung und am Stromversorgungssystem führen.
Im Folgenden werden die konkreten Auswirkungen der Gegen-EMK unter drei Gesichtspunkten erläutert.
Inhalt dieses Abschnitts
- Schäden an Transistoren und FETs
- Rückstrom in den Stromversorgungskreis und Spannungsanstieg
- Fehlfunktionen der Steuerungsschaltung und Entstehung von Störsignalen
Indem diese Auswirkungen von vornherein verhindert werden, lässt sich die langfristige Zuverlässigkeit der Produkte gewährleisten.
Schäden an Transistoren und FETs
Bei den Schaltelementen der Motorantriebsschaltung besteht die Gefahr, dass sie durch Überspannungen aufgrund von Gegen-EMK zerstört werden.
Wird eine Spannung angelegt, die die Spannungsfestigkeit zwischen Kollektor und Emitter eines Transistors oder zwischen Drain und Source eines FET überschreitet, gerät das Bauteil augenblicklich in einen Durchbruchzustand, wodurch ein hoher Strom fließt und die Gefahr einer thermischen Zerstörung besteht.
Ein Betrieb jenseits der zulässigen Druckgrenze verkürzt nicht nur die Lebensdauer des Bauteils erheblich, sondern kann im schlimmsten Fall bereits beim ersten Betrieb zu einem sofortigen Ausfall führen und die Zuverlässigkeit des gesamten Produkts beeinträchtigen.
Rückstrom und Spannungsanstieg im Stromversorgungsschaltkreis
Wenn aufgrund einer Gegen-EMK Strom in Richtung der Stromversorgung zurückfließt, kann dies zu einem Anstieg der Versorgungsspannung führen und die Überspannungsschutzschaltung auslösen. Insbesondere bei Verwendung einer Brückenschaltung kann es leicht zur Bildung eines Rückstrompfades kommen, was zu einem Leistungsabfall der Stromversorgung oder sogar zum Ausfall des gesamten Systems führen kann.
Maßnahmen zum Schutz vor Rückstrom sind für den Schutz der Stromversorgung unerlässlich, doch der Einbau zusätzlicher Schutzschaltungen führt zu höheren Kosten und einer komplexeren Schaltung.
Durch den Einsatz eines Motors mit niedrigem Induktivitätswert lässt sich der durch die Gegen-EMK verursachte Rückstrom reduzieren, wodurch eine einfache und zuverlässige Stromversorgungsauslegung ermöglicht wird.
Fehlfunktionen der Steuerkreise und Auftreten von Störsignalen
Transiente Spannungsspitzen, die durch Gegen-EMK verursacht werden, führen zu elektrischen Störungen und wirken sich nachteilig auf die umliegenden Schaltungen aus.
Dies ist ein Faktor, der zu Fehlablesungen von Sensorsignalen oder Fehlfunktionen des Steuerungsmikrocontrollers führt und die Zuverlässigkeit des gesamten Systems beeinträchtigt.
Durch die Reduzierung der bei einer Stromunterbrechung auftretenden transienten Spannungsspitzen verringern kernlose Motoren die Störquelle selbst und minimieren so die Auswirkungen auf die umliegenden Schaltungen.
Wirksame Maßnahmen gegen Gegen-EMK
Um die Auswirkungen von Gegen-EMK auf den Stromkreis zu verhindern, ist die Auslegung geeigneter Schutzschaltungen unerlässlich.
Es gibt verschiedene Maßnahmen wie Dioden, Zenerdioden, CR-Snubber-Schaltungen und Varistoren, die jeweils ihre eigenen Merkmale aufweisen. Darüber hinaus sind grundlegende Maßnahmen, die sich aus der Konstruktion des Motors selbst ergeben, ebenfalls wirksam.
Im Folgenden werden wirksame Maßnahmen, die in der Praxis angewendet werden können, unter drei Gesichtspunkten erläutert.
Inhalt dieses Abschnitts
- Schutz durch eine einzelne Diode
- Durch den Einsatz einer Zenerdiode wird eine schnelle Rückstellung erreicht
- Einsatz von CR-Snubber-Schaltungen und Varistoren
Durch die Auswahl der optimalen Schutzmethode entsprechend dem Verwendungszweck und den Anforderungen an die Rückstellzeit lässt sich ein äußerst zuverlässiges Produktdesign realisieren.
Schutz durch eine einzelne Diode
Der Anschluss einer Diode parallel zur Spule ist die grundlegendste und am weitesten verbreitete Maßnahme.
Der bei Auftreten einer Gegen-EMK entstehende Strom wird über eine Diode in die Stromversorgung zurückgeführt, wodurch ein Spannungsanstieg verhindert wird.
Merkmale der Diodenschutzschaltung
| Punkt | Inhalt |
| Vorteile | Einfacher Schaltplan, geringe Kosten, geringe Anzahl an Bauteilen |
| Nachteile | Längere Erholungszeit; nicht für schnelles Umschalten geeignet |
| Auswahlkriterien | Die Auswahl erfolgt unter Berücksichtigung der Versorgungsspannung sowie einer Sicherheitsmarge für Überspannungen und Schwankungen |
| Bei Niederspannungsschaltungen | Kann auch bei einer Sperrspannung von etwa dem Dreifachen der Versorgungsspannung eingesetzt werden |
Dieses Verfahren findet breite Anwendung in Bereichen, in denen eine hohe Zuverlässigkeit gefordert ist, wie beispielsweise bei medizinischen Geräten und Industrieanlagen.
Es ist wichtig, dass die Sperrspannung der Diode mindestens der Versorgungsspannung entspricht und bei der Auswahl unter Berücksichtigung von Spannungsspitzen sowie einer Konstruktionsreserve ein ausreichender Spielraum vorgesehen wird.
Durch den Einsatz einer Zenerdiode wird eine schnelle Rückstellung erreicht
Durch die Reihenschaltung einer Zenerdiode mit einer herkömmlichen Diode lässt sich die Klemmspannung erhöhen und die Rückstellzeit verkürzen. Da die an der Spule anliegende Sperrspannung zunimmt, erfolgt die Stromkonvergenz schneller, wodurch sich diese Lösung für Anwendungen eignet, die ein schnelles Schalten erfordern.
Da eine falsche Auswahl der Zenerdiodenspannung nicht nur den Schutz der Schaltelemente beeinträchtigt, sondern auch zu einer Beschädigung der Zenerdiode selbst führen kann, ist eine gründliche Überprüfung erforderlich.
Einsatz von CR-Snubber-Schaltungen und Varistoren
Eine CR-Snubber-Schaltung, die aus einem Kondensator und einem Widerstand besteht, ist eine Schutzmaßnahme, die auch in Wechselstromkreisen eingesetzt werden kann.
Der Kondensator gleicht plötzliche Spannungsschwankungen aus, und der Widerstand wandelt die Energie in Wärme um, wodurch vorübergehende Spannungsspitzen aufgrund der Gegen-EMK unterdrückt werden.
Eigenschaften der CR-Snubber-Schaltung und des Varistors
| Maßnahmen | Anwendungsschaltungen | Hauptmerkmale |
| CR-Snubber-Schaltung | Für AC und DC geeignet | Glättet Spannungsschwankungen und unterdrückt Spannungsspitzen |
| Barista | AC/DC-kompatibel | Bei Überschreiten einer bestimmten Spannung sinkt der Widerstandswert abrupt, wodurch Überspannungen absorbiert werden |
Ein Varistor ist ein Bauteil, dessen Widerstandswert ab einer bestimmten Spannung schlagartig abfällt, wodurch er Überspannungen wirksam absorbiert.
Bei Industrie- und Sicherheitsgeräten handelt es sich um ein System, bei dem durch die Kombination mehrerer Schutzelemente eine höhere Schutzwirkung erwartet werden kann.
CR-Snaba-Schaltungen sind zwar aufgrund der höheren Anzahl an Bauteilen komplexer, bieten jedoch eine hohe Rauschunterdrückung und minimieren die Auswirkungen auf die umliegenden Schaltungen.
Da der Barista eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweist und sofort auf plötzliche Überspannungen reagiert, eignet er sich auch zum Schutz vor externen Störgrößen wie Blitzüberspannungen.
Zusammenfassung
Die Gegen-EMK ist ein Phänomen, das auftritt, wenn sich der durch die Spule fließende Strom ändert; beim Stillstand des Motors kann es dabei zu vorübergehenden Spannungsspitzen kommen, die die angelegte Spannung deutlich übersteigen (der Wert hängt von L, der Abschaltgeschwindigkeit und der Klemmschaltung ab).
Da dies schwerwiegende Folgen haben kann – wie beispielsweise die Zerstörung von Transistoren oder FETs in der Steuerungsschaltung, einen Spannungsanstieg durch Rückstrom in die Stromversorgung oder Fehlfunktionen der Steuerungsschaltung –, sind geeignete Maßnahmen wie Diodenschutzschaltungen, Schaltungen mit Zenerdioden oder CR-Snubber-Schaltungen unerlässlich.
Bei der Auswahl der Schutzschaltung ist es wichtig, die für den jeweiligen Anwendungszweck geeignete Rückstellzeit sowie die Kosten zu berücksichtigen und die optimale Lösung zu wählen. Darüber hinaus lässt sich durch die Berücksichtigung der Gegen-EMK bereits bei der Motorauswahl die Schutzschaltung vereinfachen, wodurch ein sichereres und zuverlässigeres Produktdesign erreicht wird.
Produktinformationen und Kontakt
Ausführliche Informationen zu den Mikromotoren von C.I. Takiron finden Sie auf der folgenden Website.
- Produktseite: https://cik-ele.com/
- Kernlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Bürstenlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Getriebemotoren: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Sollten Sie bei der Auswahl von Kleinmotoren für Ihre Produktentwicklung auf Schwierigkeiten stoßen, können Sie sich gerne über das Kontaktformular an uns wenden. Unsere technischen Berater werden Ihre Anwendungszwecke und Anforderungen mit Ihnen besprechen und Ihnen die optimale Lösung vorschlagen.
- Kontakt: https://cik-ele.com/contact/
