Cuando se utilizan cargas inductivas, como motores o relés, la fuerza contraelectromotriz que se genera en el momento en que se corta la corriente puede causar graves daños a la fuente de alimentación y a los circuitos de control. Especialmente en sectores que exigen una alta fiabilidad, como los dispositivos médicos o la maquinaria industrial, es imprescindible tomar las medidas adecuadas contra la fuerza contraelectromotriz.
Si entiendes bien el principio por el que se genera la fuerza contraelectromotriz y conoces sus efectos concretos en los motores y las fuentes de alimentación, podrás incorporar medidas eficaces desde la fase de diseño.
Para conseguir un diseño de productos seguro y fiable, profundicemos en el conocimiento de la fuerza contraelectromotriz.
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Principio y mecanismo de generación de la fuerza electromotriz inversa
Entender cómo se genera la fuerza electromotriz inversa es el primer paso para diseñar productos seguros.
En este artículo vamos a hablar tanto de los picos de tensión transitorios (impulsos de inducción) que se producen al cortar la corriente como de la fuerza contraelectromotriz (FCE) que se genera de forma continua mientras el motor gira.
A continuación, te explicamos con detalle cómo funcionan estos mecanismos desde tres puntos de vista.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- La energía que se almacena en la bobina y el papel del campo magnético
- Fórmula que relaciona la variación de la corriente con la fuerza electromotriz inversa
- Características de la fuerza contraelectromotriz durante el giro del motor
Si entiendes estos elementos, podrás predecir el efecto que la fuerza electromotriz inversa tiene en el producto e incorporar medidas eficaces ya desde la fase de diseño.
La energía que se almacena en la bobina y el papel del campo magnético
Cuando se hace pasar corriente por una bobina, se genera un campo magnético a su alrededor y la energía eléctrica se acumula en forma de energía magnética. Este mecanismo consiste en que, al cortar la corriente, la energía acumulada se libera rápidamente, lo que genera una fuerza contraelectromotriz.
Como la intensidad del campo magnético es proporcional al número de espiras de la bobina y a la intensidad de la corriente que circula por ella, cuanto más corriente maneja un motor, mayor es la energía acumulada y, por lo tanto, mayor es la fuerza contraelectromotriz que se genera.
Los motores sin núcleo de C.I. Takiron, gracias a su estructura sin núcleo de hierro, tienen una inductancia de bobinado reducida, lo que puede ayudar a reducir los picos de tensión transitorios que se producen al interrumpir la corriente. De este modo, se alivia la carga sobre los circuitos de protección y se consigue un diseño de producto más seguro.
Fórmula que relaciona la variación de la corriente con la fuerza electromotriz inversa
La magnitud de la fuerza contraelectromotriz se puede expresar mediante una fórmula.
Fórmula para calcular la fuerza electromotriz inversa: V = -L × (dI/dt)
| Símbolo | Significado | Unidad |
| V | La magnitud de la fuerza electromotriz inversa | V (voltios) |
| L | Inductancia de la bobina | H (henry) |
| dI/dt | Variación de la intensidad de corriente por unidad de tiempo | A/s (amperios por segundo) |
De esta fórmula se deduce que, cuanto más brusca sea la variación de la corriente y cuanto mayor sea la inductancia, mayor será la fuerza contraelectromotriz generada.
En el funcionamiento por conmutación, la corriente cambia en un tiempo extremadamente corto, de unos pocos microsegundos, por lo que el valor de dI/dt se vuelve muy grande y, como resultado, se genera una fuerza contraelectromotriz de alta tensión.
A partir de esta ecuación V = -L × (dI/dt), se ve que para suprimir los picos de tensión transitorios que se producen al cortar la corriente hay dos formas de hacerlo: «reducir la inductancia» o «suavizar la variación de la corriente».
Si usas motores con un diseño de baja inductancia, como los motores sin núcleo, es más fácil reducir los picos de tensión transitorios que se producen al cortar la corriente.
Características de la fuerza contraelectromotriz durante el giro del motor
Cuando el motor de corriente continua gira, se genera de forma continua una «fuerza contraelectromotriz de rotación» en la bobina.
Esta fuerza contraelectromotriz de rotación es la tensión inducida en la bobina por la rotación del motor, y funciona de forma que actúa en sentido contrario a la tensión aplicada para limitar la corriente del motor.
Cuanto más aumenta la velocidad de rotación, mayor es la fuerza contraelectromotriz de rotación y, como la diferencia con la tensión aplicada se reduce, la corriente que circula por el motor disminuye.
Como resultado, la velocidad de rotación se estabiliza de forma natural, lo que contribuye al control de la velocidad del motor de corriente continua y al mantenimiento de una rotación estable.
Los motores sin núcleo, dependiendo de las especificaciones del producto, pueden tener una inductancia de bobinado baja, lo que puede ayudar a reducir los picos de tensión transitorios al desconectarse. Sin embargo, como el grado real de supresión depende de las constantes del motor y del circuito de accionamiento (método de limitación), es necesario verificarlo en la fase de diseño.
Al reducirse los picos de tensión transitorios, se alivia la carga sobre el circuito de control, lo que permite un control estable incluso en operaciones de arranque y parada a alta velocidad. Especialmente en aplicaciones en las que se repiten con frecuencia los arranques y paradas, esta característica contribuye directamente a mejorar la fiabilidad del producto.
El efecto de la fuerza contraelectromotriz en el motor y la fuente de alimentación
Si se produce una fuerza electromotriz inversa, podría causar daños graves en el circuito de control y en el sistema de alimentación.
A continuación, te voy a explicar los efectos concretos de la fuerza contraelectromotriz desde tres puntos de vista.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Daños en los transistores y los FET
- Retroalimentación y aumento de tensión en el circuito de alimentación
- Fallos en los circuitos de control y generación de ruido
Si evitas que se produzcan estos problemas, podrás garantizar la fiabilidad a largo plazo del producto.
Daños en los transistores y los FET
Los componentes de conmutación de los circuitos de accionamiento de los motores corren el riesgo de averiarse debido a las sobretensiones provocadas por la fuerza contraelectromotriz.
Si se aplica una tensión superior a la tensión de resistencia entre el colector y el emisor de un transistor, o entre el drenaje y la fuente de un FET, el componente entra al instante en un estado de ruptura, lo que puede provocar que circule una gran corriente y se produzca una avería por sobrecalentamiento.
Si lo usas por encima de la presión máxima permitida, no solo acortarás mucho la vida útil del componente, sino que, en el peor de los casos, podría fallar nada más ponerlo en marcha y poner en peligro la fiabilidad de todo el producto.
Retroalimentación y aumento de tensión en el circuito de alimentación
Si la fuerza electromotriz inversa provoca que la corriente fluya en sentido contrario hacia la fuente de alimentación, la tensión de esta puede aumentar y hacer que se active el circuito de protección contra sobretensión. Especialmente cuando se utiliza un circuito en puente, es fácil que se forme una ruta de reflujo, lo que puede provocar una caída en la potencia de salida de la fuente de alimentación o incluso la parada de todo el sistema.
Para proteger la fuente de alimentación, es imprescindible contar con medidas contra la retroalimentación, pero añadir circuitos de protección supone un aumento de los costes y una mayor complejidad del circuito.
Al utilizar un motor con un diseño de baja inductancia, se reduce la corriente inversa provocada por la fuerza contraelectromotriz, lo que permite conseguir un diseño de la fuente de alimentación sencillo y fiable.
Fallos en los circuitos de control y generación de ruido
Los picos de tensión transitorios provocados por la fuerza contraelectromotriz se convierten en ruido eléctrico y afectan negativamente a los circuitos circundantes.
Es un factor que provoca lecturas erróneas de las señales de los sensores o fallos en el funcionamiento del microcontrolador de control, lo que reduce la fiabilidad de todo el sistema.
Los motores sin núcleo reducen los picos de tensión transitorios que se producen al cortar la corriente, lo que disminuye la fuente de ruido en sí misma y minimiza el impacto en los circuitos circundantes.
Medidas eficaces contra la fuerza contraelectromotriz
Para evitar que la fuerza contraelectromotriz afecte al circuito, es imprescindible diseñar un circuito de protección adecuado.
Existen varias formas de solucionarlo, como los diodos, los diodos Zener, los circuitos de supresión CR y los varistores, y cada una tiene sus propias características. Además, también son eficaces las medidas fundamentales que se derivan del propio diseño del motor.
A continuación, te explicamos algunas medidas eficaces que puedes aplicar en la práctica desde tres puntos de vista.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Proteger solo con un diodo
- Usar un diodo de Zener para acelerar la recuperación
- Aprovechar el circuito CR de filtrado y el varistor
Si eliges el método de protección más adecuado según el uso y los requisitos de tiempo de recuperación, conseguirás un diseño de producto muy fiable.
Proteger solo con un diodo
Conectar un diodo en paralelo a la bobina es la medida más básica y la más utilizada.
Cuando se produce una fuerza electromotriz inversa, la corriente se devuelve a la fuente de alimentación a través de un diodo, lo que evita que suba la tensión.
Características del circuito de protección del diodo
| Apartado | Contenido |
| Ventajas | Estructura de circuito sencilla, bajo coste y pocos componentes |
| Inconvenientes | El tiempo de recuperación es más largo; no es adecuado para conmutaciones rápidas |
| Criterios de selección | Seleccionar teniendo en cuenta la tensión de alimentación y un margen adicional para picos de tensión y fluctuaciones |
| En el caso de los circuitos de baja tensión | Se puede utilizar incluso con una tensión de resistencia inversa de aproximadamente tres veces la tensión de alimentación |
Este método se usa mucho en aplicaciones que exigen una gran fiabilidad, como los dispositivos médicos o los equipos industriales.
Es importante que la tensión de resistencia inversa del diodo sea, como mínimo, igual o superior a la tensión de alimentación, y que se elija con un margen suficiente para tener en cuenta las sobretensiones y el margen de seguridad del diseño.
Usar un diodo de Zener para acelerar la recuperación
Si conectas un diodo Zener en serie con un diodo normal, puedes aumentar la tensión de bloqueo y acortar el tiempo de recuperación. Como la tensión inversa que se aplica a la bobina es mayor, la corriente se estabiliza más rápido, por lo que es ideal para aplicaciones que requieren una conmutación rápida.
Si no eliges bien la tensión del diodo Zener, no solo no podrás proteger los componentes de conmutación, sino que también existe el riesgo de que el propio diodo Zener se estropee, por lo que es necesario comprobarlo bien.
Aprovechar el circuito CR de filtrado y el varistor
El circuito supresor CR, que combina un condensador y una resistencia, es una medida que también se puede usar en circuitos de CA.
El condensador absorbe los cambios bruscos de tensión y la resistencia disipa la energía en forma de calor, lo que permite suprimir los picos de tensión transitorios provocados por la fuerza contraelectromotriz.
Características del circuito CR de supresión de ruido y del varistor
| Cómo solucionarlo | Circuitos de aplicación | Características principales |
| Circuito CR-snubber | Compatible con CA y CC | Suaviza los cambios de tensión y suprime los picos |
| Barista | Compatible con CA y CC | El valor de la resistencia desciende bruscamente a partir de una tensión determinada, absorbiendo así la sobretensión |
Un varistor es un componente cuyo valor de resistencia desciende bruscamente a partir de una tensión determinada, lo que permite absorber eficazmente los picos de tensión.
En los equipos industriales y de seguridad, se trata de un sistema que permite conseguir una mayor protección combinando varios elementos de protección.
Los circuitos CR-SNOB hacen que el circuito sea más complejo, ya que aumentan el número de componentes, pero ofrecen una gran eficacia en la supresión del ruido y reducen al mínimo el impacto en los circuitos circundantes.
El Barista tiene una velocidad de respuesta rápida y reacciona al instante ante sobretensiones repentinas, por lo que también es eficaz para proteger contra el ruido externo, como las sobretensiones causadas por rayos.
Resumen
La fuerza contraelectromotriz es un fenómeno que se produce cuando cambia la corriente que circula por la bobina y, al detenerse el motor, puede convertirse en un pico de tensión transitorio que supere con creces la tensión aplicada (el valor varía en función de L, la velocidad de corte y el circuito de limitación).
Dado que pueden provocar consecuencias graves, como la destrucción de los transistores o los FET del circuito de control, el aumento de tensión debido a la corriente inversa hacia la fuente de alimentación o el mal funcionamiento del circuito de control, es imprescindible tomar medidas adecuadas, como circuitos de protección con diodos, circuitos que combinan diodos Zener o circuitos supresores CR.
A la hora de elegir un circuito de protección, es importante tener en cuenta el tiempo de recuperación y el coste según el uso que le vayas a dar, y elegir la opción más adecuada. Además, si tienes en cuenta la fuerza contraelectromotriz ya desde la fase de selección del motor, podrás simplificar el circuito de protección y conseguir un diseño de producto más seguro y fiable.
Información sobre productos y consultas
Puedes consultar más detalles sobre los micromotores de C.I. Takiron en la siguiente página web.
- Página web del producto: https://cik-ele.com/
- Motores sin núcleo: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Motores sin escobillas: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Motorreductor: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Codificador: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Si tienes alguna duda a la hora de elegir un motor pequeño para el desarrollo de tus productos, no dudes en ponerte en contacto con nosotros a través del formulario de consulta. Nuestro equipo técnico analizará el uso y los requisitos que necesitas y te propondrá la solución más adecuada.
- Consultas: https://cik-ele.com/contact/
