Quando si utilizzano carichi induttivi, come motori o relè, la forza controelettrica che si genera nel momento in cui si interrompe la corrente può causare gravi danni all’alimentatore e ai circuiti di controllo. Soprattutto in settori che richiedono un’elevata affidabilità, come quello delle apparecchiature mediche e industriali, è fondamentale adottare misure adeguate contro la forza controelettrica.
Comprendendo bene il principio alla base della generazione della forza controelettromotrice e cogliendone le conseguenze concrete sui motori e sugli alimentatori, puoi integrare misure efficaci già in fase di progettazione.
Per realizzare una progettazione dei prodotti sicura e affidabile, approfondiamo la nostra comprensione della forza controelettrica.
| A cura di: Gruppo Commerciale Componenti Elettronici, C.I. Takiron Co., Ltd. Questo articolo è stato curato sulla base delle competenze tecniche avanzate e delle conoscenze acquisite nel corso degli anni, sin dalla fondazione dell’azienda nel 1919, come leader nel settore della lavorazione delle materie plastiche.Il nostro reparto analizza costantemente le tendenze di mercato e le ultime tecnologie relative ai micromotori ultracompatti e ad alta precisione, concentrandosi sulla fornitura di informazioni di alto valore aggiunto a progettisti e sviluppatori. In qualità di team di esperti che conosce a fondo le caratteristiche dei prodotti, ti aiutiamo a risolvere le tue sfide e a promuovere l’innovazione tecnologica attraverso contenuti accurati e pratici. |
Principi e meccanismi alla base della generazione della forza controelettromotrice
Capire come si genera la forza controelettromotrice è il primo passo per progettare prodotti sicuri.
In questo articolo parleremo sia dei picchi di tensione transitori (kick indotto) che si verificano al momento dell’interruzione della corrente, sia della forza controelettromotrice (back EMF) che si genera continuamente durante il funzionamento del motore.
Di seguito spiegherò in dettaglio i meccanismi alla base di questi fenomeni da tre diversi punti di vista.
Cosa tratteremo in questa sezione
- L’energia immagazzinata nella bobina e il ruolo del campo magnetico
- Relazione tra variazione di corrente e forza controelettromotrice
- Caratteristiche della forza controelettromotrice durante la rotazione del motore
Comprendendo questi elementi, puoi prevedere l’impatto della forza controelettrica sul prodotto e integrare misure efficaci già in fase di progettazione.
L’energia immagazzinata nella bobina e il ruolo del campo magnetico
Quando si fa passare una corrente attraverso una bobina, si genera un campo magnetico intorno ad essa e l’energia elettrica viene accumulata sotto forma di energia magnetica. Il meccanismo consiste nel fatto che questa energia accumulata viene rilasciata rapidamente quando la corrente viene interrotta, generando così una forza controelettromotrice.
Poiché l’intensità del campo magnetico è proporzionale al numero di spire della bobina e all’intensità della corrente che la attraversa, più un motore gestisce una corrente elevata, maggiore è l’energia accumulata e, di conseguenza, maggiore è anche la forza controelettromotrice generata.
I motori senza nucleo di C.I. Takiron, grazie alla loro struttura priva di nucleo in ferro, presentano un’induttanza degli avvolgimenti ridotta e possono contribuire a ridurre i picchi di tensione transitori che si verificano in caso di interruzione della corrente. In questo modo si alleggerisce il carico sui circuiti di protezione e si ottiene una progettazione del prodotto più sicura.
Relazione tra variazione di corrente e forza controelettrica
L’intensità della forza controelettromotrice può essere espressa tramite una formula.
Formula per calcolare la forza controelettromotrice: V = -L × (dI/dt)
| Simboli | Significato | Unità |
| V | Grandezza della forza controelettrica | V (volt) |
| L | Induttanza della bobina | H (henry) |
| dI/dt | Variazione della corrente per unità di tempo | A/s (ampere al secondo) |
Da questa formula si capisce che più la variazione di corrente è brusca e maggiore è l’induttanza, più alta sarà la forza controelettromotrice generata.
Durante l’operazione di commutazione, la corrente varia in un tempo estremamente breve, dell’ordine di pochi microsecondi, quindi il valore di dI/dt diventa molto elevato e, di conseguenza, si genera una forza controelettromotrice ad alta tensione.
Da questa relazione V = -L × (dI/dt) si capisce che, per ridurre i picchi di tensione transitori che si verificano quando si interrompe la corrente, ci sono due approcci possibili: “ridurre l’induttanza” o “rendere più graduale la variazione di corrente”.
Usando motori progettati con bassa induttanza, come i motori senza nucleo, è più facile ridurre i picchi di tensione transitori che si verificano quando la corrente viene interrotta.
Caratteristiche della forza controelettromotrice durante il funzionamento del motore
Quando il motore a corrente continua gira, nella bobina si genera continuamente una “forza controelettromotrice di rotazione”.
Questa forza controelettromotrice di rotazione è la tensione indotta nelle bobine dalla rotazione del motore; agisce in senso opposto alla tensione applicata, limitando così la corrente del motore.
Man mano che la velocità di rotazione aumenta, la forza controelettromotrice di rotazione diventa maggiore e, poiché la differenza rispetto alla tensione applicata si riduce, la corrente che attraversa il motore diminuisce.
Di conseguenza, la velocità di rotazione si stabilizza in modo naturale, contribuendo al controllo della velocità del motore a corrente continua e al mantenimento di una rotazione stabile.
A seconda delle specifiche del prodotto, i motori senza nucleo possono avere un’induttanza di avvolgimento ridotta, il che può contribuire a ridurre i picchi di tensione transitori al momento dello spegnimento. Tuttavia, poiché l’entità effettiva di tale riduzione dipende dalle costanti del motore e dal circuito di azionamento (metodo di limitazione), è necessario verificarla in fase di progettazione.
La riduzione dei picchi di tensione transitori allevia il carico sui circuiti di controllo, consentendo un controllo stabile anche in caso di avviamenti e arresti rapidi. Soprattutto nelle applicazioni che prevedono avviamenti e arresti frequenti, questa caratteristica si traduce direttamente in una maggiore affidabilità del prodotto.
L’effetto della forza controelettromotrice sul motore e sull’alimentatore
Se si genera una forza controelettromotrice, si potrebbero causare gravi danni al circuito di controllo e al sistema di alimentazione.
Di seguito spiegherò gli effetti concreti della forza controelettromotrice da tre diversi punti di vista.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Danni ai transistor e ai FET
- Riflusso nel circuito di alimentazione e aumento di tensione
- Malfunzionamenti dei circuiti di controllo e generazione di rumore
Prevenendo questi effetti, puoi garantire l’affidabilità a lungo termine del prodotto.
Danni ai transistor e ai FET
I componenti di commutazione dei circuiti di azionamento dei motori rischiano di rompersi a causa delle sovratensioni provocate dalla forza controelettrica.
Se viene applicata una tensione superiore alla tensione di tenuta tra collettore ed emettitore di un transistor o tra drain e source di un FET, il componente entra istantaneamente in uno stato di rottura e c’è il rischio che scorra una forte corrente che provochi un guasto termico.
Un utilizzo che superi i valori di pressione nominale non solo riduce notevolmente la durata del componente, ma, nel peggiore dei casi, può causare un guasto immediato già al primo avvio, compromettendo l’affidabilità dell’intero prodotto.
Riflusso nel circuito di alimentazione e aumento di tensione
Se la corrente rifluisce verso l’alimentatore a causa della forza controelettromotrice, la tensione di alimentazione potrebbe aumentare e il circuito di protezione da sovratensione potrebbe attivarsi. Soprattutto quando si usa un circuito a ponte, è facile che si formi un percorso di riflusso, il che potrebbe causare una riduzione della potenza in uscita dell’alimentatore o l’arresto dell’intero sistema.
Per proteggere l’alimentazione, è fondamentale adottare misure contro il riflusso, ma l’aggiunta di circuiti di protezione comporta un aumento dei costi e una maggiore complessità del circuito.
Utilizzando un motore progettato con bassa induttanza, si riduce il flusso inverso causato dalla forza controelettromotrice, consentendo di realizzare un sistema di alimentazione semplice e affidabile.
Malfunzionamenti dei circuiti di controllo e generazione di rumore
I picchi di tensione transitori causati dalla forza controelettrica si trasformano in rumore elettrico e hanno un effetto negativo sui circuiti circostanti.
È un fattore che causa errori di lettura dei segnali dei sensori o malfunzionamenti del microcontrollore di controllo, riducendo l’affidabilità dell’intero sistema.
I motori senza nucleo riducono i picchi di tensione transitori che si verificano quando si interrompe la corrente, riducendo così la fonte di rumore stessa e minimizzando l’impatto sui circuiti circostanti.
Misure efficaci contro la forza controelettromotrice
Per evitare che la forza controelettromotrice influisca sul circuito, è fondamentale progettare un circuito di protezione adeguato.
Esistono diverse soluzioni, come diodi, diodi Zener, circuiti di smorzamento CR e varistori, ognuna con le proprie caratteristiche. Inoltre, sono efficaci anche le misure preventive alla radice, legate alla progettazione del motore stesso.
Di seguito ti spiego alcune misure efficaci da mettere in pratica, analizzandole da tre diversi punti di vista.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Protezione tramite un singolo diodo
- Utilizzare un diodo di Zener per ripristinare rapidamente il funzionamento
- Utilizzo del circuito CR-SNAP e del varistore
Scegliendo il metodo di protezione più adatto in base all’uso previsto e ai requisiti relativi ai tempi di ripristino, si ottiene una progettazione del prodotto altamente affidabile.
Protezione tramite un singolo diodo
Collegare un diodo in parallelo alla bobina è la misura più semplice e più diffusa.
Quando si genera una forza controelettromotrice, la corrente viene reimmessa nell’alimentatore tramite un diodo, in modo da limitare l’aumento di tensione.
Caratteristiche del circuito di protezione dei diodi
| Voce | Contenuto |
| Vantaggi | Struttura circuitale semplice, basso costo, numero ridotto di componenti |
| Svantaggi | Tempi di ritorno più lunghi, non adatto alla commutazione ad alta velocità |
| Criteri di selezione | Scegliendo un valore pari o superiore alla tensione di alimentazione, tenendo conto di un margine per picchi e variazioni |
| Nel caso dei circuiti a bassa tensione | È possibile utilizzarlo anche con una tensione di inversione pari a circa 3 volte la tensione di alimentazione |
Questo metodo è ampiamente utilizzato in applicazioni che richiedono un’elevata affidabilità, come i dispositivi medici e le apparecchiature industriali.
È importante che la tensione di tenuta in inverso del diodo sia almeno pari alla tensione di alimentazione e che venga scelto tenendo conto di un margine sufficiente per far fronte a picchi di tensione e garantire un margine di sicurezza nel progetto.
Utilizzare un diodo di Zener per ripristinare rapidamente il funzionamento
Collegando in serie un diodo Zener a un diodo normale, puoi aumentare la tensione di clamping e ridurre il tempo di recupero. Dato che la tensione inversa applicata alla bobina aumenta, la corrente si stabilizza più velocemente, rendendolo adatto ad applicazioni che richiedono una commutazione ad alta velocità.
Se si sceglie la tensione del diodo Zener in modo errato, non solo non si riesce a proteggere i dispositivi di commutazione, ma c’è anche il rischio che il diodo Zener stesso si danneggi; per questo è necessario effettuare verifiche approfondite.
Utilizzo del circuito CR-SNAP e del varistore
Il circuito snubber CR, che combina un condensatore e un resistore, è una soluzione utilizzabile anche nei circuiti in corrente alternata.
Il condensatore assorbe le variazioni brusche di tensione, mentre la resistenza consuma l’energia sotto forma di calore, in modo da attenuare i picchi di tensione transitori causati dalla forza controelettromotrice.
Caratteristiche del circuito CR-snubber e del varistore
| Come risolvere il problema | Circuiti applicabili | Caratteristiche principali |
| Circuito CR-SNAP | Compatibile sia con AC che con DC | Attenua le variazioni di tensione e riduce i picchi |
| Barista | Compatibile con AC/DC | A partire da una determinata tensione, il valore di resistenza cala bruscamente, assorbendo così la sovratensione |
Un varistore è un componente la cui resistenza cala bruscamente quando la tensione supera un certo valore, assorbendo efficacemente le sovratensioni.
Nel campo delle apparecchiature industriali e dei dispositivi di sicurezza, si tratta di un sistema che permette di ottenere un livello di protezione più elevato combinando più componenti di protezione.
Il circuito CR-SNR, pur essendo più complesso a causa del maggior numero di componenti, offre un’elevata efficacia nella soppressione del rumore e riduce al minimo l’impatto sui circuiti circostanti.
Il Barista ha una velocità di risposta elevata e reagisce all’istante alle sovratensioni improvvise, quindi è efficace anche come protezione contro i disturbi esterni, come le sovratensioni da fulmini.
Riepilogo
La forza controelettrica è un fenomeno che si verifica quando la corrente che attraversa la bobina varia; al momento dell’arresto del motore, può trasformarsi in un picco di tensione transitorio che supera di gran lunga la tensione applicata (il valore varia in base a L, alla velocità di interruzione e al circuito di limitazione).
Poiché possono causare gravi conseguenze, come la distruzione dei transistor o dei FET del circuito di controllo, l’aumento di tensione dovuto al riflusso verso l’alimentatore o il malfunzionamento del circuito di controllo, è fondamentale adottare misure adeguate, come circuiti di protezione a diodi, circuiti con diodi Zener o circuiti snubber CR.
Nella scelta dei circuiti di protezione, è importante considerare il tempo di ripristino e i costi in base all’applicazione, per scegliere la soluzione più adatta. Inoltre, tenendo conto della forza controelettromotrice già in fase di selezione del motore, è possibile semplificare i circuiti di protezione e realizzare una progettazione del prodotto più sicura e affidabile.
Informazioni sui prodotti e richieste di informazioni
Per maggiori dettagli sui micromotori di C.I. Takiron, dai un’occhiata al sito web qui sotto.
- Sito del prodotto: https://cik-ele.com/
- Motori senza nucleo: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Motori brushless: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Motoriduttore: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
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- Contatti: https://cik-ele.com/contact/
