مقدمة
بحثًا عن إجابات للأسئلة الناشئة في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة ، لقد درست كمية كبيرة من الأدب - الدراسات الكبيرة والمقالات التقنية الفردية. باستثناء بعض المقالات ، كان الأدب باللغة الإنجليزية. فكرت ، لماذا لا تملأ الخبرة المتراكمة في شكل دليل عملي يمكن أن يكون مفيدًا للمبتدئين على حد سواء ، وآمل ، للمطورين المحليين الأكثر خبرة. في البداية ، فكرت في نشر المعلومات القيمة ، وحافة أفكاري والمساهمة في الصناعة ككل. يفتح هذا المنشور سلسلة كاملة من المقالات التي ، من وجهة نظر عملية ، سيتم النظر في المهام الرئيسية الناشئة عن تطوير لوحات الدوائر المطبوعة ، ويتم تقديم التوصيات الرئيسية بطريقة منهجية مع الإشارة الإلزامية لأساسها المادي وشروط التطبيق.
العاملان الأخيران مهمان للغاية ، لأن التوصية وحدها ، في حد ذاتها ، يمكن أن تضر أكثر مما تنفع. في سياق تسريع إطلاق المنتجات الإلكترونية في السوق ، يحاول مصنعو الرقائق إعطاء المستهلكين حلولًا جاهزة في شكل لوحات تصحيح الأخطاء والتقييم ، وإرشادات في الوثائق ، وكذلك إصدار أدلة تحتوي على مجموعة من التوصيات للمطورين مع شرح موجز (على سبيل المثال ، [1] من شركة Texas Instruments). تتدفق هذه التوصيات من القيادة إلى القيادة ، وتفقد أساسياتها وحدود تطبيقها ، ونتيجة لذلك ، تقول إحدى المقالات [2] على موقع LearnEMC الإلكتروني:
تم تطوير أسوأ لوحات الدوائر المطبوعة التي رأيناها من قبل المهندسين الذين حاولوا ضمان الامتثال لجميع النقاط من قائمة التوصيات لزيادة EMC لألواح الدوائر المطبوعة.
يتناقض عدد من التوصيات مع بعضها البعض ، ويستمر استخدام بعضها ، على الرغم من حقيقة أنها قديمة. لهذا السبب أحث مجتمع الخبراء على مناقشة التعليقات الإيجابية والسلبية على حد سواء للنقد البناء القائم على الخبرة الحقيقية في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة. مع هدف واحد مشترك كحد أقصى - للوصول إلى قاع الحقيقة ، إلى المبادئ العملية الأساسية.
الحث والتحريض الكهرومغناطيسي
لم يتم تخصيص المنشور الأول عن طريق الخطأ إلى الحث. إن فهم الأساسيات المادية للتحريض أمر بالغ الأهمية ، لأن العديد من مشاكل EMR و EMC ترتبط بالحث (أو بالأحرى الحث الشارد) لطوبولوجيا لوحة الدوائر المطبوعة ، والتي سيتم مناقشتها في مقالات لاحقة في السلسلة. يمكن الحكم على مدى تعقيد المشكلة من خلال المصطلحات الغامضة عندما يشير مصطلح "الحث" إلى الكميات ، على الرغم من ارتباطها ، التي لها معاني رياضية ومادية مختلفة تمامًا: تحريض خيوط الحالة ، تحريض الملف ، الحث الشارد لمكثف ESL ، محاثة حلقة ، إلخ.
وفقًا للتعريف الكلاسيكي [3] ، فإن الحث هو معامل التناسب بين قوة التيار المباشر في دائرة موصلة مغلقة رقيقة والتدفق المغناطيسي عبر هذه الدائرة. أول شيء تحتاج إلى الانتباه إليه هو الحث المحدد لحلقة مغلقة. يقول التعريف أيضًا عن التدفق المغناطيسي الكامل ، سنتعامل معه. تولد الشحنة الكهربائية المتحركة مجالًا مغناطيسيًا ، والمجال المغناطيسي حول تيار كهربائي هو تراكب (مجموع متجه) للمجالات المغناطيسية للشحنات الفردية. لتصور المجالات المغناطيسية ، يتم استخدام خطوط القوة. يتطابق اتجاه المماس مع خط القوة عند كل نقطة مع اتجاه متجه المجال المغناطيسي عند هذه النقطة. على سبيل المثال ، بالنسبة للتيار في سلك مستقيم طويل ، فإن خطوط القوة عبارة عن دوائر متحدة المركز يكون مستويها متعامدًا مع السلك ، ويتم تحديد الاتجاه من خلال "قاعدة اليد اليمنى" المعروفة (الشكل 1). باستخدام خطوط القوة ، يمكن للمرء أيضًا أن يحكم على القوة النسبية للمجال المغناطيسي - فكلما ارتفعت ، زادت كثافة خطوط القوة (عدد الخطوط لكل مساحة وحدة متعامدة عليها). علاوة على ذلك ، فإن التدفق المغناطيسي
B هو جزء لا يتجزأ من المجال المغناطيسي:
حيث يتم تحديد السطح
S بواسطة الحلقة الحالية. لذلك ، يتناسب تدفق المجال المغناطيسي مع عدد خطوط المجال المغناطيسي من خلال السطح
S ، ويمكن تقليل تحديد الحث إلى شكل أكثر ملاءمة من وجهة نظر عملية:
الحث يتناسب مع عدد خطوط قوة المجال المغناطيسي التي تتقاطع مع السطح المحدد بالدائرة الحالية ، بقيمة حالية 1 أ.
يؤدي التغيير في قوة التيار إلى تغيير نسبي في قوة المجال المغناطيسي ، والتي يمكن تمثيلها بشكل
مشروط كتغيير في عدد خطوط القوة حول الموصل. تم انتقاد هذا النهج لفهم الحث ، الذي وصفه إريك بوغاتين [4 ، 5] ، من قبل مؤلف أقل موثوقية ، كلايتون بول [6 ، 7]. في الواقع ، خطوط القوة هي تجريد ولا أحد يحدد الحث عن طريق حساب عددها (وهو ما لا نهاية له بشكل واضح). ومع ذلك ، فإن مثل هذا التمثيل البصري يبسط فهم العديد من القوانين المتعلقة بالمجال المغناطيسي. بينما تسعى الفيزياء النظرية إلى إيجاد معادلة عالمية تصف جميع التفاعلات ، لأغراض عملية ، يتم البحث عن علاقات تحليلية تقريبية ذات تعقيد حسابي منخفض. من الناحية العملية ، لا أحد يبدأ تحليل دائرة كهربائية من خلال تجميع معادلات ماكسويل لأقسامها. على الرغم من ظهور أنظمة CAD التي تزيل قضية التعقيد الحسابي ، تبقى الحاجة إلى علاقات مبسطة ، لأنها توفر فهمًا نوعيًا للقوانين الأساسية وتسمح لك بإجراء حسابات هندسية تقييمية أولية.
يجب ملاحظة واحدة مهمة: الحث مستقل عن حجم التيار ويتم تحديده من خلال تكوين الخطوط الحالية في الموصل. غالبًا ما يتم ذكر القيمة المحددة لهندسة الموصل في مثل هذه الصيغة ، ولكن هذه الصيغة لا تأخذ في الاعتبار تأثير التوزيع الحالي في الموصل ليس دائمًا موحدًا - فهي تتأثر بالتردد الحالي (تأثير الجلد) وقرب الموصلات الأخرى مع التيار. إن أبسط حالة للحصول على علاقات تحليلية هي التوزيع الموحد للتيار عبر المقطع العرضي للموصل ، ويتم الحصول على جميع العلاقات التحليلية المعروفة مع أخذ هذا الافتراض في الاعتبار. في الممارسة العملية ، هذه الآثار لها تأثير ضئيل على قيمة الحث واستخدام هذه الصيغ لحساب الحث يوفر دقة كافية للمهام العملية.
النظر في الظاهرة المادية المرتبطة الحث ، والتي تحدد دورها الأساسي في مسائل EMC و EMP. تم اكتشافه من قبل مايكل فاراداي ويسمى الحث الكهرومغناطيسي. وفقًا للقانون الذي يحمل الاسم نفسه ، عندما يتغير تدفق المجال المغناطيسي
Φ B من خلال دائرة مغلقة ، يظهر EMF فيه:
من حيث خطوط القوة ، هذا يعني (تذكر اصطلاحات هذا النهج):
يؤدي تغيير عدد خطوط القوة من خلال دائرة مغلقة إلى ظهور جهد EMF فيه.
يمكن أن يحدث هذا التغيير بسبب أي من الأسباب: تغيير في قوة التيار في الموصل نفسه ، أو تغيير في قوة التيار في الموصل المجاور ، أو تغيير في هندسة الدائرة أو اتجاهها في المجال المغناطيسي ، أو موقع الدائرة في مجال مغناطيسي متناوب ، أو تغيير في المسافة إلى دائرة أخرى مع التيار ، وما إلى ذلك. ن.
الحث الجزئي - أداة يدوية
قبل الشروع في الصيغ ، نميز بين الأنواع المختلفة من "الحث" ونحدد المصطلحات (الشكل 2). إذا تم حساب التدفق المغناطيسي من خلال الدائرة ، والذي يحدث فقط بسبب التيار في الدائرة نفسها ، فإنهم يتحدثون عن الحث الخاص بالحلقة
L (محاثة الحلقة الإنجليزية ، الحث الذاتي). إذا تم أخذ التدفق المغناطيسي من خلال الدائرة ، الناجم فقط عن التيار في دائرة أخرى ، في الاعتبار ، فهذا هو الحث المتبادل للدوائر
M (الحث المتبادل حلقة الإنجليزية ، الحث المتبادل). من وجهة نظر عملية ، فإن السؤال مهم ، ما هو جهد الحث emf في قسم معين من دارة الدائرة. ولكن لهذا من الضروري ربط قيمة الحث بهذا القسم ، ولا يمكن تحريض حثي الدائرة بهذا المعنى. لذلك ، تم تطوير جهاز رياضي لحساب الحث الداخلي الجزئي لقسم من الدائرة
L P (eng. الحث الذاتي الجزئي) والحث المتبادل الجزئي لقسمين من دائرة واحدة أو مختلفة
M P (eng. الحث المتبادل الجزئي). يتم حسابها بحيث يتم أخذ المجال المغناطيسي في الاعتبار ، والناجم عن تيار هذا القسم فقط ، كما لو كان باقي الدائرة غير موجود. خلاف ذلك ، يمكن تمثيلها على النحو التالي - يتم استبدال بقية الدائرة بأسلاك طويلة غير محدودة ويتم تحديد الدائرة التي يتم من خلالها حساب التدفق المغناطيسي كما هو
موضح في
الشكل. 2 .
بمعرفة قيم الحث الجزئي الصحيح والمتبادل للأقسام الفردية للدائرة ، يمكن الحصول على قيمة الحث لأي مجموعة منها ، بما في ذلك الدائرة بأكملها:
هنا
L i P هو الحث الجوهري للقسم الأول ،
M ij P هو الحث المتبادل بين القسمين الأول والثاني ، والذي تكون علامته إيجابية إذا كانت التيارات في الأقسام هي اتجاهية وسلبية خلاف ذلك. الحث المتبادل له خاصية التماثل ، أي
M ij P = M ji P ، للأقسام المتعامدة مع بعضها البعض ، الحث المتبادل هو صفر. إذا كان الحساب يأخذ في الاعتبار التيار الحالي لقسم المكون قيد النظر ، فإن هذه الصيغة تعطي محاثة جزئية ، ولكن إذا تم أخذ تأثير الدائرة بأكملها في الاعتبار في المجموع الثاني ، فإن القيمة الناتجة هي الحث الكلي للقسم (الحث الإجمالي الإنجليزي ، الحث الصافي) (الشكل 3).
هو الحث الكلي الذي يحدد انخفاض الجهد في المنطقة عندما يتغير التيار
I في الدائرة:
من صيغة الحث الكلي لقسم الدائرة المستطيلة
L 1 NET في الشكل. 3 يمكن ملاحظة أن هذه القيمة هي الأصغر ، وكلما زاد الحث المتبادل لهذا القسم مع عكس
M 13 P. ولهذا يوصى بتقريب مسار الإشارة والطبقة المرجعية كمقياس لخفض الضوضاء في الطبقة المرجعية.
يتم حساب الحث الجزئي للتوصيل الموازي لقطاعين بواسطة الصيغة:
التي لا تتحول إلا عندما تكون الحث المتبادل ضئيلة (الموصلات البعيدة بشكل ملحوظ) ، إلى صيغة معروفة للاتصال المتوازي للمحرِّضات. في حالة الموصلات المتطابقة (على سبيل المثال ، فتحتان متطابقتان) ، تأخذ الصيغة الشكل التالي:
أي ، يتم تقليل الحث بمقدار النصف فقط للموصلات ، والمسافة بينهما كبيرة بما يكفي لإهمال الحث المتبادل.
صيغ الحساب
في الجدول 1 ، في الصور التخطيطية ، يشير السهم إلى اتجاه التيار ، الذي يكون توزيعه موحدًا في المقطع العرضي. نظرًا لأن التوزيع الحالي هو الذي يحدد الحث ، فمن المهم ربط التوزيع الحالي في هيكل لوحة الدائرة قيد النظر بالتوزيع الموضح في الجدول. هناك شرط آخر لتطبيق الصيغ ، والذي لا ينبغي نسيانه ، وهو شرط أن تكون الأبعاد المميزة للموصل
l صغيرة مقارنة بطول الموجة
λ (على الأقل
l <λ / 10 ) ، حيث يمكن اعتبار التيار في جميع نقاط الموصل نفسه. بالمناسبة ، يتم فرض نفس التقييد بالضبط على تطبيق نموذج الدوائر الكهربائية ذات المعلمات المقطوعة.
الجدول 1. صيغ لتقييم محاثة عناصر طوبولوجيا لوحة الدوائر
1 .
ملاحظات على الجدول 1:1. بالنسبة لوسيط ذي نفاذية مغناطيسية نسبية
μ r = 1.
2. لكل وحدة طول.
3. تستخدم الصيغة في بعض الأحيان لتقييم الحث الجوهري للتداخل بين طبقتين متواصلتين على افتراض أن تيار التحيز العائد يتم توزيعه بالتساوي حول الأوعية.
4. يمكن استخدام الصيغة لتقييم الحث الجوهري لزوج من الأوعية (على سبيل المثال ، توفير اتصال مكثف مانع).
5. يمكن استخدام الصيغة لتقييم الحث الجوهري للتداخل.
6. يمكن استخدام الصيغة لتقييم الحث المتبادل من الأوعية المتوازية.
7. يجب أن تكون أبعاد الطبقات الموصلة المستمرة كبيرة بما يكفي حتى لا تحد من توزيع التيار بين الأوعية.
أمثلة
باستخدام الجهاز الرياضي للحث الجزئي لأقسام الدائرة والصيغ التحليلية التقريبية المحددة ، من الممكن تقييم الحث لأقسام طبولوجيا لوحة الدوائر المطبوعة وتغيير معلماتها الهندسية لتقليل الحث الشارد. وبالتالي ، الحد من تشويه الإشارة والضوضاء والإشعاع الكهرومغناطيسي - القضايا التي سيتم النظر فيها في المواد اللاحقة من الدورة. من المفيد أيضًا حساب العناصر المستخدمة النموذجية للطبولوجيا للوحة الدوائر المطبوعة ، بحيث ترتبط القيمة المقدرة للمحاثة الضالة فيما بعد عند التتبع. على سبيل المثال ، يوضح الجدول 2 الحث الشارد لعناصر طوبولوجيا اتصال المكثف للنظام الفرعي للقدرة لمختلف معلمات الهندسة (الشكل 4).
الأدب
[1] إرشادات تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور لخفض EMI. تكساس إنسترومنتس ، 1999.
[2] لماذا يجب عليك توخي الحذر بشأن استخدام قواعد تصميم EMC. LearnEMC ، 2017.
[3] Sivukhin D. V. المسار العام للفيزياء. T. III. الكهرباء إد. الرابع. م: Fizmatlit ، 2004.
[4] بوغاتين إي. ما هو الحث؟ تصميم وتصنيع الدوائر المطبوعة ، 2007.
[5] بوغاتين إي. سلامة الإشارة والقوة - مبسط. الطبعة الثانية. بيرسون ، 2004.
[6] Paul CR ماذا نعني بـ "الحث"؟ الجزء الأول: الحث حلقة. أوراق IEEE العملية ، 2007.
[7] محاثة بول CR: حلقة وجزئية. وايلي ، 2010.
نُشر المقال لأول مرة في دورية Components and Technologies 2017، No. 11. تم الاتفاق على النشر على Geektimes مع محرري المجلة.