تحليل التداخل الكهرومغناطيسي لثنائي الفينيل متعدد الكلور: حلقات ماكسويل، حلقات التيار والتحكم في التدفق

في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، يمكن أن تتسبب العديد من الأشياء في حدوث التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي. على سبيل المثال: التردد اللاسلكي التيارات، وفولتية الوضع المشترك، والحلقات الأرضية، وعدم تطابق المعاوقة، والتدفق المغناطيسي. للتحكم في التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي، نحتاج إلى معرفة هذه الأسباب خطوة بخطوة ومعرفة كيفية تأثيرها على اللوحة. يمكننا دراسة الرياضيات من النظرية الكهرومغناطيسية. لكن هذا المسار طويل وصعب. بالنسبة لمعظم المهندسين، فإن الكلمات الواضحة والبسيطة أكثر فائدة. ستغطي هذه المقالة: “مصادر المجالات الكهربائية” على ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وكيفية استخدام معادلات ماكسويل، وفكرة تقليل التدفق المغناطيسي.

1. مصادر المجال الكهربائي

1.1 نموذج ثنائي القطب الكهربائي (متغير الزمن)

غالبًا ما يُمثَّل مصدر المجالات الكهربية على أنه ثنائي القطب الكهربي المتغير بمرور الوقت. هذه هي الفكرة المعاكسة للمصدر المغناطيسي. يعني ثنائي القطب الكهربائي شحنتين نقطيتين متقاربتين ومتعاكستين تتغيران مع الزمن. يُظهر طرفا ثنائي القطب تغيرًا في الشحنة. يحدث هذا لأن التيار يتدفق على طول ثنائي القطب بالكامل. يمكنك تمثيل مصدر كهربائي عن طريق توجيه هوائي غير منتهي بإشارة مذبذب. توضح هذه الدائرة كيفية عمل المصدر الكهربي. لكن لا يمكنك تفسير ذلك باستخدام أفكار الدوائر ذات التردد المنخفض فقط.

لا تنس أن سرعة انتشار الإشارة ليست لا نهائية. تعتمد السرعة على ثابت العزل الكهربائي للمواد غير المغناطيسية. ولأن السرعة محدودة، سيظهر تيار التردد اللاسلكي في الدائرة. يفترض الناس أحيانًا أن السلك له نفس الجهد عند كل نقطة وأن الدائرة دائمًا في حالة توازن في كل لحظة. هذا غير صحيح في الترددات اللاسلكية.

1.2 العوامل الرئيسية التي تؤثر على المجالات الكهرومغناطيسية

يعتمد المجال الكهرومغناطيسي من ثنائي القطب الكهربائي على أربعة أمور:

• سعة التيار في الحلقة: يتناسب المجال مع التيار الذي يتدفق في ثنائي القطب.
• قطبية ثنائي القطب وهوائي القياس: يجب أن تتطابق قطبية ثنائي القطب مع قطبية هوائي أداة القياس. هذا مثل المصدر المغناطيسي.
• حجم ثنائي القطب: يتناسب المجال مع طول عنصر التيار. لكن يجب أن يكون طول الخط جزءًا من الطول الموجي فقط. كلما كان ثنائي القطب أكبر، انخفض التردد المقاس عند الهوائي. بالنسبة لحجم معين، يرن الهوائي عند تردد معين.
• المسافة: المجالان الكهربي والمغناطيسي مرتبطان. تعتمد قوتهما على المسافة. في المجال البعيد، يكون السلوك مثل مصدر (مغناطيسي) حلقي (مغناطيسي) وترى موجة كهرومغناطيسية مستوية. بالقرب من المصدر النقطي، يكون اعتماد المجال على المسافة أقوى.

1.3 علاقات المجال القريب مقابل علاقات المجال البعيد

يشمل المجال القريب والمجال البعيد كلا الجزأين المغناطيسي والكهربائي. تجمع جميع الموجات بين الأجزاء الكهربية والمغناطيسية. وهذا المزيج هو متجه بوينتينج. في الواقع، لا توجد “موجة كهربائية” خالصة أو “موجة مغناطيسية” وحدها. يمكننا قياس موجة مستوية لأنه بالنسبة إلى هوائي صغير على بُعد عدة أطوال موجية تبدو مقدمة الموجة مستوية.

يمكن أن يساعد رسم صغير. سيُظهر معاوقة الموجة والمسافة. يمكن أن تكون التسميات كما يلي: معاوقة الموجة؛ المنطقة المهيمنة على المجال الكهربي مع E = 1/r و H = 1/r²؛ موجة مستوية مع Z = 377 Ω؛ خط التقارب؛ الشكل الحقيقي؛ المنطقة المهيمنة على المجال المغناطيسي؛ منطقة الانتقال؛ المجال القريب H = 1/r³، E = 1/r²؛ المجال البعيد؛ المحور الأفقي 0.1، 0.5، 1.0، 5.0.

هذا المنظر هو “المظهر الجانبي” المادي الذي يراه الهوائي. فكر في الأمر مثل رمي حجر في نهر ورؤية التموجات. يشع المجال من مصدر نقطي بسرعة الضوء. تعتمد السرعة على ثابت العزل الكهربائي. وحدة قياس المجال الكهربي هي V/m. ووحدة المجال المغناطيسي هي A/m. النسبة E إلى H هي معاوقة الفضاء الحر. بالنسبة إلى الموجة المستوية في الفضاء الحر، تكون معاوقة الموجة Z₀ ثابتة. ولا تعتمد على المسافة أو المصدر النقطي. تحمل الموجة المستوية في الفضاء الحر طاقة بالواط لكل متر مربع.

1.4 اقتران الضوضاء ونماذج المكونات المجمعة

في معظم استخدامات معادلات ماكسويل، نمثل اقتران الضوضاء بمكونات مقطوعة مكافئة. على سبيل المثال: المجال الكهربي المتغير زمنيًّا بين موصلين يشبه المكثف. والمجال المغناطيسي المتغير زمنيًا بين نفس الموصلين يشبه الحث المتبادل. يمكن أن يوضح الشكل مساري اقتران الضوضاء هذين.

لكي تكون نماذج الضوضاء هذه صحيحة، يجب أن تكون الدائرة صغيرة مقارنةً بالطول الموجي للإشارة. إذا لم يكن ذلك صحيحًا، فلا يزال بإمكاننا استخدام نماذج المكونات المقطوعة لوصف التوافق الكهرومغناطيسي EMC. لماذا؟ لأنه من الصعب تطبيق معادلات ماكسويل في العديد من الحالات الحقيقية بسبب الحدود المعقدة. إذا كان النموذج المقطوع يبدو صحيحاً تقريباً، فهو مفيد. عادةً ما تتصرف معظم المكونات المنفصلة بشكل موثوق.

لن يوضح النموذج العددي دائمًا كيف تنشأ الضوضاء من معلمات النظام. قد يكون النموذج هو الحل، ولكن قد لا تكون معلمات النظام معروفة أو موجودة أو مرئية. من بين النماذج المتاحة، غالبًا ما تكون النماذج ذات المكونات المقطوعة أفضل خيار عملي.

1.5 أهمية تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور

لماذا ندرس هذه النظرية من أجل تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور? الجواب البسيط: يجب أن نعرف كيف تُصنع المجالات الكهرومغناطيسية. ثم يمكننا تقليل مجالات الترددات اللاسلكية على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. هذا يعني أنه يجب علينا تقليل تيارات التردد اللاسلكي في الدائرة. ويرتبط تيار التردد اللاسلكي بشبكة توزيع الإشارة، متجاوزاً ومقترناً. يشكل تيار التردد اللاسلكي في النهاية التوافقيات ومحتوى الإشارة الرقمية الأخرى. يجب أن تكون شبكات توزيع الإشارة صغيرة قدر الإمكان. وهذا يقلل من مساحة حلقات التيار المرتد للترددات اللاسلكية. يتعلق التجاوز والاقتران بالتيارات الكبيرة ويجب أن يحدثا من خلال شبكة توزيع الطاقة. بحكم التعريف، تحتوي شبكة توزيع الطاقة على مساحات كبيرة لحلقات عودة التردد اللاسلكي.

2. تطبيق معادلات ماكسويل

2.1 ربط معادلات ماكسويل بقانون أوم

قدمنا أفكار ماكسويل الأساسية أعلاه. ولكن كيف نطبق هذه المعرفة الفيزيائية وحساب التفاضل والتكامل على EMC على ثنائي الفينيل متعدد الكلور؟ يجب علينا تبسيط معادلات ماكسويل لاستخدامها في آثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يمكننا ربط معادلات ماكسويل بقانون أوم.

قانون أوم في المجال الزمني:

V = I × R.

قانون أوم في مجال التردد

V_rf = I_rf × Z.

هنا V هو الجهد، وI هو التيار، وR هي المقاومة، وZ هي المعاوقة (Z = R + jX). rf تعني طاقة التردد اللاسلكي. إذا كان تيار التردد اللاسلكي موجودًا في مسار ثنائي الفينيل متعدد الكلور له مقاومة ثابتة، فسيتم إنشاء جهد تردد لاسلكي. يتناسب جهد التردد اللاسلكي مع تيار التردد اللاسلكي. ملحوظة: في نموذج الموجة، يتم استبدال R بـ Z. Z معقدة. لها مقاومة (حقيقية) ومفاعلة (تخيلية).

2.2 معادلات المعاوقة للأسلاك/آثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور

هناك العديد من الطرق لكتابة المعاوقة، اعتمادًا على ما إذا كنا ننظر إلى معاوقة الموجة المستوية أو معاوقة الدائرة. بالنسبة إلى الأسلاك أو آثار PCB، نستخدم

التردد الزاوي:

ω = 2πf.

المفاعلة الحثية:

X_L = 2πfL.

المفاعلة السعوية:

X_C = 1 / (2πfC).

المعاوقة:

Z = R + jX_L + 1/(jX_C) = R + jωL + 1/(jωC).

عندما يكون أحد المكونات له مقاومة ومقاومة معلومة، على سبيل المثال حبة فريت على رصاصة، أو مقاومة، أو مكثف، أو أجهزة ذات طفيليات، يجب أن نأخذ في الاعتبار تغير المعاوقة مع التردد.

2.3 آلية اختيار المسار الحالي

فوق بعض kHz، تصبح المفاعلة عادةً أكبر من R. ولكن ليس دائمًا. يختار التيار المسار الأقل مقاومة. أقل من بعض kHz، قد تكون المقاومة هي المسار الأصغر. وفوق بعض kHz، قد تكون المفاعلة هي الحاكمة. تعمل العديد من الدوائر فوق كيلوهرتز، لذا فإن الفكرة البسيطة “يختار التيار المسار الأقل مقاومة” لم تعد تشرح بشكل كامل كيفية تدفق التيار على خط النقل.

بالنسبة للموصلات التي تحمل تيارًا أعلى من 10 كيلوهرتز، سيختار التيار المسار الأقل معاوقة. إذا كانت معاوقة الحمل متصلة بسلك أو كابل أو أثر وكانت أكبر من السعة المتوازية على مسار الإرسال، فإن الحث سيكون هو السائد. إذا كانت جميع الأسلاك المتصلة ذات مقطع عرضي متشابه، فإن المسار الذي يحتوي على أصغر مساحة حلقة يكون له أصغر محاثة. كلما كانت مساحة الحلقة أصغر، كان معامل الحث أصغر. لذا يتدفق التيار في هذا الاتجاه.

2.4 تأثير حث الأثر على طاقة التردد اللاسلكي

كل أثر له مقاومة محدودة. يعد تحريض التتبع هو السبب الوحيد لوجود طاقة التردد اللاسلكي على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. كما يمكن أن تتسبب أسلاك الربط الطويلة بين رقاقة السيليكون ووسادة التركيب في طاقة التردد اللاسلكي. يمكن أن يؤدي التوجيه على اللوحة إلى وجود محاثة عالية، خاصةً عندما تكون الآثار طويلة. ويعني طول الأثر الطويل أن طول الرحلة ذهابًا وإيابًا طويل. وهذا يسبب تأخيرًا زمنيًا في التتبع. يمكن إطلاق إشارة واحدة قبل عودة الإشارة السابقة. في مجال التردد، يصبح التتبع “طويلًا” عندما يكون طوله الإجمالي أكبر من λ/10 تقريبًا عند تردد موجود في التتبع.

باختصار: يصنع جهد التردد اللاسلكي عبر المعاوقة تيار تردد لاسلكي. يمكن لتيار التردد اللاسلكي هذا أن يشع الطاقة في الفضاء الحر ويكسر حدود EMC. تربط هذه الأمثلة معادلات ماكسويل بتوجيه ثنائي الفينيل متعدد الكلور بحسابات بسيطة.

2.5 قاعدة اليد اليمنى لاتجاه التدفق المغناطيسي

يقول ماكسويل إن الشحنة المتحركة على أثر تصنع تيارًا. يصنع التيار مجالًا مغناطيسيًا. تتبع خطوط الفيض المغناطيسي هذه الأثر. استخدم قاعدة اليد اليمنى لإيجاد اتجاه الفيض. وجِّه إبهامك في اتجاه التيار. تُظهر أصابعك الملتفة المجال المغناطيسي حول الأثر. يصنع المجال المغناطيسي المتغير زمنياً مجالاً كهربائياً متعامداً. إشعاع التردد اللاسلكي هو مزيج من هذا المجال المغناطيسي والكهربائي. يمكن أن يغادر المجالان ثنائي الفينيل متعدد الكلور عن طريق الإشعاع أو عن طريق التوصيل على طول الكابلات المتصلة.

لاحظ أن المجال المغناطيسي يدور حول حدود حلقة مغلقة. على لوحة PCB، يدفع المصدر تيار التردد اللاسلكي من المصدر إلى الحمل من خلال مسار. يجب أن يعود تيار التردد اللاسلكي إلى المصدر (قانون أمبير). وهذا يشكل حلقة تيار التردد اللاسلكي. لا يجب أن تكون الحلقة دائرية، ولكن غالباً ما تكون حلزونية. ولأن مسار العودة ينشئ حلقة مغلقة، فإنه يصنع مجالاً مغناطيسياً. ويخلق المجال المغناطيسي مجالاً كهربائياً مشعاً. في المجال القريب، قد تهيمن الأجزاء المغناطيسية. ولكن في المجال البعيد، تبلغ النسبة E/H (مقاومة الموجة) حوالي 120 Ω، أو 377 Ω. ولا تعتمد هذه القيمة على المصدر. لذا في المجال البعيد، يمكن استخدام هوائي حلقي وجهاز استقبال حساس لقياس الجزء المغناطيسي. التيار المستقبَل يساوي E/(120 Ω) بوحدة A/م إذا كان E بوحدة V/م. يمكنك أيضًا قياس الجزء الكهربي باستخدام الأدوات المناسبة في المجال القريب.

2.6 أهمية الدوائر المغلقة الحلقة المغلقة

يأتي عرض بسيط آخر للترددات اللاسلكية على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور من الدوائر النموذجية الموضحة في الأشكال. استخدم تحليل المجال الزمني ومجال التردد. ينص قانونا كيرشوف وأمبير على ضرورة وجود حلقة مغلقة لكي تعمل الدائرة. ينص قانون كيرشوف للجهد على أن مجموع الجهد حول أي مسار مغلق يساوي صفر. وينص قانون أمبير على أن التيار يصنع حثًا مغناطيسيًا عند نقطة ما، استنادًا إلى التيار والهندسة.

إذا لم تكن هناك حلقة مغلقة، لا يمكن أن تنتقل الإشارة من المصدر إلى الحمل على خط النقل. عند إغلاق المفتاح، تتشكل الدائرة ويتدفق تيار متردد أو تيار مستمر. في مجال التردد، هذا التيار هو طاقة التردد اللاسلكي. لا يوجد نوع منفصل من التيار في مجال الزمن أو التردد. يوجد تيار واحد ويمكننا رؤيته في أي من المجالين. يجب أن يكون مسار عودة التردد اللاسلكي موجودًا من الحمل إلى المصدر، وإلا فلن تعمل الدائرة. لذلك يجب أن تخضع بنية الدائرة الكهربية الثنائية الفينيل المتعدد الكلور لمعايير ماكسويل وكيرشوف وأمبير.

كل هذه القوانين تقول: لتشغيل دائرة كهربائية كما هو متوقع، يجب أن تكون هناك شبكة حلقة مغلقة. ويوضح الشكل مثل هذه الدائرة النموذجية. عندما ينتقل المسار من المصدر إلى الحمل، يجب أن يكون مسار التيار المرتد موجودًا. هذا هو كيرشوف وأمبير.

يوضح الشكل الثاني مفتاح ومحرك E على التوالي. عندما يكون المفتاح مغلقًا، تعمل الدائرة. وإذا كانت مفتوحة، فإنها لا تعمل. في المجال الزمني، تنتقل الإشارة المطلوبة من المصدر إلى الحمل. يجب أن يكون للإشارة مسار عودة، عادةً من خلال مرجع أرضي 0 فولت. تتدفق تيارات التردد اللاسلكي من المصدر إلى الحمل وتعود من خلال المسار الأقل مقاومة. وغالبًا ما يكون ذلك من خلال مسار أرضي أو مستوى أرضي أو مستوى مرآة. استخدم قانون أمبير لشرح تيار التردد اللاسلكي.

3. تصغير التدفق (تصغير التدفق المغناطيسي)

3.1 آلية توليد التدفق المغناطيسي

قبل أن ندرس “كيف يظهر التداخل المغناطيسي الكهرومغناطيسي في ثنائي الفينيل متعدد الكلور”، يجب أن نتعلم كيف تتشكل الخطوط المغناطيسية على خطوط النقل. التدفق المغناطيسي فكرة أساسية. يتكون التدفق عندما يتدفق التيار عبر مقاومة ثابتة أو متغيرة. توجد المعاوقة في الآثار وأسلاك المكوّنات والفتحات وما إلى ذلك. إذا كان التدفق موجوداً على ثنائي الفينيل متعدد الكلور، يقول ماكسويل أن مسارات طاقة التردد اللاسلكي موجودة أيضاً. ويمكن لهذه المسارات أن تشع في الفضاء الحر أو أن تتدفق عبر الكابلات.

3.2 مبدأ إلغاء التدفق

لإزالة تيار التردد اللاسلكي على ثنائي الفينيل متعدد الكلور، نستخدم “إلغاء التدفق” أو “تقليل التدفق”. تعمل الخطوط المغناطيسية في اتجاه واحد حول الأثر. إذا جعلنا مسار إرجاع التردد اللاسلكي موازيًا وقريبًا من أثر المصدر، فإن مجال مسار الإرجاع يسير عكس مجال المصدر. عندما تعمل الحقول في اتجاهين متعاكسين، فإنها تلغى. إذا تم إلغاء التدفق غير المرغوب فيه بين المصدر والعودة أو إبقائه صغيرًا، فلن يوجد إشعاع أو تيار تردد لاسلكي موصّل، إلا عند حواف المسار الصغيرة جدًا. مفهوم إلغاء التدفق بسيط. ولكن في التصميم، انتبه للفخاخ والأخطاء الصغيرة. يمكن لخطأ صغير أن يسبب العديد من المشاكل الإضافية التي تجعل التصحيح صعبًا.

أسهل طريقة لإلغاء التدفق هي استخدام مستوى صورة (مستوى مرآة). بغض النظر عن مدى جودة التوجيه، ستظل المجالات الكهربائية والمغناطيسية موجودة دائمًا. ولكن إذا قمت بإلغاء الخطوط المغناطيسية، سيختفي التداخل الكهرومغناطيسي. الأمر بهذه البساطة.

3.3 نصائح لتقليل التدفق في تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور

كيفية إلغاء التدفق في تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور؟ هناك العديد من النصائح. لا تلغي جميعها التدفق مباشرة. بعض منها شائع:

• استخدم ألواح متعددة الطبقات مع تعيين صحيح للتكديس والتحكم في المعاوقة.
• قم بتوجيه آثار الساعة بالقرب من المستوى الأرضي المرتجع (في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعددة الطبقات). بالنسبة للوحات أحادية أو مزدوجة الوجه، استخدم آثار أرضية أو آثار حماية بالقرب من آثار الساعة.
• التقاط التدفق المغناطيسي من داخل العبوات البلاستيكية إلى مرجع 0 فولت لخفض إشعاع المكونات.
• اختر الأجزاء المنطقية بعناية لتقليل طيف التردد اللاسلكي الذي تشعه الأجزاء. استخدم أجهزة ذات معدلات حافة أبطأ عند الإمكان.
• تقليل جهد محرك التردد اللاسلكي من مشغلات الساعة (TTL/CMOS) لخفض تيار التردد اللاسلكي على الآثار.
• انخفاض جهد الضجيج الأرضي الموجود بين مستويات الطاقة والمستويات الأرضية.
• عندما يتم تبديل العديد من دبابيس الجهاز في وقت واحد لتشغيل حمل سعوي كبير، قم بتوفير فصل كافٍ للجزء.
• قم بإنهاء آثار الساعة والإشارة بشكل صحيح لتجنب الرنين والتجاوز والتجاوز الزائد والتجاوز الناقص.
• استخدم مرشحات خطوط البيانات ومختنقات الوضع المشترك على الشبكات التي تحتاج إليها.
• بالنسبة لكابلات الإدخال/الإخراج الخارجية، استخدم المكثفات الالتفافية بشكل صحيح (وليس كفصل).
• بالنسبة للمكونات التي تشع الكثير من طاقة الترددات اللاسلكية ذات الوضع الشائع، امنحها بالوعة حرارية مؤرضة.

3.4 الأسباب الأخرى للتداخل الكهرومغناطيسي في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور

وبالنظر إلى القائمة يتبين أن التدفق المغناطيسي هو جزء واحد فقط من التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور. وتشمل الأسباب الأخرى ما يلي:

• تيارات الوضع المشترك وتيارات الوضع التفاضلي بين الدائرة وكابلات الإدخال/الإخراج.
• الحلقات الأرضية التي تولد هياكل المجال المغناطيسي.
• مكونات مشعة.
• عدم تطابق المعاوقة.

ملاحظة: تأتي معظم إشعاعات التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي من الفولتية ذات الوضع المشترك. على اللوحة أو الدائرة، يمكن تحويل مستويات الوضع المشترك هذه إلى حقول صغيرة.

الخاتمة

لإزالة التداخل الكهرومغناطيسي الثنائي الفينيل المتعدد الكلور، ابدأ بتقليل التدفق المغناطيسي. القول سهل، لكن الفعل أصعب. طاقة التردد اللاسلكي غير مرئية ويصعب العثور عليها. من خلال تحديد مكان تدفق تيار الترددات اللاسلكية وفي أي اتجاه يتدفق، وباستخدام النصائح أعلاه وقواعد ماكسويل وكيرشوف وأمبير، يمكنك تضييق المنطقة المشتبه بها. ثم اعثر على مصدر التردد الكهرومغناطيسي الحقيقي وقم بإزالته.