> ראשי / 16. מנגנוני צימוד קרינה / צימוד שדה מגנטי
סוג נוסף של צימוד לא מוליך מתרחש באמצעות שדות מגנטיים. זרם הזורם דרך מוליך מייצר שדה מגנטי נלווה. שדה זה יכול להיות מיוצג על ידי קווי שטף מגנטי המקיפים את הכבל, קווי שטף מגנטי תמיד סגורים; כלומר, הם תמיד יוצרים מעגל שלם. יתר על כן, קווי שטף תמיד "עוטפים" את הזרם שיצר אותם.
Magnetic Fields
צפיפות קווי השטף מאופיינת על ידי המשתנה B והיא ביחס ישר לזרימת הזרם. עוצמת השדה המגנטי, H, קשורה ישירות לצפיפות השטף על ידי החדירות, 𝛍, של החומר שבו קיימים קווי השטף. החדירות של תווך לא מגנטי היא 𝛍0=4 x10-7 H/m. חומר מגנטי, כגון סגסוגות ניקל או ברזל, מגביר את צפיפות השטף עקב חדירותו הגבוהה יותר. כאשר 𝛟 היא כמות השטף המגנטי המופקת. לכן, עבור זרם נתון, השראות גדולה יותר מייצרת שטף מגנטי גדול יותר.
Solenoid
כאשר קווים של שטף מגנטי משתנה בזמן עוברים דרך לולאה, מושרה מתח בלולאה. לשם המחשה, נניח שהלולאה סוגרת שטח A, אך הלולאה אינה בהכרח מעגלית. כל ממדי הלולאה חייבים להיות קטנים בהרבה מאורך הגל בתדר המדובר כדי שמודל פשוט זה יתקיים. הלולאה נמצאת בנוכחות שדה מגנטי סינוסואידלי בצורה B0ejwt , כאשר B0 הוא ערך השיא של צפיפות השטף. ההנחה היא שהלולאה רחוקה מספיק ממקור השדה המגנטי כדי ששדה יהיה אחיד על פני שטח הלולאה.
ניתן למצוא את המתח המושרה בלולאה על ידי יישום חוק פאראדיי. אינטגרציה של צפיפות השטף על פני שטח הלולאה נותנת את כמות השטף הכוללת המוקפת בלולאה כ- B0Acos𝜃, כאשר 𝜃 היא הזווית בין וקטור השדה המגנטי לבין הנורמל ללולאה. לקיחת נגזרת הזמן של השטף נותנת את המתח המושרה, שהוא פרופורציונלי לתדירות השדה. המשוואה עבור המתח המושרה, Vm, מדגישה מספר דרכים למזער צימוד שדה מגנטי.
צמצם את השטח המוקף בלולאה. מטרה זו ניתנת להשגה לעתים קרובות פשוט על ידי שיטות עבודה טובות של פריסת מעגלים.
כוון את מישור הלולאה במקביל לשדה המגנטי, ובכך קבע את cos𝜃 = 0. המעשיות של פתרון זה תלויה במידת השליטה שיש למתכנן על הקיטוב של השדה המגנטי.
הפחת את השדה המגנטי על ידי הפחתת עוצמת המקור שלו, על ידי הזזת הלולאה רחוק יותר מהמקור, או על ידי הצבת מגן ביניהם.
Magnetic Coupling
כדי להדגיש שוב, המודל הפשוט לצימוד מגנטי מתקיים רק כאשר הלולאה קטנה ביחס לאורך גל. האיור מספק דוגמה לאילוץ זה. הטבלה מציגה את השגיאה בין המתח המצומד ללולאה מלבנית, כפי שחזה המודל הפשוט של הלולאה הקטנה, לבין הערך המחושב באמצעות מודל שלם יותר.
Small-Loop Approximation
השראות הדדית מספקת דרך נוחה לייצוג צימוד מגנטי בתדר נמוך עבור ניתוח מעגלים מגושמים. כפי שמוצג במודל, מקור מתח, שהוא ביחס ישר לנגזרת הזמן של הזרם הסינוסואידי במעגל המקור, מופיע במעגל המקלט. קבוע הפרופורציה הוא M12, ההשראות ההדדית. פרמטר זה מצביע על מספר קווי השטף המגנטי המופקים על ידי הזרם במעגל הראשון המקיפים גם את השני. ההשראות ההדדית M12 מייצגת את הצימוד המגנטי של אות ממעגל #1 למעגל #2. ניתן להגדיר השראות הדדית קשורה, M21, כדי להתחשב בצימוד למעגל #1 מהזרם הזורם במעגל #2.
Magnetic Coupling Between Lines
שטף מגנטי נוצר על ידי זרימת זרם. זרם חייב לזרום במעגל שלם ולכן חוצה לולאה. צימוד מגנטי קיים כאשר חלק מהשטף המופק מהזרם הזורם בלולאה הראשונה עובר דרך לולאה אחרת ומשרה מתח. לכן, חישובים מדויקים של השראות הדדית דורשים ידע על הגיאומטריות של לולאות המקור והקליטה. כדי שזרם יזרום, נדרש מעגל סגור – כלומר, הלולאה חייבת להיות שלמה כדי לאפשר זרימה רציפה של המטענים החשמליים. צימוד מגנטי מתרחש כאשר השטף המגנטי שנוצר בלולאה אחת (לולאת המקור) חודר דרך לולאה אחרת (לולאת הקליטה). חדירה זו גורמת להשראת מתח בלולאה השנייה בהתאם לחוק פאראדיי.
רמת ההשראות ההדדית בין שתי הלולאות תלויה בגורמים גיאומטריים כגון:
מיקום יחסי בין הלולאות.
גודל וצורת הלולאות.
זווית ההצבה ביניהן.
מרחק ביניהן.
תווך פיזי ביניהן (למשל חומר פרומגנטי).
לכן, לצורך חישוב מדויק של השראות הדדית MM, יש לבצע אינטגרציה של השטף המגנטי דרך הלולאה הקולטת, תוך התחשבות בפרמטרים הגיאומטריים והפיזיקליים של שתי הלולאות.
Mutual Inductance Depends on loop areas
במערכות אלקטרוניות מודרניות, ובעיקר במעגלים מודפסים (PCB), קיימת חשיבות רבה להבנת מנגנוני הצימוד בין רכיבים ומוליכים. אחד המנגנונים המרכזיים הוא הצימוד המגנטי – תופעה פיזיקלית שבה שדה מגנטי משתנה בזמן גורם להשראת מתח במוליך סמוך. הבנה מעמיקה של תהליך זה חיונית לתכנון נכון של מעגלים, למניעת הפרעות אלקטרומגנטיות ולשיפור ביצועי המערכת.
צימוד מגנטי מתרחש כאשר זרם חשמלי הזורם במוליך יוצר שדה מגנטי סביבו. שדה זה מתפשט במרחב, ואם קיימת לולאה או מוליך סמוך, השדה עשוי לחדור דרכו ולגרום להשראת מתח – בהתאם לחוק פאראדיי. ככל שהשדה משתנה מהר יותר בזמן, כך המתח המושרה יהיה גבוה יותר. במעגלים מודפסים, תופעה זו מתרחשת בין מוליכים סמוכים, בין שכבות שונות של המעגל, או בין מעגלים נפרדים הנמצאים בקרבה פיזית.
עוצמת הצימוד המגנטי תלויה במספר פרמטרים:
גיאומטריה של הלולאות: גודל, צורה ומיקום יחסי בין מוליך המקור למוליך הקליטה.
מרחק בין המוליכים: ככל שהמרחק קטן יותר, הצימוד חזק יותר.
זווית ההצבה: הזווית בין השדה המגנטי לבין מישור הלולאה משפיעה על כמות השטף החודר.
תווך פיזי ביניהם: חומרים פרומגנטיים מגבירים את השטף המגנטי ומחזקים את הצימוד.
תדר הפעולה: בתדרים גבוהים, אורך הגל קטן יותר, והמודלים הפשוטים של צימוד עשויים לאבד דיוק.
צימוד מגנטי בלתי מבוקר עלול לגרום לבעיות כגון:
השראות לא רצויות: מתח מושרה במעגלים סמוכים עלול לגרום לשגיאות לוגיות או להפרעות בתקשורת.
EMI (הפרעות אלקטרומגנטיות): פליטת שדות מגנטיים חזקים עלולה להשפיע על רכיבים רגישים.
איבוד אנרגיה: במערכות הספק, צימוד לא רצוי עלול לגרום להפסדים.
מעצבי מעגלים מודפסים יכולים לנקוט במספר צעדים כדי להפחית את ההשפעה של צימוד מגנטי:
הקטנת שטח הלולאות: תכנון מסלולי זרם קומפקטיים ומעגלים סגורים קטנים.
יישור מוליכים: הצבת מוליכים כך שמישור הלולאה יהיה מקביל לשדה המגנטי (cos𝜃 ≈ 0).
הגדלת מרחק בין מוליכים רגישים: במיוחד בין מעגלי מקור וקליטה.
שימוש במיגון מגנטי: חומרים בעלי חדירות נמוכה או מיסוך פיזי בין שכבות.
תכנון רב-שכבתי נכון: הפרדת שכבות הספק משכבות אותות רגישים.
הצימוד המגנטי הוא תופעה טבעית ובלתי נמנעת במערכות אלקטרוניות, אך באמצעות תכנון נכון, ניתן לשלוט בה ולהפוך אותה מגורם מפריע לכלי הנדסי מדויק. הבנה של עקרונות השטף המגנטי, חוק פאראדיי והשראות הדדית מאפשרת למהנדסים ליצור מעגלים מודפסים אמינים, יעילים ועמידים בפני הפרעות.
© EMC-CE.NET All rights reserved.