צימוד שדה חשמלי 

> ראשי / 16. מנגנוני צימוד קרינה / צימוד שדה חשמלי

צימוד שדה חשמלי - Electric Field Coupling

במערכות אלקטרוניות מודרניות, ובעיקר במעגלים מודפסים (Printed Circuit Boards PCB), קיימת חשיבות רבה להבנת מנגנוני הצימוד בין מוליכים. אחד המנגנונים המרכזיים והמשפיעים ביותר הוא הצימוד החשמלי – תופעה שבה שינויים במתח או בזרם במוליך אחד משפיעים על מוליך סמוך דרך שדה חשמלי.  

מהו צימוד חשמלי?  

צימוד חשמלי (Electric Coupling) מתרחש כאשר שדה חשמלי הנוצר סביב מוליך טעון משפיע על מוליך אחר הנמצא בקרבתו. תופעה זו נובעת מהקיבוליות ההדדית בין שני מוליכים – כלומר, היכולת של מטען חשמלי "לדלוף" או להשפיע על מוליך סמוך דרך תווך מבודד (כגון חומר הדיאלקטרי של המעגל). שדות אלו נקלטים על-ידי מוליכים שונים במעגל והם עלולים לגרום להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).  

במעגלים מודפסים, הצימוד החשמלי מתרחש בעיקר בין מוליכים מקבילים, בין שכבות שונות, או בין רכיבים צפופים. ככל שהמתח משתנה מהר יותר (למשל באותות דיגיטליים בתדר גבוה), כך ההשפעה על המוליך הסמוך תהיה משמעותית יותר.  

בשרטוט רואים 2 מוליכים סמוכים זה לזה, המוליך הראשון מחובר לפוטנציאל מתח V1 ואילו המוליך השני מחובר לשני עומסים המיוצגים באמצעות עכבה שקולה R2​. לכל מוליך קיים קיבול פרזיטי לאדמה (במעגלים רבי-שכבות תמיד ישנה שכבת אדמה מתחת למוליכים), והם מסומנים כ-C1g​ ו-C2g​ בהתאמה. 

מבחינה מעשית, קיבולים אלו יוצרים מסלול זרם "חלופי" לאותות בעלי תדרים גבוהים שיכולים להעביר חלק מהאנרגיה החשמלית מהמעגל הראשון למעגל השני. (הסיבה שזה קורה רק בתדרים גבוהים הינה כי ערכי הקיבולים האלו הינם בסדרי גודל של pF, אשר מעבירים רק תדרים גבוהים לפי עקומת התדר של קבל). הקיבול ההדדי בין המוליכים מסומן כ-C12​, והמתח על פני העומס נמדד כ-V2​. 

במצב אידיאלי, שבו אין צימוד בין המוליכים, ערכו של V2​ אינו תלוי ב-V1​. אולם בפועל, ממשוואת הגבר המתח (Voltage Gain) של המעגל, ניתן לראות כי עוצמת ה"רעש" המופיעה על R2​ פרופורציונלית לערך הקיבול ההדדי C12​. המשוואה גם מצביעה על כך שככל שעכבת עומס (R2​) קטנה יותר, כך פוחתת יעילות העברת הרעש על R2, זאת אומרת שיהיה פחות "רעש" על R2 ממתח V1 שזה מעולה. 

במערכות דיגיטליות, האותות שמועברים במוליכי המעגל הם אותות בעלי שינויי מתח מהירים בזמן (פולסים). בשירטוט מעלה, מוליך מס' 1 נושא אות ריבועי V1, צימוד השדה החשמלי בין המוליכים מיוצג על ידי C12. מקור המתח ומחלק הקיבול שנוצר על־ידי C12​ ו-C2g​ יכולים להיות מומרים לשווה ערך לפי שקול-תאווינין (Thevenin), כפי שמוצג, כאשר CT​ מייצג את עכבת המקור השקולה. 

צימוד בין המוליכים מתרחש רק במהלך מעברי-המתח של V1 מכיוון שהזרם דרך הקבל פרופורציונלי לנגזרת הזמן של המתח עליו. מתח נוצר על המוליך השני כאשר זרם זה זורם דרך עכבת העומס R2. המודל הפשוט הזה מדגים כי זליגת אות (Crosstalk) בין המוליכים מתרחשת רק בזמן שינויי האות, כלומר, במהלך זמני העלייה והירידה של האות. 

על-מנת למזער את הזליגה, עומדות בפני המתכנן אפשרויות הבאות:

גורמים המשפיעים על עוצמת הצימוד החשמלי  

• מרחק בין מוליכים: ככל שהמרחק קטן יותר, הקיבול ההדדי גדל ועוצמת הצימוד גדל גם הוא.  

• שטח חפיפה: מוליכים ארוכים ומקבילים יוצרים שטח חפיפה גדול יותר, מה שמגביר את ההשפעה. 

•  מהירות שינוי המתח: אותות בעלי קצב שינוי גבוה (slew rate) יוצרים שדות חשמליים חזקים יותר.  

• תווך דיאלקטרי: סוג החומר המבודד בין המוליכים משפיע על הקיבוליות.  

• תכנון שכבות: מיקום מוליכים בשכבות שונות משפיע על הצימוד ביניהם.  

השלכות של צימוד חשמלי 

 צימוד חשמלי בלתי מבוקר עלול לגרום לבעיות חמורות בתפקוד המעגל: 

• Crosstalk: אותות לא רצויים "דולפים" ממסלול אחד לאחר, וגורמים לשגיאות לוגיות או הפרעות בתקשורת. 

• הפרעות EMI: פליטת שדות חשמליים חזקים עלולה להשפיע על רכיבים רגישים או על מערכות סמוכות. 

• איבוד שלמות אות: אותות דיגיטליים עלולים להתעוות ולהפוך לבלתי קריאים. 

כיצד ניתן לצמצם צימוד חשמלי? 

מתכנני PCB יכולים לנקוט במספר צעדים כדי להפחית את ההשפעה של צימוד חשמלי: 

• הגדלת מרחק בין מסלולים רגישים: במיוחד בין קווי אותות מהירים וקווי קלט/פלט. 

• שימוש בשכבות הארקה (Ground Plane): שכבת הארקה בין שכבות אותות מפחיתה קיבוליות הדדית. 

• תכנון מסלולים מקוצרים ומופרדים: הפחתת שטח חפיפה בין מוליכים. 

• שימוש במסננים או מיסוך: רכיבים כמו קבלים או מגני EMI יכולים להפחית את ההשפעה. 

• הפחתת קצב שינוי המתח: תכנון דרייברים עם slew rate נמוך יותר במידת האפשר. 

סיכום

הצימוד החשמלי הוא תופעה בלתי נמנעת במעגלים מודפסים, אך באמצעות תכנון נכון ניתן לשלוט בה ולמנוע את השפעותיה המזיקות. הבנה של עקרונות הקיבוליות, השדה החשמלי והאינטראקציה בין מוליכים מאפשרת למהנדסים לפתח מערכות אלקטרוניות אמינות, מדויקות ועמידות בפני הפרעות אלקטרומגנטיות.