> ראשי / 17. תכנון מעגלים ל- EMC / התנהגות סלילים בתדר
אין רכיב מושלם — לכל רכיב פסיבי, כגון סליל, קבל או נגד, קיימים מרכיבים פרזיטיים הפוגעים בתפקודו. הסליל הוא רכיב פסיבי בעל שני הדקים, האוגר אנרגיה בצורה של שדה מגנטי כאשר זורם דרכו זרם חשמלי משתנה
הסליל הוא רכיב פסיבי שנועד לאגור אנרגיה בצורת שדה מגנטי. נעשה בו שימוש נרחב ביישומים שונים במערכות חשמליות ואלקטרוניות.
הסליל אוגר אנרגיה מגנטית הנוצרת כתוצאה מזרם חשמלי העובר דרכו. כאשר הזרם פוחת, השדה המגנטי קורס והאנרגיה משתחררת. העכבה של סליל אידיאלי מתוארת על פי המשוואה הבאה
כפי שהוצג במאמרים קודמים העוסקים ברכיבים פסיביים כגון קבלים ונגדים, אין רכיב אידיאלי במציאות. כל רכיב כולל מרכיבים פרזיטיים אשר משפיעים על תפקודו, והסליל אינו יוצא מן הכלל.
מתוך מודל השרטוט של סליל ניתן לזהות את ההתנגדות הפרזיטית, אשר גדלה עם עליית התדר כתוצאה מתופעת Skin Effect במוליך. בנוסף, מופיע קיבול פרזיטי הנוצר בין ליפופי הסליל, תופעה המשפיעה על תגובת הסליל בתדרים גבוהים.
המעגל החשמלי השקול לסליל לא אידיאלי, המתאר את השפעתם של המרכיבים הפרזיטיים, כולל התנגדות טורית Rs המייצגת את אובדן האנרגיה כתוצאה מהתנגדות המוליך (ובפרט את השפעת תופעת ה־Skin Effect), וכן קיבול מקבילי Cp בין ליפופי הסליל, המדמה את הקיבול הפרזיטי.
שילוב מרכיבים אלה מאפשר ניתוח מדויק יותר של התנהגות הסליל בתדרים שונים.
מכאן נובע כי את העכבה האופיינית של סליל לא אידיאלי ניתן לחשב באמצעות הנוסחה הבאה, המתחשבת בהשפעתם של המרכיבים הפרזיטיים:
העכבה האופיינית של סליל לא אידיאלי בהשוואה לעכבת סליל אידיאלי מוצגת בגרף כתלות בתדר. בתדרים נמוכים, עכבת הסליל הלא אידיאלי מתקרבת לעכבת סליל אידיאלי (המיוצגת בקו המקווקו בגרף), ונראית כמעט זהה לה.
עם עליית התדר, ההשראות של הסליל גורמת לעלייה חדה בעכבה, עד להגעה לתדר התהודה fr, שבו ההשראות והקיבול הפרזיטי מאזנים זה את זה.
בתדר זה מתקבלת עכבה מרבית, המיוצגת כהתנגדות טהורה R. מעבר לתדר התהודה, התנהגות הסליל משתנה – והוא מתחיל לתפקד כקבל, ולכן העכבה שלו פוחתת ככל שהתדר עולה.
היחס בין עכבת הסליל X לבין ההתנגדות הטורית שלו Rs משמש למדידת גורם האיכות של הסליל, Q. באופן עקרוני, אם הסליל היה מלופף באמצעות מוליך מושלם (כלומר, Rs=0), גורם האיכות Q היה שואף לאינסוף, מה שהיה מעיד על סליל נטול הפסדים.
עם זאת, מכיוון שאין מוליך מושלם במציאות, תמיד קיימת התנגדות טורית כלשהי ולכן Q הוא סופי. ככל שערך ההתנגדות Rs נמוך יותר – כלומר, ככל שההפסדים קטנים יותר – כך גורם האיכות גבוה יותר, והסליל נחשב לאיכותי יותר.
בתדרים הקרובים ל-DC, גורם האיכות (Q) של הסליל גבוה, שכן ההתנגדות Rs המשקפת את התנגדות ה-DC של המוליך — קרובה לאפס. ככל שהתדר עולה, תופעת Skin Effect במוליך הופכת לדומיננטית, ובשילוב עם הקיבול הפרזיטי, מתחילה לפגוע בביצועי הסליל.
מעל נקודת השיא בעקומת הגרף, ההשפעה המשולבת של הקיבול הפרזיטי ו-Skin Effect גורמת לירידה הדרגתית בגורם האיכות Q, עד שהוא מגיע לאפס — בדיוק בתדר התהודה של הסליל, המסומן כ-fr. בתדר זה, האנרגיה הנאגרת ברכיבי הסליל והקבל מתבטלת על ידי איבוד האנרגיה במוליכים ובקיבולים פרזיטיים, ולכן הסליל מאבד את תכונותיו ה"רזוננטיות".
Q גבוה : הסליל מאבד מעט מאוד אנרגיה, ומצטיין בתגובה חדה בתדר התהודה. זה אידיאלי במסננים (פילטרים) ובמשדרים.
Q נמוך : הסליל מאבד יותר אנרגיה, ויש לו תגובה רחבה יותר בתדרים – פחות רזוננטי ועם יותר הפסדים.
במעגלי סינון, גורם האיכות (Q) ממלא תפקיד מרכזי בקביעת רוחב הפס של המעגל. רוחב פס צר הוא מרכיב חיוני במערכות תקשורת, שכן הוא מאפשר לסנן רעשים ואותות לא רצויים מחוץ לתחום התדרים הרצוי. לעומת זאת, קיימים יישומים שבהם נדרש רוחב פס רחב יותר, לצורך העברת טווח תדרים רחב — למשל, במעגלי שמע, מערכות מדידה או תקשורת רחבת סרט.
השרטוט שלפניך מציג את תגובת התדר של מעגל סינון עבור ערכים שונים של גורם האיכות Q. הקו האדום מייצג סליל בעל מקדם איכות גבוה — תחום התדרים שבו המעגל פעיל צר מאוד, אך ההגבר בתדר המרכזי גבוה יחסית. מנגד, הקו הירוק מייצג סליל עם גורם איכות נמוך — רוחב הפס רחב יותר, אך ההגבר המרבי נמוך.
גורם נוסף המשפיע על ערך גורם האיכות (Q) של הסליל הוא חומר המצע שממנו הוא בנוי. קיימים סלילים המבוססים על מצע פרייט (Ferrite), ואחרים על מצע קרמי.
מהגרף שלפניך ניתן לראות כי סלילים בעלי מצע פרייט מתאימים בעיקר לעבודה בתדרים נמוכים — עד כ-10MHz. לעומת זאת, סלילים עם מצע קרמי שומרים על ערכי Q גבוהים גם בתדרים גבוהים — מעל 1GHz, ולכן מתאימים במיוחד ליישומים בתחום סינון רעשים אלקטרומגנטיים (EMI filtering) ולמערכות RF מהירות.
הבחירה במצע המתאים תלויה באופי היישום:
עבור תדרים נמוכים, מצע פרייט מספק ביצועים טובים בעלות נמוכה.
בתדרים גבוהים או כאשר נדרש סינון מדויק, מצע קרמי עדיף בזכות הפסדים נמוכים והתנהגות יציבה יותר.
© EMC-CE.NET All rights reserved.