Devre kartının saatli izlerinde, daha yüksek harmoniklerin yeterli güce sahip olması durumunda, elektromanyetik dalgaların EMI oluşturan izlerden yayılmasına neden olduğunu anlıyorum. Anlamadığım şey, bu neden ilk etapta oluyor?
EM radyasyonu yaymak için neden yüksek frekanslı bir akım iletkenden geçmelidir ve bu düşük frekanslı akımlarda neden olmaz? Anladığım şey, tahta izinin bu durumda bir anten gibi davranmaya başlamasıdır, ancak sebebini bilmiyorum.
Yanıtlar:
ama anlamadığım şey, fiziksel varlıklar olan elektron akışının neden bu EM dalgalarının yayılmasına neden olduğudur.
Buna özel olarak bakalım, çünkü bu yaygın (ve mükemmel) bir endişedir.
İşte hemen bir voltaj kaynağına bağlı basit bir tel:
bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik
Şu anda, telin sol ucu (kaynağa bitişik) ve toprak arasındaki potansiyel fark 1 volttur.
Telin diğer uç ucu hala topraktadır (0 fark) çünkü kaynağın elektromotor kuvveti (voltaj) henüz telin diğer ucuna yayılmamıştır.
Zaman geçtikçe, teldeki voltaj artar:
İletkendeki elektronlar elektrik alanı tarafından hızlandırılmaktadır (kaynağın potansiyel enerjisi elektronlarda kinetik enerjiye dönüştürülmektedir).
Elektronlar sonuna * ulaştığında, fiziksel olarak devam edemezler - ilerleyecek başka iletken yoktur!
... ancak bu yüklerin tel yönünde momentumu vardır (örneğin kinetik enerji vardır).
Telin sonunda yükler aniden durduğunda, enerji yasasının korunması, bu enerjinin "bir yere" gitmesini gerektirir - sadece yok olamaz!
Cevap radyasyon . Enerji, telin ucunu elektromanyetik bir dalga şeklinde bırakır.
* Telin bir ucunda hareket etmeye başlayan aynı elektronların, telin diğer ucuna ulaşan aynı elektronlar olması gerekmediği, ancak bu tartışmamız için önemli değildir.
Bundan çok temiz şeyler düşüyor. Örneğin, örneğimizdeki telin sonsuz sayıda küçük telden oluştuğunu düşünebilirsiniz. Bunların her biri için aynı davranış geçerli olacaktır (bu yüzden radyasyon tüm uzunluk boyunca gerçekleşir).
Ayrıca görebilirsiniz neden radyasyon sonuçları değişim (akım yapılan değişikliklere ek olarak örneğin) elektro-manyetik alan.
Doğrusal antenlerin nasıl çalıştığını anlayabilirsiniz. Örneğimizde, gerilimin uzak uçta zirveye çıktığı anda, kaynağı tekrar 0,0V'ye değiştirdiğimizi hayal edin. Şimdi aynı resme sahip olacaksınız ama ters çevirdiniz (sağda 1.0V, solda 0.0V) ve süreç tekrar başlayacaktı.
Bu işlemi tekrarlamaya devam edin ve elektronlar bir uçtan diğer uca sonsuz bir şekilde (tüm tel uzunluğu boyunca) ileri geri hareket eder. Bu mükemmel bir doğrusal anten ("radyatör").
Tel çok kısa olsaydı, daha az hareket olur ve çok uzun olsaydı çok fazla olurdu. Yakındaki bölümdeki voltajı düşürdükçe voltaj telde daha da artmaya devam edecektir (parazit sonuçları, sadece bu basit rakamlarla görselleştirilmesi zordur).
Anladığım şey, tahta izinin bu durumda bir anten gibi davranmaya başlamasıdır, ancak sebebini bilmiyorum.
Düşük frekanslarda (gerçekten, "dijital" devrelerde düşük kenar hızları), elektronlar, kaynak değiştirilmeden ve elektronlardan geri gelmeleri istenmeden önce telin sonuna ulaşmak için zamana sahiptir. Buna "toplanmış eleman" denir.
Telin her iki ucundaki voltaj temelde her zaman aynıdır. Bu, giriş elektronik öğrencilerine öğrettiğimiz davranıştır (bir tel eşpotansiyel bir yüzeydir = her yerde aynı voltaj).
Frekans arttıkça, açma yapmak için daha az zamanları vardır ve telin her iki ucundaki voltajın her zaman önceki şekillerde gösterilenle aynı olacağı garanti edilemez.
Devre kartı tasarımında, topaklanmış elemanlardan gelen radyasyon hakkında endişelenmenize gerek yoktur. Basit bir yaklaşım:
Yani:
burada c_m ortamdaki ışık hızıdır (tipik olarak FR-4 PCB üzerindeki bir bakır için c_m yaklaşık 1.5e8'dir).
Titiz bir matematiksel tedavi yerine, burada biraz el sallayan bir açıklama var:
Herhangi bir tel, içinden akan bir akım olduğunda etrafında manyetik bir alana sahiptir (telin uzunluğuna dik). Bununla birlikte, bir elektromanyetik dalganın verimli bir şekilde başlatılması, M alanına dik açılarda (tel uzunluğu boyunca) bir voltaj düşüşü (E alanı) gerektirir.
Düşük frekanslarda, tek voltaj düşüşü teldeki I 2 R kayıplarından kaynaklanır ve bu genellikle çok önemli değildir. Ancak, frekans arttıkça, devreye giren iki etkiniz olur. İlk olarak, teldeki "cilt etkisi" sonucu I 2 R kayıpları artmaya başlar. İkincisi, bir sinyalin tel boyunca sonlu yayılma süresi, telin uçlarının sinyal değiştikçe farklı voltajlarda olduğu anlamına gelir. Bu ikinci etki, sinyalin frekansı 1/4 dalga boyunun telin uzunluğuyla eşleştiği noktaya yükseldiğinde özellikle önemli hale gelir.
Tüm AC sinyalleri iletkenlerinden EM radyasyonu yayar, ancak bu işlemin verimliliği büyük ölçüde sinyalin dalga boyunun antenin uzunluğuna oranına bağlıdır. Yüksek frekanslar daha kısa dalga boylarına sahiptir ve normal bir PCB'de bulduğunuz izlerin uzunluğundan daha verimli bir şekilde yayılır.
Cihazınıza bağlı bir kablonuz varsa, örneğin güç veya ses kablosu, daha düşük frekans aralıklarında yayılabilen daha uzun bir anten gibi görünür.
İşte size yardımcı olabilecek bir resim: -
Resim bir çanak anten gösteriyor ancak oldukça basit bir şekilde bir tel parçası veya PCB üzerindeki bir iz gibi bir ANCAK unutmayın, çanak belirli bir frekansta verimli bir şekilde yayılmak üzere tasarlanmıştır, oysa parçalar ve teller birkaç dalga boyunda "rezonansa" neden olabilir .
Tel / çanak / iz / antene yakın, elektrik indüktörleri ve kapasitörler gibi enerjiyi depolayan elektrik alanları ve manyetik alanlar üretilir - bu alanlar (antene yakın) çok fazla yayılmaz. Resimde, noktalı çizgiler üst üste biniyor ve kesişiyor - resim E ve M alanları arasında bir "uyumsuzluğu" temsil etmeye çalışıyor. Burada kullanılacak doğru kelimeyi arıyorum ... "Tutarsızlık" diye düşündüm ama belki hayır, belki uyumsuzluk yerine daha iyi bir kelime vardır.
Yaklaşık 1 x dalga boyuna eşdeğer mesafe arttıkça, anten verimli ise, E ve M kısımları zaman içinde "hizalanmaya" başlar, yani genlikleri yükselir ve birlikte düşer. Bundan önce (yakın alanda) esas olarak antenin L ve C'sinden kaynaklanan bir yanlış hizalama kakofonisi vardır - E ve M alanları zamana göre hizalanmaz ve aslında antenin çevresindeki E ve M alanları görünüşte gelişigüzel yanlış ayarlanmış.
Mesafe arttıkça VE anten işini iyi yapıyorsa, uzak alan olarak bilinen yerde uygun EM dalgaları üretilir. Bu hala benim için çok gizemli bir fenomen!
Bildiğiniz gibi, bir telden geçen sabit bir akım, gücü akımla orantılı olan manyetik bir alanla çevrilidir. Muhtemelen indüksiyon mekanizmasını da biliyorsunuzdur; değişen manyetik alan bir elektrik alanı oluşturur. Uzatma ile, değişen bir akım, telin dışındaki bir elektrik alanına yol açar, bu da genellikle iki iletken bobin arasında enerji aktarmak için kullanılır. Bu elektrik alanının büyüklüğü, akımın değişim hızı ve dolayısıyla frekansı ile belirlenir.
Değişen bir manyetik alan sadece bir elektrik alanı oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda başka bir şekilde de çalışır. Bir elektromıknatısta, manyetik bir alan üretmek için alternatif bir elektrik alanı kullanılır. Telin etrafında, yaklaşık olarak 'boş alan' (akım veya ücret yok) olan şeyde, iki alan her zaman birbirlerinin etrafında yeni nesiller yaratırlar, ancak bunlar gerçekte bu açıklamanın önerdiği kadar farklı değildir. Yeni kuşaklar dalgayı ileriye doğru itiyor. Bu elektromanyetik dalga.
İlgili denklemlerin görünür basitliğine rağmen, elektromanyetik alanların yayılmasını hesaplamak en basit ideal geometriler için bile oldukça ilerlemiştir, ancak mekanizmanın bilgisinden (ve Maxwell'in denklemlerindeki matematiksel olarak) yoğunluğundan bir telin etrafındaki EM dalgaları akımın frekansıyla ilişkilidir, çünkü dalgadaki akımdaki değişiklik. Düşük frekanslı akımlar taşıyan iletkenler de az miktarda yayılır.