Как размещать индуктивности на печатной плате

Приветствую, дорогой читатель! Задумывались ли вы когда-нибудь, как катушки индуктивности взаимодействуют друг с другом?

Наткнувшись на картинку (которая ниже) в сети Интернет я подумал, а хорошо бы было разобраться с этим моментом и протестировать разные индуктивности на предмет взаимного влияния. В этой статье этим и займемся.

Для тех кому просто хочется результатов, в конце статьи можете найти шпаргалку по индуктивностям и краткие выводы. Ну и так же по этой теме планирую сделать видео, ссылку на которое потом вставлю в комментарий к статье, когда оно выйдет.

Для тестов решил использовать пары максимально похожих индуктивностей. Всего в тестах будет несколько вариантов катушек: простая катушка без сердечника, катушка с сердечником, катушка намотанная на тороидальном сердечнике и экранированная катушка. В качестве теста, к одной катушке подключу источник в 400 кГц и транзисторный ключ, а напряжение на второй катушке буду измерять с помощью осциллографа. Ну и дальше будем крутить катушки относительно друг друга и смотреть, что получается.

Разделил тесты на 3 части. Первая, катушки находятся рядом, параллельно. Вторая и третья когда ось одной катушки повернута относительно другой. Для иллюстрации ниже картинка.

Расстояние изменяется от 0, когда катушки плотно друг у другу прижаты, до 3 радиусов с шагом в 1 радиус. Для сравнения в каждой группе результатов привожу график для случая, когда одна катушка лежит на другой, то есть самый плохой сценарий, когда мы по сути получаем трансформатор.

Катушка без сердечника

Для того, чтобы получить максимально похожие катушки индуктивности распечатал вот такие каркасы на 3d принтере (https://www.thingiverse.com/thing:1003100). Не скажу, что они супер удобные, но со своей задачей справились. Индуктивность каждой катушки в районе 0.69 мкГн. Намотано 5 витков проводом от витой пары, диаметр катушек примерно 20 мм.

Результаты измерений.

Хуже всего показала себя ситуация поперек 1 (если не считать красный график, когда одна катушка лежит на другой) амплитуда наведенного сигнала и как следствие коэффициент связи между катушками самый высокий. Катушки в одной плоскости рядом, чуть лучше, но все равно плохо. Амплитуда высокая. Однако достаточно отодвинуть катушку на расстояние в 2 радиуса и наведенный сигнал становиться минимальным. При развороте осей катушки (поперек 2) наведенный сигнал гораздо ниже, но и в этом случае наблюдается тенденция к уменьшению наведенного сигнала с расстоянием. В целом результаты согласуются с картинкой, приведенной в начале статьи. Пока делать окончательные выводы рано, давайте сначала посмотрим на все результаты и тогда обобщим полученную информацию.

Катушка с сердечником

Данные катушки, индуктивностью в 0.9 мкГн были выпаяны из системы питания старой материнской платы. Это в двойне интересно, ведь там они находятся недалеко друг от друга. Проделываем те же тесты, что и для катушек без сердечника и смотрим результаты.

И результаты полностью коррелируют (схожи) с графиками полученными для катушек без сердечника. Однако, теперь расположение поперек 1 показывает меньший уровень наводок чем расположение рядом. Тут стоит сказать, что амплитуда наводок при расположении поперек 1 очень сильно увеличивается при приближении к краям индуктивности. В тесте, ориентация была выставлена на центр катушки, но при смещении чуть выше или чуть ниже амплитуда существенно увеличивалась. Идем дальше.

Катушка на тороидальном сердечнике

Индуктивности намотаны на сердечнике из порошкового железа (вроде как), число витков одинаковое, индуктивность каждой около 12 мкГн. Проводим те же тесты. Однако поясню на счет радиуса. В случае этих индуктивностей решил использовать расстояние от центра до края катушки в сечении "бублика", ниже привел картинку для пояснения.

Результаты следующие. 

Здесь явно видно, что для таких катушек самое главное это не располагать их вплотную, а отодвигать их хотя бы на расстояние одного радиуса. Однако результаты навели меня на мысль провести дополнительные измерения используя другую пару катушек намотанных на тороидальных сердечниках. Для повторного измерения взял уже ферритовые кольца и намотал на них провод от витой пары. Получилась индуктивность около 1 мГн. Далее, повторил серию измерений. И получил такие же результаты по наведенной амплитуде относительно взаимного расположения.

Далее решил проверить связь таких катушек с обычными катушками без сердечника. Катушка намотанная на торе была подключена к источнику, обычная катушка без сердечника к осциллографу. Получились следующие результаты.

Наведенный сигнал имеет малый уровень, но тут так же просматривается тенденция, что устанавливать катушку индуктивности рядом с тороидальной надо на расстоянии от 1 радиуса последней.

Экранированные катушки индуктивности

Ну и последние на тест пошли экранированные катушки индуктивности по 0.68 мкГн из системы питания видеокарты. 

Стоит добавить, что при прижатии вплотную катушек между ними оставался зазор во избежание прямого контакта экранов. 

Графики получились ступенчатые, потому как уровень сигнала на порядок меньше чем в предыдущих измерениях.

Зависимость от частоты

Чтобы делать окончательные выводы предлагаю посмотреть на серию графиков для индуктивностей, которые располагаются рядом, без сердечника вплотную, но на разных частотах воздействия.

По сути амплитуды наведенного напряжения на разных частотах одинаковы, с некоторой погрешностью. 

Моделирование

Дальше мне стало интересно посмотреть на теоретическое распределение силовых линий для проведенных выше измерений и попробовал это все промоделировать. При моделировании подавал на катушки одинаковый ток, то есть силовые линии поля соответствуют двум работающим катушкам одновременно. Силовые линии градуированы по оттенкам серого, чем темнее, тем сильнее там поле.

Для начала самая "печальная" конфигурация, одна катушка поверх другой, вплотную. Сильнейшее взаимодействие, по сути мы получаем воздушный трансформатор.

Далее катушки без сердечников. Слева направо: рядом, поперек 1 и поперек 2. Видно что силовые линии в первых двух случаях сильно искажаются, и в этих случаях и наблюдается самое сильное взаимодействие. 

Так как катушка с сердечником формирует такое же поле вокруг себе, то дальше посмотрим на поле в катушке намотанной на тороидальном сердечнике. 

Считается, что катушка намотанная на торе, как бы экранирует сама себя. Если взглянуть на упрощенную модель, то видно, что большинство силовых линий замыкаются в сердечнике. Однако в промежутках между витками поле имеет выход наружу. Из этого можно сделать вывод, что чем плотнее намотана катушка индуктивности, тем меньше она излучает помех во внешнее пространство. В моем эксперименте катушки были намотаны очень не плотно от сюда и высокие результаты наведенной амплитуды.

Посмотрим на распределение полей для двух тороидальных катушек.

Ну и посмотрим на поле в экранированной катушке индуктивности.

Хорошо видно, что большая часть силовых линий проходят по экрану (черные силовые линии). Поле излучаемое в пространство такое же как и у обычной катушки, но за экраном оно резко ослабевает. Так же выход поля имеется снизу катушки, но там теоретически будет находиться печатная плата и слой экранирующей меди. Поэтому думаю результаты моделирования взаимодействия экранированных катушек я приводить не буду, дабы не перегружать статью.

Выводы

При проектировании печатных плат или размещении катушек индуктивности в корпусах устройств, стоит учитывать взаимное влияние катушек друг на друга. Если позволяет возможность, то оптимально будет использовать экранированные катушки индуктивности. Они излучают меньше всего электромагнитных полей в пространство вокруг индуктивности. Если посмотреть на результаты, то на несколько порядков.

Для обычных катушек оптимальным положением будет являться размещение катушек в перпендикулярных плоскостях (поперек 2), на расстоянии от 1 радиуса. То есть между катушками должно быть не меньше одного радиуса свободного пространства. Размещение поперек 1 вообще лучше не применять, а при размещении катушек в одной плоскости (рядом) оставлять между ними зазор в 3 и более радиуса.

Для тороидальных катушек так же наблюдается связь с расстоянием. Если обобщить самое главное не располагать индуктивности вплотную, а оставлять между ними расстояние от 1 радиуса сердечника.

Шпаргалка

По приведенным выше выводам сделал шпаргалку для взаимного расположения катушек индуктивности. От части она повторяет картинку из "интернетов" однако расширяет её. 

Надеюсь статья была полезна и интересна, буду рад вашей оценке и комментариям. 
Ну а я пошел заворачивать эту информацию в видео) 

Большое спасибо Сергею Янкину за помощь! Всем хорошего флюса и бесконечного припоя, пока!