|
หัวข้อ: ความเร็วของกระแสไฟฟ้าในเส้นทองแดง เริ่มหัวข้อโดย: sangkhawong ที่ พฤษภาคม 22, 2008, 12:02:05 pm กระแสไฟฟ้าและขนาดของลายเส้นทองแดง(Trace) ใน PCB มีผลต่อ Speed อย่างไร?
Propagation Speed สัญญาณไฟฟ้า ที่เดินทางผ่านสายไฟ หรือเส้น Trace (ลายเส้นทองแดง) ที่อยู่ในอากาศ จะเดินทางที่ความเร็วเท่ากับความเร็วแสง ก็คือ ที่ 186,280 ไมล์ ต่อ วินาที (ลองคำนวณให้เล็กคงมาครับ จะได้ที่ 11.8 นิ้วต่อ nS) ทีนี้ก็มาดูกันต่อครับ ว่าเมื่อมีกระแสไหลผ่านเส้น Trace ของเรา ก็จะเกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นรอบ ๆ ตัวนำ (Electromagnatic field) และแน่นอนครับสนามแม่เหล็กไฟฟ้านี้จะเคลื่อนที่ไปพร้อมๆกับกระแสและต้องไปด้วยกันถ้ามีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าก็หมายความว่าต้องมี กระแสไหลผ่านและถ้ามีกระแสไหลแสดงว่าต้องมีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยดังนั้นในตอนนี้เราจะไม่มองว่ากระแสไฟฟ้าไหลด้วยความเร็วเท่าไร แต่เราจะมองว่า สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางด้วยความเร็วเท่าไร แทน ต่อไปเราก็มาลองดูที่วัสดุกันก่อนครับ วัสดุทุกชนิดจะมีคุณสมบัติที่เราเรียกกันว่า Relative Dielectric Coefficient (Er) มันคือค่าความสามารถในการเก็บประจุ และสาเหตุที่มันถูกเรียกว่า Relative ก็เพราะว่ามันถูกเปรียบเทียบกับ สัมประสิทธ์ของฉนวนในอากาศ (ในหนังสือที่ผม จำเขามาบอก ได้บอกไว้ว่า จริง ๆ แล้วต้องเป็นใน สุญญากาศ (Vacuum) แต่ว่าความแตกต่างระหว่างในอากาศและสุญญากาศมันมีแค่นิดเดียว เลยสามารถละทิ้งได้) ดังนั้นความเร็วของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางผ่านวัสดุจะเท่ากับความเร็วแสงหารด้วย สแควร์รูทของ Dielectric Coefficien ของวัสดุ ดังนี้น Propagation Speed ของสัญญาณ จะได้ดังนี้ครับ ดูตัวอย่างกัน ถ้าเรามีสายไฟเส้นหนึ่ง จุ่มอยู่ในน้ำ เราก็ต้องรู้ว่าความเร็วของ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเดินทางผ่านน้ำได้เท่ากับเท่าไร ค่า Relative Dielectric Coefficient ของน้ำมีค่าประมาณเท่ากับ 80 เหตุที่ต้องประมาณก็เพราะว่าขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ของน้ำด้วยครับ เลยอาจคลาดเคลื่อนนิดหน่อย สแควร์ รูท 80 ก็จะประมาณ 9 ครับ เราก็ลองแทนค่าในสมการเลยครับ เพื่อหาว่า สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางในน้ำ ได้กี่นิ้ว ต่อ nS Propagation Speed in Water := 11.8/9 หน่วย in/nS = 1.311 in/ns ช้าหรือว่าเร็วผมก็ไม่รู้เหมือนกันครับ มันก็ขึ้นอยู่กับงานที่เอาไปใช้ แต่จริง ๆ ผมก็ไม่รู้เหมือนกันว่าจะมีใครเอาลงไปจุ่มในน้ำบ้าง Propagation Times ระวังจะเกิดการสับสนระหว่าง Propagation Speed กับ Propagation Time นะครับ Propagation Speed คืออัตราความเร็ว มีหน่วยเป็นระยะทาง ต่อเวลา ส่วน Propagation Time นั้นคือเวลาที่ใช้ในการเดินทางนะครับลองดูบรรทัดต่อไปนะครับ Propagation Time = 1/Propagation Speed หรือ Propagation Time = ความยาวของเส้น Trace / Propagation Speed ลองยกตัวอย่างว่า ตัวนำในอากาศเดินทางที่ความเร็ว 11.8 in/nS ดังนั้น Propagation Time จะเท่ากับ 1/11.8 = 0.85 ns/in ก็คือว่าระยะเวลาที่สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางผ่านตัวนำที่อยู่ในอากาศ จะใช้เวลา 0.85ns ต่อ 1 นิ้ว แล้วทีนี้เราก็มาลองดูกันดีกว่าครับว่า ถ้าเผื่อเส้น trace บน PCB จะมี speed เท่าไร จากสมการ Propagation Speed = 11.8/Relative Dielectric Coefficient ดังนั้นเมื่อเส้น Trace อยู่บน PCB ชนิด FR4 ซึ่งวัสดุชนิด FR4 มีค่า relative dielectric coefficien เท่ากับ 4 ดังนั้นเมื่อเราแทนค่าในสมการข้างต้นแล้ว ความเร็วของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าบน PCB ชนิด FR4 จะเท่ากับ 11.8/2 = 5.9 Inch/ns ครับ จากที่กล่าวว่ามาข้างต้นนั้นว่าเรามองกันที่ความไวของ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าว่าเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าไร โดยเราจะคิดจากสมการนี้ใช่ไหมครับ Propagation Speed = 11.8/εr แต่ผลที่เราลองคำนวณออกมาก็เป็นเพียงแค่การคำนวณเบื้องต้นนะครับ ยังมีค่า parameter อีกเยอะที่เราต้องนำมาคิด ลองคิดดูว่า ถ้าขนาดเส้นของลาย PCB (Trace) ยิ่งใหญ่ขึ้น จะทำให้ความเร็วของสนามแม่เหล็กไฟฟ้านั้น เร็วขึ้นหรือช้าลงครับ |