Ефект на кожата в преходните линии

Определение кожен ефект

Кожен ефект в преносни линии е феномен, при който чертежният ток се концентрира близо до повърхността на проводника, увеличавайки неговото ефективно съпротивление.

Кожен ефект се дефинира като тенденцията на чертежния ток да се разпределя неравномерно в поперечното сечение на проводника, така че плътността на тока да е най-голяма близо до повърхността на проводника и да намалява експоненциално към ядрото. Това означава, че вътрешната част на проводника носи по-малко ток от външната част, което води до увеличаване на ефективното съпротивление на проводника.

Кожен ефект намалява наличната поперечна площ за протичане на тока, увеличавайки губите на мощност и нагряването на проводника. Той изменя импеданса на преносната линия, влияйки върху разпределението на напрежението и тока. Този ефект се усилива при по-високи честоти, по-големи диаметри на проводника и по-ниска проводимост.

Кожен ефект не се наблюдава в системи с постоянен ток (DC), защото токът протича равномерно през цялото поперечно сечение на проводника. Обаче, в системи с чертежен ток, особено тези, работещи на високи честоти, като радио и микровълнови системи, кожен ефект може да има значително влияние върху проектирането и анализирането на преносните линии и други компоненти.

Причини за кожен ефект

Кожен ефект се дължи на взаимодействието между магнитното поле, генерирано от чертежния ток, и самия проводник. Както е показано на фигурата по-долу, когато чертежен ток протича през цилиндричен проводник, той създава магнитно поле около и във вътрешността на проводника. Поясът и интензитетът на това магнитно поле се изменят според честотата и амплитудата на чертежния ток.

Според законите на Фарадей за електромагнитната индукция, променящото се магнитно поле индуцира електрическо поле в проводника. Това електрическо поле, по своя ред, индуцира противоположен ток в проводника, наречен вихрев ток. Вихревите токове циркулират във вътрешността на проводника и противодействат на оригиналния чертежен ток.

Вихревите токове са по-силни близо до ядрото на проводника, където те имат по-голяма магнитна връзка с оригиналения чертежен ток. Следователно, те създават по-високо противоположно електрическо поле и намаляват нетната плътност на тока в ядрото. От друга страна, близо до повърхността на проводника, където има по-малка магнитна връзка с оригиналения чертежен ток, вихревите токове са по-слаби и противоположното електрическо поле е по-ниско. Следователно, има по-висока нетна плътност на тока на повърхността.

Този феномен води до неравномерно разпределение на тока в поперечното сечение на проводника, с повече ток, протичащ близо до повърхността, отколкото близо до ядрото. Това се нарича кожен ефект в преносните линии.

Количествено определение на кожен ефект

Кожен ефект може да бъде количествено определен чрез дебелина на кожата или δ (делта), която е дълбочината под повърхността на проводника, където плътността на тока намалява до около 37% от нейната стойност на повърхността. По-малка дебелина на кожата указва по-сериозен кожен ефект.

Дебелината на кожата зависи от няколко фактора, като:

Честотата на чертежния ток: По-висока честота означава по-бързи изменения в магнитното поле и по-силни вихреви токове. Следователно, дебелината на кожата намалява с увеличаването на честотата.

Проводимостта на проводника: По-висока проводимост означава по-ниско съпротивление и по-лесно протичане на вихреви токове. Следователно, дебелината на кожата намалява с увеличаването на проводимостта.

Проницаемостта на проводника: По-висока проницаемост означава по-голяма магнитна връзка и по-силни вихреви токове. Следователно, дебелината на кожата намалява с увеличаването на проницаемостта.

Формата на проводника: Различни форми имат различни геометрични фактори, които влияят на разпределението на магнитното поле и вихревите токове. Следователно, дебелината на кожата варира с различните форми на проводниците.

Формулата за изчисляване на дебелината на кожата за цилиндричен проводник с кръгово поперечно сечение е:

δ е дебелината на кожата (в метри)

ω е ъгловата честота на чертежния ток (в радиани в секунда)

μ е проницаемостта на проводника (в хенри на метър)

σ е проводимостта на проводника (в сиemen на метър)

Например, за меден проводник с кръгово поперечно сечение, работещ на 10 МХц, дебелината на кожата е:

Това означава, че само тънък слой от 0,066 мм близо до повърхността на проводника носи повечето от тока при тази честота.

Намаляване на кожен ефект

Кожените ефекти могат да причинят няколко проблема в преносните линии, като:

• Увеличаване на губите на мощност и нагряване на проводника, което намалява ефективността и надеждността на системата.

• Увеличаване на импеданса и падането на напрежението в преносната линия, което влияе на качеството на сигнала и доставянето на мощност.

• Увеличаване на електромагнитната интерференция и радиация от преносната линия, което може да повлияе на близките устройства и вериги.

Следователно, е желателно да се намали кожен ефекта в преносните линии колкото е възможно. Някои от методите, които могат да се използват за намаляване на кожените ефекти, са:

• Използване на проводници с по-висока проводимост и по-ниска проницаемост, като мед или сребро, вместо желязо или стомана.

• Използване на проводници с по-малки диаметри или поперечни сечения намалява разликата между плътността на тока на повърхността и в ядрото.

• Използване на странджди или плетени проводници вместо твърди проводници увеличава ефективната повърхностна площ на проводника и намалява вихревите токове. Специален вид странджди проводник, наречен litz wire, е проектиран да минимизира кожен ефекта, като заплетва странджите по начин, при който всеки страндж заема различни позиции в поперечното сечение по дължината му.

• Използване на празни или тръбни проводници вместо твърди проводници намалява теглото и цената на проводника без значително да влияе на неговото изпълнение. Празната част на проводника не носи много ток поради кожен ефект, така че тя може да бъде премахната без да влияе на протичането на тока.

• Използване на множество паралелни проводници вместо единичен проводник увеличава ефективната поперечна площ на проводника и намалява неговото съпротивление. Този метод е известен също като bundling или transposition.

• Намаляване на честотата на чертежния ток увеличава дебелината на кожата и намалява кожен ефект. Обаче, това може да не е възможно за някои приложения, които изискват високочестотни сигнали.

Заключение

Кожен ефект е феномен, който се наблюдава в преносните линии, когато чертежен ток протича през проводника. Той причинява неравномерно разпределение на тока в поперечното сечение на проводника, с повече ток, протичащ близо до повърхността, отколкото близо до ядрото. Това увеличава ефективното съпротивление и импеданса на проводника и намалява неговата ефективност и изпълнение.

Кожен ефект зависи от няколко фактора, като честотата, проводимостта, проницаемостта и формата на проводника. Той може да бъде количествено определен чрез параметър, наречен дебелина на кожата, който е дълбочината под повърхността, където плътността на тока пада до 37% от нейната стойност на повърхността.

Кожен ефект може да бъде намален чрез използването на различни методи, като използване на проводници с по-висока проводимост и по-ниска проницаемост, по-малък диаметър или поперечно сечение, странджди или плетена структура, празна или тръбна форма, множество паралелни разположения или по-ниска честота.

Кожен ефект е важен концепт в електротехниката, който влияе върху проектирането и анализирането на преносните линии и други компоненти, използващи чертежни токове. Той трябва да бъде взет предвид при избора на подходящ тип и размер на проводници за различни приложения и честоти.