Эффект кожи в линиях передачи

Определение эффекта кожного слоя

Эффект кожного слоя в линиях передачи — это явление, при котором переменный ток концентрируется ближе к поверхности проводника, что увеличивает его эффективное сопротивление.

Эффект кожного слоя определяется как склонность переменного тока неравномерно распределяться по поперечному сечению проводника, так что плотность тока максимальна ближе к поверхности проводника и убывает экспоненциально к центру. Это означает, что внутренняя часть проводника несет меньше тока, чем внешняя, что приводит к увеличению эффективного сопротивления проводника.

Эффект кожного слоя уменьшает доступную площадь поперечного сечения для протекания тока, увеличивая потери мощности и нагрев проводника. Он изменяет импеданс линии передачи, влияя на распределение напряжения и тока. Этот эффект усиливается при более высоких частотах, больших диаметрах проводников и меньшей проводимости.

Эффект кожного слоя не возникает в системах постоянного тока, поскольку ток равномерно распределяется по всему поперечному сечению проводника. Однако в системах переменного тока, особенно тех, которые работают на высоких частотах, таких как радио- и микроволновые системы, эффект кожного слоя может существенно влиять на проектирование и анализ линий передачи и других компонентов.

Причины эффекта кожного слоя

Эффект кожного слоя вызван взаимодействием магнитного поля, создаваемого переменным током, с самим проводником. Как показано на рисунке ниже, когда переменный ток протекает через цилиндрический проводник, он создает магнитное поле вокруг и внутри проводника. Направление и величина этого магнитного поля изменяются в зависимости от частоты и амплитуды переменного тока.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменяющееся магнитное поле индуцирует электрическое поле в проводнике. Это электрическое поле, в свою очередь, индуцирует противодействующий ток в проводнике, называемый вихревым током. Вихревые токи циркулируют внутри проводника и противодействуют исходному переменному току.

Вихревые токи сильнее ближе к сердцевине проводника, где они имеют больше связей с магнитным потоком исходного переменного тока. Поэтому они создают более сильное противодействующее электрическое поле и снижают плотность тока в сердцевине. С другой стороны, ближе к поверхности проводника, где меньше связей с магнитным потоком исходного переменного тока, вихревые токи слабее, и противодействующее электрическое поле меньше. Поэтому плотность тока на поверхности выше.

Это явление приводит к неравномерному распределению тока по поперечному сечению проводника, с большим током, протекающим ближе к поверхности, чем к сердцевине. Это известно как эффект кожного слоя в линиях передачи.

Количественная оценка эффекта кожного слоя

Эффект кожного слоя можно количественно оценить с помощью глубины кожного слоя или δ (дельта), которая является глубиной под поверхностью проводника, на которой плотность тока падает до примерно 37% от ее значения на поверхности. Меньшая глубина кожного слоя указывает на более сильный эффект кожного слоя.

Глубина кожного слоя зависит от нескольких факторов, таких как:

Частота переменного тока: более высокая частота означает более быстрые изменения магнитного поля и более сильные вихревые токи. Поэтому глубина кожного слоя уменьшается с увеличением частоты.

Проводимость проводника: более высокая проводимость означает меньшее сопротивление и более легкий поток вихревых токов. Поэтому глубина кожного слоя уменьшается с увеличением проводимости.

Проницаемость проводника: более высокая проницаемость означает больше связей с магнитным потоком и более сильные вихревые токи. Поэтому глубина кожного слоя уменьшается с увеличением проницаемости.

Форма проводника: разные формы имеют различные геометрические факторы, влияющие на распределение магнитного поля и вихревых токов. Поэтому глубина кожного слоя варьируется в зависимости от формы проводника.

Формула для расчета глубины кожного слоя для цилиндрического проводника с круглым поперечным сечением следующая:

δ — глубина кожного слоя (в метрах)

ω — угловая частота переменного тока (в радианах в секунду)

μ — проницаемость проводника (в генри на метр)

σ — проводимость проводника (в сименсах на метр)

Например, для медного проводника с круглым поперечным сечением, работающего на частоте 10 МГц, глубина кожного слоя составляет:

Это означает, что только тонкий слой толщиной 0,066 мм ближе к поверхности проводника несет большую часть тока на этой частоте.

Уменьшение эффекта кожного слоя

Эффект кожного слоя может вызвать несколько проблем в линиях передачи, таких как:

• Увеличение потерь мощности и нагрев проводника, что снижает эффективность и надежность системы.

• Увеличение импеданса и падение напряжения на линии передачи, что влияет на качество сигнала и передачу мощности.

• Увеличение электромагнитных помех и излучения от линии передачи, что может повлиять на близлежащие устройства и цепи.

Поэтому желательно максимально уменьшить эффект кожного слоя в линиях передачи. Некоторые методы, которые можно использовать для уменьшения эффекта кожного слоя, включают:

• Использование проводников с более высокой проводимостью и меньшей проницаемостью, таких как медь или серебро, вместо железа или стали.

• Использование проводников с меньшим диаметром или площадью поперечного сечения, что уменьшает разницу между плотностями тока на поверхности и в сердцевине.

• Использование многожильных или плетеных проводников вместо цельных увеличивает эффективную площадь поверхности проводника и уменьшает вихревые токи. Особый тип многожильного проводника, называемый Litz-провод, предназначен для минимизации эффекта кожного слоя путем скручивания жил таким образом, чтобы каждая жила занимала разные позиции в поперечном сечении на протяжении своей длины.

• Использование полых или трубчатых проводников вместо цельных уменьшает вес и стоимость проводника без значительного влияния на его производительность. Пустая часть проводника не несет много тока из-за эффекта кожного слоя, поэтому она может быть удалена без влияния на поток тока.

• Использование нескольких параллельных проводников вместо одного увеличивает эффективную площадь поперечного сечения проводника и уменьшает его сопротивление. Этот метод также известен как объединение или перестановка.

• Уменьшение частоты переменного тока увеличивает глубину кожного слоя и уменьшает эффект кожного слоя. Однако это может быть неприемлемо для некоторых применений, требующих высокочастотных сигналов.

Заключение

Эффект кожного слоя — это явление, которое возникает в линиях передачи, когда переменный ток протекает через проводник. Он вызывает неравномерное распределение тока по поперечному сечению проводника, с большим током, протекающим ближе к поверхности, чем к сердцевине. Это увеличивает эффективное сопротивление и импеданс проводника и снижает его эффективность и производительность.

Эффект кожного слоя зависит от нескольких факторов, таких как частота, проводимость, проницаемость и форма проводника. Его можно количественно оценить, используя параметр, называемый глубиной кожного слоя, который представляет собой глубину под поверхностью, на которой плотность тока падает до 37% от ее значения на поверхности.

Эффект кожного слоя можно уменьшить, используя различные методы, такие как использование проводников с более высокой проводимостью и меньшей проницаемостью, меньшим диаметром или площадью поперечного сечения, многожильной или плетеной структурой, полой или трубчатой формой, несколькими параллельными проводниками или более низкой частотой.

Эффект кожного слоя — важное понятие в электротехнике, которое влияет на проектирование и анализ линий передачи и других компонентов, использующих переменный ток. При выборе подходящего типа и размера проводников для различных применений и частот следует учитывать этот эффект.