Efekt okozine v prenosnih linijah

Definicija efekta okrovosti

Efekt okrovosti v prenosnih črtah je pojav, pri katerem se AC tok koncentrira blizu površine vodnika, kar poveča njegov učinkovit upor.

Efekt okrovosti je definiran kot tendenca AC toka, da se neenakomerno razporedi po preseku vodnika, tako da je gostota toka največja blizu površine vodnika in eksponentno pada proti sredi. To pomeni, da notranji del vodnika nosi manj toka kot zunanji del, kar vodi v povečan učinkovit upor vodnika.

Efekt okrovosti zmanjša na voljo dobro presečno površino za pretok toka, kar poveča izgube moči in segrevanje vodnika. Spremeni upornost prenosne črte, kar vpliva na razporeditev napetosti in toka. Ta učinek se posiljuje z višjimi frekvencami, večjimi premeri vodnikov in nižjimi prevodnostmi.

Efekt okrovosti se ne pojavi v sistemih z enosmernim tokom (DC), ker se tok ravnomerno pretoka skozi presečni prerez vodnika. Vendar pa v sistemih z izmeničnim tokom, zlasti tistih, ki delujejo na visokih frekvencah, kot so radijski in mikrovalni sistemi, lahko efekt okrovosti ima pomembne posledice na načrtovanje in analizo prenosnih črt in drugih komponent.

Vzroki za efekt okrovosti

Efekt okrovosti je povzročen interakcijo magnetnega polja, ki ga generira AC tok, s samim vodnikom. Kot je prikazano na spodnji sliki, ko AC tok teče skozi valjkasti vodnik, ustvari magnetno polje okoli in znotraj vodnika. Smer in moč tega magnetnega polja se spreminjata glede na frekvenco in amplitudo AC toka.

Po Faradayevem zakonu elektromagnetske indukcije spremenljivo magnetno polje inducira električno polje v vodniku. To električno polje nato inducira nasproten tok v vodniku, imenovan vrtilni tok. Vrtilni toki cirkulirajo znotraj vodnika in nasprotujejo prvotnemu AC toku.

Vrtilni toki so močnejši blizu sredi vodnika, kjer imajo več povezav s magnetnim tokom prvotnega AC toka. Zato ustvarijo močnejše nasprotne električno polje in zmanjšajo neto gostoto toka v sredini. Na drugi strani, blizu površine vodnika, kjer je manj povezav s magnetnim tokom prvotnega AC toka, so slabši vrtilni toki in manjša nasprotna električna polja. Torej je višja neto gostota toka na površini.

Ta pojav vodi v neenakomerno porazdelitev toka po preseku vodnika, s večjim tokom, ki teče blizu površine, kot blizu sredi. To se imenuje efekt okrovosti v prenosnih črtah.

Kvantifikacija efekta okrovosti

Efekt okrovosti se lahko kvantificira z globino okrovosti ali δ (delta), ki je globina pod površino vodnika, kjer gostota toka pada na približno 37% svoje vrednosti na površini. Manjša globina okrovosti kaže na bolj intenziven efekt okrovosti.

Globina okrovosti odvisna je od več dejavnikov, kot so:

Frekvenca AC toka: Višja frekvenca pomeni hitrejše spremembe magnetnega polja in močnejše vrtilne toke. Zato se globina okrovosti zmanjša s povečevanjem frekvence.

Prevodnost vodnika: Višja prevodnost pomeni nižji upor in lažje pretok vrtilnih tokov. Zato se globina okrovosti zmanjša s povečevanjem prevodnosti.

Permeabilnost vodnika: Višja permeabilnost pomeni več povezav s magnetnim tokom in močnejše vrtilne toke. Zato se globina okrovosti zmanjša s povečevanjem permeabilnosti.

Oblika vodnika: Različne oblike imajo različne geometrijske faktorje, ki vplivajo na razporeditev magnetnega polja in vrtilnih tokov. Zato se globina okrovosti razlikuje glede na različne oblike vodnikov.

Formula za izračun globine okrovosti za valjkasti vodnik s krogelnim presekom je:

δ je globina okrovosti (v metrih)

ω je kotna frekvenca AC toka (v radianih na sekundo)

μ je permeabilnost vodnika (v henrijih na meter)

σ je prevodnost vodnika (v siemensih na meter)

Na primer, za bakreni vodnik s krogelnim presekom, ki deluje na 10 MHz, je globina okrovosti:

To pomeni, da le tank sloj 0,066 mm blizu površine vodnika nosi večino toka na tej frekvenci.

Zmanjševanje efekta okrovosti

Efekti okrovosti lahko povzročijo več težav v prenosnih črtah, kot so:

• Povečane izgube moči in segrevanje vodnika, kar zmanjša učinkovitost in zanesljivost sistema.

• Povečana upornost in padec napetosti v prenosni črti, kar vpliva na kakovost signala in dostavo moči.

• Povečana elektromagnetna motnja in radiacija iz prenosne črte, ki lahko vpliva na bližnje naprave in vezje.

Zato je želeno, da bi se efekt okrovosti v prenosnih črtah zmanjšal čim bolj. Nekatere metode, ki se lahko uporabljajo za zmanjševanje efektov okrovosti, so:

• Uporaba vodnikov z višjo prevodnostjo in nižjo permeabilnostjo, kot je bakar ali srebro, namesto železa ali jekla.

• Uporaba vodnikov z manjšimi premeri ali presečnimi površinami zmanjša razliko med gostoto toka na površini in v sredini.

• Uporaba vlaknenih ali plešnjastih vodnikov namesto trdnih vodnikov poveča učinkovito površino vodnika in zmanjša vrtilne toke. Poseben tip vlaknene vodnice, imenovana litz vodnica, je zasnovana, da zmanjša efekt okrovosti z zavijanjem vlaken na način, da vsaka vlakna zasede različne položaje v preseku skozi dolžino.

• Uporaba praznih ali cevnih vodnikov namesto trdnih vodnikov zmanjša težo in stroške vodnika brez bistvenega vpliva na njegovo delovanje. Prazna sredina vodnika zaradi efekta okrovosti ne nosi veliko toka, zato jo je mogoče odstraniti brez vpliva na pretok toka.

• Uporaba več vzporednih vodnikov namesto enega vodnika poveča učinkovito presečno površino vodnika in zmanjša njegov upor. Ta metoda se tudi imenuje združevanje ali transpozicija.

• Zmanjševanje frekvence AC toka poveča globino okrovosti in zmanjša efekt okrovosti. Vendar pa to morda ni mogoče za nekatere aplikacije, ki zahtevajo visokofrekventne signale.

Zaključek

Efekt okrovosti je pojav, ki se pojavi v prenosnih črtah, ko AC tok teče skozi vodnik. To povzroča neenakomerno porazdelitev toka po preseku vodnika, s večjim tokom, ki teče blizu površine, kot blizu sredi. To poveča učinkovit upor in upornost vodnika ter zmanjša njegovo učinkovitost in zmogljivost.

Efekt okrovosti je odvisen od več dejavnikov, kot so frekvenca, prevodnost, permeabilnost in oblika vodnika. Se kvantificira s parametrom, imenovanim globina okrovosti, ki je globina pod površino, kjer gostota toka pada na 37% svoje vrednosti na površini.

Efekt okrovosti se lahko zmanjša z uporabo različnih metod, kot so uporaba vodnikov z višjo prevodnostjo in nižjo permeabilnostjo, manjšim premerom ali presečno površino, vlakneno ali plešnjasto strukturo, prazno ali cevasto obliko, več vzporednih razporeditev ali nižjo frekvenco.

Efekt okrovosti je pomemben pojem v električnem inženirstvu, ki vpliva na načrtovanje in analizo prenosnih črt in drugih komponent, ki uporabljajo AC toke. Morate ga upoštevati pri izbiri ustreznega tipa in velikosti vodnikov za različne aplikacije in frekvence.