Разбиране на ефекта върху кожата в преходните линии

Преходна линия е проводник, който пренася електрическа енергия или сигнали от една точка до друга. Преходните линии могат да се изработват от различни материали, форми и размери, в зависимост от приложението и разстоянието. Обачно, когато преходните линии се използват в системи с алтернативен ток (AC), те може да проявят феномен, наречен кожен ефект, който влияе на техния резултат и ефективност.

Какво е кожен ефект в преходните линии?

Кожен ефект се дефинира като тенденцията на алтернативния ток да се разпределя неравномерно в поперечния сечение на проводника, така че плътността на тока да бъде най-висока близо до повърхността на проводника и да намалява експоненциално към ядрото. Това означава, че вътрешната част на проводника пренася по-малко ток от външната, което води до увеличена ефективна резистентност на проводника.

Кожен ефект намалява ефективното поперечно сечение на проводника, достъпно за поток на тока, което увеличава загубите на енергия и нагряването на проводника. Кожен ефект също причинява промяна в импеданса на преходната линия, което влияе на напрежението и разпределението на тока по линията. Кожен ефект е по-изразен при по-високи честоти, по-големи диаметри и по-ниска проводимост на проводниците.

Кожен ефект не се явява в системи с постоянен ток (DC), защото токът се разпространява равномерно през поперечното сечение на проводника. Обачно, в системи с алтернативен ток, особено тези, работещи на високи честоти, като радио и микровълнови системи, кожен ефект може да има значително влияние върху проектирането и анализирането на преходните линии и други компоненти.

Какво предизвиква кожен ефект в преходните линии?

Кожен ефект се предизвиква от взаимодействието между магнитното поле, генерирано от алтернативния ток, и самия проводник. Както е показано на фигурата по-долу, когато алтернативен ток протича през цилиндричен проводник, той създава магнитно поле около и вътре в проводника. Поставянето и големината на това магнитно поле се изменят според честотата и амплитудата на алтернативния ток.

Според закона на Фарадей за електромагнитна индукция, променящото се магнитно поле индуцира електрическо поле в проводника. Това електрическо поле, от своя страна, индуцира противоположен ток в проводника, наречен завихрен ток. Завихрените токове циркулират в проводника и противодействат на оригиналния алтернативен ток.

Завихрените токове са по-силни близо до ядрото на проводника, където те имат повече магнитни потокове връзки с оригиналения алтернативен 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-малко магнитни потокове връзки с оригиналения алтернативен ток, има по-слаби завихрени токове и по-ниско противоположно електрическо поле. 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 преходните линии.

Как да квантифицираме кожен ефект в преходните линии?

Един начин за квантифициране на кожен ефект в преходните линии е използването на параметър, наречен дълбочина на кожата или δ (делта). Дълбочината на кожата се дефинира като дълбочината под повърхността на проводника, където плътността на тока намалява до 1/e (около 37%) от стойността ѝ на повърхността. Колкото по-малка е дълбочината на кожата, толкова по-силен е кожният ефект.

Дълбочината на кожата зависи от няколко фактора, като:

• Честотата на алтернативния ток: По-висока честота означава по-бързи промени в магнитното поле и по-силни завихрени токове. Следователно, дълбочината на кожата намалява, когато честотата се увеличава.

• Проводимостта на проводника: По-висока проводимост означава по-ниска резистентност и по-лесен поток на завихрени токове. Следователно, дълбочината на кожата намалява, когато проводимостта се увеличава.

• Пермеабилитетът на проводника: По-висок пермеабилитет означава повече магнитни потокове връзки и по-силни завихрени токове. Следователно, дълбочината на кожата намалява, когато пермеабилитетът се увеличава.

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

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

където:

• δ е дълбочината на кожата (в метри)

• ω е ъгловата честота на алтернативния ток (в радиани в секунда)

• μ е пермеабилитетът на проводника (в хенри на метър)

• σ е проводимостта на проводника (в сиемен на метър)

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

Това означава, че само тънък слой от 0.066 мм близо до повърхността на проводника пренася основната част от тока при тази честота.

Как да намалим кожния ефект в преходните линии?

Кожният ефект може да причини няколко проблема в преходните линии, като:

• Увеличени загуби на енергия и нагряване на проводника, което намалява ефективността и надеждността на системата.

• Увеличена импеданса и падане на напрежението на преходната линия, което влияе на качеството на сигнала и доставянето на мощност.

• Увеличена електромагнитна интерференция и радиация от преходната линия, които могат да засегнат близките устройства и вериги.

Следователно, е желателно да се намали кожният ефект в преходните линии колкото е възможно. Някои от методите, които могат да се използват за намаляване на кожния ефект, са:

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

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

• Използване на стръни или оплетени проводници вместо твърди проводници, което увеличава ефективната повърхностна площ на проводника и намалява завихрените токове. Специален тип стрънен проводник, наречен litz wire, е проектиран да минимизира кожния ефект, като стръните се оплитат по начина, при който всеки стрън заема различни позиции в поперечното сечение по дължината му.

• Използване на празни или тръбести проводници вместо твърди проводници, което намалява теглото и цената на проводника без значително да влияе на неговата ефективност. Празната част на проводника не пренася много ток поради кожния ефект, така че тя може да бъде премахната без да влияе на потока на тока.

• Използване на няколко паралелни проводника вместо един проводник, което увеличава ефективното поперечно сечение на проводника и намалява неговата резистентност. Този метод се нарича също и обединяване или транспозиция.

• Намаляване на честотата на алтернативния ток увеличава дълбочината на кожата и намалява кожния ефект. Обачно, това може да не е възможно за някои приложения, които изискват високочестотни сигнали.

Заключение

Кожният ефект е феномен, който се явява в преходните линии, когато алтернативен ток протича през проводник. Той причинява неравномерно разпределение на тока в поперечното сечение на проводника, с повече ток, протичащ близо до повърхността, отколкото близо до ядрото. Това увеличава ефективната резистентност и импеданса на проводника и намалява неговата ефективност и производителност.

Кожният ефект зависи от няколко фактора, като честотата, проводимостта, пермеабилитета и формата на проводника. Той може да бъде квантифициран чрез използване на параметър, наречен дълбочина на кожата, който е дълбочината под повърхността, където плътността на тока намалява до 37% от стойността ѝ на повърхността.