Pochopení kůžového jevu v přenosových článcích

Přenosový článek je vodič, který přenáší elektrickou energii nebo signály z jednoho místa na druhé. Přenosové články mohou být vyrobeny z různých materiálů, tvarů a velikostí, v závislosti na aplikaci a vzdálenosti. Nicméně, když jsou přenosové články použity pro střídavý proud (AC) systémy, mohou projevit jev zvaný efekt kůže, který ovlivňuje jejich výkon a účinnost.

Co je efekt kůže v přenosových článcích?

Efekt kůže je definován jako tendence střídavého proudu k nerovnoměrnému rozdělení po průřezu vodiče, takže hustota proudu je nejvyšší u povrchu vodiče a exponenciálně klesá směrem k jeho jádru. To znamená, že vnitřní část vodiče nese méně proudu než vnější část, což vede k zvýšení efektivní odporu vodiče.

Efekt kůže snižuje efektivní průřez vodiče dostupný pro proud, což zvyšuje ztráty energie a ohřev vodiče. Efekt kůže také způsobuje změnu impedance přenosového článku, což ovlivňuje napětí a rozdělení proudu podél článku. Efekt kůže je výraznější při vyšších frekvencích, větších průměrech a nižších vodivostech vodičů.

Efekt kůže se nevyskytuje v stejnosměrném proudu (DC) systémech, protože proud teče rovnoměrně po celém průřezu vodiče. V AC systémech, zejména těch, které pracují s vysokými frekvencemi, jako jsou rádiové a mikrovlnné systémy, může efekt kůže mít významný dopad na návrh a analýzu přenosových článků a dalších komponent.

Co způsobuje efekt kůže v přenosových článcích?

Efekt kůže je způsoben interakcí magnetického pole generovaného střídavým proudem s vodičem samotným. Jak je znázorněno na obrázku níže, když střídavý proud protéká válcovým vodičem, vytváří magnetické pole okolo a uvnitř vodiče. Směr a velikost tohoto magnetického pole se mění podle frekvence a amplitudy střídavého proudu.

Podle Faradayho zákona elektromagnetické indukce se měnící magnetické pole indukuje elektrické pole v vodiči. Toto elektrické pole pak indukuje opačný proud v vodiči, nazývaný proud vířivý. Proudy vířivé obíhají uvnitř vodiče a brání původnímu střídavému proudu.

Proudy vířivé jsou silnější u jádra vodiče, kde mají více magnetické toky spojené s původním střídavým proudem. Proto vytvářejí vyšší opačné elektrické pole a snižují netto hustotu proudu u jádra. Naopak u povrchu vodiče, kde je méně magnetických toků spojených s původním střídavým proudem, jsou slabší proudy vířivé a nižší opačné elektrické pole. Proto je u povrchu vyšší netto hustota proudu.

Tento jev vede k nerovnoměrnému rozdělení proudu po průřezu vodiče, kdy více proudu protéká u povrchu než u jádra. Toto je známé jako efekt kůže v přenosových článcích.

Jak kvantifikovat efekt kůže v přenosových článcích?

Jedním ze způsobů, jak kvantifikovat efekt kůže v přenosových článcích, je použití parametru zvaného hloubka kůže nebo δ (delta). Hloubka kůže je definována jako hloubka pod povrchem vodiče, kde hustota proudu klesne na 1/e (asi 37%) své hodnoty u povrchu. Čím menší je hloubka kůže, tím je efekt kůže výraznější.

Hloubka kůže závisí na několika faktorech, jako jsou:

• Frekvence střídavého proudu: Vyšší frekvence znamená rychlejší změny magnetického pole a silnější proudy vířivé. Proto se hloubka kůže snižuje s rostoucí frekvencí.

• Vodivost vodiče: Vyšší vodivost znamená nižší odpor a snazší tok proudů vířivých. Proto se hloubka kůže snižuje s rostoucí vodivostí.

• Permeabilita vodiče: Vyšší permeabilita znamená více magnetických toků a silnější proudy vířivé. Proto se hloubka kůže snižuje s rostoucí permeabilitou.

• Tvar vodiče: Různé tvary mají různé geometrické faktory, které ovlivňují rozdělení magnetického pole a proudy vířivé. Proto se hloubka kůže liší pro různé tvary vodičů.

Formule pro výpočet hloubky kůže pro válcový vodič s kruhovým průřezem je:

kde:

• δ je hloubka kůže (v metrech)

• ω je úhlová frekvence střídavého proudu (v radiánech za sekundu)

• μ je permeabilita vodiče (v henrych za metr)

• σ je vodivost vodiče (v siemensích za metr)

Například, pro měděný vodič s kruhovým průřezem, pracující na 10 MHz, je hloubka kůže:

To znamená, že pouze tenká vrstva 0,066 mm u povrchu vodiče nese většinu proudu na této frekvenci.

Jak snížit efekty kůže v přenosových článcích?

Efekty kůže mohou způsobit několik problémů v přenosových článcích, jako jsou:

• Zvýšené ztráty energie a ohřev vodiče, což snižuje účinnost a spolehlivost systému.

• Zvýšená impedance a padnutí napětí přenosového článku, což ovlivňuje kvalitu signálu a dodávku energie.

• Zvýšené elektromagnetické rušení a záření z přenosového článku, což může ovlivnit blízké zařízení a obvody.

Proto je žádoucí snížit efekt kůže v přenosových článcích co nejvíce. Některé metody, které lze použít ke snížení efektů kůže, jsou:

• Použití vodičů s vyšší vodivostí a nižší permeabilitou, jako je měď nebo stříbro, namísto železa nebo oceli.

• Použití vodičů s menším průměrem nebo průřezem snižuje rozdíl mezi hustotou proudu u povrchu a u jádra.

• Použití složených nebo pleštených vodičů namísto tuhých vodičů zvyšuje efektivní povrchovou plochu vodiče a snižuje proudy vířivé. Speciální typ složeného vodiče, zvaný litzový drát, je navržen tak, aby minimalizoval efekt kůže tím, že dráty jsou stočeny tak, aby každý drát zabíral různé pozice v průřezu po délce vodiče.

• Použití dutých nebo trubkovitých vodičů namísto tuhých vodičů snižuje hmotnost a náklady vodiče bez významného ovlivnění jeho výkonu. Dutá část vodiče nemá v důsledku efektu kůže mnoho proudu, takže ji lze odstranit bez ovlivnění toku proudu.

• Použití více paralelních vodičů namísto jednoho vodiče zvyšuje efektivní průřez vodiče a snižuje jeho odpor. Tato metoda je také známá jako sbalení nebo transpozice.

• Snížení frekvence střídavého proudu zvyšuje hloubku kůže a snižuje efekt kůže. Nicméně, toto může ne