Ymmärtää ihotehosto siirtolinjoissa

Siirtovirtajana kutsutaan johtinta, joka kuljettaa sähköenergian tai signaalit yhdestä pisteestä toiseen. Siirtovirtajat voivat olla valmistettuja eri materiaaleista, muodoista ja kokojen mukaan riippuen sovelluksesta ja etäisyydestä. Kuitenkin vaihtelevirran (AC) järjestelmissä siirtovirtajat saattavat näyttää ilmiötä, jota kutsutaan ihotehoksi, mikä vaikuttaa niiden suorituskykyyn ja tehokkuuteen.

Mikä on ihoteho siirtovirtajoissa?

Ihoteho määritellään vaihtelevan virran taipumukseksi jakautua epätasaisesti johtimen poikkileikkauksessa siten, että virtatiheys on korkein lähellä johtimen pintaa ja vähenee eksponentiaalisesti kohti keskustaa. Tämä tarkoittaa, että johtimen sisempi osa kuljettaa vähemmän virtaa kuin ulompi osa, mikä johtaa johtimen tehokkaaseen vastusta kasvamaan.

Ihoteho vähentää johtimen virtaamiseen käytettävissä olevaa tehokasta poikkileikkausala, mikä lisää tehojen häviöitä ja johtimen lämpenemistä. Ihoteho aiheuttaa myös muutoksen siirtovirtajan impedanssissa, mikä vaikuttaa jännitteeseen ja virtaan siirtovirtajalla. Ihoteho on havaittavampi korkeammilla taajuuksilla, suuremmilla halkaisijoilla ja alhaisemman johtavuuden johtimissa.

Ihotehoa ei esiinny suoravirtajärjestelmissä (DC), koska virta kulkee tasaisesti koko johtimen poikkileikkauksen yli. Kuitenkin vaihtelevavirtajärjestelmissä, erityisesti korkeiden taajuuksien, kuten radiosta ja mikroaalloissa, ihoteho voi vaikuttaa merkittävästi siirtovirtajoiden ja muiden komponenttien suunnitteluun ja analyysiin.

Mikä aiheuttaa ihotehon siirtovirtajoissa?

Ihoteho aiheutuu vaihtelevan virran luomien magneettikenttien vuorovaikutuksesta johtimen kanssa. Alla olevan kuvan mukaan, kun vaihteleva virta kulkee sylinterimäisessä johtimessa, se luo magneettikentän johtimen ympärille ja sisälle. Magneettikentän suunta ja voimakkuus muuttuvat vaihtelevan virran taajuuden ja amplitudin mukaan.

Faradayn sähkömagneettisen induktion laissa mukaan muuttuva magneettikenttä indusoiva sähkökenttä johtimeen. Tämä sähkökenttä puolestaan indusoiva vastavirta johtimeen, jota kutsutaan pyörteeksi. Pyörtävirta kiertää johtimen sisällä ja vastustaa alkuperäistä vaihtelevaa virtaa.

Pyörtävirrat ovat vahvempia johtimen ytimen lähellä, missä ne ovat enemmän magnetiisen fluxin sidoksissa alkuperäiseen vaihtelevaan virtaan. Siksi ne luovat korkeamman vastavirta-sähkökentän ja vähentävät netto-virtatiheyttä ytimessä. Toisaalta, johtimen pinnan lähellä, missä on vähemmän magnetiisen fluxin sidoksissa alkuperäiseen vaihtelevaan virtaan, on heikompia pyörtävirtoja ja alhaisempi vastavirta-sähkökenttä. Siksi on korkeampi netto-virtatiheys pinnalla.

Tämä ilmiö johtaa epätasaiseen virtajakaumaan johtimen poikkileikkauksessa, jossa enemmän virtaa kulkee lähellä pintaa kuin lähellä ydintä. Tätä kutsutaan ihotehoksi siirtovirtajoissa.

Miten ihotehoa voidaan kvantifioida siirtovirtajoissa?

Yksi tapa kvantifioida ihoteho siirtovirtajoissa on käyttää parametria, jota kutsutaan ihosyvyydeksi tai δ (delta). Ihosyvyys määritellään syvyydeksi johtimen pinnan alta, jossa virtatiheys laskee 1/e (noin 37%) arvoonsa pinnalla. Sitä pienempi ihosyvyys, sitä vakavampi ihoteho.

Ihosyvyys riippuu useista tekijöistä, kuten:

• Vaihtelevan virran taajuus: Korkeampi taajuus tarkoittaa nopeampia muutoksia magneettikentässä ja vahvempia pyörtävirtoja. Siksi ihosyvyys pienenee, kun taajuus kasvaa.

• Johtimen johtavuus: Korkeampi johtavuus tarkoittaa alhaisempaa vastusta ja helpompaa pyörtävirtojen kulkea. Siksi ihosyvyys pienenee, kun johtavuus kasvaa.

• Johtimen permeabiliteetti: Korkeampi permeabiliteetti tarkoittaa enemmän magnetiisen fluxin sidoksissa ja vahvempia pyörtävirtoja. Siksi ihosyvyys pienenee, kun permeabiliteetti kasvaa.

• Johtimen muoto: Eri muodot vaikuttavat eri tavoin magneettikentän jakaumaan ja pyörtävirtoihin. Siksi ihosyvyys vaihtelee eri muotoisten johtimien välillä.

Kaava ympyräpohjaiselle johtimelle ihosyvyyden laskemiseksi on:

missä:

• δ on ihosyvyys (metreissä)

• ω on vaihtelevan virran kulmafrekvenssi (radiaaneissa sekunnissa)

• μ on johtimen permeabiliteetti (henryssä metriä kohden)

• σ on johtimen johtavuus (siemensissä metriä kohden)

Esimerkiksi kuparin johtimen, jolla on ympyräpohjainen poikkileikkaus, ihosyvyys 10 MHz:ssa on:

Tämä tarkoittaa, että vain 0.066 mm paksuinen kerros johtimen pinnan lähellä kuljettaa suurimman osan virtasta tässä taajuudessa.

Miten ihotehoa voidaan vähentää siirtovirtajoissa?

Ihoteho voi aiheuttaa useita ongelmia siirtovirtajoissa, kuten:

• Lisääntyvät tehojen häviöt ja johtimen lämpeneminen, mikä vähentää järjestelmän tehokkuutta ja luotettavuutta.

• Lisääntyvä impedanssi ja jännitteen pudotus siirtovirtajalla, mikä vaikuttaa signaalin laatuun ja tehojen toimitukseen.

• Lisääntyvä elektromagneettinen häiriö ja säteily siirtovirtajalta, mikä voi vaikuttaa lähellä oleviin laitteisiin ja piireihin.

Siksi on toivottavaa vähentää mahdollisimman paljon ihotehoa siirtovirtajoissa. Joitakin menetelmiä, joita voidaan käyttää ihotehon vähentämiseen, ovat:

• Käyttää johtimia, joilla on korkeampi johtavuus ja alhaisempi permeabiliteetti, kuten kupari tai hopea, sen sijaan, että käyttäisi rautaa tai terästä.

• Käyttää johtimia, joilla on pienempi halkaisija tai poikkileikkausala, mikä vähentää eroa pinnan ja ytimen virtatiheyksien välillä.

• Käyttää kitkalehtisiä tai kiellettyjä johtimia kiinteiden johtimien sijaan, mikä lisää johtimen tehokasta pinta-alaa ja vähentää pyörtävirtoja. Erityislaatuinen kitkalehtinen johtin, jota kutsutaan litz-kielemäksi, on suunniteltu minimoiden ihotehoa kiertymällä kitkat siten, että jokainen kiitti sijaitsee eri paikoissa poikkileikkausalueella pituuden mukaan.

• Käyttää tyhjiä tai putkipohjaisia johtimia kiinteiden johtimien sijaan, mikä vähentää johtimen painoa ja hintaa ilman, että se vaikuttaa huomattavasti suorituskykyyn. Tyhjä osa johtimesta ei kuljettanut paljon virtaa ihotehon vuoksi, joten se voidaan poistaa ilman, että se vaikuttaa virtaamiseen.

• Käyttää useita yhdensuuntaisia johtimia yhden johtimen sijaan, mikä lisää johtimen tehokasta poikkileikkausala ja vähentää sen vastusta. Tätä menetelmää kutsutaan myös ryöstelyksi tai transpositioiksi.

• Vähentää vaihtelevan virran taajuutta, mikä lisää ihosyvyyttä ja vähentää ihotehoa. Kuitenkin tämä ei ole aina mahdollista sovelluksille, jotka edellyttävät korkeataajuisten signaalien käyttöä.

Yhteenveto

Ihoteho on ilmiö, joka esiintyy siirtovirtajoissa, kun vaihteleva virta kulkee johtimen kautta. Se aiheuttaa epätasaisen virtajakauman johtimen poikkileikkauksessa, jossa enemmän virtaa kulkee lähellä pintaa kuin lähellä ydintä. Tämä lisää johtimen tehokasta vastusta ja impedanssia, mikä vähentää sen tehokkuutta ja suorituskykyä.

Ihoteho riippuu useista tekijöistä, kuten taajuudesta, johtavuudesta, permeabiliteetista ja johtimen muodosta. Siihen voidaan kvantifioida käyttämällä parametria, jota kutsutaan ihosyvyydeksi, joka on syvyyttä johtimen pinnan alta, jossa virtatiheys laskee 37%:iin arvoonsa pinnalla.

Ihotehoa voidaan vähentää käyttämällä erilaisia menetelmiä, kuten johtimia, joilla on korkeampi johtavuus ja alhaisempi permeabiliteetti, pienempi halkaisija tai poikkileikkausala, kitkalehtinen tai kielletty rakenne, tyhjä tai putkipohjainen muoto, useita yhdensuuntaisia asetteluja tai alhaisempi taajuus.

Ihoteho on tärkeä käsite sähkötekniikassa, joka vaikuttaa siirtovirtajoissa ja muissa komponenteissa, jotka käyttävät vaihtelevaa virtaa. Siihen tulisi ottaa huomioon, kun valitaan sopiva johtimen tyyppi ja koko eri sovelluksille ja taajuudelle.

Lausunto: Kunnioita alkuperäistä, hyviä artikkeleita on jaettava, jos loukataan tekijänoikeuksia, yhteydessä poisto.