A hőtartály effektus értelmezése áramvonalakban

Az átviteli vezeték egy vezető, amely elektromos energiát vagy jeleket szállít egy ponttól a másikig. Az átviteli vezetékek különböző anyagokból, alakzatokból és méretűek lehetnek, attól függően, hogy milyen alkalmazásban használjuk őket, és mekkora távolságon keresztül. Azonban, ha az átviteli vezetékeket váltó áram (VA) rendszerekben használják, akkor egy olyan jelenség, mint a bőrhatás is megfigyelhető, ami befolyásolja a teljesítményüket és hatékonyságukat.

Mi a bőrhatás az átviteli vezetékeknél?

A bőrhatás definíciója, hogy a VA áram egyenletesen nem oszlik el a vezető kerete között, így a áramszűrő sűrűség a legmagasabb a vezető bőrének felületén, és exponenciálisan csökken a belső rész felé. Ez azt jelenti, hogy a vezető belső része kevesebb áramot visz, mint a külső része, ami növeli a vezető ellenállását.

A bőrhatás csökkenti a vezető áramfolytatásra elérhető hatékony kerületét, ami növeli a teljesítményveszteségeket és a vezető hőt. A bőrhatás változtatja az ellenállást az átviteli vezetéken, ami befolyásolja a feszültséget és az áram eloszlását a vezetéken. A bőrhatás erősebb magasabb frekvencián, nagyobb átmérőn és alacsonyabb vezetőképességnél.

A bőrhatás nem fordul elő egyetlen irányú áram (DC) rendszerekben, mert az áram egyenletesen áramlik a vezető kerete között. Azonban a VA rendszerekben, különösen a magas frekvenciájú rádió és mikrohullám rendszerekben, a bőrhatás jelentős hatással lehet az átviteli vezetékek és más komponensek tervezésére és elemzésére.

Mi okozza a bőrhatást az átviteli vezetékeknél?

A bőrhatás az AC áram által generált mágneses mező interakciójának eredménye a vezetővel. Ahogy a következő ábrán látható, amikor VA áram áramlik egy hengeres vezetőn, a vezető körül és belül mágneses mező jön létre. A mágneses mező irányát és nagyságát a VA áram frekvenciája és amplitúdója határozza meg.

A Faraday törvénye szerint, a változó mágneses mező indukál egy elektromos mezőt a vezetőben. Ez az elektromos mező, természetesen, ellentétes irányú áramot indukál a vezetőben, amit eddy current-nek nevezünk. Az eddy current-ek cirkulálnak a vezetőben, és ellenzik az eredeti VA áramot.

Az eddy current-ek erősebbek a vezető közepén, ahol több mágneses folyam kapcsolódik az eredeti VA árhoz. Ezért erősebb ellenálló elektromos mezőt hoznak létre, és csökkentik a netto áramszűrő sűrűséget a közepén. Míg a vezető felülete közelében, ahol kevesebb mágneses folyam kapcsolódik az eredeti VA árhoz, gyengébbek az eddy current-ek, és alacsonyabb az ellenálló elektromos mező. Ezért magasabb a netto áramszűrő sűrűség a felületen.

Ez a jelenség eredményezi, hogy a vezető kerete között egyenletesen nem oszlik el az áram, és több áram folyik a felületen, mint a közepén. Ez a jelenség ismert, mint a bőrhatás az átviteli vezetékeknél.

Hogyan kvantitálható a bőrhatás az átviteli vezetékeknél?

Egy módja a bőrhatás kvantitálásának az átviteli vezetékeknél, hogy a bőrmélység vagy δ (delta) paramétert használjuk. A bőrmélység definíciója, hogy a vezető felület alatt a mélység, ahol az áramszűrő sűrűség 1/e (kb. 37%) értékére csökken a felületi értékhez képest. Minél kisebb a bőrmélység, annál súlyosabb a bőrhatás.

A bőrmélység függ több tényezőtől, mint:

• A VA áram frekvenciája: Magasabb frekvencia gyorsabb változást jelent a mágneses mezőben, és erősebb eddy current-eket. Ezért a bőrmélység csökken, ahogy a frekvencia növekszik.

• A vezető vezetőképessége: Magasabb vezetőképesség alacsonyabb ellenállást és könnyebb eddy current-folyást jelent. Ezért a bőrmélység csökken, ahogy a vezetőképesség növekszik.

• A vezető permeabilitása: Magasabb permeabilitás több mágneses folyam kapcsolódást és erősebb eddy current-eket jelent. Ezért a bőrmélység csökken, ahogy a permeabilitás növekszik.

• A vezető alakja: Különböző alakzatok különböző geometriai tényezőket tartalmaznak, amelyek befolyásolják a mágneses mező eloszlását és az eddy current-eket. Ezért a bőrmélység különböző vezető alakzatok esetén változik.

A bőrmélység kiszámításának képlete egy hengeres vezetőre, kör alakú kerettel:

ahol:

• δ a bőrmélység (méterben)

• ω a VA áram szögfrekvenciája (radián per másodperc)

• μ a vezető permeabilitása (henry per méter)

• σ a vezető vezetőképessége (siemens per méter)

Például, egy kör alakú kerettel rendelkező réz vezető esetén, 10 MHz-en, a bőrmélység:

Ez azt jelenti, hogy csak a vezető felületi 0.066 mm vastagságú rétege viszi a legtöbb áramot ezen a frekvencián.

Hogyan csökkenthető a bőrhatás az átviteli vezetékeknél?

A bőrhatás okozhat több problémát az átviteli vezetékeknél, mint például:

• Növekedő teljesítményveszteségek és a vezető hőt, ami csökkenti a rendszer hatékonyságát és megbízhatóságát.

• Növekedő ellenállás és feszültségcsökkenés az átviteli vezetéken, ami befolyásolja a jelek minőségét és a teljesítményt.

• Növekedő elektromágneses zavar és sugárzás az átviteli vezetékről, ami befolyásolhatja a közeli eszközöket és áramköröket.

Ezért kívánatos, hogy a bőrhatást az átviteli vezetékeknél minél többet csökkentsük. Néhány módszer, amivel a bőrhatást csökkenthetjük:

• Használjunk vezetőket magasabb vezetőképességgel és alacsonyabb permeabilitással, mint például réz vagy ezüst, helyett acél vagy vas.

• Használjunk kisebb átmérőjű vagy keretszűrűt vezetőket, hogy csökkentsük a felületi és középső áramszűrő sűrűség különbségét.

• Használjunk szálolt vagy szövetkezett vezetőket, helyett egyszerű vezetőket, hogy növeljük a vezető hatékony felületét, és csökkentsük az eddy current-eket. Egy speciális típusú szálolt vezető, a litz drótkészlet, kifejezetten a bőrhatás minimalizálására van kialakítva, úgy, hogy minden szál különböző pozíciókat foglalja el a keretben a hosszán keresztül.

• Használjunk üres vagy hengeres vezetőket, helyett egyszerű vezetőket, hogy csökkentsük a vezető súlyát és költségét, anélkül, hogy jelentősen befolyásolnánk a teljesítményét. A vezető üres része nem visz sok áramot a bőrhatás miatt, ezért eltávolítható, anélkül, hogy befolyásolná az áramfolyást.

• Használjunk több párhuzamos vezetőt, helyett egyetlen vezetőt, hogy növeljük a vezető hatékony keretszűrűt, és csökkentsük az ellenállását. Ez a módszer ismert, mint bundling vagy transpozíció.

• Csökkentsük a VA áram frekvenciáját, hogy növeljük a bőrmélységet, és csökkentsük a bőrhatást. Azonban ez nem mindig lehetséges olyan alkalmazásoknál, amelyek magas frekvenciájú jeleket igényelnek.

Összefoglalás

A bőrhatás egy jelenség, ami akkor fordul elő az átviteli vezetékeknél, amikor VA áram áramlik a vezetőn. Ez egyenletesen nem osztja el az áramot a vezető kerete között, és több áram folyik a felületen, mint a közepén. Ez növeli a vezető hatékony ellenállását és ellenállását, és csökkenti a hatékonyságát és teljesítményét.

A bőrhatás függ több tényezőtől, mint a frekvencia, a vezetőképesség, a permeabilitás és a vezető alakja. Kvantitálható a bőrmélység paraméterrel, ami a mélység, ahol az áramszűrő sűrűség 37%-ra csökken a felületi értékhez képest.

A bőrhatást különböző módszerekkel lehet csökkenteni, mint például a magasabb vezetőképességű és alacsonyabb permeabilitású vezetők, kisebb átmérőjű vagy keretszűrűt vezetők, szálolt vagy szövetkezett szerkezet, üres vagy hengeres alak, több párhuzamos elrendezés, vagy alacsonyabb frekvencia használata.

A bőrhatás egy fontos fogalom az elektrotechnikában, ami befolyásolja az átviteli vezetékek és más VA áramot használó komponensek tervezését és elemzését. Figyelembe kell venni, amikor a megfelelő típusú és méretű vezetőket választjuk különböző alkalmazásokhoz és frekv