Memahami Efek Kulit pada Garis Transmisi

Jalur transmisi adalah konduktor yang membawa daya listrik atau sinyal dari satu titik ke titik lain. Jalur transmisi dapat dibuat dari berbagai bahan, bentuk, dan ukuran, tergantung pada aplikasi dan jarak yang terlibat. Namun, ketika jalur transmisi digunakan untuk sistem arus bolak-balik (AC), mereka mungkin menunjukkan fenomena yang disebut efek kulit, yang mempengaruhi kinerja dan efisiensinya.

Apa Itu Efek Kulit pada Jalur Transmisi?

Efek kulit didefinisikan sebagai kecenderungan arus AC untuk mendistribusikan diri secara tidak merata di sepanjang penampang konduktor, sehingga kerapatan arus tertinggi dekat permukaan kulit konduktor dan menurun secara eksponensial menuju inti. Ini berarti bahwa bagian dalam konduktor mengalirkan arus lebih sedikit daripada bagian luar, yang mengakibatkan peningkatan resistansi efektif konduktor.

Efek kulit mengurangi area penampang efektif konduktor yang tersedia untuk aliran arus, yang meningkatkan kerugian daya dan pemanasan konduktor. Efek kulit juga menyebabkan perubahan dalam impedansi jalur transmisi, yang mempengaruhi tegangan dan distribusi arus sepanjang jalur. Efek kulit lebih terasa pada frekuensi yang lebih tinggi, diameter yang lebih besar, dan konduktivitas konduktor yang lebih rendah.

Efek kulit tidak terjadi pada sistem arus searah (DC), karena arus mengalir secara merata di seluruh penampang konduktor. Namun, pada sistem AC, terutama yang beroperasi pada frekuensi tinggi seperti sistem radio dan mikro gelombang, efek kulit dapat memiliki dampak signifikan pada desain dan analisis jalur transmisi dan komponen lainnya.

Apa yang Menyebabkan Efek Kulit pada Jalur Transmisi?

Efek kulit disebabkan oleh interaksi medan magnet yang dihasilkan oleh arus AC dengan konduktor itu sendiri. Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, ketika arus AC mengalir melalui konduktor silinder, ia menciptakan medan magnet di sekitar dan di dalam konduktor. Arah dan magnitudo medan magnet ini berubah sesuai dengan frekuensi dan amplitudo arus AC.

Menurut Hukum Faraday induksi elektromagnetik, medan magnet yang berubah menginduksi medan listrik dalam konduktor. Medan listrik ini, pada gilirannya, menginduksi arus lawan dalam konduktor, yang disebut arus eddy. Arus eddy beredar dalam konduktor dan menentang arus AC asli.

Arus eddy lebih kuat dekat inti konduktor, di mana mereka memiliki tautan fluks magnet yang lebih banyak dengan arus AC asli. Oleh karena itu, mereka menciptakan medan listrik lawan yang lebih tinggi dan mengurangi densitas arus bersih di inti. Di sisi lain, dekat permukaan konduktor, di mana ada tautan fluks magnet yang lebih sedikit dengan arus AC asli, ada arus eddy yang lebih lemah dan medan listrik lawan yang lebih rendah. Oleh karena itu, ada densitas arus bersih yang lebih tinggi di permukaan.

Fenomena ini menghasilkan distribusi arus yang tidak merata di sepanjang penampang konduktor, dengan lebih banyak arus mengalir dekat permukaan daripada dekat inti. Ini dikenal sebagai efek kulit pada jalur transmisi.

Bagaimana Mengukur Efek Kulit pada Jalur Transmisi?

Salah satu cara untuk mengukur efek kulit pada jalur transmisi adalah dengan menggunakan parameter yang disebut kedalaman kulit atau δ (delta). Kedalaman kulit didefinisikan sebagai kedalaman di bawah permukaan konduktor di mana densitas arus turun menjadi 1/e (sekitar 37%) dari nilai di permukaan. Semakin kecil kedalaman kulit, semakin parah efek kulit.

Kedalaman kulit tergantung pada beberapa faktor, seperti:

• Frekuensi arus AC: Frekuensi yang lebih tinggi berarti perubahan yang lebih cepat dalam medan magnet dan arus eddy yang lebih kuat. Oleh karena itu, kedalaman kulit berkurang seiring bertambahnya frekuensi.

• Konduktivitas konduktor: Konduktivitas yang lebih tinggi berarti resistansi yang lebih rendah dan aliran arus eddy yang lebih mudah. Oleh karena itu, kedalaman kulit berkurang seiring bertambahnya konduktivitas.

• Permeabilitas konduktor: Permeabilitas yang lebih tinggi berarti tautan fluks magnet yang lebih banyak dan arus eddy yang lebih kuat. Oleh karena itu, kedalaman kulit berkurang seiring bertambahnya permeabilitas.

• Bentuk konduktor: Bentuk yang berbeda memiliki faktor geometris yang berbeda yang mempengaruhi distribusi medan magnet dan arus eddy. Oleh karena itu, kedalaman kulit bervariasi dengan bentuk konduktor yang berbeda.

Rumus untuk menghitung kedalaman kulit untuk konduktor silinder dengan penampang lingkaran adalah:

di mana:

• δ adalah kedalaman kulit (dalam meter)

• ω adalah frekuensi sudut arus AC (dalam radian per detik)

• μ adalah permeabilitas konduktor (dalam henry per meter)

• σ adalah konduktivitas konduktor (dalam siemens per meter)

Sebagai contoh, untuk konduktor tembaga dengan penampang lingkaran, beroperasi pada 10 MHz, kedalaman kulit adalah:

Ini berarti bahwa hanya lapisan tipis 0,066 mm dekat permukaan konduktor yang mengalirkan sebagian besar arus pada frekuensi ini.

Bagaimana Mengurangi Efek Kulit pada Jalur Transmisi?

Efek kulit dapat menyebabkan beberapa masalah pada jalur transmisi, seperti:

• Peningkatan kerugian daya dan pemanasan konduktor, yang mengurangi efisiensi dan keandalan sistem.

• Peningkatan impedansi dan penurunan tegangan jalur transmisi, yang mempengaruhi kualitas sinyal dan pengiriman daya.

• Peningkatan gangguan elektromagnetik dan radiasi dari jalur transmisi, yang dapat mempengaruhi perangkat dan sirkuit di sekitarnya.

Oleh karena itu, sangat diinginkan untuk mengurangi efek kulit pada jalur transmisi sebanyak mungkin. Beberapa metode yang dapat digunakan untuk mengurangi efek kulit adalah:

• Menggunakan konduktor dengan konduktivitas yang lebih tinggi dan permeabilitas yang lebih rendah, seperti tembaga atau perak, daripada besi atau baja.

• Menggunakan konduktor dengan diameter atau area penampang yang lebih kecil mengurangi perbedaan antara densitas arus permukaan dan inti.

• Menggunakan konduktor berstruktur stranded atau braided daripada konduktor padat meningkatkan area permukaan efektif konduktor dan mengurangi arus eddy. Jenis khusus konduktor stranded yang disebut kawat litz dirancang untuk meminimalkan efek kulit dengan cara memutar stranding sehingga setiap stranding menduduki posisi yang berbeda di penampang sepanjang panjangnya.

• Menggunakan konduktor berongga atau tabung daripada konduktor padat mengurangi berat dan biaya konduktor tanpa mempengaruhi kinerjanya secara signifikan. Bagian berongga konduktor tidak mengalirkan banyak arus karena efek kulit, sehingga dapat dihilangkan tanpa mempengaruhi aliran arus.

• Menggunakan beberapa konduktor paralel daripada satu konduktor meningkatkan area penampang efektif konduktor dan mengurangi resistansinya. Metode ini juga dikenal sebagai bundling atau transposisi.

• Mengurangi frekuensi arus AC meningkatkan kedalaman kulit dan mengurangi efek kulit. Namun, ini mungkin tidak dapat dilakukan untuk beberapa aplikasi yang membutuhkan sinyal frekuensi tinggi.

Kesimpulan

Efek kulit adalah fenomena yang terjadi pada jalur transmisi ketika arus AC mengalir melalui konduktor. Ini menyebabkan distribusi arus yang tidak merata di sepanjang penampang konduktor, dengan lebih banyak arus mengalir dekat permukaan daripada dekat inti. Hal ini meningkatkan resistansi dan impedansi efektif konduktor dan mengurangi efisiensi dan kinerjanya.

Efek kulit tergantung pada beberapa faktor, seperti frekuensi, konduktivitas, permeabilitas, dan bentuk konduktor. Dapat diukur dengan menggunakan parameter yang disebut kedalaman kulit, yaitu kedalaman di bawah permukaan di mana densitas arus turun menjadi 37% dari nilai di permukaan.

Efek kulit dapat dikurangi dengan menggunakan berbagai metode, seperti menggunakan konduktor dengan konduktivitas yang lebih tinggi dan permeabilitas yang lebih rendah, diameter atau area penampang yang lebih kecil, struktur stranded atau braided, bentuk berongga atau tabung, susunan paralel yang berkelompok, atau frekuensi yang lebih rendah.

Efek kulit adalah konsep penting dalam teknik elektro yang mempengaruhi desain dan analisis jalur transmisi dan komponen lainnya yang menggunakan arus AC. Harus diperhitungkan saat memilih jenis dan ukuran konduktor yang tepat untuk berbagai aplikasi dan frekuensi.

Pernyataan: Hormati aslinya, artikel yang baik layak dibagikan, jika ada pelanggaran hak cipta, harap hubungi untuk menghapus.