Izpratne par ādas efektu pārvades līnijās

Pārnesuma līnija ir vadišanas līdzeklis, kas nes elektrisko enerģiju vai signālus no viena punkta uz otru. Pārnesuma līnijas var būt izgatavotas no dažādiem materiāliem, formām un izmēriem, atkarībā no lietojuma un attāluma. Tomēr, ja pārnesuma līnijas tiek izmantotas maiņstrāvas sistēmām (AC), tās var parādīt fenomenu, ko sauc par ādas efektu, kas ietekmē to darbības un efektivitāti.

Kāds ir ādas efekts pārnesuma līnijās?

Ādas efekts definējas kā AC strāvas tendence nerīcīgi sadalīties pār vada šķautnes priekšmetu, tā, ka strāvas blīvums ir visaugstāks tuvu vada virsmai un eksponenciāli samazinās pretī vidum. Tas nozīmē, ka vada iekšdaļa nes mazāku strāvu nekā ārdaļa, rezultātā palielinoties vada efektīvajai pretestībai.

Ādas efekts samazina vada efektīvo šķautnes priekšmetu, kas pieejams strāvas plūsmai, kas palielina enerģijas zudumu un vada sildīšanos. Ādas efekts arī izraisa pārnesuma līnijas impedancijas maiņu, kas ietekmē sprieguma un strāvas sadalījumu pa līniju. Ādas efekts ir vairāk izteikts augstākos frekvencēs, lielākos diametros un zemākās vedamības vadā.

Ādas efekts nenotiek tiešā strāvas (DC) sistēmās, jo strāva plūst vienmērīgi caur vada šķautnes priekšmetu. Tomēr AC sistēmās, īpaši tās, kas darbojas augstās frekvences, piemēram, radio un mikroviļņu sistēmas, ādas efekts var būtiski ietekmēt pārnesuma līniju un citu komponentu dizainu un analīzi.

Kas izraisa ādas efektu pārnesuma līnijās?

Ādas efekts izriet no AC strāvas radītā magnētiskā lauka interakcijas ar vadam. Kā redzams zemāk esošajā diagrammā, kad AC strāva plūst caur cilindriska vada, tā veido magnētisko lauku ap un iekšpusē vada. Šī magnētiskā lauka virziena un lieluma maiņa notiek atkarībā no AC strāvas frekvences un amplitūdas.

Pēc Faradeja likuma elektromagnētiskajai indukcijai, mainīgs magnētiskais lauks inducē elektrisku lauku vadam. Šis elektriskais lauks savukārt inducē pretestīgo strāvu vadam, ko sauc par edī strāvu. Edī strāvas cirkulē vada iekšpusē un pretojas sākotnējai AC strāvai.

Edī strāvas ir stiprākas tuvu vada centrā, kur tām ir vairāk magnētiskā plūsmas savienojuma ar sākotnējo AC strāvu. Tādēļ tās radītās pretestīgo elektriskā lauka un samazinātā neto strāvas blīvuma centrā. Savukārt tuvu vada virsmai, kur ir mazāk magnētiskā plūsmas savienojuma ar sākotnējo AC strāvu, ir vājākas edī strāvas un zemākas pretestīgo elektriskā lauka. Tādēļ virsma ir augstāka neto strāvas blīvuma.

Šis fenomens rezultē nerīcīgu strāvas sadalījumu vada šķautnes priekšmetu, ar vairāk strāvas plūstošu tuvu virsmai nekā tuvu centrā. Tas pazīstams kā ādas efekts pārnesuma līnijās.

Kā kvantificēt ādas efektu pārnesuma līnijās?

Viens veids, kā kvantificēt ādas efektu pārnesuma līnijās, ir izmantot parametru, ko sauc par ādas dziļumu vai δ (delta). Ādas dziļums definēt kā dziļumu zem vada virsmas, kur strāvas blīvums samazinās līdz 1/e (aptuveni 37%) tā vērtībai virsma. Jo mazāks ir ādas dziļums, jo smagāks ir ādas efekts.

Ādas dziļums atkarīgs no vairākiem faktoriem, piemēram:

• AC strāvas frekvence: Augstāka frekvence nozīmē ātrākus magnētiskā lauka maiņas un stiprākas edī strāvas. Tādēļ, ādas dziļums samazinās, kā tikai frekvence palielinās.

• Vada vedamība: Augstāka vedamība nozīmē zemāku pretestību un vieglāku edī strāvas plūsmu. Tādēļ, ādas dziļums samazinās, kā tikai vedamība palielinās.

• Vada permeabilitāte: Augstāka permeabilitāte nozīmē vairāk magnētiskā plūsmas savienojumu un stiprākas edī strāvas. Tādēļ, ādas dziļums samazinās, kā tikai permeabilitāte palielinās.

• Vada forma: Dažādas formas ir dažādi ģeometriskie faktori, kas ietekmē magnētiskā lauka sadalījumu un edī strāvas. Tādēļ, ādas dziļums mainās ar dažādiem vada formām.

Formula, ar kuru aprēķina cilindriska vada ar apļa šķautnes priekšmetu ādas dziļumu, ir:

kur:

• δ ir ādas dziļums (metros)

• ω ir AC strāvas leņķiskā frekvence (radiānos sekundē)

• μ ir vada permeabilitāte (henrijos metrā)

• σ ir vada vedamība (siemens metrā)

Piemēram, dzelzs vada ar apļa šķautnes priekšmetu, darbojoties 10 MHz frekvencē, ādas dziļums ir:

Tas nozīmē, ka tikai 0,066 mm daba tuvu vada virsmai nosaista lielāko daļu strāvas šajā frekvencē.

Kā samazināt ādas efektus pārnesuma līnijās?

Ādas efekti var izraisīt vairākas problēmas pārnesuma līnijās, piemēram:

• Palielinās enerģijas zudumi un vada sildīšanās, kas samazina sistēmas efektivitāti un uzticamību.

• Palielinās impedancija un sprieguma kritums pārnesuma līnijā, kas ietekmē signāla kvalitāti un enerģijas piegādi.

• Palielinās elektromagnētiskā interferencija un radiācija no pārnesuma līnijas, kas var ietekmēt tuvākos ierīces un shēmas.

Tādēļ, ir vēlamāk samazināt ādas efektu pārnesuma līnijās tik daudz, cik iespējams. Daži no metodiem, ko var izmantot, lai samazinātu ādas efektus, ir:

• Izmantojot vados ar augstāku vedamību un zemāku permeabilitāti, piemēram, dzelzainu vai sidrabi, nevis dzelzu vai stāli.

• Izmantojot vados ar mazākiem diametriem vai šķautnes priekšmetu, kas samazina atšķirību starp virsmas un centrālo strāvas blīvumu.

• Izmantojot griezti vai plestu vados, nevis solidus vados, kas palielinās vada efektīvo virsmas šķautnes priekšmetu un samazina edī strāvas. Speciāls griezts vads, ko sauc par litz vads, ir dizainots, lai minimizētu ādas efektu, griežot grieztes tā, ka katra griezta ieņem dažādas pozīcijas šķautnes priekšmetā gar tā garumu.

• Izmantojot tukšus vai tubulārus vados, nevis solidus vados, kas samazina vada svaru un izmaksas bez nozīmīgas ietekmes uz tā darbību. Tukšais vada daļa nesa daudz strāvas dēļ ādas efekta, tāpēc to var noņemt, neietekmējot strāvas plūsmu.

• Izmantojot vairākus paralēlus vados, nevis vienu vada, kas palielinās vada efektīvo šķautnes priekšmetu un samazina tā pretestību. Šo metodi arī sauc par savienojumu vai transpozīciju.

• Samazinot AC strāvas frekvenci, kas palielinās ādas dziļumu un samazina ādas efektu. Tomēr, šis risinājums var nebūt iespējams dažām lietojumprogrammām, kas prasa augstfrekvences signālus.

Secinājums

Ādas efekts ir fenomens, kas notiek pārnesuma līnijās, kad AC strāva plūst caur vadam. Tas izraisa nerīcīgu strāvas sadalījumu vada šķautnes priekšmetu, ar vairāk strāvas plūstošu tuvu virsmai nekā tuvu centrā. Tas palielinās vada efektīvo pretestību un impedanciju, samazinot tā efektivitāti un darbību.

Ādas efekts atkarīgs no vairākiem faktoriem, piemēram, frekvence, vedamība, permeabilitāte un vada forma. To var kvantificēt, izmantojot parametru, ko sauc par ādas dziļumu, kas ir dziļums zem vada virsmas, kur strāvas blīvums samazinās līdz 37% tā vērtībai virsma.

Ādas efekts var tikt samazināts, izmantojot dažādus metodes, piemēram, izmantojot vados ar augstāku vedamību un zemāku permeabilitāti, mazāku diametru vai šķautnes priekšmetu, griezti vai plestu struktūru, tukšu vai tubulāru formu, vairākus paralēlos sakārtojumus, vai zemāku frekvenci.

Ādas efekts ir svarīgs jēdziens elektriskajā inženierzinā, kas ietekmē pārnesuma līniju un citu komponentu dizainu un analīzi, kas izmanto AC strāvas. To jāņem vērā, izvēloties atbilstošo vada tipu un izmēru dažādiem lietojumiem un frekvencēm.