Begrip van de huidwerking in voedingsleidingen

Een transmissielijn is een geleider die elektrische energie of signalen van één punt naar een ander vervoert. Transmissielijnen kunnen gemaakt zijn van verschillende materialen, vormen en maten, afhankelijk van de toepassing en de afstand. Wanneer transmissielijnen echter worden gebruikt voor wisselstroom (AC) systemen, kunnen ze een verschijnsel vertonen dat bekend staat als het huid-effect, wat hun prestaties en efficiëntie beïnvloedt.

Wat is huid-effect in transmissielijnen?

Huid-effect wordt gedefinieerd als de neiging van een AC-stroom om ongelijkmatig verdeeld te zijn over de doorsnede van een geleider, zodanig dat de stroomdichtheid het hoogst is nabij de oppervlakte van de geleider en exponentieel afneemt richting het centrum. Dit betekent dat het binnenste deel van de geleider minder stroom draagt dan het buitenste deel, wat resulteert in een verhoogde effectieve weerstand van de geleider.

Huid-effect vermindert de effectieve doorsnede van de geleider die beschikbaar is voor stroomvoering, wat leidt tot hogere vermogensverliezen en opwarming van de geleider. Huid-effect veroorzaakt ook een verandering in de impedantie van de transmissielijn, wat de spanning en stroomverdeling langs de lijn beïnvloedt. Huid-effect is meer uitgesproken bij hogere frequenties, grotere diameters en lagere geleidbaarheid van de geleiders.

Huid-effect komt niet voor in gelijkstroom (DC) systemen, omdat de stroom gelijkmatig door de gehele doorsnede van de geleider stroomt. Echter, in AC-systemen, vooral die op hoge frequenties zoals radiostations en magnetronsystemen, kan huid-effect aanzienlijke invloed hebben op het ontwerp en de analyse van transmissielijnen en andere componenten.

Wat veroorzaakt huid-effect in transmissielijnen?

Huid-effect wordt veroorzaakt door de interactie van het magnetisch veld dat wordt gegenereerd door de AC-stroom met de geleider zelf. Zoals getoond in de figuur hieronder, wanneer een AC-stroom door een cilindrische geleider stroomt, creëert deze een magnetisch veld rondom en binnen de geleider. De richting en magnitude van dit magnetisch veld veranderen volgens de frequentie en amplitude van de AC-stroom.

Volgens de wet van Faraday van elektromagnetische inductie, induceert een veranderend magnetisch veld een elektrisch veld in een geleider. Dit elektrisch veld, op zijn beurt, induceert een tegengestelde stroom in de geleider, genaamd een eddy-stroom. De eddy-stromen circuleren binnen de geleider en staan tegenover de oorspronkelijke AC-stroom.

De eddy-stromen zijn sterker in de buurt van het centrum van de geleider, waar ze meer magnetische vlokschakeling hebben met de oorspronkelijke AC-stroom. Daarom creëren ze een hoger tegengesteld elektrisch veld en verlagen ze de netto stroomdichtheid in het centrum. Aan de oppervlakte van de geleider, waar er minder magnetische vlokschakeling is met de oorspronkelijke AC-stroom, zijn de eddy-stromen zwakker en is het tegengestelde elektrisch veld lager. Daarom is de netto stroomdichtheid aan de oppervlakte hoger.

Dit fenomeen resulteert in een ongelijkmatige verdeling van de stroom over de doorsnede van de geleider, met meer stroom die dicht bij de oppervlakte stroomt dan dicht bij het centrum. Dit wordt bekend als het huid-effect in transmissielijnen.

Hoe kun je huid-effect in transmissielijnen kwantificeren?

Een manier om huid-effect in transmissielijnen te kwantificeren, is door gebruik te maken van een parameter genaamd huiddiepte of δ (delta). Huiddiepte wordt gedefinieerd als de diepte onder de oppervlakte van de geleider waar de stroomdichtheid tot 1/e (ongeveer 37%) van haar waarde aan de oppervlakte daalt. Hoe kleiner de huiddiepte, hoe ernstiger het huid-effect.

De huiddiepte hangt af van verschillende factoren, zoals:

• De frequentie van de AC-stroom: Hogere frequentie betekent snellere veranderingen in het magnetisch veld en sterkere eddy-stromen. Daarom neemt de huiddiepte af naarmate de frequentie toeneemt.

• De geleidbaarheid van de geleider: Hogere geleidbaarheid betekent lagere weerstand en gemakkelijker stroom van eddy-stromen. Daarom neemt de huiddiepte af naarmate de geleidbaarheid toeneemt.

• De permeabiliteit van de geleider: Hogere permeabiliteit betekent meer magnetische vlokschakeling en sterkere eddy-stromen. Daarom neemt de huiddiepte af naarmate de permeabiliteit toeneemt.

• De vorm van de geleider: Verschillende vormen hebben verschillende geometrische factoren die de verdeling van het magnetisch veld en de eddy-stromen beïnvloeden. Daarom varieert de huiddiepte met verschillende vormen van geleiders.

De formule voor het berekenen van de huiddiepte voor een cilindrische geleider met een cirkelvormige doorsnede is:

waarbij:

• δ is de huiddiepte (in meters)

• ω is de hoekfrequentie van de AC-stroom (in radialen per seconde)

• μ is de permeabiliteit van de geleider (in henries per meter)

• σ is de geleidbaarheid van de geleider (in siemens per meter)

Bijvoorbeeld, voor een koperen geleider met een cirkelvormige doorsnede, werkend op 10 MHz, is de huiddiepte:

Dit betekent dat slechts een dun laagje van 0,066 mm dicht bij de oppervlakte van de geleider de meeste stroom draagt op deze frequentie.

Hoe kun je huid-effect in transmissielijnen verminderen?

Huid-effecten kunnen verschillende problemen veroorzaken in transmissielijnen, zoals:

• Toegenomen vermogensverliezen en opwarming van de geleider, wat de efficiëntie en betrouwbaarheid van het systeem vermindert.

• Toegenomen impedantie en spanningsval van de transmissielijn, wat de signalkwaliteit en stroomlevering beïnvloedt.

• Toegenomen elektromagnetische storing en straling van de transmissielijn, wat nabijgelegen apparaten en circuits kan beïnvloeden.

Daarom is het wenselijk om het huid-effect in transmissielijnen zoveel mogelijk te verminderen. Enkele methoden die gebruikt kunnen worden om huid-effecten te verminderen zijn:

• Het gebruik van geleiders met hogere geleidbaarheid en lagere permeabiliteit, zoals koper of zilver, in plaats van ijzer of staal.

• Het gebruik van geleiders met kleinere diameter of doorsnede, waardoor het verschil tussen de stroomdichtheden aan de oppervlakte en in het centrum wordt verminderd.

• Het gebruik van gestrande of gevlochten geleiders in plaats van massieve geleiders, waardoor de effectieve oppervlakte van de geleider toeneemt en de eddy-stromen worden verminderd. Een speciaal type gestrande geleider, genaamd litzdraad, is ontworpen om het huid-effect te minimaliseren door de draden zo te torsen dat elke draad verschillende posities inneemt in de doorsnede over de lengte.

• Het gebruik van holle of buisvormige geleiders in plaats van massieve geleiders, waardoor het gewicht en de kosten van de geleider worden verlaagd zonder de prestaties aanzienlijk te beïnvloeden. Het holle deel van de geleider draagt weinig stroom door het huid-effect, dus dit kan worden verwijderd zonder de stroomvoering te beïnvloeden.

• Het gebruik van meerdere parallelle geleiders in plaats van één geleider, waardoor de effectieve doorsnede van de geleider toeneemt en de weerstand afneemt. Deze methode staat ook bekend als bundelen of transpositie.

• Het verminderen van de frequentie van de AC-stroom, waardoor de huiddiepte toeneemt en het huid-effect afneemt. Echter, dit kan voor sommige toepassingen die hoge-frequentie signalen vereisen, niet haalbaar zijn.

Conclusie

Huid-effect is een fenomeen dat optreedt in transmissielijnen wanneer een AC-stroom door een geleider stroomt. Het veroorzaakt een ongelijkmatige verdeling van de stroom over de doorsnede van de geleider, met meer stroom die dicht bij de oppervlakte stroomt dan dicht bij het centrum. Dit verhoogt de effectieve weerstand en impedantie van de geleider en vermindert de efficiëntie en prestaties.

Huid-effect hangt af van verschillende factoren, zoals de frequentie, geleidbaarheid, permeabiliteit en vorm van de geleider. Het kan worden gekwantificeerd door gebruik te maken van een parameter genaamd huiddiepte, die de diepte onder de oppervlakte aangeeft waar de stroomdichtheid tot 37% van haar waarde aan de oppervlakte daalt.

Huid-effect kan worden verminderd door verschillende methoden, zoals het gebruik van geleiders met hogere geleidbaarheid en lagere permeabiliteit, kleinere diameter of doorsnede, gestrande of gevlochten structuur, holle of buisvormige vorm, meerdere parallelle arrangementen, of lagere frequentie.

Huid-effect is een belangrijk concept in de elektrotechniek dat het ontwerp en de analyse van transmissielijnen en andere componenten die AC-stroom gebruiken, beïnvloedt. Het moet worden meegewogen bij het kiezen van de juiste soort en grootte van geleiders voor verschillende toepassingen en frequenties.

Verklaring: Respecteer het oorspronkelijke, goede artikelen zijn de moede gedeeld, indien er een schending is contacteer dan voor verwijdering.