Понимание эффекта кожи в линиях передачи

Линия передачи — это проводник, который передает электрическую энергию или сигналы от одной точки к другой. Линии передачи могут быть изготовлены из различных материалов, иметь разные формы и размеры, в зависимости от применения и расстояния. Однако, когда линии передачи используются для систем с переменным током (AC), они могут проявлять явление, называемое эффектом кожного слоя, которое влияет на их производительность и эффективность.

Что такое эффект кожного слоя в линиях передачи?

Эффект кожного слоя определяется как тенденция переменного тока неравномерно распределяться по поперечному сечению проводника, так что плотность тока максимальна ближе к поверхности проводника и экспоненциально уменьшается к центру. Это означает, что внутренняя часть проводника несет меньше тока, чем внешняя, что приводит к увеличению эффективного сопротивления проводника.

Эффект кожного слоя уменьшает эффективное поперечное сечение проводника, доступное для потока тока, что увеличивает потери мощности и нагрев проводника. Эффект кожного слоя также вызывает изменение импеданса линии передачи, что влияет на распределение напряжения и тока вдоль линии. Эффект кожного слоя более выражен при высоких частотах, больших диаметрах и низкой проводимости проводников.

Эффект кожного слоя не возникает в системах с постоянным током (DC), так как ток равномерно распределяется по поперечному сечению проводника. Однако, в системах с переменным током, особенно работающих на высоких частотах, таких как радио и микроволновые системы, эффект кожного слоя может оказывать значительное влияние на проектирование и анализ линий передачи и других компонентов.

Что вызывает эффект кожного слоя в линиях передачи?

Эффект кожного слоя вызывается взаимодействием магнитного поля, создаваемого переменным током, с самим проводником. Как показано на рисунке ниже, когда переменный ток протекает через цилиндрический проводник, он создает магнитное поле вокруг и внутри проводника. Направление и величина этого магнитного поля изменяются в зависимости от частоты и амплитуды переменного тока.

Согласно закону Фарадея электромагнитной индукции, изменяющееся магнитное поле индуцирует электрическое поле в проводнике. Это электрическое поле, в свою очередь, индуцирует противоположный ток в проводнике, называемый вихревым током. Вихревые токи циркулируют внутри проводника и противодействуют исходному переменному току.

Вихревые токи сильнее ближе к центру проводника, где они имеют больше магнитного потока, связанных с исходным переменным током. Поэтому они создают более высокое противоположное электрическое поле и уменьшают плотность тока в центре. С другой стороны, ближе к поверхности проводника, где меньше магнитного потока, связанных с исходным переменным током, вихревые токи слабее, и противоположное электрическое поле ниже. Поэтому плотность тока на поверхности выше.

Это явление приводит к неравномерному распределению тока по поперечному сечению проводника, с большим током, протекающим ближе к поверхности, чем к центру. Это известно как эффект кожного слоя в линиях передачи.

Как количественно оценить эффект кожного слоя в линиях передачи?

Один из способов количественной оценки эффекта кожного слоя в линиях передачи — использование параметра, называемого глубиной кожного слоя или δ (дельта). Глубина кожного слоя определяется как глубина под поверхностью проводника, на которой плотность тока снижается до 1/e (около 37%) от ее значения на поверхности. Чем меньше глубина кожного слоя, тем сильнее эффект кожного слоя.

Глубина кожного слоя зависит от нескольких факторов, таких как:

• Частота переменного тока: более высокая частота означает более быстрые изменения магнитного поля и более сильные вихревые токи. Поэтому глубина кожного слоя уменьшается с увеличением частоты.

• Проводимость проводника: более высокая проводимость означает меньшее сопротивление и более легкий поток вихревых токов. Поэтому глубина кожного слоя уменьшается с увеличением проводимости.

• Магнитная проницаемость проводника: более высокая проницаемость означает больше магнитного потока и более сильные вихревые токи. Поэтому глубина кожного слоя уменьшается с увеличением проницаемости.

• Форма проводника: различные формы имеют различные геометрические факторы, которые влияют на распределение магнитного поля и вихревые токи. Поэтому глубина кожного слоя варьируется для различных форм проводников.

Формула для расчета глубины кожного слоя для цилиндрического проводника с круглым поперечным сечением следующая:

где:

• δ — глубина кожного слоя (в метрах)

• ω — угловая частота переменного тока (в радианах в секунду)

• μ — магнитная проницаемость проводника (в генри на метр)

• σ — проводимость проводника (в сименсах на метр)

Например, для медного проводника с круглым поперечным сечением, работающего на частоте 10 МГц, глубина кожного слоя составляет:

Это означает, что только тонкий слой толщиной 0,066 мм ближе к поверхности проводника несет большую часть тока на этой частоте.

Как уменьшить эффект кожного слоя в линиях передачи?

Эффект кожного слоя может вызвать несколько проблем в линиях передачи, таких как:

• Увеличение потерь мощности и нагрев проводника, что снижает эффективность и надежность системы.

• Увеличение импеданса и падения напряжения линии передачи, что влияет на качество сигнала и передачу мощности.

• Увеличение электромагнитных помех и излучения от линии передачи, что может повлиять на соседние устройства и цепи.

Поэтому желательно максимально уменьшить эффект кожного слоя в линиях передачи. Некоторые методы, которые можно использовать для уменьшения эффекта кожного слоя, включают:

• Использование проводников с более высокой проводимостью и меньшей магнитной проницаемостью, таких как медь или серебро, вместо железа или стали.

• Использование проводников с меньшим диаметром или поперечным сечением, что уменьшает разницу между плотностями тока на поверхности и в центре.

• Использование многопроволочных или оплетенных проводников вместо цельных проводников, что увеличивает эффективную площадь поверхности проводника и уменьшает вихревые токи. Специальный тип многопроволочного проводника, называемый литц-провод, спроектирован для минимизации эффекта кожного слоя путем скручивания проволок таким образом, чтобы каждая проволока занимала разные положения в поперечном сечении по длине.

• Использование полых или трубчатых проводников вместо цельных проводников, что уменьшает вес и стоимость проводника без значительного влияния на его производительность. Полая часть проводника не несет много тока из-за эффекта кожного слоя, поэтому она может быть удалена без влияния на поток тока.

• Использование нескольких параллельных проводников вместо одного, что увеличивает эффективное поперечное сечение проводника и уменьшает его сопротивление. Этот метод также известен как объединение или перестановка.

• Уменьшение частоты переменного тока увеличивает глубину кожного слоя и уменьшает эффект кожного слоя. Однако, это может быть неприемлемо для некоторых применений, требующих высокочастотных сигналов.

Заключение

Эффект кожного слоя — это явление, которое происходит в линиях передачи, когда переменный ток протекает через проводник. Он вызывает неравномерное распределение тока по поперечному сечению проводника, с большим током, протекающим ближе к поверхности, чем к центру. Это увеличивает эффективное сопротивление и импеданс проводника и уменьшает его эффективность и производительность.

Эффект кожного слоя зависит от нескольких факторов, таких как частота, проводимость, магнитная проницаемость и форма проводника. Его можно количественно оценить, используя параметр, называемый глубиной кожного слоя, которая является глубиной под поверхностью, где плотность тока снижается до 37% от ее значения на поверхности.

Эффект кожного слоя можно уменьшить, используя различные методы, такие как использование проводников с более высокой проводимостью и меньшей магнитной проницаемостью, меньшим диаметром или поперечным сечением, многопроволочной или оплетенной структурой, полой или трубчатой формой, несколькими параллельными проводниками или меньшей частотой.

Эффект кожного слоя — важное понятие в электротехнике, которое влияет на проектирование и анализ линий передачи и других компонентов, использующих переменный ток. При выборе подходящего типа и размера проводников для различных применений и частот следует учитывать этот эффект.

Заявление: Уважайте оригинальные статьи, достойные обмена. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.