Razumevanje učinka okozne vloge v prenosnih linijah

Prenosna linija je vodilo, ki prenosi električno energijo ali signale od ene točke do druge. Prenosne linije so lahko izdelane iz različnih materialov, oblik in velikosti, odvisno od uporabe in razdalje. Vendar, kadar so prenosne linije uporabljene za izmenične tokove (AC), lahko prikazujejo pojav, imenovan pojava kože, ki vpliva na njihovo delovanje in učinkovitost.

Kaj je pojava kože v prenosnih linijah?

Pojava kože je definirana kot tendenca izmeničnega toka, da se nepravilno porazdeli preko prereza vodila, tako da je gostota toka najvišja blizu površine vodila in se eksponentno zmanjšuje proti središču. To pomeni, da notranji del vodila prenaša manj toka kot zunanji del, kar povzroči povečan efektiven upor vodila.

Pojava kože zmanjša učinkovit prerez vodila, ki je na voljo za pretok, kar poveča izgube moči in segrevanje vodila. Pojava kože tudi povzroča spremembo impedance prenosne linije, kar vpliva na napetost in porazdelitev toka vzdolž linije. Pojava kože je bolj izrazita pri višjih frekvencah, večjih premerih in nižjih vodljivostih vodil.

Pojava kože se ne pojavi v enosmernih tokovih (DC) sistemih, ker tok teče enakomerno skozi celotni prerez vodila. Vendar v AC sistemih, zlasti tistih, ki delujejo na visokih frekvencah, kot so radijski in mikrovalovi sistemi, pojava kože lahko ima značilen vpliv na načrtovanje in analizo prenosnih linij in drugih komponent.

Kaj povzroča pojavu kože v prenosnih linijah?

Pojava kože je povzročena s sprotnostjo magnetnega polja, ki ga generira izmenični tok, z vodilom. Kot je prikazano na spodnji sliki, ko izmenični tok teče skozi valjkasto vodilo, ustvari magnetno polje okoli in znotraj vodila. Smer in velikost tega magnetnega polja se spreminjata glede na frekvenco in amplitudo izmeničnega toka.

Glede na Faradayev zakon elektromagnetske indukcije, spreminjajoče se magnetno polje inducira električno polje v vodilu. To električno polje, na vrsti, inducira nasproten tok v vodilu, imenovan vihoriški tok. Vihoriški toki cirkulirajo znotraj vodila in nasprotujejo prvotnemu izmeničnemu toku.

Vihoriški toki so močnejši blizu središča vodila, kjer imajo več magnetnega toka povezanega z prvotnim izmeničnim tokom. Zato ustvarijo višjo nasprotno električno polje in zmanjšajo neto gostoto toka v središču. Na drugi strani, blizu površine vodila, kjer je manj magnetnega toka povezanega z prvotnim izmeničnim tokom, so slabši vihoriški toki in nižje nasprotno električno polje. Zato je višja neto gostota toka na površini.

Ta pojav rezultira v neenakomernem porazdelitvi toka preko prereza vodila, z večjim tokom, ki teče blizu površine, kot blizu središča. To se imenuje pojava kože v prenosnih linijah.

Kako kvantificirati pojavu kože v prenosnih linijah?

En način kvantifikacije pojavu kože v prenosnih linijah je uporaba parametra, imenovanega globina kože ali δ (delta). Globina kože je definirana kot globina pod površino vodila, kjer gostota toka pada na 1/e (približno 37%) svoje vrednosti na površini. Manjša globina kože pomeni bolj izrazito pojavu kože.

Globina kože odvisna je od več dejavnikov, kot so:

• Frekvenca izmeničnega toka: Višja frekvenca pomeni hitrejše spremembe v magnetnem polju in močnejše vihoriške toke. Zato globina kože pada, ko frekvenca narašča.

• Vodljivost vodila: Višja vodljivost pomeni nižji upor in lažji pretok vihoriških tokov. Zato globina kože pada, ko vodljivost narašča.

• Permeabilnost vodila: Višja permeabilnost pomeni več magnetnega toka povezanega in močnejše vihoriške toke. Zato globina kože pada, ko permeabilnost narašča.

• Oblika vodila: Različne oblike imajo različne geometrijske faktorje, ki vplivajo na porazdelitev magnetnega polja in vihoriške toke. Zato se globina kože spreminja z različnimi oblikami vodil.

Formula za izračun globine kože za valjkasto vodilo s krožnim prerezom je:

kjer:

• δ je globina kože (v metrih)

• ω je krožna frekvenca izmeničnega toka (v radianih na sekundo)

• μ je permeabilnost vodila (v henrih na meter)

• σ je vodljivost vodila (v siemensih na meter)

Na primer, za bakreno vodilo s krožnim prerezom, ki deluje na 10 MHz, je globina kože:

To pomeni, da le tank sloj 0,066 mm blizu površine vodila prenaša večino toka na tej frekvenci.

Kako zmanjšati pojavu kože v prenosnih linijah?

Pojava kože lahko povzroči več problemov v prenosnih linijah, kot so:

• Povečane izgube moči in segrevanje vodila, kar zmanjša učinkovitost in zanesljivost sistema.

• Povečana impedanca in padec napetosti prenosne linije, ki vpliva na kakovost signala in dostavo moči.

• Povečana elektromagnetska motnja in sevanje iz prenosne linije, ki lahko vpliva na bližnje naprave in vezije.

Zato je želeno, da se pojava kože v prenosnih linijah zmanjša čim bolj. Nekateri metodi, ki jih lahko uporabimo za zmanjšanje pojavu kože, so:

• Uporaba vodil z višjo vodljivostjo in nižjo permeabilnostjo, kot sta bakar ali srebro, namesto železa ali črnila.

• Uporaba vodil z manjšimi premeri ali prerezi, kar zmanjša razliko med gostoto toka na površini in v središču.

• Uporaba vpletenih ali pleščanih vodil namesto trdih vodil, kar poveča učinkovito površinsko območje vodila in zmanjša vihoriške toke. Posebna vrsta vpletenih vodil, imenovana litz vodilo, je zasnovana za zmanjšanje pojavu kože z vpletanjem vpletenih delov na način, da vsak del zaseda različne položaje v prerezu skozi dolžino.

• Uporaba praznih ali cevnih vodil namesto trdih vodil, kar zmanjša težo in strošek vodila brez značilnega vpliva na njegovo delovanje. Prazna del vodila ne prenaša veliko toka zaradi pojavu kože, zato ga lahko odstranimo brez vpliva na pretok toka.

• Uporaba več vzporednih vodil namesto enega vodila, kar poveča učinkovit prerez vodila in zmanjša njegov upor. Ta metoda se tudi imenuje združevanje ali transpozicija.

• Zmanjšanje frekvence izmeničnega toka, kar poveča globino kože in zmanjša pojavu kože. Vendar to morda ni mogoče za nekatere aplikacije, ki zahtevajo visokofrekvenčne signale.

Zaključek

Pojava kože je pojav, ki se pojavi v prenosnih linijah, ko izmenični tok teče skozi vodilo. To povzroča neenakomerno porazdelitev toka preko prereza vodila, z večjim tokom, ki teče blizu površine, kot blizu središča. To poveča učinkoviti upor in impedanco vodila ter zmanjša njegovo učinkovitost in delovanje.

Pojava kože je odvisna od več dejavnikov, kot so frekvenca, vodljivost, permeabilnost in oblika vodila. Je mogoče kvantificirati z uporabo parametra, imenovanega globina kože, ki je globina pod površino, kjer gostota toka pada na 37% svoje vrednosti na površini.

Pojava kože je mogoče zmanjšati z uporabo različnih metod, kot so uporaba vodil z višjo vodljivostjo in nižjo permeabilnostjo, manjšim premerom ali prerezem, vpleteno ali pleščano strukturo, prazno ali cevasto obliko, več vzporednih razporeditv, ali nižjo frekvenco.

Pojava kože je pomembna koncepta v električnem inženiringu, ki vpliva na načrtovanje in analizo prenosnih linij in drugih komponent, ki uporabljajo izmenične tokove. Prav ta pojav mora biti upoštevan pri izbiri primernega tipa in velikosti vodil za različne aplikacije in frekvence.

Izjava: Spoštujte original, dobre članke so vredne delitve, če je kršenje avtorskih pravic se obrnite za brisanjem.