چرا مس در فرکانس بالا تنبل می شود: اثر پوستی، اثر مجاورتی و سیم لیتز

مقدمه

ترانسفورماتور را با مس ضخیم تر باد کنید و باید جریان بیشتری داشته باشد، درست است؟ در فرکانس برق، بله. بالای 20 کیلوهرتز - نقطه ای که IEEE شروع به طبقه بندی ترانسفورماتور به عنوان "فرکانس بالا" می کند - این قانون بی سر و صدا شکسته می شود. مس هنوز وجود دارد، اما بیشتر آن کار مفید را انجام نمی دهد.

برای مبتدیان، بزرگراهی را در ساعت شلوغی تصور کنید که هر راننده اصرار دارد خطوط بیرون را در آغوش بگیرد. خطوط میانی خالی می نشینند. جاده به همان اندازه عریض است، اما ترافیک در حال خزیدن است. این همان کاری است که جریان متناوب در داخل یک سیم با بالا رفتن فرکانس انجام می دهد.

دو اثر، یک علامت

اثر پوستی میدان مغناطیسی خود هادی است که جریان را به سمت سطح آن می راند. عمقی که در آن چگالی جریان به حدود 37% (1/e) مقدار سطح می‌رسد، عمق پوست (δ) است و با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد. برای مس در 100 کیلوهرتز، δ فقط حدود 0.21 میلی متر است. هر چیزی عمیق تر از آن در داخل یک هادی جامد اساساً وزن مرده است.

اثر مجاورت خواهر و برادر بدتر است. میدان‌های مغناطیسی از پیچ‌ها و لایه‌های مجاور جریان‌های گردابی را القا می‌کنند که جریان را به یک طرف هر رسانا می‌رساند. این مقیاس تقریباً با مجذور تعداد لایه های پیچ در پیچ است، بنابراین در طرح های چند لایه غالب است. با توجه به تلفات سیم پیچی مغناطیسی ساحل غربی در ترانسفورماتورهای فرکانس بالا ، در ضخامت هادی دو برابر عمق پوست، اثر مجاورت می تواند مقاومت AC را تا حدود 28 برابر مقدار DC افزایش دهد - جایی که اثر پوست به تنهایی فقط حدود 2٪ اضافه می کند.

علائم هر دو یکسان است: Rac/Rdc صعود می کند . با سیم جامد در فرکانس بالا، نسبت می تواند به 10× یا بیشتر برسد، و هر ذره از این مقاومت اضافی مستقیماً به گرما تبدیل می شود.

راه حل: سیم لیتز

سیم لیتز یک هادی چربی را به رشته های ریز و عایق بندی شده زیادی تقسیم می کند، به طوری که هر رشته به اندازه ای از طول خود را در هر موقعیتی در بسته بندی صرف می کند. قانون استاندارد طراحی این است که قطر رشته نباید بیشتر از دو برابر عمق پوست در فرکانس کاری باشد - بنابراین در 100 کیلوهرتز، رشته‌های 0.42 میلی‌متر یا ظریف‌تر. رشته های معمولی 24-50 AWG اجرا می کنند و لیتز تا حدود 1 مگاهرتز گزینه عملی باقی می ماند.

مثال کاربردی

یک مبدل رزونانس 100 کیلوهرتز LLC در منبع تغذیه سرور مورد کتاب درسی است: فرکانس بالا، جریان نزدیک به سینوسی، سیم پیچی چند لایه. جایگزینی سیم آهنربای جامد با لیتز به درستی مشخص شده، همراه با در هم آمیختن لایه های اولیه و ثانویه، به هر دو مکانیسم تلفات به طور همزمان حمله می کند. درهم تنیدگی حداکثر نیروی مغناطیسی حرکتی هر لایه را کاهش می دهد، که بزرگترین اهرم در از دست دادن مجاورت است.

تصور غلط رایج: رشته های بیشتر همیشه بهتر است

این نیست. رشته بیش از حد هزینه را افزایش می دهد، ضریب پرکننده مس را کاهش می دهد (عایق روی هر رشته فضا را اشغال می کند) و می تواند با بالا بردن مقاومت DC تلفات کل را افزایش دهد . غرب ساحل مغناطیسی به صراحت در مورد انتخاب یک رشته سنج از جدول فرکانس به تنهایی هشدار می دهد.

دو یادداشت میدانی برای مهندسان. اولاً، اگر هندسه سیم‌پیچ ضعیف باشد، لیتز شما را بسیار کم می‌خرد - چیدمان معمولاً بر انتخاب هادی برتری دارد. دوم، بیشتر مشکلات لیتز در انتهای سیم ظاهر می شود: خیس شدن ناقص لحیم کاری باعث می شود تا رشته ها به هم متصل نشوند و بی صدا هادی موثر شما را منقبض کند.

برداشت

در فرکانس بالا شما برای مس پرداخت نمی کنید، بلکه برای مس قابل استفاده پرداخت می کنید. قطر رشته را با عمق پوست مطابقت دهید، لایه ها را در هم قرار دهید و همیشه انتهای آن را بررسی کنید.