מדוע נחושת מתעצלת בתדירות גבוהה: אפקט העור, אפקט הקרבה וחוט ליץ

מָבוֹא

פתח שנאי עם נחושת עבה יותר והוא אמור לשאת יותר זרם, נכון? בתדר החשמל, כן. מעל ל-20 קילו-הרץ בערך - הנקודה שבה ה-IEEE מתחיל לסווג שנאי כ"תדר גבוה" - הכלל הזה נשבר בשקט. הנחושת עדיין שם, אבל רובה מפסיק לעשות עבודה מועילה.

למתחילים, דמיינו כביש מהיר בשעות העומס שבו כל נהג מתעקש לחבק את הנתיבים החיצוניים. הנתיבים האמצעיים יושבים ריקים. הדרך רחבה באותה מידה, ובכל זאת התנועה זוחלת. זה מה שזרם חילופין עושה בתוך חוט כשהתדר מטפס.

שתי תופעות, סימפטום אחד

אפקט העור הוא השדה המגנטי של המוליך עצמו הדוחף זרם לעבר פני השטח שלו. העומק שבו יורדת צפיפות הזרם לכ-37% (1/e) מערך פני השטח הוא עומק העור (δ), והוא מתכווץ ככל שהתדר עולה. עבור נחושת ב-100 קילו-הרץ, δ הוא רק כ -0.21 מ"מ . כל דבר עמוק יותר מזה בתוך מוליך מוצק הוא בעצם משקל מת.

אפקט הקרבה הוא האח המגעיל יותר. שדות מגנטיים מסיבובים ושכבות שכנות גורמים לזרמי מערבולת שגודשים זרם על צד אחד של כל מוליך. הוא מתרחב בערך בריבוע של מספר השכבות המתפתלות, כך שהוא שולט בעיצובים רב-שכבתיים. לפי West Coast Magnetics' הפסדים מתפתלים בשנאים בתדר גבוה , בעובי מוליך של פי שניים מעומק העור, אפקט הקרבה יכול להעלות את התנגדות AC לערך פי 28 בערך - כאשר אפקט העור לבדו היה מוסיף רק כ-2%.

הסימפטום של שניהם זהה: Rac/Rdc מטפס . עם חוט מוצק בתדר גבוה היחס יכול להגיע ל-10× או יותר, וכל חלק מההתנגדות הנוספת הזו הופכת ישירות לחום.

התיקון: חוט ליץ

חוט ליץ מחלק מוליך שומן אחד להרבה גדילים עדינים, מבודדים בנפרד, מעוותים כך שכל גדיל מבלה חלק שווה מאורכו בכל מיקום בתוך הצרור. כלל התכנון הסטנדרטי הוא שקוטר הגדיל לא צריך להיות גדול מפי שניים מעומק העור בתדר ההפעלה - כך שב-100 קילו-הרץ, גדילים של 0.42 מ"מ או עדינים יותר. גדילים טיפוסיים פועלים 24–50 AWG, וליץ נותרה הבחירה המעשית עד 1 מגה-הרץ בערך.

דוגמה ליישום

ממיר תהודה 100 קילו-הרץ LLC באספקת חשמל של שרת הוא מקרה ספר הלימוד: זרם בתדר גבוה, כמעט סינוסואידי, פיתולים רב-שכבתיים. החלפת חוט מגנט מוצק ב-Litz שצוין כהלכה, בשילוב עם שזירה של השכבה הראשונית והמשנית, תוקפת את שני מנגנוני האובדן בבת אחת. השזירה מפחיתה את שיא הכוח המגנטו-מוטיבי שכל שכבה בודדת רואה, שהוא המנוף הגדול ביותר לאובדן קרבה.

תפיסה מוטעית נפוצה: יותר גדילים זה תמיד טוב יותר

זה לא. גדילת יתר מעלה את העלות, אוכלת את גורם המילוי הנחושת (בידוד על כל גדיל לוקח מקום), ויכולה להגדיל את ההפסד הכולל על ידי דחיפה של התנגדות DC. West Coast Magnetics מזהירה במפורש מפני בחירת מד גדיל מטבלת תדרים בלבד.

שני הערות שטח למהנדסים. ראשית, ליץ קונה לך מעט מאוד אם גיאומטריית הפיתול גרועה - הפריסה בדרך כלל מנצחת את בחירת המוליך. שנית, רוב בעיות הליץ מופיעות בסיומות , לא בחוט: הרטבת הלחמה לא מלאה משאירה גדילים לא מחוברים, ומכווצת בשקט את המוליך היעיל שלך.

טייק אווי

בתדירות גבוהה אתה לא משלם על נחושת, אתה משלם על נחושת שמישה . התאימו את קוטר הגדיל לעומק העור, שזרו את השכבות, ואמת תמיד את הסיום.