Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жоғары жиілікті оптимизацияланған электр сымы
High frequency optimised electric wire
Лиц сымы – радиожиіліктерде айнымалы ток (AC) тасымалдауға қолданылатын электроникадағы көп жіпті сым немесе кабельдің ерекше түрі. Сым 1 МГц-ке дейінгі жиіліктерде қолданылатын өткізгіштердегі беттік әсер мен жақындық әсерінен туындайтын шығындарды азайту үшін жасалған. Ол көптеген жіңішке сым жіптерінен тұрады, олар жеке-жеке оқшауланған және бірнеше деңгейлі, мұқият белгіленген үлгілерге сәйкес бұралып немесе тоқылған (алдынан бұралған сымдар кіші топтарға біріктіріледі, содан кейін олар үлкен топтарға бұралады, т.б.). Осы бұралу үлгілерінің нәтижесінде әрбір жіптің өткізгіштің сыртқы бетінде болатын жалпы ұзындығының үлесі теңестіріледі. Бұл токтың сымдар арасында тең бөлінуіне әсер етеді, нәтижесінде кедергі азаяды. Лиц сымы төмен жиілікте жұмыс істейтін радио таратушылар мен қабылдағыштардағы, индукциялық қыздыру жабдықтарындағы және импульстік қуат көздерінің жоғары сапалы индукторларында қолданылады. "Litz wire" термині неміс тіліндегі "Litzendraht" (coll. Litze) сөзінен шыққан, ол "тоқылған" немесе "жіптелген" сымды білдіреді.
Litz wire is a particular type of multistrand wire or cable used in electronics to carry alternating current (AC) at radio frequencies. The wire is designed to reduce the skin effect and proximity effect losses in conductors used at frequencies up to about 1 MHz. It consists of many thin wire strands, individually insulated and twisted or woven together, following one of several carefully prescribed patterns often involving several levels (already twisted wires are twisted together into small groups, those are twisted into larger groups, etc.). The result of these winding patterns is to equalize the proportion of the overall length over which each strand is at the outside of the conductor. This has the effect of distributing the current equally among the wire strands, reducing the impedance. Litz wire is used in high Q inductors for radio transmitters and receivers operating at low frequencies, induction heating equipment and switching power supplies. The term litz wire originates from Litzendraht (coll. Litze), German for braided/stranded wire or woven wire.
Жұмыс істеу принципі
Лиц сымы жоғары жиілікті токтарда сымның кедергісінің артуын екі құбылыс арқасында азайтады: беттік әсер және жақындық әсері.
Litz wire reduces the increase in resistance of wire that takes place at higher AC frequencies due to two effects: skin effect and proximity effect.
Тері әсері
Өткізгіштің кедергісі оның көлденең қимасының ауданына байланысты; көлденең қимасы үлкен өткізгіштің белгілі бір ұзындығы үшін кедергісі төмен болады. Бірақ жоғары жиіліктерде, айнымалы ток (АҚ) материалдағы едәуір токтардың әсерінен өткізгіштерге терең бойлап енбейді; ол бетке жақын ағып өтеді. Бұл құбылыс тері әсері деп аталады. Сондықтан, сым сияқты қатты өткізгіште ток бетіндегі қабат немесе сақина тәрізді ағып өтеді, ал сымның ортасына жақын материал арқылы ағып өтетін ток мөлшері азаяды. Сымның көлденең қимасының бір бөлігі ғана пайдаланылғандықтан, сымның кедергісі тұрақты токқа (DC) қарағанда жоғары болады. Тоқтың жиілігі жоғарылаған сайын, ток енетін тереңдік азаяды, ал ток беттегі кішірек көлденең қимаға "шоғырланады", сондықтан сымның АҚ кедергісі жиілікпен бірге артады. АҚ тогы өткізгішке енетін тереңдік тері тереңдігі деп аталатын параметрмен анықталады, ол ток беттік мәнінің 1/e ≈ 37%-ына дейін төмендейтін тереңдік болып табылады. Тері тереңдігі жиілік артумен азаяды. Төмен жиіліктерде, тері тереңдігі сымның диаметрінен үлкен болған жағдайда, тері әсері ескерілмейді және ток таралуы мен кедергісі тұрақты токқа (DC) жақын болады. Жиілік жоғарылағанда және тері тереңдігі сым диаметрінен кішірек болғанда, тері әсері маңызды болады, ток бетке жақын ықшамдалады және сымның бірлік ұзындығына шаққандағы кедергісі DC мәнінен асып түседі. Мысалы, мыс сымдағы тері тереңдігі әртүрлі жиіліктерде:
60 Гц жиілікте мыс сымның тері тереңдігі шамамен
60 000 Гц (60 кГц) жиілікте мыс сымның тері тереңдігі шамамен
6 000 000 Гц (6 МГц) жиілікте мыс сымның тері тереңдігі шамамен
Тұрған сымдар немесе кабельдер, тері тереңдігінен әлдеқайда үлкен болса, олардың ось жақын жерлерінде көп ток өткізбейді, сондықтан сымның орталық бөлігіндегі металл тиімді пайдаланылмайды.
The resistance of a conductor depends on its cross sectional area; a conductor with a larger area has a lower resistance for a given length. However at high frequencies, alternating current (AC) does not penetrate deeply into conductors due to eddy currents induced in the material; it tends to flow near the surface. This is called skin effect. Therefore in a solid conductor like a wire, current tends to flow in a layer or annulus at the surface, and less current flows through the material near the center of the wire. Since less of the cross sectional area of the wire is being used, the resistance of the wire is greater than it is for direct current (DC). The higher the frequency of the current, the smaller the depth to which the current penetrates, and the current is "crowded" into an increasingly smaller cross sectional area along the surface, so the AC resistance of wire increases with frequency. The depth to which AC current penetrates in a conductor is determined by a parameter called the skin depth, which is the depth at which the current is reduced to 1/e ≈ 37% of its surface value. The skin depth decreases with frequency. At low frequencies at which the skin depth is larger than the diameter of the wire, the skin effect is negligible and the current distribution and resistance are virtually the same as at DC. As the frequency rises and the skin depth gets smaller than the wire diameter, skin effect becomes significant, the current is increasingly concentrated near the surface, and the resistance per unit length of wire increases above its DC value. Examples of skin depth in copper wire at different frequencies
At 60 Hz, the skin depth of a copper wire is about
At 60,000 Hz (60 kHz), the skin depth of copper wire is about
At 6,000,000 Hz (6 MHz) the skin depth of copper wire is about
Round conductors such as wire or cables larger than a few skin depths do not conduct much current near their axis, so the metal located at the central part of the wire is not used effectively.
Жақындық әсері
Бірдей ток өткізетін бірнеше сымдар қатар орналасқанда, мысалы, индукторлар мен трансформатор орамдарында, жақындық эффектісі деп аталатын екінші ұқсас құбылыс қосымша ток тығырықтауға себеп болады, нәтижесінде сымның кедергісі жиілік артумен бірге қосымша өседі. Бір-біріне параллель жүргізілген екі сымда, егер екі сымда да бірдей айнымалы ток ағып тұрса, іргелес сымның магниттік өрісі сымда бойлық едіс тоқтарын тудырады, бұл токтардың екінші сымға жақын жағындағы тар жолаққа шоғырлануына әкеледі. Бұл тері эффексіне ұқсас әсер етеді; ток сымның кіші көлденең қимасына жиналады, сондықтан кедергі артады.
In applications where multiple wires carrying the same current lie side by side, such as in inductor and transformer windings, a second similar effect called proximity effect causes additional current crowding, resulting in an additional increase in the resistance of the wire with frequency. In two wires running parallel next to each other, with the same alternating current flowing in both wires, the magnetic field of the adjacent wire induces longitudinal eddy currents in the wire which causes the current to be concentrated in a narrow strip on the side adjacent to the other wire. This has a similar effect as the skin effect; the current is crowded into a smaller cross sectional area of the wire, so the resistance increases.
Litz сымның жұмыс істеу әдісі
Қарсылықты азайтудың бір тәсілі – ток орналасқан бетке жақын өткізгіш материалдың көбірек бөлігін орналастыру, сымды қуыс мыс түтікшемен алмастыру. Түтікшенің үлкен бетінің ауданы, сол көлденең қимасы бар қатты сымға қарағанда, әлдеқайда аз қарсылықпен ток өткізеді. Жоғары қуатты радио таратушылардың бак орамдары көбінесе қарсылықты азайту үшін сырты күміспен қапталған мыс түтікшеден жасалады. Дегенмен, түтікше икемді емес, оны бүктеу және пішін беру үшін арнайы құралдар қажет. Лиц сымы – тағы бір әдіс, ол жеке оқшауланған өткізгіштерден (жинау құрайтын) жасалған жіптелген сымды пайдаланады. Әрбір жіңішке өткізгіш тері тереңдігінен кіші болғандықтан, жеке жіптерде тері әсерінен айтарлықтай шығын болмайды. Жіптер бір-бірінен оқшауланған болуы керек, әйтпесе жинақтағы барлық сымдар бірге түйісіп, үлкен сым сияқты әрекет етеді және тері әсері проблемалары пайда болады. Сонымен қатар, жіптер ұзақ қашықтықта жинақта бірдей радиалды орналасқан болмауы керек: тері әсерін тудыратын электромагниттік әсерлер өткізгіштікті бұзады. Жинақтағы сымдардың тоқу немесе бұрау схемасы жеке жіптердің белгілі бір қашықтықта жинақтың сыртында (ЭМ өрісінің өзгеруі аз болғанда және жіпте қарсылық төмен болғанда) және белгілі бір қашықтықта жинақтың ішінде (ЭМ өрісінің өзгеруі күшті болғанда және қарсылық жоғары болғанда) орналасуын қамтамасыз етеді. Егер барлық жіптердің шамамен бірдей кедергісі болса, ток кабельдегі әрбір жіпке тең бөлінеді. Бұл лиц сымының ішкі бөлігінің жинақтың жалпы өткізгіштігіне үлес қосуына мүмкіндік береді. Лиц тоқымасының артықшылықтарын түсіндірудің тағы бір жолы: жіптерде ағынның тудырған магнит өрістері басқа жіптерде қарсы электромагниттік өріс тудыруға бейімделуін азайтатын бағытта орналасқан. Осылайша, сымның өзі үшін жоғары жиілікті қолдануларда тері әсері және оған байланысты қуат шығындары азаяды. Таратылған индуктивтілік пен таратылған қарсылық арақатынасы қатты өткізгішке қарағанда артады, нәтижесінде осы жиіліктерде Q факторы жоғарылайды.
One technique to reduce the resistance is to place more of the conductive material near the surface where the current is by replacing the wire with a hollow copper tube. The larger surface area of the tube conducts the current with much less resistance than a solid wire with the same cross sectional area would. The tank coils of high power radio transmitters are often made of copper tubing, silver plated on the outside, to reduce resistance. However tubing is not flexible and requires special tools to bend and shape. Litz wire is another method, which employs a stranded wire with individually insulated conductors (forming a bundle). Each thin conductor is less than a skin depth, so an individual strand does not suffer an appreciable skin effect loss. The strands must be insulated from each other—otherwise all the wires in the bundle would short together, behave like a single large wire, and still have skin effect problems. Furthermore, the strands cannot occupy the same radial position in the bundle over long distances: the electromagnetic effects that cause the skin effect would still disrupt conduction. The weaving or twisting pattern of the wires in the bundle is designed so that the individual strands are on the outside of the bundle for a distance (where the EM field changes are smaller and the strand sees low resistance), and are on the inside of the bundle for a distance (where the EM field changes are the strongest and the resistance is higher). If all the strands have a comparable impedance, current is distributed equally to every strand in the cable. This allows the interior of the litz wire to contribute to the overall conductivity of the bundle. Another way to explain the benefit of litz braiding is as follows: the magnetic fields generated by current flowing in the strands are in directions such that they have a reduced tendency to generate an opposing electromagnetic field in the other strands. Thereby, for the wire as a whole, the skin effect and associated power losses when used in high frequency applications are reduced. The ratio of distributed inductance to distributed resistance is increased, relative to a solid conductor, resulting in a higher Q factor at these frequencies.
Тиімділігі
Ауыспалы токқа қарсылық пен оқшауланған Litz сымының тұрақты токқа қарсылығының арақатынасын көрсетеді. Бұл көп бұрылысты орамаларға қолданылмайды. Орамалардағы кедергі арақатынасының формуласы 2-кестеде және А қосымшасында (289-бет) келтірілген. Litz сымы 500 кГц-тен төмен жиіліктерде өте тиімді; 2 МГц-ден жоғары жиіліктерде оны сирек қолданады, себебі тиімділігі одан әлдеқайда төмендейді. Микротолқынды жиіліктерде терінің тереңдігі сымдардың диаметрінен әлдеқайда кіші болады, ал ішкі сымдар арқылы өтетін ток сыртқы сымдарда күшті едір токтарын тудырады, бұл Litz сымының артықшылықтарын жояды, нәтижесінде ол бірдей диаметрлі қатты сымнан нашар жұмыс істейді. Litz сымының бірлік көлденең қимасы үшін кедергісі жоғарырақ, бірақ Litz сымдарын қалың кабельдерде қолдануға болады, осылайша жоғары жиіліктерде кабельдің кедергісін азайтуға немесе сақтауға болады. Litz сымдарын жасау әдетте өте жіңішке сымдарды қолдануды қамтиды, олар көбінесе күміс қаптамасымен немесе толық күмістен жасалған болады. Жеке сымдар көбінесе төмен температурадағы лакпен қапталады, оны балқыту үшін әдетте күміс тілеуіштің температурасы қажет, және бұл қаптама қосылыстар жасағанда алынып тасталады. Сымдардың жиынтығына жібек сыртқы оқшаулау да қолданылуы мүмкін.
provides an expression for the ratio of resistance to alternating current to resistance to direct current for an isolated litz wire. It does not apply to windings with multiple turns. An expression for the resistance ratio in windings is given by at Eqn 2 and Appendix A (page 289). Litz wire is very effective below 500 kHz; it is rarely used above 2 MHz as it is much less effective there. At microwave frequencies, the skin depth is much smaller than the diameter of the strands, and the current that is forced through the inner strands induces strong eddy currents in the outer strands, which negates the benefits of litz wire to the point where it performs much worse than solid wire of the same diameter. Litz wire has a higher impedance per unit cross sectional area but litz wires can be used at thicker cable sizes, hence reducing or maintaining cable impedance at higher frequencies. Construction of litz wires usually involves extremely fine wires often available with a silver plate or solid silver. The individual strands often make use of a low temperature lacquer coating that typically requires silver solder iron temperatures to melt – which is removed when making connections. The bundles of wires can also use silk outer insulation.
Қолданбалар
Лиц сымы индукторлар мен трансформаторларды жасау үшін қолданылады, әсіресе тері әсері күштірек білінетін және жақындық әсері одан да ауыр проблема тудыратын жоғары жиілікті қолдануларда. Лиц сымы – сымдардың бір түрі, бірақ оны пайдалану себебі материалдың шаршауынан сымның толық жұлынуын болдырмау үшін емес. Лиц сымы жиілігі ондаған килогерцтен жүздеген килогерцке дейін болатын қуат қолданыстарында жиі кездеседі, атап айтқанда индукциялық плиталарда және индукциялық зарядтағыштардың таратушыларында (мысалы, Qi стандарты). Кейбір импульстік қуат көздеріндегі трансформаторларда да бірнеше параллель бұралған эмальдалған сымдарды кездестіруге болады.
Litz wire is used to make inductors and transformers, especially for high frequency applications where the skin effect is more pronounced and proximity effect can be an even more severe problem. Litz wire is one kind of stranded wire, but, in this case, the reason for its use is not the usual one of avoiding complete wire breakage due to material fatigue. Litz wire is frequently found in power applications in frequencies ranging between lower tens to higher hundreds kilohertz, namely induction cookers and transmitters of inductive chargers (e. g. the Qi standard). Multiple parallel twisted strands of enameled wires can be found also in transformers in some switching power supplies.
WWVB тарату станциясы
NIST WWVB уақыт кодын тарату станциясында Litz сымы қолданылады. Станция 60 кГц жиілігінде хабар таратады. Litz сымы екі спиральдық үйдің ішіндегі спираль мен вариометр үшін пайдаланылады. Ол 9 × 5 × 5 × 27 (барлығы 6075) #36 AWG (диаметрі) магнит сымдарынан және бау, кендір және пластик оқшаулаудың бірнеше қабаттарынан тұрады, диаметрі ¾ дюйм (19 мм) болатын кабельде, барлығы 151 875 дөңгелек мыс сымнан құралған.
NIST uses litz wire in the time code broadcasting station WWVB. The station transmits on 60 kHz. Litz wire is used for the helix and variometer in both helix houses. It consists of 9 × 5 × 5 × 27 (totaling 6075) strands of #36 AWG ( diameter) magnet wire and multiple layers of cotton, hemp, and plastic insulation, in a cable ¾ inch (19 mm) in diameter, totaling 151,875 circular mils of copper.