Высокочастотный проводник Лиц (Litz) и эффект скин-слоя

Введение

Высокочастотный оптимизированный электрический провод

Литцендрат – это особый тип многожильного провода или кабеля, используемого в электронике для передачи переменного тока (AC) на радиочастотах. Провод разработан для снижения потерь, вызванных скин-эффектом и эффектом близости, в проводниках, работающих на частотах до 1 МГц. Он состоит из множества тонких проволочных жил, каждая из которых индивидуально изолирована и скручена или сплетена вместе по одной из нескольких тщательно разработанных схем, часто включающих несколько уровней (например, уже скрученные жилы скручиваются в небольшие группы, а затем эти группы – в более крупные и т.д.). Результатом этих схем скрутки является выравнивание соотношения общей длины, на которой каждая жила находится на поверхности проводника. Это обеспечивает равномерное распределение тока между жилами, снижая импеданс. Литцендрат используется в высокодобротных индуктивностях для радиопередатчиков и приемников, работающих на низких частотах, в оборудовании для индукционного нагрева и в импульсных источниках питания. Термин "литцендрат" происходит от немецкого слова Litzendraht (coll. Litze), означающего плетеная/многожильная или тканая проволока.

Принцип действия

Литц-проволока снижает рост сопротивления проводника на высоких частотах переменного тока благодаря двум эффектам: поверхностному эффекту и эффекту близости.

Эффект на кожу

Сопротивление проводника зависит от его площади поперечного сечения; проводник с большей площадью имеет меньшее сопротивление при заданной длине. Однако на высоких частотах переменный ток (AC) не проникает глубоко в проводники из-за вихревых токов, наведенных в материале; он стремится течь вблизи поверхности. Это называется эффектом поверхностного слоя (skin effect). Поэтому в сплошном проводнике, таком как проволока, ток стремится течь в слое или кольце у поверхности, и меньшая часть тока проходит через материал вблизи центра проволоки. Поскольку используется меньшая площадь поперечного сечения проволоки, её сопротивление оказывается выше, чем при постоянном токе (DC). Чем выше частота тока, тем меньше глубина проникновения тока, и ток "сжимается" в всё меньшую площадь поперечного сечения вдоль поверхности, следовательно, сопротивление переменному току проволоки возрастает с частотой. Глубина, на которую переменный ток проникает в проводник, определяется параметром, называемым глубиной проникновения (skin depth), представляющим собой глубину, на которой ток уменьшается до 1/e ≈ 37% от своего значения на поверхности. Глубина проникновения уменьшается с ростом частоты. При низких частотах, когда глубина проникновения больше диаметра проволоки, эффект поверхностного слоя незначителен, и распределение тока и сопротивление практически не отличаются от таковых при постоянном токе. По мере увеличения частоты и уменьшения глубины проникновения по сравнению с диаметром проволоки эффект поверхностного слоя становится существенным, ток всё больше концентрируется вблизи поверхности, а сопротивление на единицу длины проволоки возрастает по сравнению с его значением при постоянном токе. Примеры глубины проникновения в медных проводах при различных частотах:
При 60 Гц глубина проникновения медного провода составляет около…
При 60 000 Гц (60 кГц) глубина проникновения медного провода составляет около…
При 6 000 000 Гц (6 МГц) глубина проникновения медного провода составляет около…
Круглые проводники, такие как провода или кабели, имеющие размеры, превышающие несколько глубин проникновения, практически не проводят ток вблизи своей оси, поэтому металл в центральной части провода используется неэффективно.

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.

Эффект близости

В приложениях, где несколько проводов, несущих одинаковый ток, расположены рядом друг с другом, например, в обмотках индукторов и трансформаторов, второй аналогичный эффект, называемый эффектом близости, вызывает дополнительное сгущение тока, что приводит к дальнейшему увеличению сопротивления провода с ростом частоты. В двух параллельных проводах, по которым протекает одинаковый переменный ток, магнитное поле соседнего провода индуцирует продольные вихревые токи в проводнике, что приводит к концентрации тока в узкой полосе на стороне, прилегающей к другому проводу. Это оказывает эффект, схожий с эффектом скин-эффекта: ток сосредотачивается в меньшем поперечном сечении провода, что увеличивает его сопротивление.

Как работает проволока Литц

Один из способов уменьшить сопротивление — поместить больше проводящего материала вблизи поверхности, где протекает ток, заменив проводник полым медным трубкой. Большая площадь поверхности трубки проводит ток с гораздо меньшим сопротивлением, чем цельный проводник с той же площадью поперечного сечения. Контуры баков мощных радиопередатчиков часто изготавливаются из медных трубок, покрытых серебром снаружи, для снижения сопротивления. Однако трубки негибкие и требуют специальных инструментов для изгиба и придания формы. Лиц-провод — это другой метод, использующий многожильный провод с индивидуально изолированными жилами (образующими пучок). Каждая тонкая жила имеет толщину меньше глубины проникновения, поэтому отдельная жила не испытывает значительных потерь из-за поверхностного эффекта. Жилы должны быть изолированы друг от друга, иначе все провода в пучке замкнутся, будут вести себя как один толстый проводник и по-прежнему будут подвержены поверхностному эффекту. Кроме того, жилы не могут занимать одно и то же радиальное положение в пучке на больших расстояниях: электромагнитные эффекты, вызывающие поверхностный эффект, все равно будут препятствовать проводимости. Конструкция плетения или скручивания проводов в пучке разработана таким образом, чтобы отдельные жилы находились снаружи пучка на определенном участке (где изменения электромагнитного поля меньше и жила имеет низкое сопротивление) и внутри пучка на определенном участке (где изменения электромагнитного поля наиболее сильны и сопротивление выше). Если все жилы имеют сравнимый импеданс, ток распределяется равномерно по каждой жиле в кабеле. Это позволяет внутренней части лиц-провода вносить вклад в общую проводимость пучка. Другой способ объяснить преимущество лиц-плетения заключается в следующем: магнитные поля, создаваемые током, протекающим в жилах, направлены таким образом, что они имеют пониженную тенденцию создавать встречное электромагнитное поле в других жилах. Таким образом, для провода в целом поверхностный эффект и связанные с ним потери мощности при использовании в высокочастотных приложениях уменьшаются. Отношение распределенной индуктивности к распределенному сопротивлению увеличивается по сравнению с цельным проводником, что приводит к увеличению добротности (Q-фактора) на этих частотах.

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.

Эффективность

дает выражение для отношения сопротивления переменному току к сопротивлению постоянному току для изолированного провода Лица. Оно не применимо к обмоткам с несколькими витками. Отношение сопротивления в обмотках приведено в уравнении 2 и в Приложении А (стр. 289). Провод Лица очень эффективен при частотах ниже 500 кГц; его редко используют выше 2 МГц, поскольку его эффективность там значительно снижается. На микроволновых частотах глубина проникновения намного меньше диаметра отдельных проводников, и ток, протекающий по внутренним проводникам, индуцирует сильные вихревые токи во внешних проводниках, что сводит на нет преимущества провода Лица и приводит к тому, что его характеристики хуже, чем у цельного провода того же диаметра. Провод Лица имеет более высокое сопротивление на единицу площади поперечного сечения, но провода Лица могут использоваться в кабелях большего сечения, что позволяет уменьшить или сохранить импеданс кабеля на более высоких частотах. Конструкция провода Лица обычно включает в себя чрезвычайно тонкие проводники, часто с серебряным покрытием или из цельного серебра. Отдельные проводники часто имеют лаковое покрытие с низкой температурой плавления, для удаления которого требуется температура пайки серебром – покрытие удаляется при выполнении соединений. В качестве внешней изоляции пучков проводов также может использоваться шелк.

Приложения

Литц-проволока используется для изготовления индукторов и трансформаторов, особенно для высокочастотных приложений, где эффект поверхностного тока более выражен, а эффект близости может представлять еще более серьезную проблему. Литц-провод – это один из видов многожильного провода, но в данном случае его применение обусловлено не обычной необходимостью предотвращения полного обрыва провода из-за усталости материала. Литц-проволока часто используется в силовых приложениях на частотах от десятков до сотен килогерц, например, в индукционных плитах и передатчиках беспроводных зарядных устройств (например, стандарта Qi). Несколько параллельных скрученных жил эмалированного провода также можно встретить в трансформаторах некоторых импульсных блоков питания.

Станция передачи WWVB

NIST использует литцендрат в радиостанции WWVB, передающей временной код. Станция вещает на частоте 60 кГц. Литцендрат используется для изготовления спирали и вариометра в обоих спиральных корпусах. Он состоит из 9 × 5 × 5 × 27 (всего 6075) жил эмаль-провода №36 AWG (по диаметру) и нескольких слоев хлопковой, конопляной и пластиковой изоляции, заключенных в кабель диаметром ¾ дюйма (19 мм), содержащий в общей сложности 151 875 круговых мил меди.