Bakır Yüksek Frekansta Neden Tembelleşir: Cilt Etkisi, Yakınlık Etkisi ve Litz Teli

giriiş

Daha kalın bakırla bir transformatör sarın ve daha fazla akım taşıması gerekir, değil mi? Şebeke frekansında evet. Yaklaşık 20 kHz'in üzerinde (IEEE'nin bir transformatörü "yüksek frekans" olarak sınıflandırmaya başladığı nokta) bu kural sessizce bozulur. Bakır hâlâ orada ama çoğu yararlı işler yapmayı bırakıyor.

Yeni başlayanlar için, trafiğin yoğun olduğu saatlerde her sürücünün dış şeritleri kullanmakta ısrar ettiği bir otoyol hayal edin. Orta şeritler boş duruyor. Yol geniş olmasına rağmen trafik akıp gidiyor. Frekans yükseldikçe bir telin içindeki alternatif akımın yaptığı da budur.

İki etki, tek semptom

Cilt etkisi , iletkenin kendi manyetik alanının akımı yüzeyine doğru itmesidir. Akım yoğunluğunun yüzey değerinin yaklaşık %37'sine (1/e) düştüğü derinlik, yüzey derinliğidir (δ) ve frekans arttıkça küçülür. 100 kHz'deki bakır için δ yalnızca yaklaşık 0,21 mm'dir . Katı bir iletkenin içindeki bundan daha derin olan her şey aslında ölü ağırlıktır.

Yakınlık etkisi ise daha kötü kardeştir. Komşu dönüşlerden ve katmanlardan gelen manyetik alanlar, akımı her iletkenin bir tarafına toplayan girdap akımlarını indükler. Kabaca sarma katmanlarının sayısının karesi kadar ölçeklenir, bu nedenle çok katmanlı tasarımlarda hakimdir. West Coast Manyetiklerin Yüksek Frekans Transformatörlerindeki Sargı Kayıplarına göre, dış yüzey derinliğinin iki katı iletken kalınlığında, yakınlık etkisi AC direncini DC değerinin yaklaşık 28 katına çıkarabilir; burada dış yüzey etkisi tek başına yalnızca yaklaşık %2 oranında bir katkı sağlar.

Her ikisinin de semptomu aynıdır: Rac/Rdc tırmanışları . Yüksek frekanstaki katı tel ile oran 10 kat veya daha fazlasına ulaşabilir ve bu ekstra direncin her bir parçası doğrudan ısıya dönüşür.

Çözüm: Litz teli

Litz teli, bir katı iletkeni çok sayıda ince, ayrı ayrı yalıtılmış şeritlere böler; her tel, demetin içindeki her konumda uzunluğunun eşit bir kısmını harcayacak şekilde bükülür. Standart tasarım kuralı , tel çapının, çalışma frekansındaki yüzey derinliğinin iki katından daha büyük olmaması gerektiğidir ; yani 100 kHz'de, teller 0,42 mm veya daha incedir. Tipik şeritler 24-50 AWG'yi çalıştırır ve litz, kabaca 1 MHz'e kadar pratik seçim olmaya devam eder.

Uygulama örneği

Bir sunucu güç kaynağındaki 100 kHz LLC rezonans dönüştürücü ders kitabı örneğidir: yüksek frekans, sinüzoidal akıma yakın akım, çok katmanlı sargılar. Katı mıknatıs telini doğru şekilde belirlenmiş litz ile değiştirmek, birincil ve ikincil katmanları serpiştirmekle birleştiğinde , her iki kayıp mekanizmasına da aynı anda saldırır. Serpiştirme, yakınlık kaybındaki en büyük kaldıraç olan herhangi bir katmanın gördüğü zirve manyetomotor kuvvetini azaltır.

Yaygın yanılgı: Daha fazla iplik her zaman daha iyidir

Değil. Aşırı büküm maliyeti artırır, bakır doldurma faktörünü tüketir (her bir teldeki yalıtım yer kaplar) ve DC direncini artırarak toplam kaybı artırabilir . West Coast Manyetikleri, yalnızca frekans tablosundan bir iplik ölçüsü seçilmesine karşı açıkça uyarıyor.

Mühendisler için iki saha notu. Öncelikle, sarım geometrisi zayıfsa litz size çok az şey satın alır; düzen genellikle iletken seçiminden daha üstündür. İkincisi, çoğu litz problemi telde değil uçlarda ortaya çıkar: lehimin eksik ıslatılması telleri bağlantısız bırakır, etkin iletkeninizi sessizce küçültür.

Götürmek

Yüksek frekansta bakır için ödeme yapmazsınız, kullanılabilir bakır için ödeme yaparsınız. İplik çapını cilt derinliğiyle eşleştirin, katmanları serpiştirin ve her zaman sonlandırmaları doğrulayın.