Литцендрат

Литцендрат — это особый тип многожильного провода или кабеля, используемый в электронике для передачи переменного тока (AC) на радиочастотах . Провод в проводниках , предназначен для уменьшения потерь на скин-эффект и эффект близости используемых на частотах примерно до 1 МГц. ^[1]

Он состоит из множества тонких жил проводов, индивидуально изолированных и скрученных или сплетенных вместе по одному из нескольких тщательно заданных шаблонов. ^[2]^{[ нужен лучший источник ]} часто с участием нескольких уровней (уже скрученные провода скручиваются в небольшие группы, те — в более крупные группы и т. д.). Результатом этих схем намотки является выравнивание доли общей длины, по которой каждая жила находится снаружи проводника. Это приводит к равномерному распределению тока между жилами провода, уменьшая импеданс .

Литцендрат используется в высокодобротных индукторах радиопередатчиков работающих и приемников, на низких частотах, в оборудовании индукционного нагрева и импульсных источниках питания .

Термин «литцевая проволока» происходит от слова Litzendraht (колл. Litze ), немецкого слова , обозначающего плетеную/многожильную проволоку. ^[3] или плетеная проволока. ^[4]^{[ нужен лучший источник ]}

Принцип работы

Литцендрат уменьшает увеличение сопротивления постоянному току, омические потери на тепло провода, которые происходят на частотах переменного тока из-за скин-эффекта , и вносит небольшие дополнительные потери из-за эффекта магнитной близости .

Из-за двойного обратного характера Э/М поля скин-эффект доминирует на частотах менее ~ 2 МГц, на более высоких частотах доминирующей силой становится эффект близости (электромагнетизм) , а литцендрат вызывает большие потери постоянного тока, чем сплошные провода или трубчатые проводники. .

Скин-эффект

Сопротивление ; проводника зависит от площади его поперечного сечения проводник большей площади имеет меньшее сопротивление при данной длине. Однако на высоких частотах переменный ток (AC) не проникает глубоко в проводники из-за вихревых токов , индуцированных в материале; он имеет тенденцию течь у поверхности. Это называется скин-эффектом . Поэтому в твердом проводнике, таком как провод, ток имеет тенденцию течь в слое или кольце на поверхности, и меньший ток течет через материал вблизи центра провода. Поскольку используется меньшая площадь поперечного сечения провода, сопротивление провода больше, чем для постоянного тока (DC). Чем выше частота тока, тем меньше глубина, на которую ток проникает, и ток «втесняется» во все меньшую площадь поперечного сечения вдоль поверхности, поэтому сопротивление провода переменному току увеличивается с частотой.

Глубина проникновения переменного тока в проводник определяется параметром, называемым глубиной скин-слоя , который представляет собой глубину, на которой ток снижается до 1/ e ≈ 37% от его поверхностного значения. Глубина скин-слоя уменьшается с частотой. На низких частотах, при которых глубина скин-эффекта больше диаметра провода, скин-эффект незначителен, а распределение тока и сопротивление практически такие же, как и при постоянном токе. По мере того, как частота возрастает и глубина скин-слоя становится меньше диаметра провода, скин-эффект становится значительным, ток все больше концентрируется вблизи поверхности, а сопротивление на единицу длины провода увеличивается выше его значения постоянного тока. Примеры глубины скин-слоя в медном проводе на разных частотах

При частоте 60 Гц толщина скин-слоя медного провода составляет около 7,6 мм (0,30 дюйма).
При частоте 60 000 Гц (60 кГц) толщина скин-слоя медного провода составляет около 0,25 миллиметра (0,0098 дюйма).
На частоте 6 000 000 Гц (6 МГц) ^[5] толщина скин-слоя медного провода составляет около 25 микрометров (0,00098 дюйма).

Круглые проводники, такие как провода или кабели, толщина которых превышает несколько слоев кожи, не проводят большого тока вблизи своей оси, поэтому металл, расположенный в центральной части провода, не используется эффективно.

Эффект близости

В приложениях, где несколько проводов, по которым протекает один и тот же ток, лежат рядом, например, в обмотках индуктора и трансформатора , второй аналогичный эффект, называемый эффектом близости, вызывает дополнительное скопление тока, что приводит к дополнительному увеличению сопротивления провода с увеличением частоты. В двух проводах, проложенных параллельно друг другу, с одинаковым переменным током, текущим в обоих проводах, магнитное поле соседнего провода индуцирует в проводе продольные вихревые токи, в результате чего ток концентрируется в узкой полоске на стороне, прилегающей к проводу. другой провод. Это имеет эффект, аналогичный скин-эффекту; ток скапливается в меньшей площади поперечного сечения провода, поэтому сопротивление увеличивается.

Как работает литцендрат

Один из способов уменьшить сопротивление — разместить больше проводящего материала вблизи поверхности, где протекает ток, заменив провод полой медной трубкой. Большая площадь поверхности трубки проводит ток с гораздо меньшим сопротивлением, чем сплошной провод с той же площадью поперечного сечения. Резервуарные катушки радиопередатчиков большой мощности часто изготавливаются из медных трубок, покрытых серебром снаружи для уменьшения сопротивления. Однако трубки не являются гибкими, и для их изгиба и придания формы требуются специальные инструменты.

Литцензура — это еще один метод, в котором используется многожильный провод с индивидуально изолированными проводниками (образующими пучок ). Каждый тонкий проводник имеет толщину скин-эффекта, поэтому отдельная жила не испытывает заметной потери скин-эффекта. Жилы должны быть изолированы друг от друга, иначе все провода в пучке закоротятся, будут вести себя как один большой провод и по-прежнему будут иметь проблемы скин-эффекта. Кроме того, нити не могут занимать одно и то же радиальное положение в пучке на больших расстояниях: электромагнитные воздействия, вызывающие скин-эффект, все равно нарушат проводимость. Схема переплетения или скручивания проводов в пучке рассчитана таким образом, чтобы отдельные жилы находились на некотором расстоянии снаружи пучка (где изменения ЭМ поля меньше и жила испытывает низкое сопротивление) и находились внутри пучка. пучок на расстояние (где изменения ЭМ поля самые сильные и сопротивление выше). Если все жилы имеют сопоставимый импеданс, ток распределяется одинаково по каждой жиле кабеля. Это позволяет внутренней части многожильного провода влиять на общую проводимость жгута.

Другой способ объяснить преимущества плетения плетения заключается в следующем: магнитные поля, создаваемые током, протекающим в прядях, имеют такие направления, что они имеют меньшую тенденцию генерировать противоположное электромагнитное поле в других прядях. Таким образом, для провода в целом снижается скин-эффект и связанные с ним потери мощности при использовании в высокочастотных приложениях. Отношение распределенной индуктивности к распределенному сопротивлению увеличивается по сравнению с твердым проводником, что приводит к более высокой добротности на этих частотах.

Эффективность

Терман (1943 , стр. 37, табл. 18, 78) дает выражение для отношения сопротивления переменному току к сопротивлению постоянному току для изолированного многожильного провода. ^[6] Это не относится к обмоткам с несколькими витками. Выражение для коэффициента сопротивлений обмоток дано Салливаном (1999) в уравнении 2 и Приложении A (стр. 289).

Литцендрат очень эффективен на частотах ниже 500 кГц; он редко используется на частотах выше 2 МГц , поскольку там он гораздо менее эффективен. ^[1] На частотах выше примерно 1 МГц преимущества постепенно сводятся на нет эффектом паразитной емкости между жилами. ^[7] На микроволновых частотах глубина скин-слоя намного меньше диаметра жил, а ток, проходящий через внутренние жилы, индуцирует сильные вихревые токи во внешних жилах, что сводит на нет преимущества многожильного провода до такой степени, что он выполняет большую функцию. хуже, чем сплошная проволока того же диаметра. ^[8]

Многожильный провод имеет более высокий импеданс на единицу площади поперечного сечения, но многожильный провод можно использовать с кабелями большей толщины, что снижает или поддерживает сопротивление кабеля на более высоких частотах. ^[9]В конструкции литцевых проводов обычно используются чрезвычайно тонкие провода, часто доступные с серебряной пластиной или из цельного серебра. На отдельных жилах часто используется низкотемпературное лаковое покрытие, для плавления которого обычно требуется температура серебряного припоя, которое удаляется при выполнении соединений. Пучки проводов также могут иметь шелковую внешнюю изоляцию.

Приложения

Литцендрат используется для изготовления индукторов и трансформаторов , особенно для высокочастотных применений, где скин-эффект более выражен, а эффект близости может стать еще более серьезной проблемой. Литцендрат — это один из видов многожильного провода , но в данном случае причина его использования не в том, чтобы избежать полного разрыва провода из-за усталости материала .

Литцендрат часто встречается в силовых установках на частотах от десятков до сотен килогерц, а именно в индукционных плитах и передатчиках индуктивных зарядных устройств (например, стандарта Qi ). Множественные параллельные скрученные жилы эмалированных проводов можно встретить и в трансформаторах, в некоторых импульсных источниках питания.

Передающая станция WWVB

NIST использует литцендрат на станции вещания временного кода WWVB . Станция передает на частоте 60 кГц. Литцендрат используется для спирали и вариометра в обоих спиралевидных домиках. Он состоит из 9 × 5 × 5 × 27 (всего 6075) жил магнитного провода № 36 AWG (0,127 мм (0,0050 дюйма) в диаметре) и нескольких слоев изоляции из хлопка, пеньки и пластика в кабеле диаметром ¾ дюйма (19 мм). ) в диаметре, что составляет 151 875 круговых милов меди. ^[10]

См. также

Мишура проволока

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Терман (1943 , стр. 37)
^ Типы и конструкция литцендратных проводов , New England Wire Technologies, 2019 г.
^ См . английский перевод Литцендрахта . См. перевод Litze (шнур, прядь, плетение, тесьма на военной форме) и перевод Draht (проволока, нить, прядь) . См. также немецкий перевод слова Wire .
^ «MWS Wire Industries – Litz Wire» . Проверено 24 июля 2024 г. , «Litz Wire – общая информация, круглый, паяемый, нестандартные цвета и изоляция» . Архивировано из оригинала 16 апреля 2010 г. Проверено 25 мая 2010 г. и http://www.litz-wire.com/applications.html. Архивировано 28 февраля 2014 г. на сайте Wayback Machine. Переведите Litzendraht на плетеную проволоку.
^ Литцендрат непрактичен на частоте 6 МГц; см. Терман (1943 , с. 37).
^ Терман цитирует Баттерворта (1926).
^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 февраля 2016 г. Проверено 5 октября 2016 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
^ Войда, Рафаль П. (сентябрь 2016 г.). Сопротивление обмоток и потери мощности для индукторов с литцендратными и круглыми проводами . Конференция по силовой электронике и управлению движением (PEMC), 2016 IEEE International. IEEE. дои : 10.1109/EPEPEMC.2016.7752107 .
^ Глубина кожи, литцендрат, плетеные проводники и сопротивление, W8JI.
^ Хансен и Гиш (1995 , стр. 36)

Баттерворт, С. (август 1926 г.), «Эффективное сопротивление катушек индуктивности на радиочастоте», Wireless and Wireless Eng. , 3 : 483
Хансен, Педер М.; Гиш, Даррелл (февраль 1995 г.), «Антенна WWVB и система настройки антенн: базовые измерения» (PDF) , Центр военно-морского командования, управления и наблюдения за океаном , Технический отчет 1693, заархивировано из оригинала 14 апреля 2016 г.
Салливан, Чарльз Р. (март 1999 г.), «Оптимальный выбор количества жил в обмотке трансформатора из литценового провода» (PDF) , IEEE Transactions on Power Electronics , 14 (2): 283–291, Bibcode : 1999ITPE ... 14..283С , дои : 10.1109/63.750181
Терман, Фредерик Э. (1943), Справочник радиоинженера , McGraw-Hill, стр. 37, 74, 80.

Внешние ссылки

Манфред Альбах, Янина Патц, Ханс Россманит, Дитмар Экснер, Александр Штадлер: Оптимизированная обмотка = оптимальная энергоэффективность, Сравнение потерь в литцевых и круглых проводах. Оригинальный текст был опубликован в немецком журнале Elektronik Power, апрель 2010 г., страницы 38. –77
NAA Катлер, штат Мэн - Зона ОНЧ-передатчика ВМФ: 2 МВт, 14–24 кгц . В военно-морском передатчике используется литцендрат диаметром 4 дюйма; изображение вариометра.

[Terman1943_p37-1] Jump up to: ^а ^б Терман (1943 , стр. 37)

[2] Типы и конструкция литцендратных проводов , New England Wire Technologies, 2019 г.

[3] См . английский перевод Литцендрахта . См. перевод Litze (шнур, прядь, плетение, тесьма на военной форме) и перевод Draht (проволока, нить, прядь) . См. также немецкий перевод слова Wire .

[4] «MWS Wire Industries – Litz Wire» . Проверено 24 июля 2024 г. , «Litz Wire – общая информация, круглый, паяемый, нестандартные цвета и изоляция» . Архивировано из оригинала 16 апреля 2010 г. Проверено 25 мая 2010 г. и http://www.litz-wire.com/applications.html. Архивировано 28 февраля 2014 г. на сайте Wayback Machine. Переведите Litzendraht на плетеную проволоку.

[5] Литцендрат непрактичен на частоте 6 МГц; см. Терман (1943 , с. 37).

[6] Терман цитирует Баттерворта (1926).

[7] «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 февраля 2016 г. Проверено 5 октября 2016 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )

[8] Войда, Рафаль П. (сентябрь 2016 г.). Сопротивление обмоток и потери мощности для индукторов с литцендратными и круглыми проводами . Конференция по силовой электронике и управлению движением (PEMC), 2016 IEEE International. IEEE. дои : 10.1109/EPEPEMC.2016.7752107 .

[9] Глубина кожи, литцендрат, плетеные проводники и сопротивление, W8JI.

[10] Хансен и Гиш (1995 , стр. 36)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]