Mengapa tidak ada kawat inti non-konduktor untuk aplikasi koil frekuensi tinggi

12

Latar Belakang

Formula efek kulit yang umum diketahui berasal dan hanya berlaku untuk konduktor padat. "Kedalaman kulit" yang umum digunakan hanya berlaku dalam kasus ini. Karena alasan inilah dalam beberapa aplikasi tabung digunakan, karena ini jauh lebih efisien daripada kabel berdiameter sama pada frekuensi yang cukup tinggi.

Pada 1MHz kedalaman kulit dari kawat tembaga adalah 65μm yang berarti bahwa hanya 40% dari volume kawat berdiameter 1mm membawa 95% dari arus, dengan> 35% dari itu di luar 20%.

Dari formula kedalaman kulit diketahui bahwa bahan konduktivitas yang lebih rendah (misalnya, aluminium) memiliki kedalaman kulit yang jauh lebih besar daripada konduktivitas yang lebih tinggi (misalnya, tembaga). Seperti yang diramalkan formula, kedalaman kulit berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari konduktivitas. Jika kita membawa ini pada konsekuensi logisnya, seharusnya menjadi kasus bahwa untuk tabung penghantar (yang memiliki inti insulasi) kedalaman kulit harus lebih besar daripada konduktor padat yang setara.

Sebagai intuisi alternatif, konduktor inti berinsulasi berdinding tipis akan memiliki hampir dua kali luas permukaan konduktor padat. Jadi itu seharusnya mendekati hampir setengah dari resistensi pada frekuensi yang cukup asimtotik.

Efeknya, seperti dapat dilihat dalam makalah ini dari HB Dwight pada tahun 1922 (kemungkinan paywall) , peningkatan frekuensi resistansi wrt untuk tabung yang ketebalan dindingnya 20% dari diameternya lebih dari faktor dua lebih rendah daripada untuk solid kawat.

Dari kurva di atas dapat dilihat bahwa tabung dengan t = 200μm dan d = 1mm, karena peningkatan kedalaman kulit aktual, harus memiliki kurang dari 50% peningkatan impedansi dari kawat d = 1mm padat (perhatikan bahwa kurva dinormalisasi wrt , jadi interpretasi agak rumit). $F / R_{dc}$

Efek yang serupa (meskipun tidak sedramatis) dapat diamati dengan kawat puntiran yang diisolasi secara individual.

Aplikasi

Dalam aplikasi frekuensi menengah, seperti misalnya mengganti catu daya, adalah umum untuk menggunakan Litz Wire, kawat berinsulasi multi-untai yang mengurangi kerugian akibat efek kulit tetapi menjadi kurang dan kurang efektif pada frekuensi yang lebih tinggi (~ 1MHz) karena efek kedekatan dan kopling kapasitif dari untaian individu.

Mungkin lebih banyak keuntungan (terutama berkenaan dengan efek kedekatan) dapat diperoleh jika ada beberapa helai individu yang tertanam di sekitar pinggiran inti yang tidak melakukan.

Pertanyaan

Apakah saya melewatkan sesuatu dalam teorinya?

Jika tidak, mengapa kawat inti tidak terisolasi (baik tabung atau helai di sekitar inti) dieksploitasi secara komersial untuk aplikasi induktor frekuensi tinggi?

Tambahan

Seperti yang ditunjukkan oleh John Birckhead, kawat datar pada dasarnya memiliki kelebihan yang sama dengan tidak ada kerugian (misalnya, faktor pengisian). Tapi ini membuat saya bertanya:

Mengapa kawat pipih berinsulasi inti tidak digunakan untuk aplikasi ini? Seharusnya memiliki keuntungan yang sama dari kawat datar dengan hampir setengah hambatan pada frekuensi yang cukup tinggi. Apakah kemungkinan untung tidak penting?

— Edgar Brown
sumber

1

Komentar bukan untuk diskusi panjang; percakapan ini telah dipindahkan ke obrolan . Setiap kesimpulan yang dicapai harus diedit kembali ke pertanyaan dan / atau jawaban apa pun.

— Dave Tweed

1

Saya perlu membacanya lebih lanjut, tetapi saya menemukan set halaman ini di Litz wire . Hanya sebuah catatan.

— Jonk

9

Tidak, Anda benar dalam teorinya, tetapi pendekatan Anda mengarah pada peningkatan volume yang tidak perlu jika dibandingkan dengan menggunakan kawat datar, yang keduanya lebih mudah dibuat dan memberikan keuntungan yang sama untuk efek kulit dan keuntungan efisiensi volumetrik.

— John Birckhead
sumber

2

Saya belum pernah melihat kawat datar yang digunakan dalam aplikasi RF, transformator, atau induktor sementara kawat Litz cukup umum. Bisakah Anda memperluas jawaban Anda untuk menunjukkannya dan bagaimana membandingkannya?

— Edgar Brown

1

Lihat mouser.com/pdfdocs/bourns_ic046_flatwire_inductor_appnote.pdf

— John Birckhead

2

Untuk pertanyaan Anda, kawat Litz juga memiliki efisiensi volumetrik yang buruk untuk aplikasi arus tinggi karena isolasi dan cara kabel saling bersilangan di koil. Juga sulit untuk mengakhiri pada arus tinggi untuk mendapatkan distribusi yang merata. Ini berguna pada arus rendah ketika Anda tidak dibatasi ruang, karena kawat datar sulit untuk angin.

— John Birckhead

1

Jika intuisi saya benar, kawat datar dengan inti non-konduktif akan memiliki impedansi lebih sedikit pada frekuensi yang lebih tinggi daripada kawat datar (dan itu seharusnya relatif mudah dibangun dengan meratakan tabung berisi isolasi tipis). Jadi, meskipun ini menunjuk ke arah yang benar dan memang menjawab aspek utama dari pertanyaan, itu tidak sepenuhnya mengatasinya. Apakah keuntungannya tidak signifikan, atau ruang aplikasi tidak ada?

— Edgar Brown

3

Pertama-tama, terima kasih untuk pertanyaan yang benar-benar menarik dan dinyatakan dengan baik, (dekat dengan hatiku menjadi seorang pria magnetis). Hanya saja lebih mudah meratakan kawat hingga ke kedalaman kulit - hanya akan ada perbedaan kecil karena ada isolasi antara dua lapisan seperti halnya ada isolasi dalam skenario Anda di tengah-tengah konduktor yang diusulkan, dan Anda bisa mendapatkan palang yang sama bagian dengan kawat datar yang lebih luas. Ini akan menjadi studi yang menarik untuk menentukan berapa banyak jika ada keuntungan yang diperoleh - itu memang "terasa" seperti kapasitansi yang berliku mungkin kurang.

— John Birckhead

6

Entri Wikipedia untuk kawat Litz berisi jawaban langsung pertanyaan Anda tentang "Mengapa tabung kosong tidak digunakan sebagai gantinya?":

Salah satu teknik untuk mengurangi resistansi adalah menempatkan lebih banyak bahan konduktif di dekat permukaan di mana arus adalah dengan mengganti kawat dengan tabung tembaga berongga. Luas permukaan yang lebih besar dari tabung melakukan arus dengan resistensi jauh lebih sedikit daripada kawat padat dengan luas penampang yang sama. Gulungan tangki pemancar radio berdaya tinggi sering dibuat dari pipa tembaga, berlapis perak di bagian luar, untuk mengurangi resistensi. Namun tabung tidak fleksibel dan membutuhkan alat khusus untuk menekuk dan membentuk.

Artikel selanjutnya menjelaskan mengapa kawat Litz memberikan solusi alternatif.

— JS.
sumber

5

Pemanasan Induksi (Industri) biasanya menggunakan tabung tembaga berongga untuk induktor.

Ketika Anda menjalankan 1000 kW atau lebih tinggi, Anda lebih baik percaya kehilangan tembaga perlu diminimalkan.

Selain itu, inti berlubang digunakan untuk pendinginan air.

Terkadang tembaga disebut "hollow bar". Muncul dalam bentuk persegi panjang atau bulat. Ini tidak biasa untuk memesan "mill run" untuk mendapatkan bar berongga dan ketebalan yang diinginkan.

Gambar dari luvata dot com

— Marla
sumber

1

Berapa frekuensi ini biasanya beroperasi?

— Edgar Brown

1

@EdgarBrown. . Pemanas induksi digunakan dari 50 Hz hingga beberapa megahertz. Sebagian besar di bawah 50 kHz.

— Marla

-2

Memang ada varian pada kawat inti berinsulasi untuk aplikasi frekuensi sangat tinggi. Ini disebut pandu gelombang. Ini tabung hampa yang digunakan untuk melakukan RF. Saya memahami bahwa sinyal bergerak di dalam shell konduktor daripada di luar, tetapi gagasan hanya membutuhkan shell konduktor setebal yang ditentukan oleh efek kulit ada di sana.

Tidak banyak digunakan untuk induktor.

— elchambro
sumber

5

Waveguide adalah hal yang agak berbeda. RF bepergian di udara itu sendiri, dan "dipantulkan" dari dalam (untuk menyederhanakan), daripada benar-benar bepergian dalam logam dari Waveguide itu sendiri,

— mbrig

2

@ Mbrig: perbedaannya tidak sebesar yang Anda pikirkan. Juga menggunakan kabel padat pada frekuensi tinggi sebagian besar daya mengalir di bidang di sekitar konduktor, bukan di dalam konduktor. Lih Vektor poynting .

— Curd