Perché non esiste un filo conduttore non conduttivo per applicazioni a bobina ad alta frequenza

sfondo

Le formule di effetto pelle comunemente note sono derivate e si applicano solo ai conduttori solidi. La "profondità della pelle" comunemente usata si applica solo in questi casi. È per questo motivo che in alcune applicazioni vengono utilizzati tubi, poiché sono molto più efficienti in termini di peso rispetto allo stesso filo di diametro con una frequenza sufficientemente elevata.

A 1 MHz la profondità della pelle del filo di rame è di 65 micron, il che significa che solo il 40% del volume di un filo di diametro 1 mm trasporta il 95% della corrente, con> 35% di esso all'esterno del 20%.

Dalle formule di profondità della pelle è noto che un materiale a bassa conducibilità (ad es. Alluminio) ha una profondità della pelle che è considerevolmente più grande di uno a conducibilità superiore (ad es. Rame). Come prevede la formula, la profondità della pelle è inversamente proporzionale alla radice quadrata della conducibilità. Se portiamo questo alle sue conseguenze logiche, dovrebbe accadere che per un tubo conduttore (che ha un nucleo di isolamento) la profondità della pelle dovrebbe essere maggiore di quella di un conduttore solido equivalente.

Come intuizione alternativa, un conduttore a nucleo isolato con pareti sottili avrebbe quasi il doppio della superficie di un conduttore solido. Quindi dovrebbe avvicinarsi asintoticamente a quasi metà della resistenza con una frequenza sufficientemente elevata.

In effetti, come si può vedere in questo articolo di HB Dwight nel 1922 (possibile paywall) , l'aumento della frequenza del wrt di resistenza per un tubo il cui spessore della parete è del 20% del suo diametro è più di un fattore due inferiore rispetto a un solido filo.

Dalle curve sopra si può vedere che un tubo con t = 200µm e d = 1mm, a causa della maggiore profondità effettiva della pelle, dovrebbe avere meno del 50% dell'incremento di impedenza rispetto a un filo solido d = 1mm (si noti che il le curve sono normalizzate rispetto a , quindi l'interpretazione è un po 'complicata).$F / R_{dc}$

Effetti simili (anche se non così drammatici) possono essere osservati con filo a trefoli isolato individualmente.

Applicazione

Nelle applicazioni a media frequenza, come ad esempio gli alimentatori a commutazione, è comune usare Litz Wire un filo isolato a più trefoli che riduce le perdite dovute all'effetto pelle ma diventa sempre meno efficace a frequenze più alte (~ 1MHz) a causa del effetto di prossimità e accoppiamento capacitivo dei singoli trefoli.

Probabilmente si potrebbero ottenere più guadagni (in particolare rispetto agli effetti di prossimità) se vi fossero più singoli fili incorporati attorno alla periferia di un nucleo non conduttore.

Domanda

Ho perso qualcosa nella teoria?

In caso contrario, perché il filo isolante isolato (tubi o trefoli attorno ad un nucleo) non viene sfruttato commercialmente per applicazioni con induttori ad alta frequenza?

appendice

Come sottolinea la risposta di John Birckhead, il filo piatto presenta sostanzialmente gli stessi vantaggi senza nessuno degli svantaggi (ad es. Fattore di riempimento). Ma questo mi porta a chiedere:

Perché non viene utilizzato filo piatto con anima isolata per queste applicazioni? Dovrebbe avere lo stesso vantaggio del filo piatto con quasi la metà della resistenza a frequenze abbastanza alte. I possibili guadagni sono irrilevanti?

No, hai ragione nella teoria, ma il tuo approccio porta a un inutile aumento di volume rispetto all'uso del filo piatto, che è sia più facile da produrre che offre un vantaggio simile per l'effetto pelle e il vantaggio dell'efficienza volumetrica.

La voce di Wikipedia per il filo di Litz contiene una risposta diretta alla tua domanda "Perché non vengono utilizzati i tubi cavi?":

Una tecnica per ridurre la resistenza è quella di posizionare più materiale conduttivo vicino alla superficie dove si trova la corrente sostituendo il filo con un tubo di rame cavo. La maggiore superficie del tubo conduce la corrente con una resistenza molto inferiore rispetto a un filo solido con la stessa area della sezione trasversale. Le bobine del serbatoio dei trasmettitori radio ad alta potenza sono spesso realizzate con tubi di rame, argentati all'esterno, per ridurre la resistenza. Tuttavia, i tubi non sono flessibili e richiedono strumenti speciali per piegare e modellare.

L'articolo continua descrivendo perché Litz Wire offre una soluzione alternativa.

Il riscaldamento a induzione (industriale) utilizza comunemente tubi di rame cavi per l'induttore.

Quando si esegue 1000 kW o superiore, è meglio credere che la perdita di rame debba essere ridotta al minimo.

Inoltre, il nucleo cavo viene utilizzato per il raffreddamento ad acqua.

A volte il rame è chiamato "barra vuota". È disponibile in forma rettangolare o rotonda. Non è raro ordinare una "corsa di fresatura" per ottenere la barra cava e lo spessore desiderati.

Immagine da luvata dot com

Esiste davvero una variante sul filo metallico isolato per applicazioni ad altissima frequenza. Si chiama guida d'onda. È un tubo cavo utilizzato per condurre RF. Sono consapevole che il segnale viaggia all'interno del guscio conduttore piuttosto che all'esterno, ma l'idea di aver bisogno solo del guscio conduttore tanto spesso quanto l'effetto della pelle impone è lì.

Tuttavia, non è molto utile per gli induttori.