Литцендрат — это особый тип многожильного провода или кабеля, используемого в электронике для передачи переменного тока (AC) на радиочастотах . Провод предназначен для уменьшения потерь из-за скин-эффекта и эффекта близости в проводниках, используемых на частотах до примерно1 МГц . [1]
Он состоит из множества тонких проволочных жил, индивидуально изолированных и скрученных или сплетенных вместе, следуя одному из нескольких тщательно прописанных шаблонов [2] [ нужен лучший источник ] часто с использованием нескольких уровней связывания (уже скрученные провода скручиваются вместе в небольшие пучки, которые затем скручиваются в более крупные пучки и т. д.). Результатом этих схем намотки является выравнивание доли общей длины, на которой каждая жила находится снаружи проводника. Это имеет эффект равномерного распределения тока между проволочными жилами, уменьшая импеданс .
Литцендрат используется в высокодобротных индукторах для радиопередатчиков и приемников, работающих на низких частотах, в индукционном нагревательном оборудовании и импульсных источниках питания .
Термин «литцендрахт» происходит от немецкого слова Litzendraht ( разг. Litze ), что означает « скрученный/многожильный провод » [3] или « сплетенный провод » . [4] [ нужен лучший источник ]
Литцендрат уменьшает увеличение сопротивления постоянному току (DC), омические потери на тепло, возникающие в проводе на частотах переменного тока из-за скин-эффекта , и вносит небольшие дополнительные потери из-за эффекта магнитной близости .
Из-за двойной инверсной природы электромагнитного поля скин-эффект доминирует на частотах ниже примерно2 МГц , на более высоких частотах доминирующей силой становится эффект близости, и литцендрат вызывает больше потерь постоянного тока, чем сплошные провода или трубчатые проводники.
Сопротивление проводника зависит от площади его поперечного сечения; проводник с большей площадью имеет меньшее сопротивление для данной длины. Однако на высоких частотах переменный ток (AC) не проникает глубоко в проводники из-за вихревых токов , индуцированных в материале ; он имеет тенденцию течь вблизи 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 протекает 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 проникает ток, и ток «теснится» во все меньшую площадь поперечного сечения вдоль поверхности, поэтому сопротивление переменного тока провода увеличивается с частотой.
Глубина, на которую проникает переменный ток в проводник, определяется параметром, называемым глубиной скин-слоя , которая представляет собой глубину, на которой ток уменьшается до 1/ e ≈ 37% от его поверхностного значения. Глубина скин-слоя уменьшается с частотой. На низких частотах, на которых глубина скин-слоя больше диаметра провода, скин-эффект незначителен, а распределение тока и сопротивление практически такие же, как при постоянном токе. По мере того, как частота растет 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
Круглые проводники, например, провода, толщина которых превышает несколько скин-слоев, не проводят большой ток вблизи своей оси, поэтому металл, расположенный в центральной части провода, используется неэффективно.
В приложениях, где несколько проводов, по которым течет один и тот же ток, лежат рядом, например, в обмотках индуктора и трансформатора , второй похожий эффект, называемый эффектом близости, вызывает дополнительное скопление тока, что приводит к дополнительному увеличению сопротивления провода с частотой. В двух проводах, идущих параллельно рядом друг с другом, с одинаковым переменным током, текущим в обоих проводах, магнитное поле соседнего провода индуцирует продольные вихревые токи в проводе, что заставляет ток концентрироваться в узкой полоске на стороне, прилегающей к другому проводу. Это имеет аналогичный эффект, что и скин-эффект; ток скопляется в меньшей площади поперечного сечения провода, поэтому сопротивление увеличивается.
Один из методов снижения сопротивления заключается в размещении большего количества проводящего материала вблизи поверхности, где находится ток, путем замены провода полой медной трубкой. Большая площадь поверхности трубки проводит ток с гораздо меньшим сопротивлением, чем сплошной провод с той же площадью поперечного сечения. Коллекторы мощных радиопередатчиков часто изготавливаются из медных трубок, покрытых серебром снаружи, для снижения сопротивления. Однако трубки не гибкие и требуют специальных инструментов для сгибания и придания им формы.
Другой метод — многожильный провод с индивидуально изолированными проводниками (образующими пучок ). Каждый тонкий проводник меньше глубины скин-слоя, поэтому отдельная жила не испытывает заметных потерь из-за скин-эффекта. Жилы должны быть изолированы друг от друга — в противном случае все провода в пучке будут закорачиваться вместе, вести себя как один большой провод и все еще иметь проблемы скин-эффектом. Кроме того, жилы не могут занимать одно и то же радиальное положение в пучке на больших расстояниях: электромагнитные эффекты, вызывающие скин-эффект, все равно будут нарушать проводимость. Схема переплетения или скручивания проводов в пучке спроектирована таким образом, что отдельные жилы находятся снаружи пучка на некотором расстоянии (где изменения электромагнитного (ЭМ) поля меньше, а жила испытывает низкое сопротивление) и находятся внутри пучка на некотором расстоянии (где изменения ЭМ поля сильнее всего, а сопротивление выше). Если все жилы имеют сопоставимое электрическое сопротивление , ток распределяется равномерно по каждой жиле в кабеле. Это позволяет внутренней части литцендратной проволоки вносить вклад в общую проводимость пучка.
Другой способ объяснить преимущество литцендратной оплетки заключается в следующем: магнитные поля , создаваемые током, текущим в жилах, направлены так, что они имеют пониженную тенденцию генерировать противоположное электромагнитное поле в других жилах. Таким образом, для провода в целом скин-эффект и связанные с ним потери мощности при использовании в высокочастотных приложениях уменьшаются. Отношение распределенной индуктивности к распределенному сопротивлению увеличивается по сравнению со сплошным проводником, что приводит к более высокому коэффициенту добротности на этих частотах.
Литцендрат очень эффективен ниже500 кГц ; выше используется редко2 МГц, так как там он гораздо менее эффективен. [6]
На частотах выше примерно1 МГц , преимущества постепенно нивелируются эффектом паразитной емкости между жилами. [7] На микроволновых частотах глубина скин-слоя намного меньше диаметра жил, и ток, который пропускается через внутренние жилы, вызывает сильные вихревые токи во внешних жилах, что сводит на нет преимущества литцендратовой проволоки до такой степени, что она работает намного хуже, чем сплошная проволока того же диаметра. [8]
Провод литцендрат имеет более высокое сопротивление на единицу площади поперечного сечения, но провода литцендрат могут использоваться в кабелях более толстых размеров, тем самым уменьшая или поддерживая сопротивление кабеля на более высоких частотах. [9] [ нужен лучший источник ] Конструкция проводов литцендрат обычно включает в себя чрезвычайно тонкие провода, часто доступные с серебряной пластиной или сплошным серебром. Отдельные жилы часто используют низкотемпературное лаковое покрытие, для плавления которого обычно требуются температуры серебряного припоя, которые удаляются при выполнении соединений. Связки проводов также могут использовать шелковую внешнюю изоляцию.
Литцендрат используется для изготовления индукторов и трансформаторов , особенно для высокочастотных применений, где скин-эффект более выражен, а эффект близости может быть еще более серьезной проблемой. Литцендрат является одним из видов многожильного провода , но в этом случае причина его использования не является обычной, а заключается в предотвращении полного разрыва провода из-за усталости материала .
Провод Litz часто встречается в силовых приложениях в диапазоне частот от нижних десятков до верхних сотен килогерц, а именно в индукционных плитах и передатчиках индуктивных зарядных устройств (например, стандарта Qi ). Несколько параллельных скрученных жил эмалированных проводов можно также найти в трансформаторах в некоторых импульсных источниках питания.
NIST использует литцендрат на станции вещания временного кода WWVB . Станция передает на частоте 60 кГц. Литцендрат используется для спирали и вариометра в обоих домах спиралей. Он состоит из 9 × 5 × 5 × 27 (всего 6075) жил магнитного провода #36 AWG (диаметр 0,127 мм [0,0050 дюйма]) и нескольких слоев хлопковой, пеньковой и пластиковой изоляции в кабеле диаметром 3 ⁄ 4 дюйма (19 мм), что в общей сложности составляет 151 875 круглых мил меди. [10]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )