Скін-ефект, що це

У статті А.Грішіна "Зменшення нагріву деталей фільтрів в ланцюгах живлення процесора." описана доопрацювання накопичувального дроселя інвертора з метою зниження його тепловиділення. Нижче розказано чому це відбувається і дані графіки для практичного застосування.

Пишуть, що скін-ефект виникає при протіканні по провіднику струму, за рахунок витіснення його до поверхні провідника магнітним полем струму. Цей ефект має слабку вплив на провідниках з малою відносною магнітною проникністю.

Зараз нас цікавлять матеріали, використовувані для тоководов, а це мідь (Cu) і алюміній (Al). Їх відносна магнітна проникність дорівнює 1. Для цих металів можна говорити про ослаблення електромагнітного (ЕМ) поля з глибиною проникнення в метал. Це глибина проникнення визначається за формулою:

тут:
# 961; - питомий опір Ом / см,
# 956; - відносна магнітна проникність матеріалу, для міді й алюмінію = 1,
# 956; 0 - магнітна проникність вакууму рівна 1,256 • 10 -8 Гн • см -1.
f - частота Гц.

В цьому випадку X 0 визначає ослаблення ЕМ поля в 2,718 разів.

Для міді можна використовувати спрощену формулу:

Тут f в герцах.

При ослаблення ЕМ поля в 10 і 100 разів відповідно, глибина проникнення дорівнює:

До чого призводить це явище?

На малюнку показана ефективність використання площі перетину циліндричного провідника. Тут X 0 і є глибина проникнення ЕМ поля. В результаті при проходженні постійного струму працює весь переріз провідника, а при проходженні по ньому змінного струму тільки зовнішня область (трубка). З ростом частоти X 0 зменшується. Зменшується і площа провідника, по якій тече струм.

У цьому випадку робоча площа визначається як:

Нижче Ви бачите графік залежності X 0 від частоти f.

Це ділянка низьких частот.

А це для високих частот. По ньому можна вибрати необхідний діаметр проводу.

На обох малюнках червона крива для X 0,01. синя для X 0,1. зелена для X 0.

Для реального застосування можна розглядати значення X 0 або X 0,1. що відповідає ослаблення струму, що протікає до 36% і 10% відповідно. На частоті 10 6 Гц (1Е + 06 на графіку) X 0,1 = 0,17 мм. Це означає при використанні провідників товщиною (діаметром для круглого перетину) більше 2 X 0,1 (0,34 мм), не використовується для протікання струму внутрішня частина провідника. Для високочастотної частини струмів це еквівалентно збільшенню опору провідника.

Це призводить до того, що на підвищеному опорі виділяється потужність і провідники просто гріються. Подібна ситуація відбувається в провідниках накопичувальних дроселів інверторів живлять потужні споживачі подібні сучасним високопродуктивним процесорам.

Ці інвертори описані ******. а їх доопрацювання в статті з журналу Радіо. Частота їх перемикання 80-180 КГц при часу перемикання порядку часткою мікросекунди. ВЧ межа спектра струму, що протікає знаходиться на частоті порядку одиниць мегагерц.

При використанні в накопичувальної індуктивності L1 обмотки, виконаної мідним дротом діаметром 1,7 мм, на максимальних частотах опір провідника зростає в 2,77 разів у порівнянні з постійним струмом.

S / SD = 1 d 2 / D 2 = 0,36 або в 2,77 рази менше. Відповідно і опір в 2,77 разів вище.

При використанні джгута з 25 ізольованих провідників діаметром 0,34 мм опір джгута буде приблизно однаковому на постійному струмі і на частоті близько 1 мегагерци. На більш високих частотах втрати будуть рости.

Втрати і тепловиділення на такому джгуті на частоті 1 МГц знизяться в 2,77 рази.