эффект — это… Что такое Скин-эффект?

Скин-эффект (поверхностный эффект) — эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется неравномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.

Объяснение скин-эффекта

Физическая картина возникновения

Физическая картина возникновения скин-эффекта.

Рассмотрим цилиндрический проводник, по которому течёт ток. Вокруг проводника с током имеется магнитное поле, силовые линии которого являются концентрическими окружностями с центром на оси проводника. В результате увеличения силы тока возрастает индукция магнитного поля, а форма силовых линий при этом остаётся прежней. Поэтому в каждой точке внутри проводника производная направлена по касательной к линии индукции магнитного поля и, следовательно, линии также являются окружностями, совпадающими с линиями индукции магнитного поля. Изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции

создаёт электрическое индукционное поле, силовые линии которого представляют замкнутые кривые вокруг линии индукции магнитного поля. Вектор напряжённости индукционного поля в более близких к оси проводника областях направлен противоположно вектору напряжённости электрического поля, создающего ток, а в более дальних — совпадает с ним. В результате плотность тока уменьшается в приосевых областях и увеличивается вблизи поверхности проводника, то есть возникает скин-эффект.

Уравнение, описывающее скин-эффект

Исходим из уравнения Максвелла,

и выражения для по закону Ома:

Дифференцируя обе части полученного уравнения по времени, находим:

.

Поскольку

и

окончательно получаем:

.

Скин-эффект в бесконечном проводнике с плоской границей.

Для упрощения решения предположим, что ток течёт по однородному бесконечному проводнику, занимающему полупространство y>0 вдоль оси X. Поверхностью проводника является плоскость Y=0. Таким образом,

,

.

Тогда

.

В этом уравнении все величины гармонически зависят от t, и можно положить:

.

Подставим это в наше уравнение и получим уравнение для :

.

Общее решение этого уравнения таково:

.

Учитывая, что , где , находим

.

При удалении от поверхности проводника () второе слагаемое неограниченно возрастает, что является физически недопустимой ситуацией. Следовательно, и в качестве физически приемлемого решения остаётся только первое слагаемое. Тогда решение задачии имеет вид:

.

Взяв действительную часть от этого выражения и перейдя с помощью соотношения к плотности тока, получим

.

Принимая во внимание, что  — амплитуда плотности тока на поверхности проводника, приходим к следующему распределению объёмной плотности тока в проводнике:

.

Толщина скин-слоя

Объёмная плотность тока максимальна у поверхности проводника. При удалении от поверхности она убывает и на глубине становится меньше в е раз. Поэтому практически весь ток сосредоточен в слое толщиной . Она называется толщиной скин-слоя и на основании полученного выше равна

.

Очевидно, что при достаточно большой частоте толщина скин-слоя может быть очень малой. В качестве примера приведём зависимость глубины скин-слоя от частоты для медного проводника:

Частота
60 Гц	8,57 мм
10 кГц	0,66 мм
100 кГц	0,21 мм
1 МГц	66 мкм
10 МГц	21 мкм

Для расчёта толщины скин-слоя в металле (приближённо) можно использовать следующие эмпирические формулы:

.

Здесь = 8,85419·10⁻¹² Ф/м — абсолютная диэлектрическая проницаемость,  — удельное сопротивление, c — скорость света,  — относительная магнитная проницаемость (близка к единице для пара- и диамагнетиков — меди, серебра, и т. п.), . Все величины выражены в системе СИ.

,

 — удельное сопротивление,  — относительная магнитная проницаемость,  — частота.

Аномальный скин-эффект

Изложенная теория справедлива лишь при условии, что толщина скин-слоя много больше средней длины свободного пробега электронов, так как мы предполагаем, что при своём движении электрон непрерывно теряет энергию на преодоление омического сопротивления проводника, в результате чего происходит выделение джоулевой теплоты. Такое соотношение справедливо в весьма широких пределах, однако при очень низкой температуре ситуация резко меняется: проводимость сильно повышается, а следовательно, увеличивается длина свободного пробега и уменьшается толщина скин-слоя. При этих условиях механизм, приводящий к образованию скин-эффекта, уже не действует. Эффективная толщина слоя, в котором сосредоточен ток, изменяется. Такое явление называется аномальным скин-эффектом.

Применение

На скин-эффекте основано действие взрывомагнитных генераторов (ВМГ), взрывомагнитных генераторов частоты (ВМГЧ) и в частности ударно-волновых излучателей (УВИ).

Благодаря скин-эффекту на высоких частотах теплота выделяется преимущественно в поверхностном слое. Это позволяет раскалить проводник в тонком поверхностном слое без существенного изменения температуры внутренних областей. Данное явление используется в важном, с промышленной точки зрения, методе поверхностной закалки металлов.

Борьба с эффектом

С увеличением частоты переменного тока скин-эффект проявляется всё более явно, что заставляет учитывать его при конструировании и расчётах электрических схем, работающих с переменным и импульсным током. Например, вместо обычных медных проводов могут применяться медные провода, покрытые тонким слоем серебра. Серебро обладает наибольшей удельной проводимостью среди всех металлов, и тонкий его слой, в котором благодаря скин-эффекту и протекает бо́льшая часть тока, оказывает сильное влияние на активное сопротивление проводника. Скин-эффект значительно влияет на характеристики колебательных контуров, такие как добротность. В связи с тем, что ток высокой частоты течёт по тонкому поверхностному слою проводника, активное сопротивление проводника значительно возрастает, что приводит к быстрому затуханию колебаний высокой частоты. Для борьбы со скин-эффектом применяют проводники различного сечения: плоские (в виде лент), трубчатые (полые внутри), наносят на поверхность проводника слой металла с более низким удельным сопротивлением. Так, в ВЧ аппаратуре используют посеребрённые медные контуры, в высоковольтных линиях электропередач применяют провод в медной либо алюминиевой оболочке со стальным сердечником, в высокомощных генераторах переменного тока обмотка изготавливается из трубок, через которые пропускается жидкий водород для охлаждения. Также с целью подавления скин-эффекта используют систему из нескольких переплетённых и изолированных проводов — литцендрат. Все указанные методы борьбы со скин-эффектом малоэффективны для сверхвысокочастотного оборудования. В этом случае применяют колебательные контуры особой формы: объёмные резонаторы и специфические линии передач — волноводы.

Литература

Скин-система для обогрева трубопроводов, обогрев трубопровода скин-системой – ГК «ССТ»

Обогрев трубопроводов системой на основе скин-эффекта – максимально надёжный и безопасный способ защитить линию от холодов и мороза. Заинтересованным в энергосбережении и повышении энергоэффективности заказчикам обязательно стоит рассмотреть это решение. Также оно будет оптимальным для владельцев трубопроводов северных регионов.

Что такое СКИН-система обогрева

Второе название такой системы – ИРСН, что полностью звучит как «индукционно-резистивная система нагрева». Используется преимущественно для обогревания сверхдлинных трубопроводов.

Назначение СКИН-системы:

• выполняет функцию стартового разогрева;
• оберегает от замерзания;
• поддерживает нужную температуру.

За основу системы обогрева на основе скин-эффекта берется трубка из низкоуглеродистой стали. Это может быть алюминий или медь. Дополнительно по диаметру трубы проложен толстый и плотный слой утеплителя. Нагревательных элементов может быть от одного до трёх, в зависимости от того, какой должна быть мощность обогрева и какова длина трубопровода.

Преимущества СКИН-систем

Способ обогрева на основе скин-эффекта признан одним из самых результативных.

Преимущества:

• Если трубопровод менее 30 км требуется обогревать без сопроводительной сети, то этот метод становится единственно возможным.
• Рабочие температуры составляют до 200 ⁰С, а выделение тепла нагревательными элементами может достигать 120 Вт/м.
• Подходит для трубопроводов любой длины и при этом является наиболее эффективным вариантом для их обогрева.
• Конструкция отличается высоким уровнем надёжности, она прочна, долговечна и крайне редко требует ремонта.
• Заземление тепловыделяющих элементов.
• Лёгкость монтажа. Нет наружной электрической изоляции, которую можно было бы повредить во время установки.
• Можно применять для подземных трубопроводов, надземных и подводных.
• Доступно использование во взрывоопасных зонах.

При использовании ИРСН можно регулировать температуру нагрева эффективно и безошибочно. Сбоев в работе системы при правильном обслуживании не возникает. Прогрев происходит равномерно, нет аварий и простоев.

Где заказать проектирование и монтаж СКИН-системы

Группа компаний «ССТ» работает в сфере выпуска кабелей нагревательного типа, а также систем электрообогрева как бытового, так и промышленного назначения с 1991 года. На сегодняшний день также предоставляются услуги проектирования и монтажа. Система обогрева трубопровода на основе скин-эффекта производится на заказ под конкретные пожелания и требования, с учётом индивидуальных характеристик.

ГК «ССТ» — самая крупная РФ и входит в тройку лидеров мира в области изготовления нагревательных кабелей и основанных на их работе систем электрического обогрева. Первый выпуск ИРСН был проведён ещё в 2002 году. На сегодняшний день «ССТ» — это огромный опыт, несомненное качество и 100%-ная надёжность. Задаваясь вопросом, где заказать СКИН-систему, стоит обязательно рассмотреть её предложения. Именно такой выбор даст возможность быть уверенными в результате.

Виды скин-систем

Система электрообогрева на основе скин-эффекта UW Skin Tracing Solution

Скин-эффект возникает в проводниках под воздействием электромагнитных явлений протекающего переменного тока. В основе системы электрообогрева на основе скин-эффекта от ГК «ССТ» — уникальный гибкий индукционнорезистивный нагреватель.

Области применения:

• обогрев скважин для защиты от АСПО и гидратных пробок;
• обогрев подводных трубопроводов для поддержания температуры транспортируемого продукта.

Система электрообогрева на основе гибкого скин-нагревателя энергоэффективна. Доказательством могут служить опытно-промышленные испытания нагревателя в составе системы электрообогрева скважин Stream TracerTM. Фактическое энергопотребление снизилось на 47% (по сравнению с обогревом флюида в НКТ резистивным кабелем).

Система электрообогрева на основе скин-эффекта UW Skin Tracing Solution

Скин-эффект возникает в проводниках под воздействием электромагнитных явлений протекающего переменного тока. В основе системы электрообогрева на основе скин-эффекта от ГК «ССТ» — уникальный гибкий индукционнорезистивный нагреватель.

Области применения:

• обогрев скважин для защиты от АСПО и гидратных пробок;
• обогрев подводных трубопроводов для поддержания температуры транспортируемого продукта.

Система электрообогрева на основе гибкого скин-нагревателя энергоэффективна. Доказательством могут служить опытно-промышленные испытания нагревателя в составе системы электрообогрева скважин Stream TracerTM. Фактическое энергопотребление снизилось на 47% (по сравнению с обогревом флюида в НКТ резистивным кабелем).

Максимальная длина обогреваемого трубопровода	60 км*
Максимальная рабочая температура	+200 °С
Максимальная допустимая температура	+260 °С
Максимальная мощность	150 Вт/м

Система электрообогрева сверхдлинных трубопроводов UW Very Long Line Solution

В основе системы электрообогрева сверхдлинных трубопроводных систем — кабели постоянной мощности VLL-A (алюминиевые жилы) и VLL-C (медные жилы). Сечение выбирается в зависимости от необходимой мощности тепловыделения и длины обогреваемого участка. Для предварительно теплоизолированных трубопроводов кабели помещаются в направляющие элементы, установленные на транспортной трубе под теплоизоляцией. Соединения выполняются герметичными муфтами.

Система электрообогрева сверхдлинных трубопроводов UW Very Long Line Solution

Возможность обогрева сверхдлинных трубопроводов длиной до 150 км с одной точкой запитки.

• Система подходит для любых климатических зон.
• Экономичность решения благодаря конструкции из трех кабелей.
• Простота монтажа.
• Полный ассортимент комплектующих

Технические характеристики

Максимальная длина обогреваемого трубопровода	150 км*
Минимальная температура монтажа	-40 °С
Максимальная рабочая температура	+100 °С
Максимальная мощность	30 Вт/м

Используемые в скин-системах кабели

Кабель на напряжение 2 кВ, жила 10 мм2, теплостойкость 80°С;

Кабель на напряжение 3 кВ, жила 20 мм2, теплостойкость 80°С;

Кабель на напряжение 4 кВ, жила 40 мм2, теплостойкость 80°С;

Кабель на напряжение 2 кВ, жила 10 мм2, теплостойкость 180°С;

Кабель на напряжение 3 кВ, жила 20 мм2, теплостойкость 180°С

Электрообогрев трубопроводов   Обогрев кабелем   Расчет   Презентация   Расчет   скин-система   Расчет   подогрев скважин   Расчет   монтаж  

Технологии электрообогрева подводных трубопроводов

Научные исследования, разработка, организация производства

Системы электрообогрева на основе индукционно-резистивного греющего кабеля (СКИН

Назначение:

Индукционно-резистивная система обогрева (СКИН-система) предназначена для защиты от замерзания, поддержания температуры и разогрева протяженных трубопроводов от 3-5 км и длиннее, оснований резервуаров и платформ. 

Нагревательный элемент СКИН системы представляет собой конструцию, состоящую из следующих элементов:

• Стальной цельнотянутой трубки или индукционно-резистивный нагревателя (ИРН). ИРН изготавливается из особой углеродистой стали с заданными ферромагнитными параметрами наружным диаметром от 16-60мм и толщиной стенки 2,5-4 мм. ИРН крепится к наружной стенке обогреваемого объекта.

• СКИН-проводника или индукционно-резистивного проводника (ИРП). ИРП состоит из медной многопроволочной жилы и изоляционной оболочки. Наружная изоляционная оболочка проводника выполнена из термостойкого пластиката или фторполимера. Напряжение питания СКИН проводника составляет от 2 до 5кВ(50-60Гц), а максимальная рабочая температура от -60С до 260С. ИРП прокладывается внутри ИРН.

Нагревательный элемент СКИН-системы способен выделять мощность обогрева до 100Вт/м. Конструкция СКИН-проводника условно показана на рис.1

 

Рис.1

Принцип работы:

Тепловыделение от нагревательного элемента СКИН-системы происходит благодаря наличию так называемого СКИН-эффекта. СКИН-нагреватель (ИРН) монтируется так, чтобы обеспечить надежный тепловой контакт с объектом обогрева. СКИН-проводник (ИРП) помещается в ферромагнитный стальной СКИН-нагреватель. На дальнем конце СКИН-проводник накоротко соединяется со СКИН-нагревателем. На обоих концах СКИН-нагреватель заземляется. На ближнем конце между СКИН-проводником и СКИН-нагревателем прикладывается питающее напряжение промышленной частоты (50-60Гц). 

Питающее напряжение прикладывается таким образом, что по ИРП ток течет в одном направлении, а по ИРН возвращается. При этих условиях сопротивление ИРП практически не отличается от сопротивления на постоянном токе. Иные процессы происходят в ИРН. Так как относительная магнитная проницаемость стали равна 800-1000, за счет взаимного влияния протекающих токов происходит вытеснение тока к внутренней поверхности ИРН. За счет магнитных свойств ИРН в нем имеет место быть хорошо выраженный поверхностный эффект (СКИН-эффект), т.е. ток протекает не по всей толще стенки ИРН, а в тонком поверхностном слое толщиной около 1 мм у внутренней поверхности ИРН. Поверхностный эффект приводит к тому, что сопротивление ИРН на переменном токе заметно больше, чем на постоянном. При протекании тока происходит выделение тепла в ИРП и в ИРН. Это тепло вместе с теплом от внутреннего проводника передается обогреваемому объекту. При правильном конструировании системы 60-80% тепла выделяется в ИРН и только 20-40% в ИРП. В результате тепловой режим работы ИРП, проходящего внутри ИРН, не вызывает его существенного перегрева, что служит фундаментом высокой надежности системы.

Важным свойством СКИН-системы является ее электрическая безопасность. Ток протекает по внутренней поверхности ИРН, а на внешней ее поверхности ток практически отсутствует, и нет электрических потенциалов. Электрически система строится так, чтобы обеспечить непрерывность, как ИРП, так и ИРН, представляющего собой обратный проводник. ИРН, как было указано выше, надежно заземляется.

Крепление нагревательного элемента к объекту обогрева производится металлическими хомутами при помощи специального инструмента или точечной сваркой. Поверх нагревательного элемента монтируется слой теплоизоляции с защитным покрытием.

Принцип работы системы на примере обогрева участка трубопровода показан на рис.2-4.

  

Рис.2

 

Рис.3

 

Рис.4

Преимущества СКИН-систем:

• Экономичность. Экономия капитальных затрат на покупку оборудования и материалов системы обогрева при создании систем обогрева протяженностью 3-5 км и более по сравнению с затратами на внедрение саморегулирующихся систем и Long Pipe систем за счет возможности питания системы обогрева с одного конца.
• Возможность обогрева протяженного трубопровода. Высокое напряжение питания (до 5кВ) в сочетании с малым сопротивлением системы на метр длины позволяет питать от одного источника плечи обогрева длиной до 20 км.
• Электробезопасность. Наружная поверхность обогреваемого элемента заземлена и имеет нулевой потенциал, что гарантирует электробезопасность СКИН-системы.
• Хороший тепловой контакт. Металлический нагревательный элемент приваривается или крепится непосредственно к трубопроводу.
• Простота монтажа. Основной тепловыделяющий элемент (ИРН) не имеет наружной электрической изоляции, которую можно повредить при монтаже.
• Надежность. Стальной ИРН обеспечивает механическую прочность и защиту ИРП от повреждений, что особенно важно для трубопроводов, проложенных под землей или под водой. Подходящие для применения при высокой температуре до 200 °C материалы для использования в процессе поддержания температуры. Рабочий диапазон температур СКИН-проводника от -60°C до +260°C. Диапазон температур окружающей среды при эксплуатации систем от -55°C до +70°C.
• Ремонтопригодность. Наличие достаточного количества протяжных коробок упрощает доступ к СКИН-проводнику без повреждения теплоизоляции.

 

Состав системы:

СКИН-система обогрева состоит из двух подсистем:

1. Подсистема электрообогрева.

2. Подсистема питания и управления.

Подсистемы электрообогрева, питания и управления условно показаны на рис. 5-6.

Рис.5

 Рис.6

 

Специалисты ООО «Пром-А Урал» всегда готовы проконсультировать Вас по вопросам применения СКИН-систем электрообогрева, а также оказать услуги по расчету, проектированию и внедрению систем электрообогрева на базе оборудования представленных заводов-изготовителей.

 

 

SKIN-TRACE Система обогрева на основе скин-эффекта для протяженных трубопроводов

SKIN-TRACE Система обогрева на основе скин-эффекта для протяженных трубопроводов

 

SKIN-TRACE Безопасная система обогрева трубопроводов средней и большой протяженности. Применяется для обогрева трубопроводов перекачки жидких средств, над- и подземных трубопроводов, предизолированных труб и прочее.

 

• Обогрев линий протяженностью до 30 км с единой точкой электроэнергии

• Устойчивая и надежная система обогрева с мощностью до 120 Вт/м

• Поддержание рабочей температуры до 230°C

• Наиболее эффективный метод обогрева для протяженных трубопроводов

• Применение во взрывоопасной зоне до -65°C

• Применение в гражданском строительстве

 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Система SKIN-TRACE предназначена для поддержания температуры, защиты от замерзания и компенсации теплопотерь на протяженных трубопроводах до 30 км с одним источником питания.

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

В системе SKIN-TRACE применяются специальные нагревательные элементы, использующие “скинэффект” и “эффект близости”, возникающие в ферромагнитных материалах при наличии переменного тока промышленной частоты. Нагревательный элемент состоит из стальной трубки диаметром 20-60 мм с толщиной стенки не менее 2 мм и немагнитного проводника из меди (Cu) или алюминия (Al), проложенного внутри трубки. Проводник соединён со стальной трубкой в конце системы. С противоположной стороны, между проводником и трубкой подаётся переменное напряжение. Величина напряжения рассчитывается в зависимости от необходимой удельной мощности и протяжённости обогреваемого трубопровода.

Переменный ток протекает по всему сечению внутреннего проводника с низким электрическим сопротивлением без заметного влияния “скин-эффекта” на немагнитный материал проводника. И, напротив, во внешнемферромагнитномпроводнике — нагревательной трубке возникает “скин-эффект”, втягивающий весь ток во внутренний слой трубки глубиной около 1 мм. Электрический потенциал наружной поверхности трубки при этом остаётся нулевым. Благодаря небольшой глубине слоя протекания тока основная часть мощности (до80%)генерируетсястальнойнагревательнойтрубкой.

 

ПРЕИМУЩЕСТВА

1.   Протяженность трубопроводов. Благодаря протеканию тока по сечению, внутренний проводник выступает не как источник тепла, а как поставщик переменного тока.

2.   Одностороннее энергоснабжение. Дизайн системы SKIN-TRACE также предусматривает одностороннее энергоснабжение трубопровода.

 3.   Электробезопасность. Электрический потенциал наружной поверхности трубки остается нулевым.

 4.   Эффективная передача тепла. Трубка привариватся прямо к трубопроводу или же монтируется с помощью специальных принадлежностей.

5.   Простой монтаж. Нагревательные элементы не имеют изоляции, которая может быть повреждена во время монтажа

. 6.   Надежность системы. Долгосрочные системные компоненты (стальные трубки) обеспечивают высокую механическую стойкость и защиту проводников. Это особенно важно для подземных и подводных трубопроводов

В зависимости от пунктов источника питания, требуемой мощности и длины трубопровода система SKIN-TRACE может состоять из одной, двух или трех нагревательных трубок.

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ

 

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рабочая температура	до +230°C
Питание	от 3kВ 50 или 60 Hz

КОНСТРУКЦИЯ

Нагревательная трубка      Сталь

 Диаметр                               20 — 60мм

Толщина стенки                   2 — 4мм

Антикоррозионная            По запросу

 изоляция трубки

 

СИСТЕМА КОНТРОЛЯ

Для оптимизации эффективности система SKINTRACE может оснащаться системами контроля, которые регулируют мощность в зависимости от температуры окружающей среды.

Пример:

 Обогрев предизолированного трубопровода с помощью 3-х нагревательных трубок SKIN-TRACE, общей мощностью 130 Вт/м. Диаметр трубопровода 530мм, минимальная температура среды -20°C.

 

АКСЕССУАРЫ

 Полный спектр системных принадлежностей, включая наборы соединения, распределения и заделки, крепления и системы контроля.

 

скин-эффект и скин-эффект |

Рон Хранац

Скин-эффект в металлических проводниках — важная часть коаксиальных кабелей в наших сетях. Скин-эффект гарантирует, что наши радиочастотные (RF) сигналы остаются внутри кабелей и других компонентов — конечно, при условии, что экран не поврежден. Скин-эффект также является основным фактором затухания в коаксиальном кабеле и ключевой причиной того, что затухание увеличивается с увеличением частоты.

Рассмотрим электрический проводник, например, провод, по которому проходит электрический ток.Для приложений постоянного тока (DC) все поперечное сечение провода проводит ток, как показано на Рисунке 1.

Рис. 1. Для постоянного тока все поперечное сечение проводника проходит через ток.

Для приложений переменного тока (AC), которые включают ВЧ-ток, проводимость тока в основном ограничивается областью на поверхности проводника и вблизи нее, как показано на рисунке 2. Чем выше частота, тем мельче область (и ближе к ней). поверхность), по которой проводится ток.Это явление известно как скин-эффект.

Рис. 2. Для переменного тока большая часть тока проходит по поверхности проводника и вблизи нее.

Глубина скин-слоя, обозначаемая символом δ, является мерой скин-эффекта и представляет собой глубину, на которой плотность тока составляет 1 / е плотности тока на поверхности проводника. Примечание. «E» — это математическая константа, которая является основанием натурального логарифма («LN» на моем научном калькуляторе) и равна примерно 2.718, поэтому 1 / e ≈ 37%. См. Рисунок 3.

Рис. 3. Глубина кожи δ — это глубина, на которой плотность тока составляет приблизительно 37% от значения на поверхности. Радиочастотный ток не останавливается на пунктирной линии, а логарифмически уменьшается по глубине в проводнике.

Набор цифр

Для тех, кто интересуется математикой для расчета глубины скин-слоя, вот формула.

где

δ — глубина скин-слоя в метрах

ρ — удельное сопротивление проводника в Ом · м (1.678 * 10 ^-8 для меди при комнатной температуре)

f — частота в герцах

µ ₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства (4π * 10 ^-7 )

µ _r — относительная диэлектрическая проницаемость проводника (0,999991 для меди)

Если вы вставите цифры для 60 Гц в медный проводник, толщина скин-слоя составит около 0,33 дюйма. На частоте 1 ГГц глубина скин-слоя в меди составляет всего 0,000081 дюйма. В таблице 1 показаны значения для нескольких других интересующих частот.

Таблица 1. Зависимость глубины скин-слоя от частоты для медного проводника. 1 микрометр (мкм) равен 1 × 10 ^-6 метра (0,000001 метра), иногда называемого микроном. Онлайн-калькулятор глубины кожи можно найти по адресу http://chemandy.com/calculators/skin-effect-calculator.htm

Но почему?

Ограниченное пространство не позволяет подробно объяснить, почему переменный ток движется по поверхности проводника и вблизи нее. Простая причина заключается в том, что переменный ток индуцирует циркулирующие вихревые токи в проводнике, которые препятствуют протеканию тока глубже внутри проводника.Прекрасный обзор этого явления можно найти на https://en.wikipedia.org/wiki/Skin_effect

.

Как скин-эффект влияет на затухание?

Книга Современные технологии кабельного телевидения, 2-е изд. . включает обсуждение затухания в коаксиальном кабеле (стр. 429-434). В частности, в книге отмечается, что затухание в зависимости от частоты связано с четырьмя факторами:

• Излучение кабеля из-за несовершенного экранирования
• Резистивные потери в жилах кабеля
• Поглощение сигнала в диэлектрике
• Отражение сигнала из-за рассогласования между кабелем и заделками или вдоль кабеля из-за неоднородного импеданса.

При рассмотрении резистивных потерь в проводнике скин-эффект означает, что эффективное поперечное сечение проводника меньше для переменного тока, поскольку большая часть тока проходит по поверхности и вблизи нее. По мере увеличения частоты глубина скин-слоя уменьшается, в результате чего эффективное поперечное сечение проводника становится еще меньше. Это, в свою очередь, увеличивает «ВЧ-сопротивление» по мере увеличения частоты, что приводит к большему затуханию на более высоких частотах по сравнению с более низкими частотами.

На рисунках 4 и 5 показано поперечное сечение 0.Алюминиевый центральный провод с медным покрытием диаметром 109 дюймов из жесткого коаксиального кабеля 0,500. По моим оценкам, толщина медной оболочки составляет около 0,0028 дюйма. На 5 МГц глубина скин-слоя составляет около 0,0012 дюйма, а на 100 МГц — около 0,0003 дюйма. Для обеих частот медная оболочка более чем достаточно толстая, поэтому нет необходимости в сплошном медном центральном проводнике. Однако, если вы посмотрите на рисунки, вы можете ясно увидеть, что эффективное поперечное сечение (розовые области) центрального проводника уменьшается с увеличением частоты, что способствует увеличению затухания на более высоких частотах (то же самое происходит с внутренней поверхностью проводника). щит).

Эффект кожи долгое время был одной из тех вещей, которые мы склонны принимать как должное, часто не полностью понимая, что происходит под капотом. Однако очевидно, что скин-эффект и глубина скин-эффекта являются важными составляющими работы наших кабельных сетей.

Рис. 4. Глубина скин-слоя при 5 МГц составляет около 0,0012 дюйма; эффективное сечение проводника на этой частоте показано розовым цветом (рисунок без масштаба).

Рисунок 5. Глубина скин-слоя при 100 МГц составляет около 0,0003 дюйма, что делает эффективное поперечное сечение проводника значительно меньше, чем при 5 МГц (рисунок без масштаба).

---

Рон Хранац

T Технический специалист по маркетингу,
Cisco Systems
[email protected]

Рон Хранац, 47-летний ветеран кабельной индустрии, работает инженером по техническому маркетингу в бизнес-подразделении Cisco по обеспечению кабельного доступа.Член SCTE, соучредитель и ассоциированный член правления отделения Rocky Mountain организации, Рон был введен в Зал славы общества в 2010 году, является со-лауреатом премии председателя, членом SCTE года и является членом класса пионеров кабельного телевидения 1997 года. Он получил награду Society’s Excellence in Standards на выставке Cable-Tec Expo 2016. Он был удостоен награды Тома Холла Европейского общества профессионалов широкополосного доступа в 2016 году за выдающиеся услуги в области широкополосной техники и был назван победителем премии Дэвида Холла в 2017 году за лучшую презентацию. .Он опубликовал сотни статей и статей и выступал с докладом на многочисленных международных, национальных, региональных и местных конференциях и семинарах.

---

Потери скин-эффекта

Существует ряд других эффектов, влияющих на сопротивление проводника, а именно: не обсуждались выше. Эффект близости возникает, когда два токоведущих проводника близки друг к другу.В зависимости от направления токов заряженный частицы будут толкаться либо в сторону проводников, которые обращены друг к другу, либо в противоположную сторону стороны проводников. Это немного похоже на скин-эффект, так как уменьшает поперечное сечение. область, доступная для проведения тока, и увеличивает сопротивление провода. Это главная проблема в трансформаторах.Эффект близости можно заметить на некоторых линиях передачи, но обычно оказывает гораздо меньшее воздействие, чем скин-эффект.

На микроскопическом уровне поверхность проводников не идеально гладкая. Когда кожа глубина намного больше, чем вариации контура по поверхности проводника, в шероховатость поверхности мало влияет на сопротивление.Но по мере того, как частоты становятся очень высоко, глубина скин-слоя может упасть до такой степени, когда важна шероховатость поверхности. В Текущий в конечном итоге будут вынуждены следить за каждым маленьким изменением поверхности, что будет увеличить общее расстояние, которое он должен пройти, увеличивая сопротивление. Повышение сопротивления может быть уменьшается путем полировки поверхности, чтобы сделать ее более гладкой.

При расчетах индуктивности не учитывается то, что происходит внутри проводников. Магнитное поле внутри проводников создает некоторую индуктивность, значение которой варьируется по мере изменения глубины кожи.

Вихревые токи — кожа и эффекты близости

История

Франсуа Араго (1786-1853) наблюдал намагничивание вращающихся проводников.

Майкл Фарадей (1791-1867) объяснил это своим знаменитым законом магнитной индукции, создающим циркулирующий электрический ток во вращающемся теле. [2]

Генрих Ленц (1804-1865) сформулировал свой закон, согласно которому индуцированный переменный ток будет течь в направлении, создающем магнитное поле, противоположное полю источника, что является требованием сохранения энергии.

Леон Фуко (1819-1868) обнаружил, что вихревые токи выделяют тепло, когда постоянный магнит помещается на край вращающегося металлического диска.

Считается, что Дэвид Э. Хьюз (1831-1900) впервые применил принцип вихревых токов для сортировки металлов в 1879 году.

Закон Фарадея

Закон Фарадея и закон Ленца имеют фундаментальное значение для понимания магнитных явлений. Знак минус установлен законом Фарадея, чтобы показать закон Ленца.

где Ø — магнитный поток по Веберсу. Единица плотности потока — Теслас = Веберы на квадратный метр.В этой статье B представляет собой плотность потока.

Вихревые токи и скин-эффект

Вихревой ток возникает в результате изменения магнитных полей внутри проводника. Скин-эффект возникает из-за циркулирующих вихревых токов, возникающих из-за изменяющегося поля B, прекращение прохождения тока в центре проводника и усиление его в коже.

Это уменьшает эффективную площадь поперечного сечения, увеличивая сопротивление провода и потери.Используя правило правой руки (большой палец в направлении тока и пальцы будут следовать за магнитным полем) упрощенные рисунки 1A и 1B иллюстрируют направления поля и тока. По сути, металл проводника работает как закороченный вторичный трансформатор внутри себя.

Рисунок 1A

Рисунок 1B

На рисунке 1A скин-эффекта показан ток i, исходящий из страницы.По правилу правой руки он индуцирует магнитное поле B. Четыре маленьких кружка обозначают вихревые токи, циркулирующие в проводнике. По закону Ленца они вызывают противоположные поля обозначены маленькими изогнутыми стрелками. На внешнем крае проводника вихревые токи стремятся к усилить основное течение. Вихревые токи, протекающие по странице, противостоят току. Таким образом, ток в проводнике имеет тенденцию концентрироваться к внешнему краю поперечного сечения проводника.Строгий анализ показывает, что текущие плотность уменьшается экспоненциально по мере приближения к внешнему краю. Глубина скин-слоя определяется как точка 1 / e вдоль радиус поперечного сечения проводника. Для расчета сопротивления переменному току этот выбор для кожи глубина также означает, что площадь поперечного сечения кольцевого кольца, имеющая толщину скин-слоя, может рассматриваться как пропускающая весь ток равномерно распределены.Эффективное поперечное сечение становится кольцевым кольцом, образованным r и (r — S _d ) для S _d d.

Для меди,

Таким образом,

Когда частота приближается к нулю, глубина скин-слоя приближается к бесконечности, так как это необходимо для равномерного распределения постоянного тока в однородном проводнике.

Отношение сопротивления переменного тока к постоянному току — полезное понятие.

Рассмотрение и анализ приложений с этим соотношением показывают, что большие провода для высоких частот бесполезны. Возможно, лучше будет соединить провода меньшего диаметра параллельно. Литц-проволока может использоваться для минимизации эффекта кожи и близости; однако этот провод трудно использовать и заканчивать.

Следует также отметить, что привод прямоугольной формы имеет более высокие гармоники, что приводит к еще большим потерям.В таблице 7.7 из [1] приведены оценки R _ac / R _dc для 25, 50, 100 и 200 кГц для прямоугольных форм волны с одинаковыми сечениями проводов от № 12 до № 34. Эта таблица воспроизводится в таблице 1 ниже.

Таблица 1

Эффект близости

Для трансформаторов эффект близости может быть более вредным, чем скин-эффект.Следующий рисунок представляет накладные обмотки трансформатора.

На рисунке 2 изогнутая стрелка B ₁ представляет магнитный поток, вызванный i ₁ . Верхняя пара коротких стрелок, используя правую Правило руки, представляет вихревые токи, противоположные B ₁ . Плоскости изогнутых стрелок перпендикулярны плоскости страница. Закон Ленца требует, чтобы вторичный ток i ₂ протекал в направлении, заставляющем поток B ₂ противодействовать B ₁ .В нижние короткие стрелки представляют циркулирующие вихревые токи, поток которых направлен против B ₂ . Вихревые токи увеличиваются i ₁ и i ₂ на торцевать кромки накладываемых проводников и противопоставлять на внешних кромках. Таким образом, эффективное сечение проводов уменьшаются, потому что ток концентрируется на соседних краях. Уменьшение эффективного поперечного сечения вызывает дополнительные потери для данной передачи мощности.

Рисунок 2

Кривые Доуэлла [3] объединяют эффекты скин-эффекта и эффекта близости, что дает приближение к R _ac / R _dc соотношение. Глубину скин-слоя можно найти с помощью формулы S _d или Таблицы 1. Это в сочетании с кривыми Доуэлла, воспроизведенными в Прессман [1] Таблица 7.9 или на рисунке 3, обеспечьте желаемое сопротивление переменного и постоянного тока в обмотках трансформатора.

Рисунок 3

На рисунке 3 показано отношение FR = R _ac / R _dc к следующей величине. Эта цифра взята из Texas Instruments. slup125 [6], Magnetics Design 3. Следующее выражение вычисляет вход для горизонтальной оси.

Где числитель — эффективная толщина слоя, 0.886 — эффективная высота круглой проволоки для диаметра d, а S _d — глубина кожи.

Вышеупомянутый материал, взятый из Pressman [1] [4], достаточно прост для однослойных обмоток. Для большего слоями сюжет утолщается. Цифры на кривых представляют количество слоев на «порцию». Умные способы чередования первичная и вторичная обмотки могут снизить сопротивление переменного тока более чем наполовину по сравнению с полной первичной и вторичной обмотками. полная вторичная намотка друг на друга. Комбинация эффектов кожи и близости может увеличить переменный ток. сопротивление от более чем 10 раз до 100 раз превышает сопротивление постоянному току. сопротивление переменному току увеличивается экспоненциально по мере увеличения количества слоев. Кривые дюбелей используют параметр p (номера кривых) для «часть.» Это проиллюстрировано на рисунке 4. Доля относится к области перехода от нуля к максимуму, низкому уровню. частота, магнитодвижущая сила (ммс). В верхней части следующего рисунка показаны два слоя на порцию. Это бы быть p = 2 на кривых Доуэлла. Для нижней чередующейся обмотки p = 1. Переменная p относится к цифрам на кривые и представляют количество слоев на порцию.

Например, если и p = 2, кривая Дауэлла дает отношение сопротивления переменного тока к постоянному току, равное приблизительно 9: 1. При p = 1 соотношение уменьшается до 3, — улучшение 3: 1 .

Существуют магнитные прикладные программы, которые используют инструменты анализа методом конечных элементов (FEA) для обеспечения более точной анализ сложной геометрии. [5]

Рисунок 4

Эффект близости не применяется к обратноходовым трансформаторам, поскольку первичный и вторичный токи не одновременны. В некоторых случаях может быть лучше использовать более тонкую проволоку и меньшее количество слоев, даже если это увеличивает сопротивление постоянному току.Это все, что можно сделать, чтобы помочь обратноходовому трансформатору. Рекомендуется внимательно прочитать раздел 7.5.6 Pressman [1] [4]. Двухсекционные бобины могут уменьшить эффект близости за счет более низкого коэффициента сцепления.

Список литературы

1. А. И. Прессман, Проектирование импульсных источников питания, McGraw-Hill, 1998, 2-е издание.
2. Условия поиска в Википедии: вихревой ток, скин-эффект, эффект близости (электромагнетизм), проницаемость (электромагнетизм), электрическое сопротивление и проводимость.
3. П. Доуэлл, «Эффекты вихревых токов в обмотках трансформатора», Proceedings IEE (UK), 113 (8): 1387-1394, 1966.
4. А. Прессман, Кейт Биллингс, Тейлор Мори, Проектирование импульсных источников питания, McGraw-Hill, 2009 г., 3-е издание.
5. Envelope Power, Ансония, Коннектикут
6. Texas Instruments, Магнитный дизайн 3, slup125.

Понимание скин-эффекта и частоты

Электромонтаж в студии обычно требует много времени, сложен и составляет значительную часть расходов на строительство новой студии.Аналоговые кабели подвержены излучению RFI / EMI и проблемам с заземлением. Даже в самых «чистых» установках нельзя избежать емкостного сопротивления кабеля или «скин-эффекта», связанного с длинными кабелями, которые ухудшают качество сигнала.

И здесь проблема. Раньше, когда у меня было больше времени, я бы написал по этому поводу письмо редактору. (Теперь я могу просто разместить это в своем блоге.) Все в этой цитате верно, за исключением одного: ссылки на «скин-эффект».Об этом необычном воздействии на провода и кабели столько раз говорили многие люди, что большинство читателей даже не понимают, что это означает. Так что позвольте мне попробовать.

Скин-эффект проявляется во всех проводах и кабелях (или в любом металлическом объекте, проводящем сигнал, например, след на печатной плате или антеннах и т. Д.). Когда «сигнал» — это постоянный ток, он использует весь проводник, при этом в центре каждого провода течет такой же ток, что и на внешней стороне провода. Поскольку сигнал изменяет частоту (т.е.е. теперь волна меняет направление) возникает очень странный эффект: сигнал начинает двигаться больше к внешней стороне проводника, чем к внутренней. Для звуковых частот, которые являются довольно низкими частотами в спектре, этот эффект настолько мал, что его едва ли можно измерить. В таблице 1 ниже показано, сколько проводов используется на частоте 20 кГц, что в значительной степени является самой высокой слышимой частотой, и сравнивается это с проводами разных размеров. (Если вам нужна настоящая формула скин-эффекта, напишите мне, и я пришлю ее вам.)

Стол 1

Основа: Глубина при 20 кГц = 18.4 мил (0,0184 дюйма) Радиус x 2 = 36,8 мил (0,0368 дюйма) Диаметр
Количество проводников, используемых при 20 кГц, в зависимости от сечения проводов
Проводники	Диаметр	% проводников использовано
24 AWG	0,024	100% при 20 кГц
22 AWG	0.031	100% при 20 кГц
12 AWG	0,093	75% при 20 кГц
10 AWG	0,115	68% при 20 кГц

Вы заметите, что даже для самого большого сечения провода разница между внутренней и внешней стороной проводника составляет несколько процентных пунктов.Обратите внимание, что это основано на частоте, а не на длине кабеля, как указано в приведенной выше цитате. Вы можете очень четко увидеть этот эффект, если посмотрите на сопротивление кабелей на низких частотах. На рисунке 2 показано сопротивление видеокабеля 75 Ом от частоты 100 МГц (правый край) до 10 Гц (левый край). Вы увидите, что этот кабель 75 Ом действительно имеет сопротивление только 75 Ом после примерно 100 кГц и выше. Ниже этого значения оно намного выше 75 Ом. Фактически, ниже 10 Гц сопротивление кабеля составляет около 4000 Ом.

Это высокочастотное значение (75 Ом) называется «характеристическим импедансом» кабеля и будет оставаться на уровне 75 Ом (или как бы там ни было) до гораздо более высоких частот. Если вы сравните формулу низкой частоты с формулой высокой частоты, есть одно огромное различие: R (сопротивление провода) является основным фактором на низких частотах. Но в формуле высокой частоты нет R, нет сопротивления. Что случилось с сопротивлением? И ответ — «скин-эффект». По мере того, как частоты становились все выше и выше, этот проводник используется все меньше и меньше, пока около 100 кГц только кожа фактически передает сигнал.

Это одна из причин, по которой мы не можем построить аудиокабель с определенным сопротивлением. Это число будет применяться только к одной частоте. На другой частоте, выше или ниже, импеданс будет другим значением. Вот почему мы не указываем импеданс большинства аудиокабелей, и, если мы это делаем, это импеданс измеряется на некоторой высокой частоте, например, 1 МГц, и этот кабель может использоваться для некоторых приложений, не связанных со звуком. Но, возможно, вы думаете: «Если сопротивление провода не имеет значения, то почему маленький кабель не дойдет до большого кабеля?» И ответ столь же прост: большой провод имеет больше кожи, чем , чем маленький провод.

Вот почему, когда мы делаем кабели для высоких частот, мы проводим много времени на поверхности провода. Это кожа. А на высоких частотах это единственное, что работает. Поэтому мы делаем много вещей (многие из которых являются «коммерческой тайной»), чтобы убедиться, что поверхность этого провода настолько идеальна, насколько это возможно. Наши кабели для цифрового видео, например, проходят испытания в режиме развертки и измеряются до 4,5 ГГц. Сигналы на этих самых высоких частотах используют только микродюймы снаружи проводника.Если бы у вас были только высокие частоты, вы могли бы использовать медную трубку в качестве проводника без дополнительных потерь по сравнению с сплошным проводником.

Вот почему наши широкополосные кабели чаще всего изготавливаются из стали, плакированной медью (в нашем каталоге они называются CCS). На стальной проволоке есть только тонкий слой меди. Это означает, что такой кабель будет работать только на высоких частотах / И это нормально, потому что телеканалы начинают с канала 2, который составляет 54 МГц, что хорошо в диапазоне скин-эффекта. (Цифровые каналы теперь начинаются еще выше).Но тот, кто использует этот кабель для низких частот, таких как аудио, или для передачи постоянного тока для питания спутниковой антенны, задается вопросом, что не так с кабелем. Вся мощность постоянного тока будет идти по стальному проводу, сопротивление которого в семь раз превышает сопротивление меди. Для аудио или питания постоянного тока вам нужен медный проводник.

Наши цифровые видеокабели полностью изготовлены из меди, поэтому вы можете использовать их для аналогового или цифрового видео, аналогового или цифрового звука, спутниковых антенн или практически любого сигнала на любой частоте от постоянного тока до 4.5 ГГц. Конечно, сталь, плакированная медью, намного прочнее, чем голая медь, что спасло многих установщиков кабельного телевидения / широкополосного доступа, которые были менее чем осторожны при установке такого кабеля. Так что в следующий раз, когда продавец расскажет вам о «скин-эффекте» в своем кабеле динамика, вы знаете правду!

Скин-эффект и поверхностные токи

Визуализации, которые помогают упростить хорошее электромагнитное проектирование

Понимание скин-эффекта и поверхностных токов экономит нам много времени и средств при проектировании экранирования и фильтрации нашего продукта, особенно в соответствии с жесткими стандартами электромагнитной совместимости, такими как автомобильная, военная или аэрокосмическая промышленность.Это также помогает нам быстрее решать многие другие задачи в области экономичного проектирования ЭМС.

Это связано с тем, что визуализировать скин-эффект и поверхностные токи намного проще, чем пытаться визуализировать то, что на самом деле происходит — распространение электромагнитных (ЭМ) волн и полей — и поэтому легче получить ценную информацию о хорошей электромагнитной инженерии.

EM Engineering включает в себя дисциплины целостности сигнала (SI), целостности питания (PI) и электромагнитной совместимости (EMC).

Фон

Моя предыдущая статья в In Compliance июль 2017 — «Введение в электромагнитную инженерию» [1], добавлена ​​к моим статьям [2] и книге [3] по «Физике электромагнитной совместимости» —
обеспечивает основу для понимания хорошего Методы ЭМ-дизайна, которые я очень успешно использую с 1994 года (см. Отзывы на [4]).

Я преподаю эти методы проектирования в своих учебных курсах [5] с 1994 года и описываю их в британских, американских и китайских журналах EMC с конца 1990-х годов (например.грамм. [6], [7]) и в моих книгах [8]. Мне потребовалось 47 лет, чтобы изложить этот подход словами, которые любой практикующий проектировщик электроники, механики или печатных плат (и их менеджеры) могут понять и сразу же легко применить на практике.

Мой подход всегда заключался в том, чтобы сообщить, что именно нужно делать, потому что очевидный факт заключается в том, что современная промышленность использует такие сложные полупроводники в таких сложных продуктах, системах и системах систем, что хороший электромеханический инжиниринг теперь должен использоваться каждым инженером-проектировщиком. .

Хорошая электромагнитная инженерия больше не является дополнительным элементом добавленной стоимости для специальных проектов, это фундаментальное требование рентабельности, конкурентоспособности и надежности в полевых условиях, независимо от того, будут ли проводиться какие-либо тесты на электромагнитную совместимость или нет; и независимо от того, должны ли соблюдаться какие-либо нормы электромагнитной совместимости.

Без использования хорошей электромагнитной инженерии ни одна электронная компания теперь не может рассчитывать на финансовый успех. И без использования хорошей электромагнитной инженерии, будущее мира автономных роботизированных машин, самолетов, дронов, врачей, хирургов, медсестер, медсестер и т. Д.просто не произойдет. (Первоначальный опыт использования такого сложного оборудования в реальном мире — в реальной электромагнитной среде — был бы настолько плохим, что рынки повернулись бы против них. Потребуется не менее десяти лет, прежде чем общественное доверие сможет снова подняться до нужной точки. где он сейчас.)

Немногих разработчиков электроники, механики или печатных плат (или их менеджеров) учат чему-либо о хорошей электромагнитной инженерии во время учебы в школе, поэтому существует огромный разрыв между тем, что им нужно знать для финансового успеха своих работодателей, и тем, что они на самом деле знаю.

Скин-эффект (по сути) является «Законом природы», то есть неизбежным, поэтому, если мы попытаемся проектировать, не соблюдая его, мы создадим трудности для себя (и, что более важно, для наших клиентов и наших работодателей). Однако, когда мы понимаем скин-эффект и его естественные последствия — поверхностные токи — мы можем легче представить себе, что на самом деле происходит с электромагнитными волнами и полями. Это упрощает более быстрое выполнение хорошего электромагнитного инжиниринга, удивляя наших коллег, ставя в тупик наших конкурентов и заставляя нас наслаждаться уважением наших коллег.

Скин-эффект и поверхностные токи

Токи постоянного тока проходят через всю площадь поперечного сечения проводника, как показано в верхней части рисунка 1. Но токи переменного тока вынуждены протекать близко к поверхности, как показано в нижней части рисунка 1, и это скин-эффект.

Рисунок 1: Примеры плотности тока в поперечном сечении медного листа толщиной 1 мм

Медь на частоте 1 МГц имеет толщину скин-слоя 66 микрон (мкм), поэтому мы можем уместить около 15 из них на толщину 1 мм.Как я вскоре опишу, 15 толщин скин-слоя означают эффективность экранирования около 130 дБ (примерно одна десятимиллионная), что означает, что только чрезвычайно малая часть тока 1 МГц протекает с через толщины листа толщиной 1 мм от одного. сторона к другой.

Вместо этого обратные токи из-за источника 1 МГц должны течь по поверхности листа на всем пути от одного вывода цепи до краев листа, по краям, а затем полностью ко второму выводу. с другой стороны листа. Даже если лист был квадратной милей!

Электрические поля заставляют токи смещения протекать по всем поверхностям проводников, на которые они воздействуют, и в хороших проводниках они не проникают очень далеко в глубину (толщину). Эффект заключается в отражении электрического поля, и даже электрическое поле в кВ / м на любой частоте от постоянного тока до дневного света легко экранируется даже очень тонкой металлической фольгой. На дневных частотах мы называем такие зеркала из металлической фольги.

Магнитные поля вызывают протекание вихревых токов по всем поверхностям проводников, на которые они воздействуют.При достаточной глубине проводника эти вихревые токи генерируют достаточное количество собственного магнитного поля, которое противодействует падающему полю, частично отражая его от проводника. Конечная проводимость (ненулевое удельное сопротивление) проводника заставляет эти вихревые токи терять некоторую энергию в виде тепла, определяя скорость поглощения магнитного поля, когда оно проникает через проводник.

Какая глубина в проводнике требуется для хорошего экранирования магнитного поля, зависит от глубины скин-слоя в проводнике этого типа.Для каждой глубины скин-слоя ниже поверхности проводника плотность вихревых токов уменьшается на 1/ e , где e — «число Эйлера», приблизительно 2,71828 [9].

В мире EMC нам нравится использовать дБ, а 1/ e составляет примерно -8,7 дБ, скажем -9 дБ. Таким образом, мы можем сказать, что для каждой дополнительной глубины скин-слоя ниже поверхности проводника плотность вихревых токов, вызванных падающим магнитным полем, уменьшается примерно на 9 дБ. Другими словами, наш проводник обеспечивает экранирование магнитного поля на уровне 9 · k дБ, где k — толщина, выраженная как количество глубин скин-слоя на интересующей частоте.

Формула для расчета глубины скин-слоя δ _S :
δ _S = √ (π⋅ f ⋅μ ₀ ⋅μ _R ⋅σ) ⁻¹

где:

f — частота в Гц

µ ₀ — проницаемость свободного пространства:
4 · π · 10 ^-7 Генри / метр

µ _R — относительная проницаемость материала проводника, безразмерное число

σ — его проводимость в Сименсах (МОНО / метр)

Эту формулу также можно выразить через удельное сопротивление, а не проводимость, как:
δ _S = √ {ρ / (π · f · μ ₀ · μ _R )}

где:

ρ — удельное сопротивление материала проводника в Ом-метрах

Вышесказанное относится к падающим электрическим и магнитным волнам / полям в ближнем поле, а также к электромагнитным волнам / полям в дальней зоне.Глава 10.1 в [10] дает академическую основу для всего этого, тогда как глава 15 в [11] дает более сжатую версию.

Полезные ссылки на глубину скин-слоя включают [12], [13] и [14], и я набросал простой график некоторых глубин скин-слоя на Рисунке 2.

Рисунок 2: График глубины скин-слоя для меди, алюминия, титана и одной марки мягкой стали

Все хорошие немагнитные проводники (цинк, латунь, магний, серебро, золото, вольфрам и т. Д.)) следуют примерно тем же линиям, что и медь и алюминий. Однако более плохие проводники (например, олово, бронза, хром, титан, инконель) имеют большую толщину скин-слоя на всех частотах.

Любой сверхпроводник имеет нулевое удельное сопротивление (идеальную проводимость) и поэтому отталкивает все магнитные поля за счет чистого отражения — толщина его скин-слоя равна нулю. Это может показаться несущественным, но некоторые инженеры уже работают со сверхпроводящими материалами, и ведется много исследований сверхпроводящих материалов «при комнатной температуре».Некоторые инженеры, читающие эту статью, получат возможность конструировать из таких экзотических материалов во время своей карьеры.

Ферромагнитные проводники, такие как никель, железо, сталь и т. Д., Имеют гораздо меньшую глубину скин-слоя ниже некоторой частоты из-за того, что их относительная проницаемость (μ _R ) больше 1. Итак, мы видим, что, скажем, при 60 Гц Глубина скин-слоя в меди составляет около 8,5 мм, а в алюминии — около 10,6 мм, но для определенной марки мягкой стали (удельное сопротивление 10 Ом · м, относительная проницаемость 200) она уменьшается примерно до 1.5 мм. Все ферромагнитные материалы теряют всю свою относительную проницаемость выше некоторой частоты, но, по моему опыту, эта информация никогда не предоставляется для товарных металлов, таких как низкоуглеродистые или нержавеющие стали.

Если бы мы пытались экранировать магнитные поля от трансформатора с частотой 60 Гц, толщина меди или алюминия толщиной 3 мм могла бы достичь только около -3 дБ, а 3 мм этой марки мягкой стали — около -18 дБ. (Эффективное экранирование магнитных полей промышленной частоты — это нечто большее, чем это, например, предотвращение магнитного насыщения, но это выходит за рамки данной статьи.)

Вот что:

Проводники по-прежнему ведут себя как электромагнитные экраны, как бы мы их ни называли!

Все проводники всегда экранируют электрические, магнитные и электромагнитные волны / поля, даже если они используются в качестве силовых, сигнальных кабелей или кабелей передачи данных, дорожек печатных плат, заземления печатных плат или плоскостей питания, или неэлектрических кронштейнов, опорных конструкций, креплений и т. д. и т. д.

Точно так же все проводники (провода, кабели, дорожки печатных плат, кронштейны, плоскости печатных плат, токопроводящие жидкости и т. Д.)) по-прежнему ведут себя как индукторы, несогласованные линии передачи и «случайные антенны», даже если мы называем их «землей» и покрываем их зеленой изоляцией (даже если она зеленая с желтой полосой!).

(Я не могу сказать вам, сколько потраченного впустую времени, усилий и затрат ежегодно вызывается в электронной промышленности техническими специалистами, дипломированными и аспирантскими инженерами, предполагающими, что проводники имеют разные электромагнитные характеристики в зависимости от того, как они называются, или цвет их изоляции !)

Например, мы видим проводники постоянного тока с любой площадью поперечного сечения, несущие токи до сотен тысяч ампер и более (например,g., для сверхпроводящих магнитов), но мы редко видим силовые проводники 60 Гц с медным диаметром более 20 мм. Это связано с тем, что глубина скин-слоя меди при 60 Гц составляет около 8,5 мм, поэтому плотность тока на большей радиальной глубине может составлять не более 1/3 от уровня на поверхности. Фактически, любой круглый силовой провод с частотой 60 Гц, имеющий диаметр более 17 мм, тратит впустую медь в центре, увеличивая стоимость и вес, но проводя очень небольшой фактический ток. Металл силового проводника сам себя экранирует.

Для передачи сотен тысяч ампер при 60 Гц без потерь меди мы используем одну или несколько медных шин, каждая из которых толщиной не более 16 мм, с достаточной шириной и количеством параллельно, чтобы выдерживать ток. Или мы используем столько круглых проводов параллельно, сколько необходимо, каждый из которых должен иметь диаметр не более 20 мм.

Другой пример: при разработке печатных плат помогает понять, что выше определенных частот 0 В («земля») или плоскости питания переносят токи в основном с одной или другой стороны из-за скин-эффекта.Слой меди на ½ унции в печатной плате имеет толщину около 17,5 мкм, а глубина скин-слоя в меди на частоте 100 МГц составляет около 6,6 мкм, поэтому на частоте 100 МГц токи, протекающие на одной стороне плоскости печатной платы ½ унции, экранируются примерно на 23 дБ. от тех, которые текут с другой стороны. 46 дБ для медной печатной платы в 1 унцию на частоте 100 МГц.

Это говорит нам о том, что когда дорожка печатной платы, которая проходит рядом с одной стороной плоскости, меняет слои и проходит рядом с другой стороной той же плоскости, мы должны сделать так, чтобы большая часть ее обратных токов находилась в плоскости. поменять сторону тоже.Поскольку они не могут легко проходить через толщину медной плоскости из-за экранирования, создаваемого скин-эффектом, они должны переливаться с одной стороны на другую по краям плоскости. Фактически, большинство из них текут вокруг края «антипада» — просвета, окружающего сквозное отверстие, где след изменил слои — как миниатюрный Ниагарский водопад.

На рис. 3 показано нечто похожее. Сравнивая с нижней частью рисунка 1, мы видим, что вместо того, чтобы поверхностный ток протекал по краям медного листа, просверливание отверстия в листе позволяет обратным поверхностным токам плоскости течь по более короткому, а следовательно, менее индуктивному току. , меньшее полное сопротивление тракта.

Рисунок 3: Примеры плотности тока в поперечном сечении медных листов толщиной 1 мм, в которых просверлено небольшое отверстие

Хотя отверстие в медном листе позволяет сократить общую длину пути, ток, скапливающийся вокруг такого маленького отверстия, может значительно увеличить последовательную индуктивность. На рисунке 8 из [1] показаны несколько хороших примеров нынешнего скопления точечных контактов. Дополнительная индуктивность, создаваемая сквозным отверстием, приведет к тому, что цифровые сигналы будут перескакивать и звонить, нанося ущерб их целостности сигнала (SI) больше, чем если бы они вообще не меняли слои.Одно сквозное отверстие действительно может иметь очень важные последствия для SI высокоскоростных сигналов данных.

Это иллюстрирует другой закон природы, очень важный для хорошего проектирования ЭМ, о котором я писал в [15]: все токи «предпочитают» следовать по пути (ам) с наименьшим полным сопротивлением (часто называемым импедансом контура, потому что все токи поток в замкнутых контурах).

При выборе одного из двух путей, один из которых имеет в десять раз меньшее полное сопротивление контура, чем другой, 10/11 ^тыс. тока будет течь по пути с наименьшим полным сопротивлением, а 1/11 ^-го будет течь по другому пути. .

Все переменные токи (включая паразитные) протекают по поверхностям проводников и всегда протекают по замкнутым контурам с наименьшим общим сопротивлением.

На радиочастотах (RF) ток не может протекать через какой-либо значительный по толщине хороший проводник, такой как медь или алюминий, — очень важный реальный эффект, который полностью игнорируется учебниками по схемотехнике и симуляторами схем SPICE (и другими). Я видел, что это приводит к фундаментальным ошибкам в конструкции, например, излишнему увеличению размера, стоимости, веса и тепловыделению электроники в военных транспортных средствах и платформах, а также затрудняет прохождение ими военных испытаний на ЭМС.

Другая проблема, которую игнорируют симуляторы схем, заключается в том, что чем выше частота, тем меньше переменного тока проникает в глубину (толщину) проводника, и это уменьшает площадь поперечного сечения проводника, на который проходит большая часть тока. В свою очередь, это увеличивает сопротивление на пути тока, что может стать большой проблемой для обмоток высокочастотных импульсных силовых трансформаторов. Их часто приходится наматывать медной лентой или лицевым проводом вместо традиционных обмоточных проводов круглого или квадратного сечения, если они не должны иметь слишком большие потери и перегреваться.

Непонимание глубины скин-слоя и того факта, что все токи переменного тока протекают как поверхностные токи, что приводит к плохой инженерии ЭМ и может привести к очень дорогостоящим ошибкам.

Поверхностные токи и ближние поля

Квантовая электродинамика (КЭД) [17] выявляет соотношение 1: 1 между поверхностными токами проводника и электрическими и магнитными ближними полями, которые падают на этот проводник, поэтому мы можем работать либо с ближними полями, либо с поверхностными токами.

Многие тесты ЭМС проводятся в дальнем поле, и для данной трехмерной структуры существует фиксированная эквивалентность между ее ближними и дальними полями (хотя это не простая эквивалентность). Итак, мы можем видеть, что существует сильная эквивалентность между поверхностными токами конструкции и ее дальними полями.

Эти сильные эквивалентности означают, что, визуализируя поверхностные токи, мы можем получить много очень ценных сведений о конструкции ЭМ. Например, когда мы рассматриваем конструкцию экранирования и фильтрации, мы видим, что эквивалент предотвращения утечки электромагнитных полей внутрь или наружу (вызывающих проблемы с помехоустойчивостью или эмиссией соответственно) заключается в проектировании так, чтобы:

Все внутренние поверхностные токи должны оставаться на внутренних поверхностях корпуса, а все внешние поверхностные токи должны оставаться на внешних поверхностях корпуса.

Я всегда представляю себе, что поверхностные токи похожи на заливку водой корпуса продукта, будь то снаружи или внутри. Если есть зазор, шов или стык, который может позволить воде протекать с одной стороны корпуса на другую, это также приведет к утечке электрических, магнитных и / или электромагнитных волн с одной стороны на другую, что ухудшит характеристики. любой защиты и / или фильтрации.

Мы можем расширить аналогию с потоком воды, чтобы представить проводники проницаемыми, как картон, представив скин-эффект как «вода с более низкой частотой», пропитывающая проводник в большей степени, чем «вода с высокой частотой».(Это может немного растягивать аналогию.)

Конечно, аналогии могут только увести нас. Например, вода, текущая по поверхности и вытекающая из шва или стыка с другой поверхностью, будет вытекать больше, если зазоры в шве или стыке больше. Но вода имеет вязкость, что означает, что очень узкие зазоры будут меньше протекать, тогда как электромагнитные волны не имеют вязкости, поэтому узкие зазоры могут протекать так же, как зазоры, настолько широкие, что мы можем просунуть через них пальцы (моя знаменитая демонстрация [16] действительно очень хорошо показывает это. ).

Кроме того, длина волны электромагнитной волны / поля на данной частоте взаимодействует с размерами зазора, при этом определенные размеры зазора создают резонансы, которые могут протекать очень или очень мало (обсуждается в [1]).

Кожный эффект и дряблость

Даже если в цепи нет дискретного (преднамеренного сопротивления), всегда присутствует какое-то сопротивление из-за удельного сопротивления проводников, которое усиливается скин-эффектом, как обсуждалось ранее.

Например, медный проводник диаметром 2 мм и круглым поперечным сечением длиной 100 мм имеет площадь поперечного сечения около 3 мм. ² и сопротивление постоянному току около 0,5 мкОм при нормальной комнатной температуре. Но он может иметь очень значительное сопротивление на высоких частотах, например, на 1 МГц его толщина скин-слоя составляет 66 мкм, а площадь поперечного сечения, связанная с его первой глубиной скин-слоя, составляет около 0,4 мм. Конечное сопротивление составляет около 3 мкОм, что примерно в 36 раз больше теплового эффекта (потери мощности) на частоте 1 МГц, чем при постоянном токе.

На частоте 100 МГц площадь поперечного сечения, связанная с его первой толщиной скин-слоя, составляет около 0,04 мм ² , поэтому его сквозное сопротивление составляет около 30 мкОм — примерно в 60 раз выше, чем при постоянном токе, и составляет около 3600 в раз большее тепловое воздействие (потеря мощности) на 100 МГц, чем на постоянном токе.

Там, где это увеличенное количество потерь часто оказывает наибольшее влияние, находится в резонансных цепях. Любое сопротивление снижает значение резонансной частоты, что может доставлять неудобства, но самым большим эффектом является снижение добротности, добротности цепи.Большее сопротивление означает большее количество потерь, а значит более низкое значение Q, что затрудняет достижение крутых наклонов фильтра и узкой полосы пропускания, особенно на микроволновых частотах.

Визуализация работы щитов

Понимание того, что все токи, отличные от постоянного тока, протекают как поверхностные токи, и что хорошее экранирование электромагнитных волн и полей — это то же самое, что обеспечение того, чтобы все внутренние поверхностные токи оставались внутри, а все внешние поверхностные токи оставались снаружи, является ключом к проектированию. экранирование.

Вода может просачиваться внутрь или наружу через щель в стенке коробки, следовательно, могут происходить и поверхностные токи. Чем больше утечек внутренних поверхностных токов, тем хуже излучаемые электромагнитные поля. Чем больше протекающих внешних поверхностных токов, тем хуже устойчивость к электромагнитным помехам.

Визуализация того, как на самом деле работают экранированные межсоединения

Визуализация поверхностных токов — это ключ к быстрому и простому решению проблемы экранированных кабельных соединений.

Экранированным кабелям необходимо (так называемое) покрытие экрана на 360 ° по всей их длине (т.е.е., без зазоров), чтобы предотвратить утечки RF, в том числе на всех разъемах, сальниках или соединениях. Скин-эффект заставляет ВЧ-токи перемещаться по поверхности экранов, поэтому экраны кабелей, как правило, должны быть соединены на 360 ° непосредственно с местным источником ВЧ-сигнала (обычно шасси, плоскость печатной платы 0 В или экран корпуса) на обоих концах, чтобы гарантировать, что внутренние токи остаются на внутренних поверхностях экрана кабеля, а внешние токи остаются на его внешних поверхностях.

Мы достигаем требований к излучению и невосприимчивости, обеспечивая оптимизированные обратные пути (т.е., наименьшее полное сопротивление контура) для потоков внутренних поверхностных токов, как показано на рисунке 4.

И мы делаем то же самое для потоков внешних поверхностных токов, также показанных на рисунке 4.

Рисунок 4: Экранирование кабеля / разъема и протекание поверхностных токов

Правильно спроектированные и собранные заделки экрана кабеля гарантируют, что достаточное количество внутренних поверхностных токов остается протекающим внутри (т. Е. Достаточное количество внутренних полей остается внутри), чтобы соответствовать требованиям по излучению.Это также помогает гарантировать, что снаружи остается протекание достаточного количества внешних поверхностных токов (т. Е. Достаточное количество внешних полей остается снаружи), чтобы соответствовать спецификации помехоустойчивости.

Трудно визуализировать электромагнитные волны и поля, но, как показано на рисунке 4, легко визуализировать поверхностные токи, что делает их большим подспорьем в создании хорошей электромагнитной инженерии.

На рисунке 5 показана практическая реализация рисунка 4 на настольном ПК с 2002 года.

Рисунок 5: Пример экономичной реализации Рисунка 4

На рис. 6 показаны некоторые примеры типов гибких ЭМС-прокладок с высечкой, используемых для панелей разъемов, таких как показанная на рис. 5.

Рисунок 6: Примеры гибких прокладок ЭМС с вырезом для соединительных панелей, как показано на рисунке 5

Еще в 1970-х годах в профессиональной аудиоиндустрии правилом было то, что экраны кабелей всегда были соединены косичками, и действительно, стандартный разъем профессионального аудиокабеля (известный как XLR) предназначал для этих выводов свой контакт 1.

Визуализация путей, по которым проходят поверхностные токи, сразу показывает, что соединение экрана с косичками позволяет внутренним поверхностным токам протекать на за пределами экрана кабеля и экрана корпуса продукта.А также позволяет внешним поверхностным токам протекать на внутри экрана кабеля и экрана корпуса продукта.

Очевидно, что соединение экрана кабеля с косичками не может обеспечить хорошую эффективность экранирования, и нам не нужно исследовать и понимать огромный объем академической и тестовой работы, которая была проделана за последние 30 или более лет, чтобы доказать это. Мы можем увидеть это мгновенно, просто визуализируя поверхностные токи и применяя простой принцип «внутренние поверхностные токи должны течь внутри, а внешние поверхностные токи должны течь наружу».

Вопрос о том, как добиться хороших профессиональных звуковых (или инструментальных) характеристик на частотах, на которых материал экрана кабеля недостаточно толстый, чтобы обеспечить достаточную глубину скин-слоя для сохранения разделенных внутренних и внешних токов, рассматривается в [18]. . Это имеет особое отношение к обычным опасениям по поводу так называемых «контуров заземления» или «контуров шума» в системах и установках.

Если нет металлического корпуса или корпуса, который можно было бы использовать в качестве общего экрана продукта, можно достичь тех же преимуществ за счет соответствующей конструкции / компоновки печатной платы, используя дешевое экранирование на уровне платы (BLS) при высоких уровнях экранирования. требуются, как подробно описано в [19].Однако, учитывая быстрые темпы изменений в электронной промышленности, любой учебник (кроме наиболее академических) устаревает в течение года или двух после публикации, поэтому я постоянно предоставляю обновляемые сведения в своих учебных курсах [20] и [ 21].

Визуализация фактической работы фильтрованных межсоединений

«Эффективность фильтрации» характеристик проводящего фильтра зависит от импеданса его эталонной ВЧ плоскости (обычно плоскости 0 В / GND печатной платы или экрана корпуса или корпуса продукта).Это также зависит от импеданса метода соединения фильтра с эталонной плоскостью.

Вышеупомянутый абзац говорит все, что нам нужно знать , но не дает практических указаний . Например, мы могли бы понять это как означающее, что одна точка соединения между фильтром и эталонной плоскостью будет идеальной, если мы сделаем сопротивление точки соединения менее нескольких мкОм. Но это предположение было бы неверным, потому что даже если бы одинарная связка фильтра имела пренебрежимо малое сопротивление , ее полное сопротивление (Z) на самом деле было бы Z = R + ( Дж · 2 · π · f · L) — 1 / ( j · 2 · π · f · C), то есть зависит от индуктивности и емкости связи, а также от ее сопротивления.Хотя индуктивность, связанная с одной точкой соединения фильтра, значительна, ее довольно трудно визуализировать.

Кроме того, электрические и магнитные ближние поля на одной стороне фильтра имеют паразитные связи от одной стороны к другой, которые полностью зависят от физической структуры фильтра и окружающих его проводников и изоляторов.

Симуляторы схем, такие как SPICE, предполагают, что все токи и напряжения остаются внутри проводников — что никогда не бывает истинным — они действительно распространяют магнитные и электрические волны (т.е.е. ближние поля) в пространствах около проводников. Такое чрезмерное упрощение является одной из основных причин, по которым моделирование схемы фильтра всегда предсказывает лучшую «эффективность фильтрации», чем фильтры, достигаемые в реальной жизни, особенно при попытке добиться ослабления более 40 дБ на частотах выше 100 МГц.

Итак, у нас есть много хороших советов о том, как собрать / установить фильтры, чтобы они работали должным образом, , но ни один из них не дает нам никаких практических указаний.

Однако визуализация поверхностных токов является ключом к быстрому и легкому проектированию сборки / установки фильтра.

Для обеспечения наилучших характеристик ЭМС сборка / установка фильтра должна обеспечивать естественное протекание как внутренних, так и внешних поверхностных токов по их оптимальным путям (то есть по тем, которые имеют наименьшее полное сопротивление контура)

Правильно спроектированный и собранный узел / установка фильтра помогает гарантировать, что достаточно небольшое количество внутреннего поверхностного тока просочится к за пределами , чтобы соответствовать техническим характеристикам выбросов.Это также помогает гарантировать, что достаточно небольшое количество внешнего поверхностного тока течет на внутри, , чтобы соответствовать спецификации помехоустойчивости.

Таким образом, визуализируя поверхностные токи, текущие как слои воды, мы легко проектируем так, чтобы небольшое количество внутренних полей просачивалось на за пределами , для достаточно низкого радиочастотного излучения. И это небольшое-достаточно из внешних полей просачивается в внутри , для обеспечения достаточной устойчивости к радиочастотам.

Трудно визуализировать (и спроектировать с помощью) электромагнитных волн и полей, но — как показано на рисунке 7 — легко визуализировать (и спроектировать с помощью) поверхностные токи.

Рисунок 7: Сборка / установка фильтра и протекание поверхностных токов

Схема фильтра, показанная на рисунке 7, проста для наглядности. Существует множество схем фильтров, многие из которых более сложны, чем нарисованный простой π-фильтр.В более эффективных фильтрах часто используются проходные конденсаторы или, что еще лучше, проходной тройник и π «штыри фильтра» (например, используемые в очень дорогих высокотехнологичных соединителях с фильтрами военного назначения).

На рисунке 7 показан пример установленного на шасси фильтра сигналов, данных или мощности для упрощения визуализации поверхностных токов. Те же принципы применимы к фильтрам, собранным на печатных платах, с конденсаторами, припаянными к непрерывной непрерывной опорной плоскости RF, обычно к плоскости 0 В (или «GND»).

Также практически возможно достичь хороших характеристик фильтра с помощью фильтров, установленных на печатной плате, особенно при использовании BLS, а необходимые методы описаны в [19] и обновлены в [20] и [21]. Достижение высокой производительности, необходимой для самых жестких военных испытаний на ЭМС, с установленными на печатной плате фильтрами и отсутствием металлического корпуса в целом, все еще выходит за рамки нас (но мы работаем над этим).

Там, где фильтры на печатной плате используются в изделиях, которые полагаются на общий экран корпуса, очень важно, чтобы опорная плоскость печатной платы обеспечивала высокочастотное соединение с металлическим корпусом с очень низким импедансом.Как правило, проще всего этого добиться, используя экранированный соединитель, как показано на рисунке 5, даже если сами кабели с фильтром не экранированы.

Как и раньше — заявление об импедансе связи в предыдущем абзаце не содержит практических рекомендаций по проектированию. Как и прежде, визуализация внутренних / внешних поверхностных токов и обеспечение их сохранения внутри / снаружи всего корпуса упрощает создание хорошего дизайна.

Обзор экранирования и фильтрации

На рис. 8 показан набросок одного из моих учебных курсов, посвященный достижению успешного экранирования и фильтрации.Обратите внимание на очень строгие указания на RF-соединение любого / каждого экрана кабеля или другого проводника (независимо от того, являются ли они электрическими проводниками) с поверхностью экранированного корпуса в точке входа или выхода проводника.

Рисунок 8: Обзор: работа с проводниками, входящими / выходящими в экранированный корпус

Причины этого вполне понятны, если представить себе, что все внешние токи находятся снаружи корпуса, а все внутренние поверхностные токи — внутри.

И когда мы сталкиваемся с продуктом, в котором используется экранированный корпус, но который не соответствует требуемым испытаниям на ЭМС, мы можем оценить его, визуализировав все возможные пути, по которым поверхностные токи могут протекать не в ту сторону.

Конечно, мы можем быстро найти точки утечки, используя датчики ближнего поля, но они не могут показать нам, как решить проблему, и решение может быть неочевидным. Однако визуализация всех возможных путей, с помощью которых поверхностные токи могут протекать внутрь или наружу в точках утечки, — очень эффективный способ быстро определить, как лучше всего исправить сбой при испытании на ЭМС.

Наконец, на рисунке 9 показан практический пример типа проблемы проектирования ЭМС, с которой я по какой-то причине часто сталкивался в 2017 году.

Рисунок 9: Пример экранированного корпуса военного класса с утечкой

Я думаю, что аннотации на рисунке 9 настолько ясны, что мне не нужно их здесь повторять, но я хотел бы высказать последнее замечание:

Фильтры сами по себе не могут обеспечить хорошую «эффективность фильтрации»

Производители фильтров никогда не печатают заявления об отказе от ответственности или предупреждения при сборке / установке в своих технических паспортах; или покажите, как их фильтры были протестированы на самом деле , или опишите, как их фильтры должны быть собраны / установлены, чтобы достичь чего-то, приближающегося к их спецификациям таблицы данных.

Итак, понятно, что разработчики будут предполагать, что сборка / установка фильтра не имеет значения, что они будут предполагать, что фильтры достигнут своих полных характеристик самостоятельно. Я часто встречаю дизайнеров, которые сделали это ошибочное предположение, когда я ищу неисправности в EMC.

Фактически, спецификации фильтров действительны только в том случае, если фильтры правильно установлены в стене хорошо экранированного корпуса. Именно так их тестируют производители, и именно так они должны использоваться в реальных продуктах, чтобы иметь хоть какие-то шансы на достижение их технических характеристик!

Дизайнер, который понимает скин-эффект и поверхностные токи и применяет эти знания очень простыми, легкими и быстрыми способами, которые я описал в этой статье, никогда не совершит ошибку, предположив, что фильтр может достичь своих полных характеристик, указанных в таблице данных, без надлежащей интеграции с соответствующими экранирование.Понимание скин-эффекта и поверхностных токов и его применение, как описано в этой статье, также является мощным инструментом для предотвращения многих других причин проблем ЭМС, а не только неправильной сборки или установки фильтра.

Выводы

Понимание скин-эффекта, достаточного для визуализации потоков поверхностных токов в качестве прокси для ближних полей, является очень мощным методом в хорошей электромагнитной инженерии (т. Е. Быстром и экономичном проектировании SI, PI и EMC) и поиске неисправностей.Я надеюсь, что это краткое введение побудит читателей узнать больше и начать использовать этот очень эффективный метод.

Список литературы

1. «Введение в разработку ЭМ», Кейт Армстронг, страницы 20–37 в издании In Compliance за июль 2017 г., https://incompliancemag.com/DigEd/icm1707
2. «Физика электромагнитной совместимости», Кейт Армстронг, серия статей, первоначально опубликованных в журнале EMC Journal в 2009 и 2010 годах, которую можно бесплатно загрузить с сайта www.emcstandards.co.uk/the-physical-basis-of-emc
3. «Физика электромагнитной совместимости», Кейт Армстронг, Натвуд, Великобритания, октябрь 2010 г., ISBN: 978-0-9555118-3-7, повсюду полноцветная графика, печать на заказ: https://emc-eandt.com/index.php / emc-books /
4. www.emcstandards.co.uk/testimonials
5. www.emcstandards.co.uk/online-training
6. www.compliance-club.com/keitharmstrong.aspx
7. Журнал SAFETY & EMC Magazine, посетите www.semc.cesi.cn/gqmle.asp и выполните поиск по < статей, опубликованных на китайском языке (в основном), а некоторые на английском.
8. См. Все учебники Армстронга по адресу https: // emc-eandt.com / index.php / emc-books
9. https://en.wikipedia.org/wiki/E_(mat Mathematical_constant)
10. «Введение в электромагнитную совместимость, 2-е издание», Клейтон Р. Пол, Wiley-Interscience, январь 2006 г., ISBN: 978-0-471-75500-5
11. «EMC для дизайнеров продукции, 5-е издание», Тим Уильямс, Newnes, 2016, ISBN в мягкой обложке: 9780081010167, ISBN электронной книги: 9780081010143, www.bh.com/newnes
12. Свойства материала глубины скин-слоя: www.rfcafe.com/references/electrical/cond-high-freq.htm
13. Формула глубины кожи: www.rfcafe.com/references/electrical/skin-depth.htm
14. Онлайн-калькулятор глубины кожи: www.rfcafe.com/references/calculators/skin-depth-calculator.htm
15. «Экономически эффективное проектирование ЭМС, основанное на законах физики», Кейт Армстронг, с сайта www.emcstandards.co.uk/additional-resources1
16. «Демонстрация электромагнитной совместимости Cherry Clough», www.cherryclough.com/userfiles/file/W800%20emissions%20demo.doc
17. «QED, странная теория света и материи», Ричард П.Фейнман, Princeton University Press, Мягкая обложка (2014) ISBN: 9780691164090, ISBN электронной книги: 9781400847464
18. «Проектирование входов / выходов таким образом, чтобы они не страдали от токов« контура заземления »в экранах (экранах) кабелей», Кейт Армстронг, бесплатная загрузка:
    www.emcstandards.co.uk/designing-ios-so-they-will- не страдать от-г
19. «Электромагнитная совместимость для печатных плат — базовые и расширенные методы проектирования и компоновки, издание 2», Кейт Армстронг, Натвуд, Великобритания, декабрь 2010 г., ISBN 978-0-9555118-5-1, полноцветная графика, печать на заказ: https: // emc-eandt.com / index.php / emc-books
20. «Основные методы проектирования / компоновки печатных плат для экономичных систем SI, PI и EMC в 2018 г.», www.emcstandards.co.uk/essential-pcb-designlayout-techniques-for-cost
21. «Усовершенствованные методы проектирования печатных плат для экономичных систем SI, PI и EMC в 2018 г.», www.emcstandards.co.uk/advanced-pcb-design-for-cost-effective-si-pi-an

Релевантность скин-эффекта в акустических кабелях

Некоторые так называемые «экзотические» кабельные компании любят распространять заблуждение о том, что скин-эффект может оказывать пагубное влияние на качество звука.Хотя скин-эффект является реальной проблемой в высокочастотных приложениях, таких как ВЧ-мощность и передача, он незначителен на звуковых частотах, как я продемонстрирую в этой статье, основанной на фундаментальных инженерных и научных принципах.

Хорошей идеей будет освежить в памяти сопротивление кабеля динамика , прежде чем углубляться в тему скин-эффекта и сопротивления переменного тока.

Определение скин-эффекта

Скин-эффект был известен, и уравнения для зависимости глубины скин-слоя от частоты были выведены еще в 1915 году.Это тенденция переменного тока течь около поверхности проводника, тем самым ограничивая ток небольшой частью общей площади поперечного сечения и увеличивая сопротивление протеканию тока.

Примечание: Скин-эффект вызван самоиндукцией проводника, которая вызывает увеличение индуктивного сопротивления на высоких частотах, заставляя носители, , то есть электронов, приближаться к поверхности проводника. На высоких частотах окружность является предпочтительным критерием для прогнозирования сопротивления, чем площадь поперечного сечения.Глубина проникновения тока может быть очень маленькой по сравнению с диаметром.

Глубина кожи

Skin Depth определяется как расстояние под поверхностью, на котором плотность тока упала до 1 / e или 37% от своего значения на поверхности. 2)
где S
S = 2837 / sqrt (f) (толщина пленки)

(Это уравнение было получено из многих источников, и для медного провода при температуре 70 ° C вышеупомянутое соотношение сохраняется)

Примечание: это расчет наихудшего случая, поскольку сопротивление кабеля увеличивается с температурой, и большинство людей не будут слушать музыку при температуре 70 градусов Цельсия, поскольку они, вероятно, будут больше заняты попытками остыть или выйти из такой отапливаемой комнаты. !

Кроме того, поскольку глубина скин-слоя обратно пропорциональна квадратному корню из частоты, провода разного размера будут иметь разные отношения постоянного и переменного тока, и эти отношения будут увеличиваться с увеличением частоты.

Сначала давайте сделаем несколько основных предположений для настройки двухканального звука с высокой точностью воспроизведения:

• Длина кабелей для динамиков: 10 футов / шт.
• Калибр кабеля для динамиков: круглый многожильный провод OFC 12AWG

Известные переменные

• Диаметр провода 12AWG = 80,8 мил
• Максимальная звуковая частота (F), вызывающая озабоченность 20 кГц (предел человеческого слуха)

На рисунке ниже показана площадь поперечного сечения провода 12 AWG, показывающая радиус провода (r) и глубина кожи (S).2.

Обновление: Это очень консервативный расчет увеличения сопротивления переменному току из-за скин-эффекта, поскольку он предполагает, что профиль плотности тока однороден в пределах первой скин-глубины. Это уравнение также предполагает провод с твердым сердечником, который будет демонстрировать более высокий скин-эффект по сравнению с многожильным проводом аналогичного калибра. Дальнейшее изучение этой темы будет отложено для следующей статьи.

Фактическое измеренное увеличение сопротивления переменному току из-за скин-эффекта на частоте 20 кГц составляет менее 3% .Смотрите результаты в нашей статье Cable Face Off для более подробной информации.

Как скин эффект и глубина кожи влияет на защиту от электромагнитных / радиопомех?

---

Конструкция экрана для защиты от электромагнитных и радиочастотных помех (EMI / RFI) является сложной и многогранной, сочетающей в себе концепции электротехники и машиностроения. На практике экранирование — это итеративный процесс, в котором управление одной переменной влияет на другую, что приводит к еще большему количеству изменений в конструкции.

Одним из аспектов конструкции экрана является знание того, какие внешние сигналы наиболее важны, чтобы они не мешали внутренним цепям.Это важно с точки зрения выбора материала как для конструкции экрана, так и для любого последующего покрытия. Знание частоты и амплитуды критических сигналов и их поведения с проводящими металлами помогает определить проводимость и толщину, необходимые для достижения адекватной эффективности экранирования.

Герметизация ленты и катушки

Скин-эффект

Одним из способов описания характеристик экрана является явление, называемое скин-эффектом.В схемах в качестве источника питания используется либо постоянный ток (DC), либо переменный ток (AC), но только переменные токи обладают скин-эффектом.

Токи переменного тока имеют тенденцию скапливаться в верхних слоях проводника, ближайших к поверхности, увеличивая плотность тока в этой области материала. Это, в свою очередь, увеличивает сопротивление проводника и снижает его проводимость, что снижает эффективность экрана. Чем выше частота, тем сильнее эффект.

Способы противодействия этому включают увеличение площади поверхности экрана (тем самым обеспечивая больше места для протекания токов), используя более плотный или даже твердый верхний слой (т.е.е. без отверстий или очень плотно сплетенной сетки) или с добавлением покрытия с более высокой проводимостью.

Глубина кожи

Другой аспект поведения сигнала относительно материала экрана называется глубиной скин-слоя. Он описывает, насколько глубоко в материал проникает данная волна. Эта диаграмма показывает глубину скин-слоя для различных металлов на разных частотах. Например, на частоте 1 ГГц золото имеет толщину скин-слоя 2,36 микрометра. С учетом глубины скин-слоя:

• частота волны (в Гц)
• амплитуда волны (в дБ)
• проводимость материала
• проницаемость материала

Здесь вы можете увидеть, как рассчитывается глубина скин-слоя.

Для данного материала каждая единица толщины скин-слоя ослабляет амплитуду волны примерно на 9 дБ. Используя толщину материала, превышающую глубину скин-слоя для данной волны, вы можете контролировать проникновение, а также минимизировать избыточную толщину. Помните также, что из-за скин-эффекта волны будут концентрироваться в верхних слоях проводника, так что это помогает гарантировать, что самые верхние слои находятся там, где происходит наибольшее поглощение / проникновение.

Вот пример из All About Circuits, который показывает, как на практике работает глубина кожи.«Рассмотрим радиочастотные сигналы для Wi-Fi или Bluetooth, которые работают на частоте 2,4 ГГц. С помощью калькулятора видим, что глубина скин-слоя с медным проводником составляет 1,331 мкм. Это означает, что даже с очень тонким проводом (например, 30 AWG) только крошечная часть провода пропускает значительный ток ».

Глубина скин-слоя — это один из нескольких важных критериев при определении типа материала, толщины или покрытия, используемого для штампованной детали. Слишком тонкий материал будет пропускать волны и, возможно, резонировать или мешать приему или передаче сигнала, но слишком толстый может в конечном итоге добавить ненужный вес, расходы или и то, и другое.

На самом деле, большинству экранов необходимо управлять более чем одной переменной (например, несколькими сигналами на разных частотах или необходимостью захвата сигналов внутри экрана), поэтому обычно это не так просто, как регулировка толщины только для одного типа волны. И хотя тонкий материал может снизить затраты, готовые штампованные компоненты также должны иметь достаточную физическую прочность для их предполагаемого назначения, поэтому вам может потребоваться использовать материал толще, чем строго указано на глубине покрытия.

No related posts.