Por que não existe um fio condutor não condutor para aplicações de bobinas de alta frequência

fundo

As fórmulas de efeito cutâneo conhecidas são derivadas e aplicam-se apenas a condutores sólidos. A "profundidade da pele" comumente usada apenas se aplica nesses casos. É por esse motivo que, em algumas aplicações, são utilizados tubos, pois são muito mais eficientes em termos de peso do que o mesmo fio de diâmetro a uma frequência suficientemente alta.

A 1 MHz, a profundidade da pele do fio de cobre é de 65 µm, o que significa que apenas 40% do volume de um fio de 1 mm de diâmetro transporta 95% da corrente, com mais de 35% fora dos 20%.

A partir das fórmulas de profundidade da pele, sabe-se que um material de condutividade mais baixa (por exemplo, alumínio) possui uma profundidade de pele que é consideravelmente maior que uma condutividade mais alta (por exemplo, cobre). Como a fórmula prevê, a profundidade da pele é inversamente proporcional à raiz quadrada da condutividade. Se levarmos isso a suas conseqüências lógicas, deve ser o caso de que a profundidade da pele de um tubo condutor (que possui um núcleo de isolamento) seja maior que a de um condutor sólido equivalente.

Como intuição alternativa, um condutor de núcleo isolado de parede fina teria quase o dobro da área de superfície de um condutor sólido. Portanto, deve aproximar-se assintoticamente de quase metade da resistência a uma frequência suficientemente alta.

De fato, como pode ser visto neste artigo da HB Dwight em 1922 (possível barreira) , o aumento na frequência de resistência à resistência de um tubo cuja espessura da parede é de 20% do seu diâmetro é mais do que um fator dois menor do que para um sólido fio.

A partir das curvas acima, pode-se observar que um tubo com t = 200 µm e d = 1 mm, devido ao aumento da profundidade real da pele, deve ter menos de 50% do aumento da impedância do que um fio sólido de d = 1 mm (observe que o curvas são normalizadas wrt , portanto a interpretação é um pouco complicada).$F / R_{dc}$

Efeitos semelhantes (embora não tão dramáticos) podem ser observados com fios trançados isolados individualmente.

Inscrição

Em aplicações de média frequência, como, por exemplo, comutação de fontes de alimentação, é comum usar o Litz Wire, um fio isolado com vários fios, que reduz as perdas devido ao efeito de pele, mas se torna cada vez menos eficaz em frequências mais altas (~ 1MHz) devido ao efeito de proximidade e o acoplamento capacitivo dos fios individuais.

Provavelmente mais ganhos (principalmente com relação aos efeitos de proximidade) poderiam ser obtidos se houvesse vários fios individuais embutidos em torno da periferia de um núcleo não condutor.

Questão

Perdi alguma coisa na teoria?

Caso contrário, por que o fio do núcleo isolado (tubos ou cordões ao redor do núcleo) não está sendo explorado comercialmente para aplicações de indutores de alta frequência?

Termo aditivo

Como a resposta de John Birckhead aponta, o fio plano tem basicamente as mesmas vantagens, sem nenhuma das desvantagens (por exemplo, fator de preenchimento). Mas isso me leva a perguntar:

Por que o fio plano com núcleo isolado não está sendo usado para essas aplicações? Ele deve ter a mesma vantagem do fio plano com quase metade da resistência em frequências altas o suficiente. Os ganhos possíveis são irrelevantes?

Não, você está correto na teoria, mas sua abordagem leva a um aumento desnecessário de volume quando comparado ao uso de fio plano, que é mais fácil de fabricar e fornece uma vantagem semelhante para o efeito da pele e a vantagem da eficiência volumétrica.

A entrada da Wikipedia para Litz wire contém uma resposta direta à sua pergunta "Por que os tubos ocos não são usados?":

Uma técnica para reduzir a resistência é colocar mais material condutor perto da superfície onde a corrente está, substituindo o fio por um tubo oco de cobre. A maior área de superfície do tubo conduz a corrente com muito menos resistência do que um fio sólido com a mesma área de seção transversal. As bobinas dos tanques dos transmissores de rádio de alta potência geralmente são feitas de tubos de cobre banhados a prata por fora, para reduzir a resistência. No entanto, a tubulação não é flexível e requer ferramentas especiais para dobrar e moldar.

O artigo continua descrevendo por que o fio Litz fornece uma solução alternativa.

O aquecimento por indução (industrial) geralmente usa tubulação de cobre oca para o indutor.

Quando você está executando 1000 kW ou mais, é melhor acreditar que a perda de cobre precisa ser minimizada.

Além disso, o núcleo oco é usado para resfriamento a água.

Às vezes, o cobre é chamado de "barra oca". Vem em retangular ou redondo. Não é incomum solicitar uma "usinagem" para obter a barra oca e a espessura desejada.

Imagem de luvata dot com

De fato, existe uma variante no fio principal isolado para aplicações de frequência muito alta. É chamado de guia de ondas. É um tubo oco usado para conduzir RF. Entendo que o sinal viaja no interior da concha condutora e não no exterior, mas existe a idéia de precisar apenas da concha condutora tão espessa quanto dita o efeito da pele.

Não há muita utilidade para indutores.