Меню

Эффект близости в переменном токе



ХАРАКТЕРИСТИКИ И РАСЧЁТ КАБЕЛЯ

Выбор кабеля для кабельных коммуникаций часто производиться в последнюю очередь. Между тем кабель играет важную роль в производительности всей конструкции и даже может стать причиной её плохой работы при его неправильном выборе. Например, система связи для передачи данных может эти самые данные потерять. В каждом отдельном случае есть свои тонкости. Поэтому мы поговорим о различных эффектах кабельных коммуникаций и о том, как правильно выбрать кабель.

Что такое кабель?

Кабель состоит из двух или более изолированных жил, завернутых вместе. Существует широкий выбор многожильных кабелей с различными конфигурациями, в том числе нескольких пар, витой пары и т.д. Есть также несколько параллельных конструкций, содержащих плоские кабели и ленточные кабели.

Почему необходимо правильно выбрать кабель?

Надежность кабелей очень важна для длительного использования всей кабельной системы, которая основывается на целостности сигнала и долговечности. Характеристики кабеля отражаются на несущих им сигналах. В идеале, кабели должны вести себя как идеальные линии передачи и не влиять на сигнал, но практически это не возможно.

Влияние кабелей

Скин-Эффект

Переменный ток, протекающий через кабель и создающий магнитное поле, становится источником собственной индуктивности кабеля. Собственная индуктивность обратно пропорциональна толщине проводника и приводит к снижению импеданса.

Где, f — частота переменного тока в герцах.

Для кабеля, состоящего из одного или нескольких круглых элементов в проводнике, магнитный поток центральной части больше и мощнее по сравнению с внешней. Следовательно, центральная часть имеет большую самоиндуцированность ЭДС , вызывая большую плотность тока на поверхности проводника. Большая концентрация на поверхности широко известна как “скин-эффект”. Этот эффект приводит инкрементное увеличение эффективного сопротивления проводника. Скин-эффект становится более заметным с увеличением частоты.

Скин-эффект токонесущей жилы

Следующая формула дает расчёт эффективного сопротивления;

Где, Ys показывает постепенное увеличение сопротивления за счет скин-эффекта.

Эффект Близости

Два кабеля расположенные близко друг к другу и несущие ток будут иметь магнитные поля, которые взаимодействуют друг с другом. Магнитное поле каждого кабеля связано с магнитными полями смежных кабелей. Если переменный ток течет в одном направлении, в прилегающем кабеле будет создано напряжение. Распределение тока в проводниках, изолированных друг от друга, будет изменяться от взаимного реактивного сопротивления. Этот феномен известен как “эффект близости”.

Эффект близости проводников, несущих ток в одном направлении

Эффект близости проводников, несущие ток в обратном направлении

В Формуле, приведенной для сопротивления,

фактор Yp показывает увеличение сопротивления за счет эффекта близости.

Магнитный Эффект кабельного канала

Кабели, устанавливаемые в кабельных каналах, выполненных из магнитных материалов будет иметь эффект увеличения сопротивления переменному току. Этот эффект называется эффектом магнитной проводимости и рассчитывается путем умножения факторов скин-эффекта и эффекта близости на 1,7.

Эффект длины кабеля

С увеличением длины кабеля, начинают происходить определенные потери, которые, как правило, имеют негативное влияние на целостность содержимого передаваемого цепью. Причина в том, что более длинные кабели вносят искажения и помехи, и могут повлиять на качество содержимого. С частотами менее 10 кГц такое искажение сигнала несущественно. Однако, существует возможность искажения сигнала при высокой частоте для кабелей длиной более 30 метров. Для данной длины кабеля передаваемая частота является функцией емкости кабеля.

Как правильно выбрать кабель

Мы уже говорили о влиянии кабелей друг на друга и о том, как они могут повлиять на производительность линии. Поэтому, необходимо правильно выбрать кабель для любой конкретной кабельной линии. Для того, чтобы выбрать кабель, мы должны рассмотреть несколько условий их эксплуатации

Тип нагрузки. Во-первых, необходимо учитывать тип нагрузки, используемый в кабеле для определения правильного выбора кабеля. Как только вы определили тип нагрузки, оцените требуемый коэффициент безопасности, который будет меняться в зависимости от приложенной нагрузки. Важно также учитывать условия окружающей среды и механическое воздействие на кабель, например, ударов, вибрации и др. Это даст возможность легче выбрать диаметр кабеля путем определения типа нагрузки и условий, при которых кабель будет эксплуатироваться.

Конструкция кабеля. Второй шаг в выборе кабеля это рассмотрение процесса строительства. В некоторых случаях может потребоваться гибкость кабеля, в диапазоне от умеренной до высокой. Испытание мощных кабелей поможет в определении конструкции кабеля для конкретного применения.

Кабельная планировка. Планировка кабельной коммуникации является еще одним важным фактором, который влияет на выбор кабеля. В первую очередь рассматриваются её срок службы, стоимость и экологический фактор. Использование оцинкованных и неоцинкованных кабелей зависит от условий окружающей среды.

Читайте также:  Рубильник без разрыва тока

Оболочка кабеля. И, наконец, определяется потребность кабелей в изоляционном покрытии. Существует ряд причин для этого выбора. Это защиты от нежелательного контакта с определёнными материалами, увеличение внешнего объёма кабеля для уменьшения его сопротивления, использование цветного кабеля в эстетических соображениях, защиты кабеля от истирания.

Пример применения кабельного эффекта

Давайте рассмотрим практический пример применения кабелей в частотно-регулируемом приводе. Частота электрической энергии протекающей через кабель — это больше, чем 30 МГц. Энергии с такой высокой частотой не должна выходить за границу кабельной коммуникации, в противном случае её излучение будет мешать нормальной работе расположенного рядом оборудования. Иногда бывает сложно найти и устранить причину помех. Без должного экранирования кабеля сильный уровень помех может нарушить любую операционную систему. Кроме того, Длина кабеля также имеет предположительные ограничения, поскольку более длинный кабель излучает больше помех. Выбор кабеля в системе влияет на её надежность. Частотно – регулирующий привод соединен с двигателем посредством кабеля, как показано на рисунке ниже, который играет важную роль в оптимизации производительности и долговечности частотно-регулируемого привода.

Типичная система частотно-регулируемого привода

Существуют четыре проблемы кабельного соединения, которые влияют на частотно-регулируемый привод системы:

Напряжение отраженной волны: это отражение создает эффект стоячей волны. Высокое напряжение увеличивает вероятность неисправности двигателя. Эти напряжения могут быть потенциально уменьшены, если использовать кабель с низкой ёмкостью, так как это позволит увеличить критическое расстояние.

Емкостные связи и кабельные наводки: эти эффекты возникают из-за емкостного взаимодействия соседних кабелей или проводов двигателя, происходит потеря некоторого выходного тока и мощности привода, что приводит к снижению индуцированного напряжения и крутящего момента двигателя. В целях снижения потерь важно использовать кабель с практически низкой емкостью и предотвратить емкостные взаимодействия. Для этого нужны эффективная защита мотора и удаление кабелей друг от друга.

Синфазный ток: любой ток, который создает помехи. Синфазные токи эффективно уменьшаются посредством использования кабелей с низким импедансом.

Безопасность и надежность при монтаже: неправильный выбор кабеля сразу предполагает наличие риска эксплуатационной надежности и личной безопасности. Поэтому, очень важно выбирать для использования такие кабельные коммуникации, которые смогут обеспечить наивысшую степень безопасности и соответствовать электротехническим и экологическим требованиям.

Originally posted 2019-03-08 11:32:14. Republished by Blog Post Promoter

Источник

5.5. Электрический поверхностный эффект в плоской шине. Эффект близости

Рассмотрим явление поверхностного эффекта при прохождении переменного синусоидального тока частотой w вдоль пластины (шины) (рис. 5.7). Предположим, что обратная шина (обратный проводник) находится настолько далеко, что влиянием магнитного потока, вызванного током в ней, на распределение тока в исследуемой шине можно пренебречь.

В этом случае поле внутри пластины определяется по формулам:

Сопротивление единицы длины шины

Здесь – комплексные амплитуды напряженности электрического и магнитного поля на поверхности шины (z = 0).

На рис. 5.8 приведены кривые Bm/Bme и Em/Eme в функции от z для следующих параметров: m = 1000m; g = 10 7 См/м; f = 500 Гц; d = 2 мм. Эти зависимости определяются формулами:

Как видно из рисунка, неравномерность распределения напряженности электрического поля (а значит, и плотности тока) довольно значительная. Так, напряженность поля в середине шины почти в десять раз меньше, чем на поверхности. В этом и заключается электрический поверхностный эффект.

Если в непосредственной близости друг от друга расположено несколько проводников с переменными токами и каждый из них находится не только в собственном переменном магнитном поле, но и в магнитном поле других проводников, то распределение в каждом проводнике будет несколько отличаться от того, которое имело бы место, если бы этот проводник был уединен. Этот эффект носит наименование эффекта близости. Он приводит к дополнительному увеличению активного сопротивления проводников.

В случае двухпроводной линии передачи, в проводах которой токи протекают в противоположных направлениях, эффект близости приводит к тому, что плотность тока на сторонах проводников, обращенных друг к другу, оказывается большей, чем на противоположных сторонах.

В качестве иллюстрации рассмотрим двухпроводную линию в виде двух параллельных близко расположенных плоских шин (рис. 5.9), по которым протекает в противоположных направлениях синусоидальный ток.

Источник

Поверхностный эффект и эффект близости

Поверхностный эффект и эффект близостиСопротивление проводника постоянному току определяется по известной формуле r о= ρ l/S .

Это сопротивление можно также определить, зная величину постоянного тока I о и мощность Р о :

r о = P о / I о 2

Оказывается, что в цепи переменного тока сопротивление r того же проводника больше сопротивления постоян ному току: r > r о

Это сопротивление r в отличие от сопротивления постоянному току r о и носит название активного сопротивления. Увеличение сопротивления проводника объясняется тем, что при переменном токе плотность тока не одинакова в различных точках поперечного сечения проводника. У поверхности проводника плотность тока получается больше, чем при постоянном токе, а и центре меньше.

Читайте также:  Контрольная работа по физике постоянный электрически ток

При высокой частоте неравномерность проявляется так резко, что плотность тока в значительной центральной чисти сечения проводника практически равна нулю , ток проходит только в поверхностном слое, отчего это явление и получило название поверхностного эффекта .

Таким образом, поверхностный эффект приводит к уменьшению сечения проводника, по которому проходит ток (активного сечения), и, следовательно, к увеличению его сопротивления по сравнению с сопротивлением постоянному току.

Для объяснения причины возникновения поверхностного эффекта представим цилиндрический провод (рис. 1 ) состоящим из большего числа элементарных проводников одинакового сечения, прилегающих вплотную друг к другу и расположенных концентрическими слоями.

Сопротивления этих проводников постоянному току, найденные по формуле ρ l/S будут одинаковы.

Магнитное поле цилиндрического проводника

Рис. 1. Магнитное поле цилиндрического проводника.

При переменном электрическом токе вокруг каждого проводника создается переменное магнитное поле (рис. 1 ). Очевидно, элементарный проводник, расположенный ближе к оси, охватывается большим магнитным потоком проводник, расположенный у поверхности провода , поэтому первый обладает большей индуктивностью и индуктивным сопротивлением, чем второй.

При одинаковом напряжении на концах элементарных проводников длиной l, расположенных у оси и у поверхности, плотность тока в первых меньше, чем во вторых.

Разница в плотностях тока у оси и на периферии провода возрастает с увеличением диаметра провода d, проводимости материала γ , магнитной проницаемости материала μ и частоты переменного тока f.

Отношение активного сопротивления проводника r к его сопротивлению при. постоянном, токе r о называется коэффициентом поверхностного эффекта и обозначается буквой ξ (кси), следовательно, к оэффициент ξ можно определить по графику рис. 2 , на котором представлена зависимость ξ от произведения d и √ γμμо f .

График для определения коэффициента поверхностного эффекта

Рис. 2. График для определения коэффициента поверхностного эффекта.

При вычислении этого произведения следует выражать d в см, γ — в 1/ом-см, μо — в гн /см и f = в гц.

Пример. Необходимо определить коэффициент поверхностного эффекта дл я медного проводника диаметром d = 11 ,3 мм (S = 100 мм2 ) при частоте f = 150 гц.

Произведение d √ γμо f .

По графику на рис. 2 находим ξ = 1,03

Неодинаковая плотность тока в проводе получается также из-за влияния токов в соседних проводах. Это явление называется эффектом близости .

Рассматривая магнитное поле токов одною направления в двух параллельно расположенных проводах, легко показать, что те элементарные проводники, принадлежащие разным проводам, которые наиболее удалены друг от друга, сцеплены с наименьшим магнитным потоком, следовательно, плотность тока в них наибольшая. Если токи в параллельных проводах имеют, разные направления, то можно показать, что большая плотность тока наблюдается в тех элементарных проводниках, принадлежащих разным проводам, которые наиболее сближены друг с другом.

Источник

Эффект близости в проводниках печатной платы

В статье рассматриваются нежелательные явления – поверхностный эффект и эффект близости, которые разработчикам следует учитывать при проектировании печатных плат, а также предлагаются рекомендации по нейтрализации этих эффектов.

Введение

Поверхностный эффект и эффект близости являются проявлениями одного и того же принципа – линии магнитного потока не проникают в идеальный проводник. Разница между этими эффектами в том, что поверхностный эффект представляет собой реакцию на магнитные поля, которые генерируются током в проводнике (см. рис. 1), а эффект близости возникает при протекании тока по рядом расположенным проводникам или слоям. Оба эффекта начинают проявляться на одинаковой частоте.

Сравнение поверхностного эффекта с эффектом близости

Рис. 1. Сравнение поверхностного эффекта с эффектом близости

Эффект близости

У многослойных печатных плат этот эффект возникает на достаточно низких частотах около 30 МГц. Ниже этого значения напряженность магнитного поля слишком мала, чтобы влиять на протекание тока. На низких частотах обратный ток течет по тракту с наименьшим сопротивлением, заполняя всю площадь поперечного сечения проводника. При возврате к источнику через слои питания или заземления этот ток стремится занять всю медную плоскость. Однако по мере увеличения частоты сигнала напряженность магнитного поля вокруг проводника возрастает, вынуждая обратный ток протекать по цепям с наименьшей индуктивностью. В результате ток течет по узкому тракту непосредственно над или под проводником опорного слоя.

Как видно из рисунка 1, под влиянием магнитного поля ток протекает на небольшой глубине по периметру проводника (эта область показана красным цветом), что увеличивает его кажущееся сопротивление. Данное явление носит название поверхностного эффекта. Под влиянием магнитного поля ток неравномерно распределяется по поверхности двух близко находящихся проводников (см. рис. 1). Так происходит в результате эффекта близости. В результате ток в основном сосредоточен на стороне проводника, обращенной к опорному слою, где наибольшая концентрация тока наблюдается на поверхности непосредственно под проводником.

Читайте также:  Как током отогреть трубу с водой

Плотность обратного тока в микрополосковой линии

Рис. 2. Плотность обратного тока в микрополосковой линии

На рисунке 2 показано, как распределена плотность обратного тока в микрополосковой линии. В асимметричной полосковой конфигурации (см. рис. 3) под действием эффекта близости ток распределяется неравномерно между центральной частью проводника и дальними опорными слоями.

Распределение плотности тока в случае двойной асимметричной полосковой линии

Рис. 3. Распределение плотности тока в случае двойной асимметричной полосковой линии

Необходимо точно понимать, куда потечет обратный ток. Особенно важно иметь это представление в случае использования асимметричной полосковой конфигурации, в которой один или два сигнальных слоя находятся между двумя плоскостями.

В первую очередь, следует точно знать, не по какому слою потечет обратный ток, а как он распределится на каждом слое. Кроме того, при наличии разрывов импеданса в тракте обратного тока площадь токового контура увеличивается, возрастает индуктивность и задержка.

Разрыв импеданса возникает из-за сквозных переходных отверстий, через которые осуществляется связь между сигнальными проводниками и опорными слоями с разными потенциалами. Иначе говоря, обратному току приходится «перепрыгивать» через границу между слоями, чтобы замкнуть токовый контур, что увеличивает его индуктивность и ухудшает качество сигнала. При протекании обратного тока возникает режим резонанса в параллельно расположенных слоях, что приводит к сильным электромагнитным помехам из-за краевых эффектов.

Если опорные слои имеют одинаковый потенциал по постоянному току, их можно соединить методом сшивания, расположив рядом с сигнальным переходным отверстием массив переходных отверстий, обеспечивающих более короткий тракт для обратного тока. Если же у опорных слоев – разные потенциалы по постоянному току, между ними устанавливаются развязывающие конденсаторы (см. рис. 4а). Однако в результате такого соединения может возникнуть шум по переменному току между источниками питания. Способ использования двух развязывающих конденсаторов, представленный на рисунке 4б, является намного лучшим решением, т. к. оно позволяет исключить передачу шума от одного источника питания другому. И хотя площадь токового контура в этом случае немного больше, между слоями обеспечивается дополнительная развязка, что уменьшает импеданс схемы разводки питания. Кроме того, некоторая часть обратного тока, замыкая контур, протекает через межслойную емкость.

ример неправильно установленного развязывающего конденсатора между двумя слоями питания и удаление шума в тракте обратного тока между разделенными слоями питания

Рис. 4.
а) пример неправильно установленного развязывающего конденсатора между двумя слоями питания;
б) удаление шума в тракте обратного тока между разделенными слоями питания

Уравнения для распределения тока

Распределение тока в трех базовых конфигурациях показано на рисунке 5. Распределение тока J(D) в случае сплошной микрополосковой линии определяется следующим образом:

где h – высота проводника над/под слоем, мил; d – расстояние по горизонтали от центра проводника, мил.

Распределение тока в трех конфигурациях: микрополосковая, полосковая, сдвоенная полосковая конфигурации

Рис. 5.
а) микрополосковая;
б) полосковая;
в) сдвоенная полосковая конфигурации

Однако в случае полосковой конфигурации необходимо учитывать соотношение между высотой слоя над проводником h1 и высотой слоя под проводником h2. В этом случае высота h для верхней части слоя определяется следующим образом:

Высота h для нижней части слоя определяется следующим соотношением:

Эти уравнения легко экстраполируются на случай использования двойной полосковой линии путем добавления высоты соответствующих диэлектрических слоев к каждой плоскости. В результате выражение (h1 + h2) из двух предыдущих уравнений заменяется выражением (h1 + h2 + h3). Соответствующее распределение тока мы уже видели на рисунке 3.

Говоря точнее, в полосковых конфигурациях проводник толщиной t полностью погружен в слой препрега, благодаря чему проводник расположен ближе к опорному слою, а его импеданс – меньше. Следовательно, приведенное выше уравнение немного усложняется из-за растекания эпоксидной основы препрега. Однако если известно, какой материал используется как основа, а какой – в качестве препрега, высоту препрега можно считать равной t.

Уравнение для распределения тока позволяет также оценить величину перекрестной помехи (ПП). Эта помеха в случае микрополосковой линии определяется следующим образом:

Перекрестная помеха выражается как отношение шумового напряжения к амплитуде управляющего сигнала. Постоянная k зависит от времени нарастания фронта и длины взаимодействующих участков проводников.

Выводы

При моделировании проводника, находящегося над сплошной плоскостью, видно, что максимальная плотность тока больше на той стороне опорной плоскости, которая обращена к проводнику. Тот же принцип действует в отношении параллельных участков двух установленных рядом проводников: максимальный ток сосредоточен на двух обращенных друг к другу поверхностях. Эффект близости является следствием общего правила, в со­ответствии с которым высокочастотный ток сосредотачивается вблизи своего обратного тракта.

Источник