Влиянието на скин-ефекта върху високочестотни електрически вериги и устройства

(Токът е най-силен в повърхностния слой и намалява бързо с увеличаване на дълбочината)

Скин ефектът е правопропорционален на честотата и диаметъра на проводника. 

Скин-ефектът е толкова по-силно изразен, колкото по-висока е честотата на тока и колкото по-голям е диаметърът на проводника. При честоти под 50 Hz ефектът е незначителен, но с увеличаване на честотата трябва да се отчита при конструирането на електрически и електронни схеми.

Основни причини и последствия

В резултат на скин-ефекта ефективната площ на напречното сечение, през която протича токът, намалява, а ефективното съпротивление на проводника се увеличава.

При постоянен ток (DC), тъй като честотата е нула, токът се разпределя равномерно и скин-ефект липсва.

При ниски честоти (например 50 Hz в електроенергийните системи) скин-ефектът е много слаб.

Основната причина за скин ефекта са неравномерните поточни връзки. Поради този ефект ефективната площ на напречното сечение на проводника намалява. Следователно ефективното съпротивление на проводника се увеличава. когато проводникът носи AC (променлив) ток.

В системата с постоянен ток няма скорост на промяна на тока и честотата е нула, така че токът се разпределя равномерно в областта на напречното сечение на проводника. 

Следователно кожният ефект е отсъствието в DC (постоянен ток) системата.

Кратко математическо обяснение

Обемната плътност на тока е максимална върху повърхността на проводника.
С увеличаване на дълбочината навътре в проводника плътността на тока намалява рязко.
На определена дълбочина δ (дълбочина на проникване, skin depth) тя става значително по-малка.

Затова при високи честоти практически целият ток протича само в тънък повърхностен слой с дебелина δ.
Тази дебелина се определя по формулата:

\[ \delta = \sqrt{\frac{2}{\omega \mu \sigma}} \]

където:

σ – електропроводимост на материала [S/m]
μ – магнитна проницаемост [H/m]
ω – ъглова честота [rad/s]

С увеличаване на честотата дълбочината на проникване намалява.

Намаляване на скин ефекта

С увеличение на честотата на променливия ток, скин ефекта се проявява по-силно, което налага да се отчита при изчисление и конструиране на електрически схеми, работещи с променлив ток или в режимите на импулсно управление. Прилагат се технологични методи за намаляване на скин ефекта, като се посребряват медните проводници и с това се намалява специфичното съпротивление в повърхностния слой. Посребряване се използва и при направата на трептящи кръгове. Характеристиките на трептящите кръгове и тяхното качество като показател не се влошават значително и с ниското активно съпротивление на повърхностния слой не водят до бързо затихване на електрическите трептения в трептящия контур. За намаляване на скин-ефекта в трептящите кръгове се използва т.нар. литцендрат – проводник съставен от преплетени тънки проводници изолирани помежду си.

Указаните методи за борба с вредното явление не са приложими при радиоелектронното оборудване работещо на свръхвисоки честоти. В тези случаи се създават трептящи кръгове с особена форма – обемни резонатори, а преносните линии са вълноводи.

Литцендрат (Litz wire)

Друг ефективен метод за намаляване на скин-ефекта е използването на литцендрат – специален проводник, съставен от голям брой тънки, изолирани една от друга жички, преплетени по определен начин.

Тъй като всяка отделна жичка има малък диаметър, скин-ефектът във всяка от тях е значително по-слаб. В резултат токът се разпределя по-равномерно между всички проводници, а ефективното съпротивление на целия кабел намалява. Литцендратът намира широко приложение в трептящи кръгове, трансформатори, дросели и бобини, работещи в средночестотния и високочестотния диапазон.

Посребряване на проводници

Тъй като при скин-ефекта токът протича основно в повърхностния слой на проводника, логично решение е този слой да има възможно най-ниско специфично съпротивление. Поради това в практиката често се използва посребряване на медни проводници. Среброто има по-добра електропроводимост от медта и намалява загубите именно в зоната, където токът реално протича.

Посребряването се прилага широко при високочестотни вериги, трептящи кръгове и радиочестотни компоненти, където дори малко намаляване на активното съпротивление води до по-висок коефициент на качество (Q) и по-малко затихване на електрическите трептения.

Ограничения при свръхвисоки честоти – вълноводи и резонатори

При свръхвисоки честоти (UHF и по-нагоре) посребряването и литцендратът вече не са ефективни решения. Причината е, че дълбочината на скин-слоя става изключително малка, а класическите проводници започват да имат твърде големи загуби.

В тези честотни области се използват принципно различни конструкции:

обемни резонатори със специална геометрия;

вълноводи, при които електромагнитната енергия се разпространява не чрез ток в проводник, а като електромагнитна вълна в метална структура.

По този начин скин-ефектът не се „намалява“, а се заобикаля чрез използване на други физически принципи за пренос и съхранение на енергията.