El alambre Litz es un tipo particular de cable o alambre multifilar que se utiliza en electrónica para transportar corriente alterna (CA) a frecuencias de radio . El alambre está diseñado para reducir las pérdidas por efecto pelicular y por efecto de proximidad en conductores utilizados a frecuencias de hasta aproximadamente 1 MHz. [1]
Consiste en muchos hilos de alambre fino, aislados individualmente y trenzados o tejidos entre sí, siguiendo uno de varios patrones cuidadosamente prescritos [2] [ se necesita una mejor fuente ] que a menudo implican varios niveles (los cables ya trenzados se trenzan entre sí en grupos pequeños, estos se trenzan en grupos más grandes, etc.). El resultado de estos patrones de bobinado es igualar la proporción de la longitud total sobre la cual cada hilo está en el exterior del conductor. Esto tiene el efecto de distribuir la corriente de manera uniforme entre los hilos de alambre, lo que reduce la impedancia .
El alambre Litz se utiliza en inductores de alto Q para transmisores y receptores de radio que operan a bajas frecuencias, equipos de calentamiento por inducción y fuentes de alimentación conmutadas .
El término alambre litz proviene de Litzendraht (coll. Litze ), que en alemán significa alambre trenzado/torcido [3] o alambre tejido. [4] [ se necesita una mejor fuente ]
El alambre Litz reduce el aumento de la resistencia de CC, las pérdidas óhmicas por calor del alambre que se produce en frecuencias de CA debido al efecto pelicular e introduce pequeñas pérdidas adicionales a través del efecto de proximidad magnética .
Debido a la naturaleza dual inversa del campo E/M, el efecto pelicular domina en frecuencias menores a ~2 MHz, en frecuencias más altas el efecto de proximidad (electromagnetismo) se convierte en la fuerza dominante y el alambre Litz induce más pérdidas de CC que los cables sólidos o los conductores de tubo.
La resistencia de un conductor depende de su área de sección transversal; un conductor con un área mayor tiene una resistencia menor para una longitud dada. Sin embargo, a altas frecuencias, la corriente alterna (CA) no penetra profundamente en los conductores debido a las corrientes parásitas inducidas en el material; tiende a fluir cerca de la superficie. Esto se llama efecto pelicular . Por lo tanto, en un conductor sólido como un cable, la corriente tiende a fluir en una capa o anillo en la superficie, y fluye menos corriente a través del material cerca del centro del cable. Como se utiliza menos área de sección transversal del cable, la resistencia del cable es mayor que para la corriente continua (CC). Cuanto mayor sea la frecuencia de la corriente, menor será la profundidad a la que penetra la corriente y la corriente se "amontona" en un área de sección transversal cada vez más pequeña a lo largo de la superficie, por lo que la resistencia de CA del cable aumenta con la frecuencia.
La profundidad a la que la corriente alterna penetra en un conductor está determinada por un parámetro llamado profundidad de la piel , que es la profundidad a la que la corriente se reduce a 1/ e ≈ 37% de su valor superficial. La profundidad de la piel disminuye con la frecuencia. A frecuencias bajas en las que la profundidad de la piel es mayor que el diámetro del cable, el efecto de piel es insignificante y la distribución de la corriente y la resistencia son prácticamente las mismas que en CC. A medida que aumenta la frecuencia y la profundidad de la piel se hace menor que el diámetro del cable, el efecto de piel se vuelve significativo, la corriente se concentra cada vez más cerca de la superficie y la resistencia por unidad de longitud del cable aumenta por encima de su valor de CC. Ejemplos de profundidad de piel en cables de cobre a diferentes frecuencias
Los conductores redondos, como alambres o cables con un diámetro mayor que unas pocas capas, no conducen mucha corriente cerca de su eje, por lo que el metal ubicado en la parte central del alambre no se utiliza de manera efectiva.
En aplicaciones en las que varios cables que transportan la misma corriente se encuentran uno al lado del otro, como en los devanados de inductores y transformadores , un segundo efecto similar llamado efecto de proximidad provoca una concentración adicional de corriente, lo que da como resultado un aumento adicional de la resistencia del cable con la frecuencia. En dos cables que corren en paralelo uno al lado del otro, con la misma corriente alterna fluyendo en ambos cables, el campo magnético del cable adyacente induce corrientes parásitas longitudinales en el cable que hacen que la corriente se concentre en una franja estrecha en el lado adyacente al otro cable. Esto tiene un efecto similar al efecto pelicular; la corriente se concentra en un área de sección transversal más pequeña del cable, por lo que la resistencia aumenta.
Una técnica para reducir la resistencia es colocar más material conductor cerca de la superficie donde circula la corriente, reemplazando el cable por un tubo hueco de cobre. La mayor superficie del tubo conduce la corriente con mucha menos resistencia que un cable macizo con la misma sección transversal. Las bobinas de tanque de los transmisores de radio de alta potencia suelen estar hechas de tubos de cobre, bañados en plata por fuera, para reducir la resistencia. Sin embargo, los tubos no son flexibles y requieren herramientas especiales para doblarlos y darles forma.
El cable Litz es otro método que emplea un cable trenzado con conductores aislados individualmente (que forman un haz ). Cada conductor delgado tiene una profundidad menor que la de una piel, por lo que un hilo individual no sufre una pérdida apreciable por efecto pelicular. Los hilos deben estar aislados entre sí; de lo contrario, todos los cables del haz se cortocircuitarían entre sí, se comportarían como un solo cable grande y seguirían teniendo problemas de efecto pelicular. Además, los hilos no pueden ocupar la misma posición radial en el haz a lo largo de largas distancias: los efectos electromagnéticos que causan el efecto pelicular seguirían alterando la conducción. El patrón de tejido o torsión de los cables del haz está diseñado de modo que los hilos individuales estén en el exterior del haz durante una distancia (donde los cambios del campo EM son menores y el hilo ve una resistencia baja) y estén en el interior del haz durante una distancia (donde los cambios del campo EM son los más fuertes y la resistencia es mayor). Si todos los hilos tienen una impedancia comparable, la corriente se distribuye de manera uniforme a cada hilo del cable. Esto permite que el interior del alambre litz contribuya a la conductividad general del haz.
Otra forma de explicar el beneficio del trenzado litz es la siguiente: los campos magnéticos generados por la corriente que fluye en los hilos están en direcciones tales que tienen una tendencia reducida a generar un campo electromagnético opuesto en los otros hilos. De este modo, para el cable en su conjunto, se reducen el efecto pelicular y las pérdidas de potencia asociadas cuando se utiliza en aplicaciones de alta frecuencia. La relación entre la inductancia distribuida y la resistencia distribuida aumenta, en relación con un conductor sólido, lo que da como resultado un factor Q más alto en estas frecuencias.
Terman (1943, págs. 37, tabla 18, 78) proporciona una expresión para la relación entre la resistencia a la corriente alterna y la resistencia a la corriente continua para un alambre litz aislado. [6] No se aplica a los devanados con múltiples vueltas. Sullivan (1999) proporciona una expresión para la relación de resistencia en los devanados en la ecuación 2 y el apéndice A (página 289).
El alambre litz es muy efectivo por debajo de los 500 kHz; rara vez se utiliza por encima de los 2 MHz, ya que es mucho menos efectivo allí. [1] A frecuencias superiores a aproximadamente 1 MHz, los beneficios se ven gradualmente compensados por el efecto de la capacitancia parásita entre los hilos. [7] A frecuencias de microondas, la profundidad de la piel es mucho menor que el diámetro de los hilos, y la corriente que se fuerza a través de los hilos internos induce fuertes corrientes de Foucault en los hilos externos, lo que anula los beneficios del alambre litz hasta el punto en que funciona mucho peor que el alambre sólido del mismo diámetro. [8]
El alambre litz tiene una mayor impedancia por unidad de área de sección transversal, pero los alambres litz se pueden utilizar en tamaños de cable más gruesos, lo que reduce o mantiene la impedancia del cable a frecuencias más altas. [9] La construcción de alambres litz generalmente implica alambres extremadamente finos, a menudo disponibles con una placa de plata o plata sólida. Los hilos individuales a menudo hacen uso de un revestimiento de laca de baja temperatura que generalmente requiere temperaturas de soldadura de hierro de plata para fundirse, que se elimina al hacer conexiones. Los haces de cables también pueden usar aislamiento exterior de seda.
El alambre Litz se utiliza para fabricar inductores y transformadores , especialmente para aplicaciones de alta frecuencia donde el efecto pelicular es más pronunciado y el efecto de proximidad puede ser un problema aún más grave. El alambre Litz es un tipo de alambre trenzado , pero, en este caso, el motivo de su uso no es el habitual de evitar la rotura completa del alambre debido a la fatiga del material .
El cable Litz se encuentra con frecuencia en aplicaciones eléctricas en frecuencias que van desde decenas inferiores hasta cientos superiores de kilohercios, a saber, cocinas de inducción y transmisores de cargadores inductivos (por ejemplo, el estándar Qi ). También se pueden encontrar múltiples hebras paralelas trenzadas de cables esmaltados en transformadores en algunas fuentes de alimentación conmutadas.
El NIST utiliza alambre litz en la estación de transmisión de código de tiempo WWVB . La estación transmite a 60 kHz. El alambre litz se utiliza para la hélice y el variómetro en ambas casas de hélice. Consiste en 9 × 5 × 5 × 27 (6075 en total) hebras de alambre magnético calibre 36 AWG (0,127 mm [0,0050 in] de diámetro) y múltiples capas de algodón, cáñamo y aislamiento de plástico, en un cable de ¾ de pulgada (19 mm) de diámetro, con un total de 151.875 milésimas de pulgada circulares de cobre. [10]
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