El alambre Litz es un tipo particular de alambre o cable multifilar que se utiliza en electrónica para transportar corriente alterna (CA) en radiofrecuencias . El cable está diseñado para reducir las pérdidas por efecto superficial y por efecto de proximidad en conductores utilizados en frecuencias de hasta aproximadamente 1 MHz. [1]
Consiste en muchos hilos de alambre delgados, aislados individualmente y retorcidos o tejidos juntos, siguiendo uno de varios patrones cuidadosamente prescritos [2] [ se necesita mejor fuente ] que a menudo involucran varios niveles (los cables ya retorcidos se retuercen juntos en pequeños grupos, esos se retuercen en grupos más grandes, etc.). El resultado de estos patrones de devanado es igualar la proporción de la longitud total sobre la cual cada hilo se encuentra en el exterior del conductor. Esto tiene el efecto de distribuir la corriente equitativamente entre los hilos del cable, reduciendo la impedancia .
El alambre Litz se utiliza en inductores de alta Q para transmisores y receptores de radio que funcionan a bajas frecuencias, equipos de calentamiento por inducción y fuentes de alimentación conmutadas .
El término alambre litz proviene de Litzendraht (col. Litze ), que en alemán significa alambre trenzado/trenzado [3] o alambre tejido. [4] [ se necesita una mejor fuente ]
El alambre Litz reduce el aumento de resistencia del alambre que se produce a frecuencias de CA más altas debido a dos efectos: efecto piel y efecto proximidad .
La resistencia de un conductor depende de su sección transversal; un conductor con un área mayor tiene una resistencia menor para una longitud determinada. 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 piel . Por lo tanto, en un conductor sólido como un alambre, 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 alambre. Dado que se utiliza menos área de la sección transversal del cable, la resistencia del cable es mayor que para la corriente continua (CC). Cuanto mayor es la frecuencia de la corriente, menor es 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 CA del cable aumenta con la frecuencia.
La profundidad a la que penetra la corriente alterna 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 bajas frecuencias en las que la profundidad de la piel es mayor que el diámetro del cable, el efecto de la piel es insignificante y la distribución de corriente y la resistencia son prácticamente las mismas que en CC. A medida que aumenta la frecuencia y la profundidad de la piel se vuelve más pequeña que el diámetro del cable, el efecto de la 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 alambre de cobre a diferentes frecuencias.
Los conductores redondos, como alambres o cables de mayor tamaño que unas pocas capas de piel, no conducen mucha corriente cerca de su eje, por lo que el metal ubicado en la parte central del alambre no se usa de manera efectiva.
En aplicaciones donde 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 acumulación de corriente adicional, lo que resulta en un aumento adicional en la resistencia del cable con la frecuencia. En dos cables paralelos 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, lo que hace que la corriente se concentre en una franja estrecha en el lado adyacente. el otro cable. Esto tiene un efecto similar al efecto piel; la corriente se acumula 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 está la corriente reemplazando el cable con un tubo de cobre hueco. La mayor superficie del tubo conduce la corriente con mucha menos resistencia que lo haría un cable sólido con la misma sección transversal. Las bobinas del tanque de los transmisores de radio de alta potencia suelen estar hechas de tubos de cobre, plateados en el exterior, para reducir la resistencia. Sin embargo, los tubos no son flexibles y requieren herramientas especiales para doblarlos y darles forma.
El alambre Litz es otro método que emplea un alambre trenzado con conductores aislados individualmente (formando un haz ). Cada conductor delgado tiene menos que la profundidad de la piel, por lo que un hilo individual no sufre una pérdida apreciable del efecto de la piel. Los hilos deben estar aislados entre sí; de lo contrario, todos los cables del haz provocarían un cortocircuito, se comportarían como un único cable grande y seguirían teniendo problemas de efecto piel. Además, los hilos no pueden ocupar la misma posición radial en el haz a lo largo de largas distancias: los efectos electromagnéticos que provocan el efecto piel seguirían perturbando la conducción. El patrón de tejido o torsión de los cables en el 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 más pequeños y el hilo experimenta baja resistencia), y están en el interior de el paquete por una distancia (donde los cambios del campo EM son más fuertes y la resistencia es mayor). Si todos los hilos tienen una impedancia comparable, la corriente se distribuye equitativamente 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 superficial y las pérdidas de potencia asociadas cuando se utiliza en aplicaciones de alta frecuencia. La relación entre inductancia distribuida y 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 cable litz aislado. [6] No se aplica a 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 eficaz por debajo de 500 kHz; rara vez se utiliza por encima de 2 MHz, ya que allí es mucho menos eficaz. [1] En frecuencias superiores a aproximadamente 1 MHz, los beneficios se ven compensados gradualmente por el efecto de la capacitancia parásita entre los hilos. [7] En las 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 parásitas en los hilos externos, lo que niega los beneficios del alambre litz hasta el punto en que Funciona mucho peor que el alambre macizo del mismo diámetro. [8]
El alambre Litz tiene una mayor impedancia por unidad de área de sección transversal, pero los alambres Litz se pueden usar en tamaños de cables más gruesos, lo que reduce o mantiene la impedancia del cable a frecuencias más altas. [9] La construcción de alambres litz generalmente involucra alambres extremadamente finos, a menudo disponibles con una placa de plata o plata maciza. Los hilos individuales a menudo utilizan un recubrimiento de laca de baja temperatura que generalmente requiere temperaturas de soldadura de plata para derretirse, que se elimina al realizar las conexiones. Los haces de cables también pueden utilizar aislamiento exterior de seda.
El alambre Litz se utiliza para fabricar inductores y transformadores , especialmente para aplicaciones de alta frecuencia donde el efecto superficial 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 por fatiga del material .
El cable Litz se encuentra frecuentemente en aplicaciones de energía en frecuencias que van desde decenas más bajas hasta cientos más altas de kilohercios, es decir, cocinas de inducción y transmisores de cargadores inductivos (p. ej., el estándar Qi ). También se pueden encontrar múltiples hilos trenzados en paralelo de cables esmaltados en transformadores en algunas fuentes de alimentación conmutadas.
NIST utiliza alambre litz en la estación de transmisión de código de tiempo WWVB . La estación transmite en 60 kHz. Se utiliza alambre Litz para la hélice y el variómetro en ambas carcasas de hélice. Consta de 9 × 5 × 5 × 27 (un total de 6075) hebras de alambre magnético #36 AWG (0,127 mm (0,0050 in) de diámetro) y múltiples capas de aislamiento de algodón, cáñamo y plástico, en un cable de ¾ de pulgada (19 mm). ) de diámetro, por un total de 151,875 mils circulares de cobre. [10]
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