¿Cómo se comportan el efecto piel y el efecto de proximidad para los inductores de potencia de conductor plano?

Aquí hay una búsqueda de Digikey que muestra inductores de potencia de conductor plano.

Y aquí hay una imagen de tres inductores de potencia que se encuentran allí:

Collage de 3 inductores de potencia de conductor plano

En esta respuesta, de Rohat Kılıç, hacia el final de su respuesta, explica que las frecuencias crecientes exigen más bobinados de cable más delgado, pero toda su discusión sobre el efecto de piel es solo para el cable de sección transversal circular tradicional. Mi intuición me dice que el cable plano es diferente.

Hay otra respuesta, por Transistor, que tiene un gráfico que muestra cómo, para un conductor plano, las cargas se empujan hacia los bordes, según el efecto Hall, algo que se aprovecha en los sensores comunes de efecto Hall que veo en todas partes.

En el contexto del efecto piel, espero que las superficies planas de la parte principal del devanado que están muy juntas cancelen parte de la distribución desigual de la carga, permitiendo que las cargas se distribuyan de manera más uniforme. -justo sobre la sección transversal, lo que produce un rendimiento aún mejor de lo esperado para este tipo de magnético cuando se usa con frecuencias más altas. Pero esa es solo mi reacción visceral, y podría estar completamente equivocado.

En el contexto del efecto de proximidad, no sabía que existía hasta hace poco, ya que soy un autodidacta de la vieja escuela y llego tarde a la fiesta.

Seguro que me gustaría saber exactamente qué está pasando. Gracias proactivamente.

Respuestas (2)

El efecto de proximidad es uno de esos factores de pérdida que se ignora en gran medida en la literatura. Afortunadamente, la información sobre el efecto de proximidad ha mejorado en los últimos 40 años. Para el magnetismo que construyo (10 kHz a 1 MHz), encuentro que el efecto de proximidad supera las pérdidas del efecto de piel lo suficiente como para que no necesite considerar el efecto de piel (verifico la profundidad del efecto de piel por si acaso).

"Soft Ferrites, Properties and Applications" de EC Snelling, páginas 344-345, cubre las pérdidas por efecto de proximidad para cintas delgadas y conductores circulares. Se requiere "Ferrites for Inductors and Transformers" de Snelling and Giles, páginas 140, 150-151, para dar sentido a las ecuaciones de "Soft Ferrites" para conductores circulares.
Las bibliotecas universitarias suelen tener estos libros.

Ecuación de pérdida de potencia por efecto de proximidad de cinta delgada:

PAG pag mi = ω 2 B ^ 2 yo b d 3 24 ρ C
Dónde:
B ^ = densidad de flujo máxima promediada a lo largo de la longitud, yo , del conductor.
yo = longitud del conductor = (longitud promedio de 1 vuelta) x (número de vueltas).
b = ancho del conductor.
d = espesor del conductor.
ρ C = resistividad del conductor.
ω = frecuencia angular.

Ecuación de pérdida de potencia por efecto de proximidad del conductor circular:

PAG pag mi = π ω 2 B ^ 2 yo s d 4 128 ρ C

Dónde:
d = diámetro de la hebra conductora.
s = número de hebras. s = 1 para alambre sólido.

Para los no iniciados, lo sorprendente que surge de las ecuaciones anteriores es que el cable de mayor diámetro produce mayores pérdidas de cobre de CA que pueden superar las pérdidas de cobre de CC si no se eligen sabiamente.

Si se necesita una pérdida menor, debe usar alambre agrupado o Litz (muchos alambres aislados de diámetro pequeño trenzados en paralelo). El alambre litz se usa comúnmente para reducir las pérdidas por efecto de la piel.

En la práctica, la ecuación para la pérdida de potencia del cable circular es bastante precisa para los transformadores de núcleo RM que construyo.

Además del tipo de núcleo RM que construye, ¿construye otros tipos, como núcleos Planar ER o núcleos Planar E? . ¿Y por qué construyes principalmente el núcleo RM?
@MicroservicesOnDDD Uso núcleos RM porque los transformadores que uso son transformadores de pulso de 200 W a 10 kW que necesitan una inductancia de fuga específica. Se utilizan diferentes configuraciones de transformadores en una placa que se utiliza en diferentes productos. En un pasado muy distante, he usado transformadores planos en fuentes de alimentación conmutadas que sobresalen en eficiencia de acoplamiento.

Más importante aún, considere cuántas vueltas puede caber en el espacio disponible si remodeló el cobre (pero mantuvo la misma área de sección transversal): -

ingrese la descripción de la imagen aquí

La imagen de arriba es de la hoja de datos de esta parte .

Con solo 4 vueltas, la inductancia que se podría producir estará restringida a aproximadamente una cuarta parte del dispositivo con 8 vueltas. En otras palabras, la razón dominante detrás de las bobinas planas es aumentar la inductancia. Habrá una pequeña compensación por el efecto de la piel, pero ese no será el factor dominante.

Tal vez se puedan obtener 8 vueltas con un poco de manipulación, pero eso no es mejor que las 8 vueltas planas.

Espero que las superficies planas de la parte principal del devanado que están muy juntas cancelen parte de la distribución de carga desigual que se está produciendo, lo que permitirá que las cargas se distribuyan de manera más uniforme de izquierda a derecha sobre la sección transversal, lo que producirá una rendimiento incluso mejor de lo esperado para este tipo de magnético cuando se utiliza con frecuencias más altas.

No si considera Wiki - efecto de proximidad (no mencionado en la pregunta hasta que se editó después de esta respuesta): -

En un conductor que transporta corriente alterna, si las corrientes fluyen a través de uno o más conductores cercanos, como dentro de una bobina de alambre enrollada muy cerca, la distribución de corriente dentro del primer conductor estará restringida a regiones más pequeñas. El hacinamiento de corriente resultante se denomina efecto de proximidad. Este hacinamiento da lugar a un aumento de la resistencia efectiva del circuito, que aumenta con la frecuencia.

"Habrá una pequeña compensación por el efecto de la piel": ¿se debe a que no hay mucha piel, no hay tanta área de superficie, o es solo que la corriente que no está en la superficie es mucho mayor?
Una bobina ancha y plana naturalmente tendrá menos pérdidas de alta frecuencia debido al efecto piel en comparación con la misma sección transversal pero circular. Sin embargo, esto solo llega hasta cierto punto porque las bobinas anchas y planas tendrán más capacitancia entre devanados y esto reduce el SRF de la inductor haciéndolo ineficaz a una frecuencia más baja. El efecto de proximidad y las ganancias del efecto de piel con bobinas más anchas y planas se verán comprometidas un poco más.
¿Puedes usar láminas? ¿Qué tan delgado tiene sentido ir?
Es probable que el papel de aluminio sea demasiado endeble, pero apuesto a que alguien en algún lugar puede haber usado papel de aluminio grueso, pero no me pidas que especule sobre qué tipo de circuito podría beneficiarse de esto.
@MicroservicesOnDDD He visto inductores y transformadores fabricados con trazas de PCB en espiral, a veces con un núcleo de ferrita especialmente diseñado que se engancha a ambos lados de la placa. ¡Eso sería usar una lámina de unos 35 μm de espesor!
@Hearth: estoy interesado en los convertidores de potencia, entonces, ¿cuáles fueron las aplicaciones de esos inductores y transformadores de trazas de PCB en espiral de lámina? ¿Sabes?
@MicroservicesOnDDD usar láminas de cobre sería significativo para un transformador en lugar de un inductor de potencia (al menos para mí). Tenga en cuenta que los inductores de cable plano están diseñados, en su mayoría, para baja V O , alto I O convertidores (por ejemplo, convertidor reductor de 12 V a 3,3 V 50 A). En uno de mis diseños antiguos (un convertidor directo de 2 sw sin conexión para salida de 5 V/50 A) tuve que usar láminas de cobre para el secundario (no recuerdo, pero probablemente de 0,15 mm de grosor), solo por el bien de la ventana efectiva /uso de bobina. Si fuera por el cable Litz, los devanados nunca encajarían.
@MicroservicesOnDDD El único caso en el que consideraría usar un transformador plano para un convertidor de potencia es si la altura es muy importante y el espacio de la placa es relativamente barato; Los transformadores planos ocupan un área más grande en el tablero que un transformador de montaje en superficie equivalente, pero tienen la ventaja de ser muy planos. Los que no tienen núcleo tienen, obviamente, un acoplamiento muy pobre y una baja inductancia (pero son básicamente gratuitos), pero los que tienen núcleo ocupan más espacio y los núcleos no son baratos. El montaje también es un poco más complicado; no se puede usar una máquina de recoger y colocar para el núcleo de dos partes.
@MicroservicesOnDDD Creo que son más adecuados para el acoplamiento de señales; usando un poco de espacio en la placa en dos capas, puede obtener un "transformador de aislamiento" gratuito que puede usar para acoplar señales a través de una barrera de aislamiento. O use un inductor planar para el acondicionamiento de la señal donde necesita una inductancia muy pequeña para la que, en realidad, no puede clasificar un inductor, tal vez. No es exactamente mi campo, pero hay usos. Simplemente, no los usaría para circuitos de alimentación sin una muy buena razón.
¿No es la razón principal detrás de los conductores planos para disminuir la resistencia? ¿Aumentando así la eficiencia, disminuyendo el tamaño o disminuyendo el calor?
¿No ha completado el círculo sin que amanezca @MicroservicesOnDDD? La razón principal es obtener más vueltas y, por lo tanto, una mayor inductancia. Si eso no se puede lograr con una resistencia lo suficientemente baja, entonces se necesita un núcleo más grande.
¿Cómo se comportan el efecto piel y el efecto de proximidad para los inductores de potencia de conductor plano?
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