Pourquoi n'y a-t-il pas de fil conducteur non conducteur pour les applications de bobine haute fréquence

Contexte

Les formules d' effets cutanés connues sont dérivées et ne s'appliquent qu'aux conducteurs solides. La "profondeur de peau" couramment utilisée ne s'applique que dans ces cas. C'est pour cette raison que dans certaines applications, des tubes sont utilisés, car ils sont beaucoup plus économiques en poids que le même fil de diamètre à une fréquence suffisamment élevée.

À 1 MHz, la profondeur de peau du fil de cuivre est de 65 µm, ce qui signifie que seulement 40% du volume d'un fil de 1 mm de diamètre transporte 95% du courant, dont> 35% à l'extérieur, 20%.

D'après les formules de profondeur de peau, il est connu qu'un matériau à faible conductivité (par exemple, l'aluminium) a une profondeur de peau qui est considérablement plus grande qu'un matériau à conductivité plus élevée (par exemple, le cuivre). Comme le prédit la formule, la profondeur de la peau est inversement proportionnelle à la racine carrée de la conductivité. Si nous portons cela à ses conséquences logiques, il devrait être le cas que pour un tube conducteur (qui a un noyau isolant) la profondeur de peau doit être plus grande que pour un conducteur solide équivalent.

À titre d'intuition alternative, un conducteur à âme isolée à paroi mince aurait presque deux fois la surface d'un conducteur solide. Il devrait donc s'approcher asymptotiquement de près de la moitié de la résistance à une fréquence suffisamment élevée.

En effet, comme on peut le voir dans cet article de HB Dwight en 1922 (possible paywall) , l'augmentation de la fréquence de résistance par rapport à un tube dont l'épaisseur de paroi est de 20% de son diamètre est plus d'un facteur deux plus faible que pour un solide câble.

D'après les courbes ci-dessus, on peut voir qu'un tube avec t = 200 µm et d = 1 mm, en raison de l'augmentation de la profondeur de peau réelle, devrait avoir moins de 50% de l'augmentation d'impédance qu'un fil solide d = 1 mm (notez que le les courbes sont normalisées par rapport à $F / R_{dc}$ , donc l'interprétation est un peu délicate).

Des effets similaires (bien que moins dramatiques) peuvent être observés avec des fils toronnés isolés individuellement.

Application

Dans les applications à moyenne fréquence, comme par exemple les alimentations à découpage, il est courant d'utiliser Litz Wire, un fil isolé multibrins qui réduit les pertes dues à l'effet de peau mais devient de moins en moins efficace à des fréquences plus élevées (~ 1 MHz) en raison de la effet de proximité et couplage capacitif des brins individuels.

Probablement plus de gains (en particulier en ce qui concerne les effets de proximité) pourraient être obtenus s'il y avait plusieurs brins individuels intégrés autour de la périphérie d'un noyau non conducteur.

Question

Ai-je oublié quelque chose dans la théorie?

Sinon, pourquoi le fil de noyau isolé (que ce soit des tubes ou des torons autour d'un noyau) n'est-il pas exploité commercialement pour des applications d'inductance haute fréquence?

Addenda

Comme le souligne John Birckhead, le fil plat présente essentiellement les mêmes avantages sans aucun des inconvénients (par exemple, le facteur de remplissage). Mais cela m'amène à demander:

Pourquoi le fil plat à âme isolée n'est-il pas utilisé pour ces applications? Il devrait avoir le même avantage que le fil plat avec près de la moitié de la résistance à des fréquences suffisamment élevées. Les gains possibles sont-ils sans conséquence?

Non, vous avez raison dans la théorie, mais votre approche entraîne une augmentation inutile du volume par rapport à l'utilisation de fil plat, qui est à la fois plus facile à fabriquer et offre un avantage similaire pour l'effet de peau et l'avantage de l'efficacité volumétrique.

L'entrée Wikipedia pour le fil Litz contient une réponse directe à votre question "Pourquoi ne pas utiliser des tubes creux à la place?":

Une technique pour réduire la résistance consiste à placer davantage de matériau conducteur près de la surface où se trouve le courant en remplaçant le fil par un tube en cuivre creux. La plus grande surface du tube conduit le courant avec beaucoup moins de résistance qu'un fil plein ayant la même surface en coupe. Les bobines de réservoir des émetteurs radio haute puissance sont souvent constituées de tubes en cuivre, plaqués argent à l'extérieur, pour réduire la résistance. Cependant, le tube n'est pas flexible et nécessite des outils spéciaux pour se plier et se former.

L'article poursuit en décrivant pourquoi le fil Litz fournit une solution alternative.

Le chauffage par induction (industriel) utilise généralement des tubes en cuivre creux pour l'inductance.

Lorsque vous utilisez 1000 kW ou plus, vous feriez mieux de croire que la perte de cuivre doit être minimisée.

De plus, le noyau creux est utilisé pour le refroidissement par eau.

Parfois, le cuivre est appelé "barre creuse". Il vient en rectangulaire ou rond. Il n'est pas rare de commander un "run mill" pour obtenir la barre creuse et l'épaisseur désirée.

Image de luvata dot com

Il existe en effet une variante du fil conducteur isolé pour les applications à très haute fréquence. Cela s'appelle un guide d'ondes. C'est un tube creux utilisé pour conduire des RF. Je pense que le signal se déplace à l'intérieur de la coque conductrice plutôt qu'à l'extérieur, mais l'idée de n'avoir besoin que de la coque conductrice aussi épaisse que l'effet de la peau l'exige.

Pas très utile pour les inducteurs cependant.