Der Skin-Effekt ist eine allgemeine Bezeichnung für die offensichtliche Tendenz, dass Wechselstrom über den äußeren Rand oder die „Haut“ eines Leiters fließt und sich nicht gleichmäßig verteilt. Wann passiert in diesem Fall genau und worauf müssen Sie achten?
Sowohl für Wechsel- als auch für Gleichstrom ist elektrische Energie erforderlich, die die Elektronen um eine Masse in Bewegung versetzt. Bei Gleichstrom wirkt diese Energie kontinuierlich und die Elektronen werden dauerhaft in eine bestimmte Richtung gezogen. Das daraus resultierende Magnetfeld ist konstant und der Strom kann gleichmäßig durch einen Leiter beliebiger Form, von Kabeln bis hin zu Stromschienen fließen.
Wechselstrom wird hingegen mit dynamischer elektrischer Energie erzeugt und das resultierende Magnetfeld ist nicht konstant. In Kursen zum Thema Elektromagnetismus wird in der Regel erläutert, wie Wechselstrom in einem Kabel Strom in einem parallelen Kabel erzeugen kann, aber dieser Effekt tritt in der Tat auch innerhalb einzelner Leiter auf. Obwohl alle Elektronen durch die angelegte Energie zu einem bestimmten Zeitpunkt die gleiche Kraft erfahren sollten, erzeugen die wechselnden Felder Gegenkräfte. Damit entstehen Wirbelströme, die Teile des Hauptstromflusses aufheben. Wirbelströme können als neutrale Kreise dargestellt werden, die genau in der Mitte des Querschnitts eines runden Leiters beginnen. Sie heben den „positiven“ Stromfluss in der erwarteten Richtung auf und erzeugen einen Nullsummenbereich. Die Größe dieses Kreises ist proportional zur Frequenz der angelegten Energie und nimmt mit steigender Wechselstromfrequenz zu. Bei geringen Frequenzen ist er quasi nicht vorhanden und beeinflusst auch nicht den Gesamtwiderstand des Leiters. Wenn die Frequenz steigt, wächst auch der Totbereich und „drückt“ den positiven Strom aus den Rändern des Leiters. Damit steigt der tatsächliche Widerstand des Leiters und der nutzbare Bereich, indem der Strom fließen kann, nimmt ab . Dieser nutzbare Bereich wird „Skin“ genannt. Die Tiefe des nutzbaren Bereiches, die linear vom äußersten Rand des Leiters gemessen wird, wird als „Skin-Tiefe“ bezeichnet. Die Skin-Tiefe eines Leiters hängt nicht nur von der Frequenz ab, sondern auch vom Widerstand und der Durchlässigkeit des Leitermaterials.
Die Skin-Tiefe ist nicht die absolute Begrenzung, aber ein Näherungswert, in dem 63 % der Stromdichte auftritt. Innerhalb eines Leiters gibt es keine harte Linie, die verhindert, dass der Strom fließt, und ein kleiner Anteil Strom fließt auch weiterhin im neutralen Bereich.
Mathematik ist die eine Seite. Aber wann müssen Sie sich um diesen mysteriösen Totbereich in Ihren Leitern kümmern? Es wäre sehr einfach, wenn man sagen könnte, dass dies erst im Bereich von Gigahertz der Fall ist. Aber der Skin-Effekt tritt in fast jeder Wechselstromsituation auf. Bei 60Hz in einem Kupferdraht beträgt die Skin-Tiefe 8,5 mm. Das heißt, dass der Leiter mindestens 17 mm Durchmesser haben muss, damit der Beginn der neutralen Zone sichtbar wird. Das ist ein sehr hoher Wert verglichen mit den Schaltdrähten oder den 12er oder 14er Kabeln in Ihrem Haus. Aber wenn Sie riesige Kabel verwenden, um Kilowatt oder sogar Megawatt von einem Kraftwerk zu Privat- oder Unternehmensgebäuden zu transportieren, ist diese Einschränkung sehr gering.
In der Regel wird bei Übertragungsleitungen Aluminium verwendet, da es leichter ist als Kupfer und eigentlich gut leitet. Der Skin-Effekt tritt bei besseren Leitern deutlicher auf und die Skin-Tiefe ist proportional zur Quadratwurzel des Leiterwiderstands. Daher ist die Skin-Tiefe sogar höher als bei einem Kupferdraht, der dieselbe Leistung überträgt. Die Quadratwurzel in der Gleichung verhindert, dass das Aluminium ein „besserer“ Leiter wird als Kupfer. Doch die höhere Skin-Tiefe rechtfertigt die Verwendung von Aluminium in Übertragungsleitungen, da dieses Metall um vieles leichter und billiger ist.
Bei steigender Frequenz nimmt die Skin-Tiefe schneller ab als erwartet und verursacht selbst bei Platinen Probleme. Bei 100kHz (die allgemeine Umschaltfrequenz eines Leistungswandlers) beträgt die Skin-Tiefe von Kupfer nur 0,2 mm. Wenn Sie Produkte wie den Offline-Umschalter NCP1060 von ON Semiconductor verwenden, um 220VAC umzuwandeln, müssen Sie wahrscheinlich 60-120 Gramm Kupfer in der Leiterplatte verwenden, um die gesamte Energie zu verarbeiten. Der Platinenteil mit hoher Frequenz kann dann den Vorteil der „Extraportion“ Kupfer aufgrund des Skin-Effekts nicht nutzen und das System kann aufgrund des steigenden Widerstands unerwartet reagieren. Wegen dieses Effekts (und anderer Gründe) versuchen Platinendesigner die Frequenzpfade zum Umschalten so kurz und so direkt wie möglich zu halten.
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Glücklicherweise gibt es aber einige Möglichkeiten, diesen Effekt für alle Bereiche zu vermeiden. Jeder Leiter hat eine eigene Skin-Tiefe. Wenn Sie mehrere dünne Leiter anstelle eines großen Leiters verwenden, hat der Skin-Effekt keine Auswirkung auf die dünnen Leiter und der entsprechende Widerstand ist wesentlich geringer. Aus diesem Grund werden allgemein Litzendrähte in Wechselstromanwendungen und selbst in Anwendungen mit niedriger Frequenz wie Stromleitungen verwendet. Die Drahtlitzen können auch um einen robusten, leichteren Kern z. B. aus Stahl oder Karbonfaser platziert werden, um in Hochleistungsanwendungen über große Entfernungen mehr Stabilität zu erzielen. Breite Spuren auf einer Leiterplatine sorgen für mehr Oberfläche und geringen Spurwiderstand. Mit diesen einfachen Konstruktionsüberlegungen kann der Skin-Effekt in den meisten Stromanwendungen vermieden werden. Aber für die ordnungsgemäße Funktion von RF-Designs, die mit Hunderten Megahertz oder sogar Gigahertz betrieben werden, ist sorgfältige Planung und die Expertise erfahrener Ingenieure erforderlich. Glasfaserkabel, in denen ein nicht metallisches Medium für die Datenübertragung verwendet wird, sind in der Regel erforderlich, damit die Skin-Tiefe von Standardleitern deutlich niedrig bleibt.