Proximity-Effekt (Elektrotechnik)

Der Proximity-Effekt (von ) bezeichnet die Stromverdrängung in benachbarten Leitern, die mit Wechselstrom oder Gleichstrom beaufschlagt sind. Der Effekt ist von der Frequenz und dem Leiterquerschnitt unabhängig und ist eine Funktion des Leiterabstands.<ref>Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Meinke/Gundlach, Springer-Verlag 1991, Seite B17 Absatz: Proximityeffekt, ISBN 3-540-54714-2</ref> Der Proximity-Effekt darf nicht mit dem frequenzabhängigen Skin-Effekt verwechselt werden.

Ursache und Beschreibung

Datei:Streufluss2.svg

Entstehung des Proximity-Effekts

Datei:Proximity effect - current in same direction.svg

Proximity-Effekt zusammen mit starkem Skineffekt mit beiden Strömen in die gleiche Richtung

Datei:Proximity effect - current in opposite directions.svg

Proximity-Effekt zusammen mit starkem Skineffekt und Strömen in entgegengesetzter Richtung

Ursache für den Proximityeffekt ist die Lorentzkraft. Die bewegten Elektronen befinden sich im jeweiligen Magnetfeld des benachbarten Leiters. Die Elektronen werden dadurch verdrängt. Da die Austrittsarbeit für die Elektronen zu hoch ist, stauen sie sich unter der Leiteroberfläche. Bei genügend großen Strömen können die Leiter dadurch sogar verformt werden. In jedem Fall wird dadurch der verfügbare Querschnitt nicht mehr voll ausgenutzt und der Widerstand für den Stromfluss steigt an.

In den Bildern sind für den einfachsten Fall ein Beispiel für die Entstehung des Effektes im Wickelfenster eines Transformatorkernes skizziert und ein Beispiel für den Fall eines einzelnen Leiterpaares – schematisch angedeutet, die Widerstandserhöhung tritt also in diesen einfachsten Fällen bereits auf. Es ist deutlich sichtbar, dass die Stromflüsse an den Innenseiten der Leiter konzentriert werden und der Leiterquerschnitt nicht mehr voll ausgenutzt wird.

Berechnung

Für den einfachsten Fall zweier parallel laufender runder Leiter errechnet sich der zusätzliche Faktor für die Widerstandserhöhung alleine für den Proximity-Effekt, bei gleichzeitig starkem Skineffekt, wie folgt:<ref>Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Meinke/Gundlach, Springer-Verlag 1991, Seite B17 Absatz: Proximityeffekt, ISBN 3-540-54714-2</ref>

<math>k = \frac 1 {(1-D^2/a^2)^{0,5}}</math>

Mit:

• <math display="inline">D</math> Drahtdurchmesser
• <math display="inline">a</math> Abstand der Drahtmittelpunkte mit <math display="inline">a > D</math>
• <math display="inline">k</math> Widerstandserhöhung

Bei mehreren parallelen Drähten ist eine manuelle Abschätzung nicht mehr sinnvoll und Computersimulationen sind nötig.

Ist der Draht nicht rund, also nicht achssymmetrisch, wie beispielsweise bei einem Flachdraht, so findet auch im Einzeldraht an den Kanten eine Feldkonzentration statt. Die Stromdichte ist dann an den Kanten höher als in der Mitte. Die obige Formel gilt nicht für diesen Fall (a ≤ D).

Auswirkungen und Abhilfe

Der Proximity-Effekt ist besonders störend in eng gepackten Wicklungen von Transformatoren von Schaltnetzteilen, da sehr viele Leitungen wechselwirken und durch Induktion die Wirkung vervielfacht wird.<ref>Lloyd H. Dixon: Switching Regulated Power Supply Design Seminar Manual. Unitrode, 1990, Seite M9-3</ref> In diesem Fall fasst er dann die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Leiterpaaren, die dann die Wicklungslagen bilden, in den Spulen und Transformatoren zusammen. Ein weiteres Beispiel sind die Spulen von Induktionskochplatten. Bei Blitzströmen in Transformatorwicklungen können die auftretenden Kräfte durch die Elektronenverdrängung so groß werden, dass die Spulen deformiert und zerstört werden.

Abhilfe kann geschaffen werden durch:

• Symmetrisches Verschachteln der Windungen und Wicklungen (Schubwicklung).
• Möglichst einlagige Wicklungen bei langen Kernen. Auch bei Gleichstrom!
• Keine „toten“ Wicklungen in der Nähe von wechselstromführenden Wicklungen.
• Resonanzkopplung bei Übertragern aus Stabkern- oder Luftspulen.
• Unterteilen der Volldrähte zu Hochfrequenzlitzen (separat isolierte Litzendrähte), ähnlich wie bei den Blechpaketen für Transformatoren. Es ist hierbei nicht notwendig, dass die Litzen, wie bei der echten HF-Litze verflochten sind, ein verdrehen der Litzen über die Längsachse reicht aus. Eine solche „falsche“, d. h. nur verdrillte, „Hochfrequenzlitze“ bringt bereits die gewünschte Verbesserung, da die Litzendrähte auf gleichen Durchmessern die gegenseitige Lage zwischen den Drähten wechseln (Drillleiter<ref>AEG-Hilfsbuch/Handbuch der Elektrotechnik, AEG-Telefunken, 10. Auflage 1967, S. 144, LCCN 67-24079</ref>). Diese Maßnahme hilf nebenbei auch gleichzeitig gegen Streufeldeinflüsse, welche in den Drähten bei Wechselsfeldern Wirbelströme verursachen. Durch kapazitive Nebenschlüsse bei höheren Frequenzen (typ. > 1 MHz. Auch Oberwellen in Schaltnetzteilen!) kommt es dazu, dass sich der Vorteil der Lösung mit der Litze wieder aufhebt.

Literatur

• Marian K. Kazimierczuk: High-Frequency Magnetic Components. 2. Auflage. John Wiley & Sons, Wright State University, Dayton, Ohio, USA 2014, ISBN 978-1-118-71779-0, Chapter 4: Proximity Effect, S. 226 - 263. 

Einzelnachweise

<references />