70 – ケーブルのインピーダンス周波数特性解析

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概要

ツイストケーブルは外部からのノイズの影響を受けにくく、ノイズの放射も少ないため、信号線やスピーカーケーブルなどノイズ低減要求の厳しい用途に使用されています。ケーブル自身の重要な性能は電気特性になりますが、流れる電流の状態によって特性が変わります。例えば、電流の周波数が高くなると、表皮効果や近接効果によって電流が銅線内で偏ります。その結果、見かけの通電断面積が減少するため、交流抵抗が増加したり、インダクタンスが変化します。抵抗の増加は損失の増加をもたらし、インダクタンスの変化は信号を歪ませるため、これらの周波数特性を事前に把握する必要があります。
上記の現象は銅線の線材内部で起きる現象であり、机上の手計算では予測が難しく、有限要素法に基づく磁界解析を用いての評価が有用となります。
ここでは、ツイストペアケーブルにおける抵抗とインダクタンスの周波数特性を求めます。

電流密度分布

銅線の電流密度分布を図1に示します。図より、電源周波数10(kHz)では近接効果により電流が偏り、100(kHz)では近接効果と表皮効果により電流が偏っていることがわかります。この電流の偏りが、抵抗およびインダクタンスに影響を与えることが予想できます。

抵抗、インダクタンス

銅線の抵抗の周波数特性を図2に、インダクタンスの周波数特性を図3に示します。抵抗およびインダクタンスが、10(kHz)付近から近接効果により徐々に変化し始め、表皮効果が加わることで急激に変化していることがわかります。表皮効果や近接効果を低減するには、使用する周波数帯において電流が導体中を均一に流れるような構造を検討する必要があります。

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