Proximity-Effekt (Elektrotechnik)

Der Begriff Proximity-Effekt (eingedeutscht von englisch proximity effect: dt. »Nachbarschaft-Effekt«) bezeichnet in der Elektrotechnik die Wirkung der Stromeinschnürung oder Stromverdrängung zwischen zwei eng benachbarten Leitern unter dem Einfluss von Wechselströmen aufgrund von Wirbelströmen in ihnen. ^[1].

Entstehung des Proximity-Effekts

Streufelder im schematischen Schnittbild eines Transformator

Beschreibung

Der Proximity-Effekt tritt zum Beispiel in eng gepackten Wicklungen von Transformatoren von Schaltnetzteilen oder bei höheren Frequenzen auf. In diesem Fall fasst er dann die Wirkung der Wirbelströme in den Wicklungen von Spulen und Transformatoren zusammen.

Ein weiteres Beispiel, bei dem der Proximity-Effekt unterbunden werden muss, sind die Spulen von Induktionskochplatten.

Die Wirbelströme werden durch die sogenannten Streuflüsse der Wechselfelder des magnetischen Kreises hervorgerufen ^[2].

Im Bild ist für den einfachsten Fall die Entstehung des Effektes im Wickelfenster eines Transformatorkernes skizziert. Die Verschlechterung der Leiterausnutzung ist ebenfalls schematisch angedeutet.

Die Ursache (ein die Drähte- oder Leiteranordnung durchsetzendes, inhomogenes Magnetfeld) wird befördert durch:

• Benachbarte Spulendrähte,
• Endliche magnetische Leitfähigkeit des Materials im magnetischen Kreis (verursacht Streufeld)
• Luftspalte im magnetischen Kreis (Extremfall bei Stabkern- oder Luftspule).

Diese Streufelder durchdringen dann die Wicklungsdrähte und induzieren dort Spannungen, die wiederum Wirbelströme antreiben. Diese Wirbelströme überlagern sich so mit den Leiterströmen, dass der Leiterquerschnitt nicht mehr voll ausgenutzt wird und durch die resultierende Widerstandserhöhung zusätzlicher Leitungsverlust und damit Wärme entsteht. Dadurch wird die elektrische Güte verschlechtert und bei Leistungsanwendungen kann durch die Temperaturerhöhung das Bauteil zerstört werden.

Der Proximity-Effekt darf nicht mit dem Skin-Effekt verwechselt werden, dieser tritt auch bei einem einzelnen, freien, geraden Leiter auf und hat seine Ursache in der Stromverdrängung im Leiter selbst.

Abhilfe kann geschaffen werden durch:

• Symmetrisches Verschachteln der Windungen und Wicklungen (Schubwicklung).
• Möglichst einlagige Wicklungen bei langen Kernen.
• Keine „toten“ Wicklungen in der Nähe von wechselstromführenden Wicklungen.
• Aufpolstern der Wicklung im Bereich von kurzen Luftspalten.
• Resonanzkopplung bei Übertragern aus Stabkern- oder Luftspulen.
• Unterteilen der Volldrähte zu Hochfrequenzlitzen (separat isolierte Litzendrähte), ähnlich wie bei den Blechpaketen für Transformatoren.

Wie bei dem Skin-Effekt ist es beim Proximity-Effekt auch erforderlich, die Litzendrähte zusätzlich zu verzopfen. Eine „falsche“, d. h. nur verdrillte, Hochfrequenzlitze bringt aber bereits eine deutliche Verbesserung, da sie lokale Wirbelströme unterbricht, wodurch Litzendrähte auf gleichen Durchmessern die Lage im Streufeld wechseln.

Durch kapazitive Nebenschlüsse bei höheren Frequenzen kommt es dazu, dass sich der Vorteil der Lösung mit der Litze wieder aufhebt.

In der Praxis treten Proximity- und Skin-Effekt meist zusammen auf.

Bei Bandleitern ist besonders auf die Richtung der Streufelder zu achten; sie sollten längs und nicht quer zu ihnen verlaufen.

Weblinks

Erklärung des Skin- und Proximity-Effekts (Webseite der TU Dresden)

Einzelnachweise

1. ↑ Telefunken AG: Telefunken Laborbuch. Band 1 : Für Entwicklung Werkstatt und Service. 7. Auflage, 1965, S. 105.
2. ↑ Lloyd H. Dixon: Switching Regulated Power Supply Design Seminar Manual. Unitrode, 1990.