关于铜导体传输的那些事
目前市场上的线材成品分为消费类产品和工业类产品,工业类关注的就是铜线的电阻阻值及可能发生的导体过热引起的短路等,故导体的材质和截面积是做为工业类产品需要关注和研究保护的对象,而消费类市场的产品就分为高频,高速,其对铜线的要求就甚高,从导体的截面积,导体的材质,导体的过程处理,特别是后面提到的导体表面的处理就显的尤为重要,当频率超过300MHZ我们通过传输线理论数据说明,其线材可以称之为传输线,频率越高,讯号基本的通道均在铜材的表面,我们称之为肌肤效应,肌肤效应在高频对讯号的影响基本是致命的,其导体表面的处理值得行业前辈和同行进行研究,如何保证导体表面高的光洁度来保证讯号传输的无回损等等,今天我们一起聊聊关于铜导体传输的那些事.
铜导体种类概述
铜导体由单条铜线或多条铜线组成,分别叙述如下:
硬铜线:经伸线冷加工而成,具有较高的抗张强度,适用于架空输电线、配电线及建筑线之导体.
软铜线:硬铜线加热去除冷却加工所产生之残余应力而成,富柔软性及弯曲性,并具有较高之导电率,用以制造通信及电力线缆之导体、电气机械及各种家用电器之导线.
半硬铜线:抗张强度介于硬铜线与软铜线之间,用于架空线之绑线及收音机之配线.
镀锡铜线:铜线表面镀锡以增加焊接性及保护铜导体于PVC或橡胶绝缘押出时不受侵蚀,并防止橡胶绝缘之老化.
平角铜线:断面为正方形或长方形之铜线,为制造大型变压器或大型马达等感应线圈之材料.
无氧铜线:含氧量0.001%以下、纯度特高之铜线,铜之含量在99.99%以上,不会受氧脆化,用以制真空管内之导线、半导体零件导线及极细线等.
漆包线:铜线软化后,表面涂以绝缘漆,经加热烤干而成,一般分为天然树脂及合成树脂漆包线.
铜箔丝:以扁平且极薄之铜丝卷绕于纤维丝上的导体。
先绞后镀线:将未镀之铜线绞合后,再加以镀铝.
铜包钢:一般用于同轴线作信号的传输(如电视机与VCD的连接、户外电视天线、闭路电视等﹔较硬线具有更高的抗张强度,在高山地带,跨越河流等须长距离时作为架空线用,依其铜厚度,一般分导电率21%、30%、40%等。
合金铜:由铜和其它导体金属组成,如铜镍合金等,用于特殊用途线。
目前常用的导体主要有如下几种:
镀锡铜线,英文缩写为TC﹔
裸铜线,英文缩写为BC﹔
镀银铜线,英文缩写为SC﹔
镀银铜包钢,英文缩写为SCCS
铜包钢,英文缩写为CP.
铜丝性能区分概述
按电阻率(长为1m,截面积为1mm2的材料电阻值大小)划分,一般情况下我们将材料分为三类:
导 体:电阻率在102Ω·mm2/m以下
半导体:电阻率为103~108Ω·mm2/m﹔
绝缘体:电阻率为108Ω·mm2/m以上。
目前常用的金属导体有金、银、铜等(如下表),考虑到导体的价格和导电性能,最常用的为铜导体。导电系数以铜为标准(100%),各导体比较如下表:
由上表可知,铜的导电率较佳,适用性能广,成本较低,还可在其表面镀锡,利于焊接,并有抗氧化作用(指与空气中氧气结合氧化.
铜丝各种性能介绍
导体电阻 — 导体之电阻与其长度成正比与其截面积成反比 。
导电率—以20℃时长度为1m、截面积为1mm2之标准软铜线之电阻1/58ohm(0.017241 ohm)为基准,称为100%导电率。电阻愈大,则导电率愈低,两者成反比例。
耐弯折性—单线之一端固定,另一端加上重量使垂直向下,然后来回180地弯折,直至线断为止,弯折次数愈多,表示耐弯折性愈强。
拉断力—抗张试验时,施于试样而使其断裂之最大负荷重量或力。
抗张强度—抗张试验时,使得试样断裂,单位面积承受的拉断力。
伸长率 — 于规定之标准距离,试样经伸长至断裂后所增加之长度与原来长度之比率。
导体在温度不同时会有不同的阻抗,一般常以20℃或25℃时为标准,温度愈高,阻抗会愈大.
铜丝重要高频参数介绍
高频电流流过导体时,电流会趋向于导体表面分布,越接近导体表面电流密度越大。这种现象就是趋肤效应。频率越高,电流就越集中在导体表面,可以想象,当频率足够高时,电流几乎只分布在导体表面上薄薄的一层,导体内部几乎没有电流
对于像铜这样的良导体,电导率极高,所以随着频率升高,很快就表现出明显的趋肤效应,一般6MHz多一点趋肤深度近似1mil,大概在55MHz左右的时候趋肤深度约0.35mil,1GHz时约0.1mil,趋肤效应必然对高速信号产生很大影响。如下图放大以后看,铜的表面并不像看起来那么光滑,趋肤效应导致信号损耗增加。
铜丝重要物理参数介绍
UL导体的要求
铜线导体的组成种类繁多,如7/0.05mm,7/0.06mm,7/0.08mm,19/0.08mm等等,那么这些组成如何区分,如何确定是什么规格,如何判定符不符合UL标准呢?
导体组成因需要的不同而多种多样,如果没有一个统一的判定标准,将很令人头疼。在UL758里就专门有对导体的规格标准的详述,它的标准为AWG,就是American Wire Guage,中文意思是“美国线材规格”,也就是我公司所参照的标准。它把导体分为单铜(单条铜导体)和绞铜(多条铜导体绞合成的铜导体),单铜根据直径大小划分规格﹔绞铜根据截面积大小划分规格,如下表所示,具体可以参照UL758里面列表的详述.
单位换算
单铜导体可通过用千分尺或者螺旋测微表直接测量直径,对照标准确定规格即可﹔绞铜导体不能直接测量,而要通过计算截面积来确定规格。UL 758导体标准里有用mil(密尔)和 cmil(圆密尔)作单位,所以先要懂得它们和国际单位(公制单位)的换算。mil(密尔)是长度单位,cmil(圆密尔)是面积单位。
1inch = 25.4mm= 1000 mil;1mm =39.37mil;
1inch2 = 106 cmil;1mm2 = 39.372 cmil = 1550 cmil
截面积的计算
UL758对导体截面积的计算,和我们以前学习到的计算圆的面积不一样,
假设: A 为截面积,单位为cmil或mm2﹔d为绞铜组成中单根铜线的直径,单位为mil或mm﹔n为绞铜导体由单根直径为d组成的条数﹔则其截面积为
A = 0.7854*nd2
这里需特别指出:上面的计算公式只适用于确定导体规格标准时截面积的计算,不能用于其它面积计算!
举例:请计算导体7/36AWG = 7/0.127mm(36AWG Solid = 0.127 mm)是属于什么规格的.
解:n = 7, d = 0.127*39.37mil, 则
A = 0.7854*n*d2 =7*(0.127*39.37)2 = 174.9993cmil
对照表UL758导体规格标准可知,它属于28AWG的导体.
导体的绞距
绞铜导体的绞距在UL758里也有相应的标准,根据绞铜导体的规格大小,规定了它们的最大绞距,具体如下表: