關於銅導體傳輸的那些事

2020-12-03 線纜行業朋友分享圈

目前市場上的線材成品分為消費類產品和工業類產品,工業類關注的就是銅線的電阻阻值及可能發生的導體過熱引起的短路等,故導體的材質和截面積是做為工業類產品需要關注和研究保護的對象,而消費類市場的產品就分為高頻,高速,其對銅線的要求就甚高,從導體的截面積,導體的材質,導體的過程處理,特別是後面提到的導體表面的處理就顯的尤為重要,當頻率超過300MHZ我們通過傳輸線理論數據說明,其線材可以稱之為傳輸線,頻率越高,訊號基本的通道均在銅材的表面,我們稱之為肌膚效應,肌膚效應在高頻對訊號的影響基本是致命的,其導體表面的處理值得行業前輩和同行進行研究,如何保證導體表面高的光潔度來保證訊號傳輸的無回損等等,今天我們一起聊聊關於銅導體傳輸的那些事.

銅導體種類概述

銅導體由單條銅線或多條銅線組成,分別敘述如下:

硬銅線:經伸線冷加工而成,具有較高的抗張強度,適用於架空輸電線、配電線及建築線之導體.

軟銅線:硬銅線加熱去除冷卻加工所產生之殘餘應力而成,富柔軟性及彎曲性,並具有較高之導電率,用以製造通信及電力線纜之導體、電氣機械及各種家用電器之導線.

半硬銅線:抗張強度介於硬銅線與軟銅線之間,用於架空線之綁線及收音機之配線.

鍍錫銅線:銅線表面鍍錫以增加焊接性及保護銅導體於PVC或橡膠絕緣押出時不受侵蝕,並防止橡膠絕緣之老化.

平角銅線:斷面為正方形或長方形之銅線,為製造大型變壓器或大型馬達等感應線圈之材料.

無氧銅線:含氧量0.001%以下、純度特高之銅線,銅之含量在99.99%以上,不會受氧脆化,用以制真空管內之導線、半導體零件導線及極細線等.

漆包線:銅線軟化後,表面塗以絕緣漆,經加熱烤乾而成,一般分為天然樹脂及合成樹脂漆包線.

銅箔絲:以扁平且極薄之銅絲卷繞於纖維絲上的導體。

先絞後鍍線:將未鍍之銅線絞合後,再加以鍍鋁.

銅包鋼:一般用於同軸線作信號的傳輸(如電視機與VCD的連接、戶外電視天線、閉路電視等﹔較硬線具有更高的抗張強度,在高山地帶,跨越河流等須長距離時作為架空線用,依其銅厚度,一般分導電率21%、30%、40%等。

合金銅:由銅和其它導體金屬組成,如銅鎳合金等,用於特殊用途線。

目前常用的導體主要有如下幾種:

鍍錫銅線,英文縮寫為TC﹔

裸銅線,英文縮寫為BC﹔

鍍銀銅線,英文縮寫為SC﹔

鍍銀銅包鋼,英文縮寫為SCCS

銅包鋼,英文縮寫為CP.

銅絲性能區分概述

按電阻率(長為1m,截面積為1mm2的材料電阻值大小)劃分,一般情況下我們將材料分為三類:

導 體:電阻率在102Ω·mm2/m以下

半導體:電阻率為103~108Ω·mm2/m﹔

絕緣體:電阻率為108Ω·mm2/m以上。

目前常用的金屬導體有金、銀、銅等(如下表),考慮到導體的價格和導電性能,最常用的為銅導體。導電係數以銅為標準(100%),各導體比較如下表:

由上表可知,銅的導電率較佳,適用性能廣,成本較低,還可在其表面鍍錫,利於焊接,並有抗氧化作用(指與空氣中氧氣結合氧化.

銅絲各種性能介紹

導體電阻— 導體之電阻與其長度成正比與其截面積成反比 。

導電率—以20℃時長度為1m、截面積為1mm2之標準軟銅線之電阻1/58ohm(0.017241 ohm)為基準,稱為100%導電率。電阻愈大,則導電率愈低,兩者成反比例。

耐彎折性—單線之一端固定,另一端加上重量使垂直向下,然後來回180地彎折,直至線斷為止,彎折次數愈多,表示耐彎折性愈強。

拉斷力—抗張試驗時,施於試樣而使其斷裂之最大負荷重量或力。

抗張強度—抗張試驗時,使得試樣斷裂,單位面積承受的拉斷力。

伸長率— 於規定之標準距離,試樣經伸長至斷裂後所增加之長度與原來長度之比率。

導體在溫度不同時會有不同的阻抗,一般常以20℃或25℃時為標準,溫度愈高,阻抗會愈大.

銅絲重要高頻參數介紹

高頻電流流過導體時,電流會趨向於導體表面分布,越接近導體表面電流密度越大。這種現象就是趨膚效應。頻率越高,電流就越集中在導體表面,可以想像,當頻率足夠高時,電流幾乎只分布在導體表面上薄薄的一層,導體內部幾乎沒有電流

對於像銅這樣的良導體,電導率極高,所以隨著頻率升高,很快就表現出明顯的趨膚效應,一般6MHz多一點趨膚深度近似1mil,大概在55MHz左右的時候趨膚深度約0.35mil,1GHz時約0.1mil,趨膚效應必然對高速信號產生很大影響。如下圖放大以後看,銅的表面並不像看起來那麼光滑,趨膚效應導致信號損耗增加。

銅絲重要物理參數介紹

UL導體的要求

銅線導體的組成種類繁多,如7/0.05mm,7/0.06mm,7/0.08mm,19/0.08mm等等,那麼這些組成如何區分,如何確定是什麼規格,如何判定符不符合UL標準呢?

導體組成因需要的不同而多種多樣,如果沒有一個統一的判定標準,將很令人頭疼。在UL758裡就專門有對導體的規格標準的詳述,它的標準為AWG,就是American Wire Guage,中文意思是「美國線材規格」,也就是我公司所參照的標準。它把導體分為單銅(單條銅導體)和絞銅(多條銅導體絞合成的銅導體),單銅根據直徑大小劃分規格﹔絞銅根據截面積大小劃分規格,如下表所示,具體可以參照UL758裡面列表的詳述.

單位換算

單銅導體可通過用千分尺或者螺旋測微表直接測量直徑,對照標準確定規格即可﹔絞銅導體不能直接測量,而要通過計算截面積來確定規格。UL 758導體標準裡有用mil(密爾)和 cmil(圓密爾)作單位,所以先要懂得它們和國際單位(公制單位)的換算。mil(密爾)是長度單位,cmil(圓密爾)是面積單位。

1inch = 25.4mm= 1000 mil;1mm =39.37mil;

1inch2 = 106 cmil;1mm2 = 39.372 cmil = 1550 cmil

截面積的計算

UL758對導體截面積的計算,和我們以前學習到的計算圓的面積不一樣,

假設: A 為截面積,單位為cmil或mm2﹔d為絞銅組成中單根銅線的直徑,單位為mil或mm﹔n為絞銅導體由單根直徑為d組成的條數﹔則其截面積為

A = 0.7854*nd2

這裡需特別指出:上面的計算公式只適用於確定導體規格標準時截面積的計算,不能用於其它面積計算!

舉例請計算導體7/36AWG = 7/0.127mm(36AWG Solid = 0.127 mm)是屬於什麼規格的.

解:n = 7, d = 0.127*39.37mil, 則

A = 0.7854*n*d2 =7*(0.127*39.37)2 = 174.9993cmil

對照表UL758導體規格標準可知,它屬於28AWG的導體.

導體的絞距

絞銅導體的絞距在UL758裡也有相應的標準,根據絞銅導體的規格大小,規定了它們的最大絞距,具體如下表:

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