Résistivité et conductivité du cuivre : tableau des valeurs et applications industrielles
À première vue, un fil de Litz et un câble toronné conventionnel semblent identiques — des dizaines ou des centaines de fins brins de cuivre regroupés en un seul conducteur. La différence réside dans un détail invisible qui change tout : la manière dont ces brins sont regroupés et isolés les uns des autres. Ce détail marque la frontière entre un conducteur qui fonctionne correctement à 50 Hz et un autre qui fonctionne correctement à 500 kHz.
Qu’est-ce qu’un câble toronné conventionnel
Un câble toronné classique est constitué de plusieurs fils de cuivre — généralement du C1100 nu ou étamé — disposés selon une géométrie hélicoïdale et en contact électrique les uns avec les autres. Les fils individuels ne sont pas isolés : le courant peut passer librement de l’un à l’autre.
Cette construction présente deux avantages par rapport à un conducteur massif de même section : une plus grande flexibilité mécanique (il supporte les flexions répétées sans fatigue) et un meilleur comportement face aux vibrations. Il s’agit de la construction standard des tresses flexibles en cuivre et des câbles flexibles et extra-flexibles.
Qu’est-ce qu’un fil de Litz
Un fil de Litz — de l’allemand Litzendraht, littéralement « fil toronné » — est également un ensemble de fins fils de cuivre toronnés, mais avec deux différences fondamentales :
- Chaque fil individuel est isolé électriquement avec un émail polymère (polyuréthane, polyester-imide, polyamide-imide) d’épaisseur micrométrique.
- La géométrie du toronnage est calculée afin que chaque fil occupe de manière équilibrée toutes les positions possibles (intérieures et extérieures) sur toute la longueur du conducteur.
Le résultat est que le courant se répartit uniformément entre tous les fils, au lieu de se concentrer à la surface du conducteur. Cela n’a d’importance qu’en haute fréquence — et c’est là toute la clé.
La raison d’être du Litz : effet de peau et effet de proximité
En courant continu, le courant se répartit uniformément sur toute la section d’un conducteur. En courant alternatif, ce n’est pas le cas. À mesure que la fréquence augmente, le courant tend à circuler à la surface extérieure du conducteur et à éviter le centre. C’est ce que l’on appelle l’effet de peau (skin effect).
La profondeur de pénétration du courant dans le cuivre à 20 °C suit approximativement cette règle :
| Fréquence | Profondeur de peau (δ) |
|---|---|
| 50 Hz | 9,3 mm |
| 1 kHz | 2,1 mm |
| 10 kHz | 0,66 mm |
| 100 kHz | 0,21 mm |
| 1 MHz | 0,066 mm |
À 50 Hz, un conducteur massif de 6 mm de rayon est utilisé dans toute sa section. À 100 kHz, en revanche, le courant n’utilise que les 0,2 mm extérieurs — le reste du cuivre représente un poids mort qui augmente les pertes et l’échauffement.
L’effet de proximité aggrave le problème dans les conducteurs parallèles ou les bobinages : le champ magnétique d’un conducteur repousse le courant du conducteur voisin vers une zone spécifique de sa section, augmentant encore davantage la résistance effective en AC.
Le fil de Litz résout ces deux effets à la source. Chaque fil étant isolé et parcourant toutes les positions du faisceau, aucun fil ne reste en permanence au centre (où aucun courant ne circulerait) ni en permanence à l’extérieur (où il serait saturé). La section effective est pratiquement égale à la section totale.
Comparaison technique : Litz vs câble toronné
| Paramètre | Câble toronné conventionnel | Fil de Litz |
|---|---|---|
| Isolation entre les fils | Non (contact électrique libre) | Oui (émail individuel) |
| Plage de fréquence optimale | DC – 1 kHz | 1 kHz – 5 MHz |
| Résistance AC à haute fréquence | Élevée (effet de peau) | Faible (uniforme) |
| Flexibilité mécanique | Très élevée | Élevée |
| Coût par mètre | Standard | 3–8× supérieur |
| Types de terminaison | Soudure, sertissage, fusion | Nécessite le retrait préalable de l’émail |
| Applications typiques | Puissance, mise à la terre, connexions flexibles | Induction, chargeurs wireless, transformateurs HF |
Quand utiliser un câble toronné conventionnel
- Connexions de mise à la terre et équipotentielles
- Connexions flexibles dans les armoires électriques et jeux de barres
- Compensation des dilatations thermiques dans les barres conductrices
- Alimentation de moteurs en 50/60 Hz
- Toute application en DC, y compris le stockage d’énergie et le photovoltaïque côté DC du module
Règle pratique : en dessous de 1 kHz, le Litz n’apporte pas suffisamment d’avantages pour justifier son surcoût.
Quand utiliser du fil de Litz
- Chauffage par induction industrielle (fusion des métaux, traitements thermiques, scellage par induction)
- Chargeurs inductifs pour véhicules électriques et appareils wireless
- Transformateurs haute fréquence dans les convertisseurs DC-DC, alimentations à découpage, SMPS
- Bobinages de moteurs à haute vitesse avec drivers PWM haute fréquence
- Applications RF dans la plage moyenne des kHz
- Circuits résonants et filtres à Q élevé
Chez Masfarné, nous fabriquons des fils de Litz sur mesure avec différentes combinaisons de nombre de fils, calibre et type d’émail en fonction de la fréquence de fonctionnement et des pertes admissibles.
Comment dimensionner un fil de Litz
Un Litz ne se spécifie pas uniquement par sa section totale, comme un conducteur classique. Trois paramètres sont nécessaires :
- Diamètre du fil individuel (calibre AWG ou mm). Il doit être inférieur à deux fois la profondeur de peau à la fréquence de fonctionnement. À 100 kHz, la profondeur de peau est de 0,21 mm, le fil doit donc avoir un diamètre maximal de 0,4 mm — on utilise généralement des fils de 0,1 à 0,2 mm.
- Nombre de fils. Il est calculé à partir de la section totale requise et du calibre choisi.
- Type d’émail et classe thermique. Polyuréthane (155 °C, directement soudable), polyester-imide (180 °C) ou polyamide-imide (200 °C) selon la température de fonctionnement.
Il convient également de préciser si le Litz doit comporter une enveloppe extérieure en soie ou en coton, un textile polyester ou un revêtement supplémentaire selon l’application.
Questions fréquentes
À partir de quelle fréquence un câble toronné standard cesse-t-il d’être rentable ?
Cela dépend du calibre du fil individuel. En règle générale, au-dessus de 5–10 kHz, l’effet de peau commence à devenir perceptible et au-dessus de 20 kHz, le Litz devient généralement économiquement justifiable si les pertes constituent un facteur de conception.
Puis-je souder directement un fil de Litz ?
Si l’émail est en polyuréthane (« solderable »), oui — l’étain fondu à haute température l’élimine. Avec des émaux de classe thermique supérieure, il faut les retirer au préalable par des moyens mécaniques ou chimiques.
Le Litz convient-il pour 50 Hz ?
Il fonctionne, mais n’apporte aucun avantage par rapport à un câble toronné conventionnel à cette fréquence et coûte plusieurs fois plus cher. Ce n’est pas le bon choix, sauf exigence très spécifique.
Combien de fils comporte un Litz typique ?
Cela varie énormément selon l’application : de 30–50 fils pour un Litz simple à plusieurs milliers dans des constructions de type « servo Litz » avec une structure par groupes concentriques.
Conclusion et prochaine étape
Le choix entre le fil de Litz et le câble toronné conventionnel dépend de deux éléments : la fréquence de fonctionnement et les pertes AC admissibles. En dessous de 1 kHz, presque toujours un câble toronné. Au-dessus de 10 kHz, presque toujours du Litz. Entre les deux, il faut faire les calculs.
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