书城工业技术电磁兼容原理和应用
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第9章 电磁干扰的防护和抑制(1)

上一章介绍了电磁干扰的基本类型,本章重点介绍电磁干扰的常规防护和抑制方法。抑制电磁干扰的方法很多,其中主要方法如下。

1.接地

接地是电子设备工作所必需的技术措施。同时接地也引入接地阻抗及地回路干扰,事实证明接地设计对各种干扰的影响是很大的,因此,在电磁兼容领域中,接地技术至关重要,其中包括接地的选择、电路组合接地的设计和抑制接地干扰措施的合理应用等。

2.搭接

搭接是指导体间的低阻抗连接,只有良好的搭接才能使电路完成其设计功能,使干扰的各种抑制措施得以发挥作用。而不良搭接将向电路引入各种电磁干扰。因此在电磁兼容设计中,必须考虑搭接技术,以保证搭接的有效性、稳定性及长久性。

3.隔离

隔离是抑制干扰耦合的技术措施,它包括电路的空间隔离和电位隔离。电路的空间隔离是减少电路间电磁耦合的最简单而有效的方法,所谓电位隔离是指两个或多个系统的电路去耦,以及基准电位不同的系统互相绝缘,电位隔离主要用于抑制电平相差较大的两回路间耦合,例如,信号回路与功率回路间的电路性耦合。

电位隔离的典型方法是将电信号转变为其他物理量,通常用磁场和光辐射作为中间变量,有时也采用液动和气动系统,隔离变压器和光电耦合器就是用来实现电位隔离的。

4.屏蔽

屏蔽是通过各种屏蔽材料吸收及反射外来电磁能量来防止外来干扰的侵入(被动屏蔽)或将设备辐射的电磁能量限制在一定区域内,以防止干扰其他设备(主动屏蔽)。屏蔽不仅对辐射干扰有良好的抑制效果,而且对静电干扰和干扰的电容性耦合、电感性耦合均有明显的抑制作用,因此屏蔽是抑制电磁干扰的重要技术。在实际工程设计中,必须在保证通风、散热要求的条件下,实现良好的电磁屏蔽。

5.滤波

滤波是压缩信号回路干扰频谱的一种方法。当干扰频谱成分不同于有用信号的频带时用滤波器将无用的干扰信号滤去。滤波器对与有用信号频率不同的那些频率成分有良好的抑制作用,借助滤波器可明显地减小传导干扰电平。滤波器把有用信号和干扰信号的频率分离得越完善,它对减少有用信号回路内的干扰信号的效果就越好。因此恰当地设计、正确地使用滤波器对抑制干扰是非常重要的。

6.其他抑制措施

除了上述措施之外,还有对消与限幅、电路去耦、阻尼、阻抗匹配、合理布线和捆扎,以及应用各种抑制干扰的电路和器件等。

本章将重点阐述接地、搭接、屏蔽及滤波等几种常见干扰的抑制方法。

3.1接地与搭接

接地技术是任何电子、电气设备或系统正常工作时必须采取的重要技术,它不仅是保护设施和人身安全的必要手段,也是抑制电磁干扰、保障设备或系统电磁兼容性、提高设备或系统可取性的重要技术措施。任何电路的电流都需要经过地线形成回路,因而地线就是用电设备中各电路的公共导线。然而,任何导线(包括地线)都具有一定的阻抗(其中包括电阻和电抗),该公共阻抗使两个不同的接地点很难得到等电位。这样,公共阻抗使两接地点间形成一定的电压,从而产生接地干扰。恰当的接地方式可以为干扰信号提供低公共阻抗通路,从而抑制干扰信号对其他电子设备的干扰。因此,接地一方面可引起接地阻抗干扰,另一方面良好的接地还可抑制干扰。

搭接技术在电子、电气设备和系统中有广泛的应用。从一个设备的机箱到另一个设备的机箱、从设备机箱到接地平面、信号回路与地回路之间、电源回路与地回路之间、屏蔽层与地回路之间、滤波器与机箱之间、接地平面与连接大地的地网或地桩之间,都要进行搭接。

3.1.1接地与搭接定义

接地(Grounding)是指为了使电路、设备或系统与大地参考点之间建立低阻抗通路,而将电路、设备或系统连接到大地参考点的技术行为,其中一点通常是系统的一个电气或电子元(组)件,而另一点则可以看做是大地的参考点。例如,当所说的系统组件是设备中的一个电路时,则参考点就是设备的外壳或接地平面。

搭接(Bonding)是指在两个金属面之间通过机械、化学或物理方法实现结构连接,建立低阻抗路径。搭接的目的在于为电流的流动提供一个均匀的结构面和低阻抗通路,以避免在相互连接的两金属件间形成电位差。因此,假如说接地是一个电路概念,则搭接是这个概念的物理实现。例如,若一个系统的外壳可以看成大地参考点,当采用一个搭接片将系统中的一个设备外壳的某一点与系统外壳上某一点连接时,则实现了该设备的接地。

一个理想接地平面是零电位及零阻抗的平面,该平面可以作为所有与之关联电路中的信号参考点,电路中的任何不良电流的作用可以通过它得到消除。在一个系统中,理想接地平面可以在系统的任何部分提供参考点,因此系统中的理想参考点之间是没有电位差的。

在实际工程中,能够建立一个理想接地平面吗?即使接地平面是超导的,即电阻率可以看做0,但是由于其表面电感特性会导致其呈现电抗效应。在实际的电磁兼容电路与系统设计时,理想接地平面与其相连的导线的阻抗大小是非常重要的参数。

一个接地系统的效果取决于接地系统中各接地点间可能存在的电位差及流过系统的电流大小。一个好的接地系统中不允许存在某一接地点相对于系统中的某一基本部分存在明显的电位差。实际电磁兼容工程中理想与良好接地的要求有以下几点。

作为系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点,接地平面应是零电位。

理想的接地平面应是零电阻的实体,各接地点之间电位差为零或忽略不计。

良好的接地平面与布线间将有大的分布电容,而平面本身的引线电感将很小。理论上它必须能吸收所有信号,而使设备稳定地工作,接地平面应采用低阻抗材料制成,并且有足够的长度、宽度和厚度,以保证在所有频率上它的两边之间均呈现低阻抗。

理想的接地,要求尽量降低多电路公共接地阻抗上所产生的干扰电压,同时还要尽量避免形成不必要的地回路。

3.1.2接地的分类

接地按其作用可分为信号接地和安全接地两大类。其中信号接地又分为浮动接地、单点接地、多点接地与混合接地;安全接地分为设备安全接地、接零保护接地和防雷接地。

信号接地为设备、系统内部各种电路的信号电压提供一个零电位的公共参考点或面。对于电子设备,将其底座或者外壳接地,除了提供安全接地外,更重要的是为了在电子设备内部提供一个作为电位基准的导体,以保证设备工作稳定,抑制电磁干扰。这个导体称为接地面。

设备的底座或者外壳往往通过接地导线连接至大地,接地面的电位一旦出现不稳定,就会导致电子设备工作的不稳定。

安全接地就是采用低阻抗的导体将用电设备的外壳连接到大地上,使操作人员不致因设备外壳漏电或静电放电而发生触电危险。安全接地也包括建筑物、输电线导线、高压电力设备的接地,其目的是为了防止雷电放电造成设施破坏和人身伤亡。众所周知,大地具有非常大的电容量,是理想的零电位,不论往大地注入多大的电流或电荷,在稳态时其电位保持为零,因此,良好的安全接地能够保证用电设备和人身安全。

1.浮动接地

浮动接地的目的是将电路或设备与一个共同接地平面隔离,或者与循环电流的共同配线隔离。图3.1为一浮动接地系统示意图,图中各个设备的内部电路都有各自的参考地平面,它们通过低阻抗接地导线连接到信号地,信号地与建筑物结构地及其他导电物体隔离。采用浮动接地,可以避免安全接地回路中存在的干扰电流影响信号接地回路。

但浮动接地会发生危险,特别在高频情况下,更难实现真正的浮动接地。当浮动接地系统靠近高压设备、线路时,可能引起静电电荷堆积并且最后引起放电电流。因此,在应用浮动接地时常常会加一个泄漏电阻器,用以处理放电电流带来的危害。通常情况下,一般在频率1MHz以下,电容性耦合可以被忽略的情况下,为防止结构地、安全地中的干扰地电流干扰信号接地系统使用浮动接地,否则一般不采用浮动接地的方式。

如图3.2所示的隔离变压器与如图3.3所示的光隔离器分别为浮动接地应用的例子。

2.单点接地

单点接地只有一个接地点,是电路中的单一实质点,该点定义为接地参考点,可用于降低装备地电流效应。当一个系统中存在多个外壳时,根据单点接地的思想,每个外壳与其对应的电子回路可以采用单独的子接地系统,而系统中所有的子接地系统互相连接在一起,以一个单独的接地点作为参考点。

下面首先以实际例子说明单点接地在工程中的应用。如图3.4所示的系统中利用单点接地配置来消除设备接地电流带来的干扰。图中In为流经设备接地线的电流,从其原理图中可以看出由于In并未在设备中引起电压差,因此In不会在设备中引起干扰。但是当系统的频率足够高时,设备中将会产生电容性耦合。

在实际的电磁防护工程设计中,单点接地常采用共用地线串联一点接地与独立地线并联一点接地的方法。

通常地线的直流电阻不为零,特别是在高频情况下,地线的交流阻抗比其直流电阻大,因此公用地线上A、B、C点的电位不为零,并且各点电位受到所有电路注入地线电流的影响。

从抑制干扰的角度考虑,这种接地方式是最不适用的。但是这种接地方式的结构比较简单,各个电路的接地引线比较短,其电阻相对小,所以,这种接地方式常用于设备机柜中的接地。如果各个电路的接地电平差别不大,也可以采用这种接地方式。反之,高电平电路会干扰低电平电路。

采用公用地线串联一点接地时必须注意,要把具有最低接地电位的电路放置在最靠近接地点G的地方,即图3.5中的A点,以便B点和C点的接地电位受其影响最小。

可以看出,该接地方式的优点是,各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗有关,不受其他电路的影响。但是,独立地线并联一点接地方式存在以下缺点。第一,因各个电路分别采用独立地线接地,需要多根地线,势必会增加地线长度,从而增加了地线阻抗;第二,会造成各地线相互间的耦合,且随着频率增加,地线阻抗、地线间的电感及电容耦合都会增大;第三,不适用于高频。如果系统的工作频率很高,以致工作波长缩小到可与系统的接地平面的尺寸或接地引线的长度比拟时,就不能再用这种接地方式了。因为,当地线的长度接近于/4时,它就像一根终端短路的传输线。由分布参数理论可知,终端短路/4线的输入阻抗为无穷大,即相当于开路,此时地线不仅起不到接地作用,而且将有很强的天线效应向外辐射干扰信号。

所以,一般要求地线长度不应超过信号波长的1/20。显然,这种接地方式只适用于低频。

3.多点接地

多点接地是指某一个系统中各个需要接地的电路、设备都直接接到距它最近的接地平面上,以使接地线的长度最短。多点接地系统提供多条不同路径至系统的单点接地,可解决单接地导线的共振问题。多点接地的优点是允许多数回路存在,接地系统品质较好。多点接地需要防止腐蚀、振荡、温度变化及避免接地系统内高阻抗产生。多点接地方式中其地回路会不利于各种低频率电路的同时使用,在这种情况下必须使用混合接地。

为了降低电路的地电位,每个电路的地线应尽可能缩短。

但在高频时,由于集肤效应,高频电流只流经导体表面,即使加大导体厚度也不能降低阻抗。为了在高频时降低地线阻抗,通常要将地线和公共地镀银。在导体截面积相同的情况下,为了减小地线阻抗,常用矩形截面导体制成接地导体带。多点接地方式的优点是地线较短,适用于高频情况,其缺点是形成了各种地线回路,造成地回环路干扰,这对设备内同时使用的具有较低频率的电路会产生不良影响。

4.混合接地

如果电路的工作频带很宽,在低频情况时,需采用单点接地,而在高频时又需采用多点接地,此时,可以采用混合接地方法。所谓混合接地,就是将那些只需高频接地的电路、设备使用串联电容器把它们和接地平面连接起来,如图3.8所示。

由图3.8可见,在低频时,电容的阻抗较大,故电路为单点接地方式,但在高频时,电容阻抗较低,故电路成为两点接地方式。因此,这种接地方式适用于工作在宽频带的电路。混合接地仅需对需要高频接地的各点使用串联电容接地,但必须注意不可引起串联电容器与导线电感间产生谐振。

综上所述,单点接地适用于低频,多点接地适用于高频。一般来说,频率在1MHz以下可采用单点接地方式;频率高于10MHz应采用多点接地方式;频率在1~10MHz之间,可以采用混合接地(在电性能上实现单点接地、多点接地混合使用)。如用一点接地,其地线长度不得超过0.05,否则应采用多点接地。当然选择也不是绝对的,还要看通过的接地电流的大小,以及允许在每一接地线上产生多大的电压降。如果一个电路对该电压降很敏感,则接地线长度应不大于0.05或更小。如果电路只是一般的敏感,则接地线可以长些(如0.05)。此外,由接地引线“看进去”的阻抗是该引线相对于地平面的特性阻抗Zo的函数。而Zo的大小,又和引线与接地平面的相对位置有关。一般地,接地引线与接地平面平行时,其特性阻抗较小;当两者相互垂直时,则Zo较大,而Zo较大,则“看进去”的阻抗也较大。因此,当长度一定时,垂直于接地平面的接地引线其阻抗将大于平行于接地平面时的阻抗,所以,要求垂直接地面的接地引线的长度应更短一些。

5.设备安全接地

设备安全接地是安全接地的一种。为了人、机安全,任何高压电气设备、电子设备的机壳、底座均需要安全接地,以避免高电压直接接触设备外壳,或者避免由于设备内部绝缘损坏造成漏电打火使机壳带电,否则,人体触及机壳就会触电。

6.接零保护接地

用电设备通常采用220V或者380V电源提供电力,如图3.9所示。设备的金属外壳除了正常接地之外,还应与电网零线相连接,称之为接零保护。