電磁兼容第11講課件

第十一講地回路干擾及其抑制措施2012年4月13號(hào)11.1地回路干擾接地公共阻抗產(chǎn)生的干擾

兩個(gè)不同的接地點(diǎn)之間存在一定的電位差，稱(chēng)為地電壓。這是由于兩接地點(diǎn)之間總有一定的阻抗，地電流流經(jīng)接地公共阻抗，在其上產(chǎn)生了地電壓，此地電壓直接加到電路上形成共模干擾電壓。如圖1所示的接地回路，來(lái)自直流電源或者高頻信號(hào)源的電流經(jīng)接地面返回。由于接地面的公共阻抗非常小，所以在電路的性能設(shè)計(jì)時(shí)往往不予考慮。但是，對(duì)電磁騷擾而言，在回路中必須考慮接地面阻抗的存在。圖1公共阻抗引起的騷擾圖1中干擾回路和被干擾回路之間存在一個(gè)公共阻抗Zi，該公共阻抗上存在的電壓為Ui＝ZiI1＋ZiI2。對(duì)被干擾回路而言，ZiI1是電磁騷擾電壓,而ZiI2是對(duì)負(fù)載電壓降的分壓，由于RL2>>|Zi|，因此，一般情況下ZiI2對(duì)負(fù)載電壓降的影響可以忽略不計(jì)，僅考慮I1所引起的電磁騷擾電壓對(duì)負(fù)載的作用。若不考慮被干擾回路的電流I2在接地公共阻抗Zi上的作用，即令U2＝0，則電路1中的電流I1在接地公共阻抗Zi上產(chǎn)生騷擾電壓Ui，此電壓降使被干擾回路的負(fù)載RL2受到騷擾，其騷擾電壓為

地回路干擾可見(jiàn)，干擾電壓Un的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顯示器的靈敏度1mV，因此顯示器不能正常工作。此例表明，在電子電路的設(shè)計(jì)和布局中，必須給予公共地阻抗足夠的重視。地電流與地電壓的形成電子設(shè)備一般采用具有一定面積的金屬板作為接地面，由于各種原因在接地面上總有接地電流通過(guò)，而金屬接地板兩點(diǎn)之間總存在一定的阻抗，因而產(chǎn)生接地干擾電壓。可見(jiàn)，接地電流的存在是產(chǎn)生接地干擾的根源。接地電流產(chǎn)生的原因主要有(1)導(dǎo)電耦合引起接地電流：用電設(shè)備中采用兩點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地時(shí)形成接地回路，接地電流將流過(guò)接地回路，如圖2所示

地回路干擾圖2導(dǎo)電耦合的地電流回路(2)電容耦合形成接地電流：由于電路元件、器件、構(gòu)件與接地面之間存在雜散電容(分布電容)，通過(guò)雜散電容可以形成接地回路，電路中的電流總會(huì)有部分電流泄漏到接地回路中，如圖3所示。(3)電磁耦合形成感應(yīng)電流：當(dāng)電路中的線圈靠近設(shè)備殼體時(shí)，殼體相當(dāng)于只有一匝的二次線圈，它和一次線圈之間形成變壓器耦合，機(jī)殼內(nèi)因電磁感應(yīng)將產(chǎn)生接地電流，而且不管線圈的位置如何，只要有變化磁通通過(guò)殼體，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。地回路干擾圖3導(dǎo)電耦合的地電流回路(4)金屬導(dǎo)體的天線效應(yīng)形成地電流：輻射電磁場(chǎng)照射到金屬導(dǎo)體時(shí)，由于金屬導(dǎo)體的接收天線效應(yīng)，使金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果金屬體是箱體結(jié)構(gòu)，那么由于電場(chǎng)作用，在平行的兩個(gè)平面上將產(chǎn)生電位差，使箱體有接地電流流過(guò)，該金屬箱體同回路連接時(shí)，就會(huì)形成有接地電流通過(guò)的電流回路。當(dāng)采用傳輸線連接的設(shè)備置于地面附近時(shí)，如圖4所示，外界電磁場(chǎng)作用于傳輸線，使傳輸線上形成共模干擾電壓源，進(jìn)一步在公共地阻抗上形成干擾電壓；或者，通過(guò)傳輸線與接地面形成的導(dǎo)電回路中的電磁場(chǎng)隨著時(shí)間變化，也會(huì)在傳輸線上形成干擾。

地回路干擾圖4電磁波在傳輸線上形成共模干擾11.2電路的接地點(diǎn)選擇放大器與信號(hào)源的接地點(diǎn)選擇圖5表示一個(gè)信號(hào)源與放大器連接的電路。如果信號(hào)源在A點(diǎn)接地，放大器在B點(diǎn)接地，則兩接地點(diǎn)A、B之間存在地電位差UG。RC1和RC2為信號(hào)源與放大器連接導(dǎo)線的電阻。由圖可見(jiàn)，此時(shí)加至放大器輸入端的電壓為UN＝US＋UG。圖5放大器與信號(hào)源接地點(diǎn)的選擇為了剔除地電壓的干擾，應(yīng)采用一點(diǎn)接地。如果采用A點(diǎn)接地，而B(niǎo)點(diǎn)不接地，即放大器所用的電源不接地，此時(shí)需要使用差分放大器。通常比較方便的一點(diǎn)接地方式是選擇B點(diǎn)接地，而A點(diǎn)不接地。

圖5中，導(dǎo)線電阻RC1和RC2一般很小，通常在1Ω以下，取RC1

＝RC2

＝1Ω。兩接地點(diǎn)A、B之間存在的地電阻RG更小，比如取RG＝0.01Ω。信號(hào)源的內(nèi)阻RS一般為500Ω。設(shè)放大器的輸入阻抗為10kΩ，圖5所示電路的等效電路可用圖6來(lái)表示。因?yàn)镽C2<<RS＋RC1＋RL，由等效電路圖6(b)可得C點(diǎn)到地的電壓為

電路的接地點(diǎn)選擇圖6信號(hào)源連接放大器的接地干擾分析從而確定的放大器輸入端的干擾電壓為則接地干擾電壓對(duì)放大器輸入端的干擾電壓值為實(shí)例2：設(shè)RC1＝RC2＝1Ω，RS＝500Ω，RL＝10kΩ，RG＝0.01Ω，UG＝10mV，試計(jì)算接地干擾電壓在放大器輸入端施加的干擾電壓值?！窘狻?/p>

將所給數(shù)值代入式(11-2)計(jì)算，可知UN＝0.94mV。計(jì)算結(jié)果表明，10mV的接地干擾電壓幾乎全部施加于放大器輸入端。若將信號(hào)源與放大器隔離，即在信號(hào)源與地之間加入一個(gè)很大的阻抗ZSG(即加在圖6(a)中的C點(diǎn)與A點(diǎn)之間)。此時(shí)，接地干擾電壓施加于放大器輸入端的干擾電壓值為電路的接地點(diǎn)選擇(11-2)比較式圖7所示的A、B、C三級(jí)電路，其電平關(guān)系為A＜B＜C。圖7(a)為接地點(diǎn)o選擇在靠近高電平級(jí)電路的c端；圖7(b)為接地點(diǎn)o選擇在靠近低電平級(jí)電路的a端。多級(jí)電路接地點(diǎn)選擇在靠近高電平級(jí)電路端(圖7(a))時(shí)，低電平級(jí)電路端a點(diǎn)的電位為

Uao＝(Rab＋jωLab)Ia＋(Rbc＋jωLbc)(Ia＋I(xiàn)b)

＋(Rco＋jωLco)(Ia＋I(xiàn)b＋I(xiàn)c) (11-4)

電路的接地點(diǎn)選擇圖7多級(jí)電路接地點(diǎn)的選擇式中，Rab、Rbc、Rco和Lab、Lbc、Lco分別表示ab、bc、co各段接地線的電阻及電感。接地點(diǎn)選擇在靠近低電平級(jí)電路輸入端時(shí)，低電平級(jí)電路a點(diǎn)的電位為

U‘a(chǎn)o＝(Rao＋jωLao)(Ia＋I(xiàn)b＋I(xiàn)c) (11-5)

比較式(11-4)和式(11-5)知|Uao|＜|U’ao|。這說(shuō)明接地點(diǎn)選擇在靠近低電平級(jí)電路的輸入端時(shí)，電路受地電位差的干擾最小，因?yàn)檫@時(shí)a點(diǎn)電位只受ao段地線阻抗的影響。因此多級(jí)電路的接地點(diǎn)應(yīng)選擇在低電平級(jí)電路的輸入端。諧振回路接地點(diǎn)的選擇并聯(lián)諧振回路內(nèi)部的電流是其外部電流的Q倍(Q為諧振回路的品質(zhì)因數(shù))，所以諧振回路內(nèi)部的電流有時(shí)是非常大的，如果把諧振回路的電感L和電容C分別接地，如圖8所示，在接地回路中將有高頻大電流通過(guò)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的地回路干擾。電路的接地點(diǎn)選擇如果將諧振回路的電感L和電容C取一點(diǎn)接地，使諧振回路本身形成一個(gè)閉合回路，如圖9所示，此時(shí)高頻大電流將不通過(guò)接地面，從而有效地抑制了地回路干擾。因此，諧振回路必須單點(diǎn)接地。電路的接地點(diǎn)選擇圖8諧振回路的錯(cuò)誤接地圖9諧振回路的正確接地由(11-6)有可見(jiàn)當(dāng)ωCRL<<1時(shí)，|UN/UG|<<1。所以在定頻時(shí)提高隔離變壓器的抗干擾能力，可通過(guò)減小變壓器繞組間的分布電容C實(shí)現(xiàn)。如在變壓器之間加一電屏蔽(圖11)就可以有效地減小繞組之間的分布電容C，從而有效阻隔了地回路的干擾。為防止UG通過(guò)電屏蔽層與繞組之間的分布電容耦合加至負(fù)載RL，造成干擾，電屏蔽層應(yīng)接至負(fù)載RL的接地端。須指出，采用隔離變壓器不能傳輸直流信號(hào)，也不適于傳輸頻率很低的信號(hào)。但是，隔離變壓器對(duì)地線中較低頻率的干擾具有很好的抑制能力。同時(shí)，電路中的信號(hào)電流只在變壓器繞組連線中流過(guò)，因此可避免對(duì)其它電路的干擾。地回路干擾的抑制措施(11-7)縱向扼流圈因?yàn)楦綦x變壓器使直流和低頻信號(hào)無(wú)法通過(guò)，而圖12所示的縱向扼流圈(LongitudinalChoke)(或稱(chēng)為中和變壓器(Neutra-lizingTransformer))，可以通過(guò)直流或低頻信號(hào)，對(duì)地回路共模干擾電流呈現(xiàn)出相當(dāng)高的阻抗，使其受到抑制。

地回路干擾的抑制措施圖12采用縱向扼流圈阻隔地回路縱向扼流圈是由兩個(gè)繞向相同、匝數(shù)相同的繞組所構(gòu)成，一般常用雙線并繞而成。信號(hào)電流在兩個(gè)繞組流過(guò)時(shí)方向相反，稱(chēng)為異模電流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，呈現(xiàn)低阻抗，即扼流圈對(duì)信號(hào)電流不起扼流作用，并且不切斷直流回路。地線中的干擾電流流經(jīng)兩個(gè)繞組的方向相同，稱(chēng)為共模電流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)同向相加。扼流圈對(duì)地回路干擾電流呈現(xiàn)高阻抗，起到抑制地回路干擾的作用。信號(hào)源電壓US通過(guò)縱向扼流圈并經(jīng)連接線電阻RC1、RC2接至負(fù)載RL?？v向扼流圈可用電感L1、L2及互感M表示。若扼流圈的兩個(gè)繞阻完全相同，且在同一個(gè)鐵芯上構(gòu)成緊耦合，則有L1＝L2＝M。UG是地電位差或地線環(huán)路經(jīng)磁耦合形成的地回路電壓。首先分析縱向扼流圈對(duì)信號(hào)電壓US的影響，此時(shí)可將UG短路。因RC1與RL串聯(lián)，且RC1<<RL,故RC1可忽略不計(jì)，圖12(b)等效電路可簡(jiǎn)化為圖13的形式。地回路干擾的抑制措施或式中ωc稱(chēng)為扼流圈的截止角頻率，當(dāng)ω＝ωc時(shí)，|IG|＝0.707|IS|；當(dāng)ω＞ωc時(shí)，只有小部分信號(hào)流經(jīng)地線。一般認(rèn)為，當(dāng)ω≥5ωc時(shí)，IG→0，這時(shí)絕大部分信號(hào)電流經(jīng)RC2、L2入地?？蛇M(jìn)一步列出上回路方程：因M＝L1＝L2，可得信號(hào)電流地回路干擾的抑制措施(11-10)(11-11)(11-12)(11-13)因?yàn)镽C2<<ＲL，且當(dāng)ω≥5ωc時(shí)，IG→0，所以，式(11-13)可簡(jiǎn)化為因此，當(dāng)扼流圈的電感足夠大，使信號(hào)頻率ω≥5ωc(ωc＝RC2/L)時(shí)，可認(rèn)為加入扼流圈對(duì)信號(hào)傳輸沒(méi)有影響。而分析縱向扼流圈對(duì)地回路電壓UG的抑制作用，根據(jù)線性電路的疊加原理，此時(shí)可將信號(hào)源US短路，等效電路如圖14所示。地回路干擾的抑制措施(11-14)圖14縱向扼流圈對(duì)地回路電壓UG的影響未加扼流圈時(shí)，地回路干擾電壓UG全部加到RL上。加扼流圈后，流經(jīng)扼流圈兩個(gè)繞組的干擾電流分別為I1、I2，在負(fù)載RL上的干擾電壓UN＝I1RL。由I1回路得

UG＝j(luò)ωL1I1＋jωMI2＋I(xiàn)1RL

由I2回路得

UG＝j(luò)ωL2I2＋jωMI1＋I(xiàn)2RC2

聯(lián)立求解(11-15)和(11-16)可得由UN＝I1RL，考慮到RC2<<RL，(11-17)可寫(xiě)為或地回路干擾的抑制措施(11-15)(11-16)(11-17)(11-18)(11-19)光電耦合器光電耦合器原理圖如圖15所示。發(fā)光二極管發(fā)光的強(qiáng)弱隨電路1輸出信號(hào)電流的變化而變化。強(qiáng)弱變化的光使光電晶體管(或光敏電阻)產(chǎn)生相應(yīng)變化的電流，作為電路2的輸入信號(hào)。將這兩種器件封裝在一起就構(gòu)成光電耦合器，可完全切斷兩電路的地回路，以抑制地回路干擾。光電耦合對(duì)數(shù)字電路特別適用，而在模擬電路中，因電流與光強(qiáng)的線性關(guān)系較差，在傳輸模擬信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的非線性失真，故光電耦合器的使用受到限制。地回路干擾的抑制措施圖15采用縱向扼流圈阻隔地回路差分平衡電路

差分器件是按照加于電路兩輸入端的電壓差值工作的。當(dāng)兩輸入端對(duì)地平衡時(shí)，即為平衡差分器件，原理圖如圖16所示。實(shí)際的差分器件總會(huì)存在某些不平衡，此時(shí)，干擾電壓UG中的一部分將作為差分電壓加載到等效電阻R上，R表示A端和B端對(duì)地的漏電阻之差，即R＝RA－RB(當(dāng)平衡時(shí)R＝0)。由于不平衡所引起的UG的一部分ΔUG將