《電磁兼容原理與技術(shù)》課件第7章

第7章接地技術(shù)

7.1電子設(shè)備接地的目的7.2接地系統(tǒng)7.3安全地線(xiàn)7.4地線(xiàn)中的干擾7.5低阻抗地線(xiàn)的設(shè)計(jì)7.6阻隔地環(huán)路干擾的措施7.7屏蔽電纜的接地7.8附加實(shí)例習(xí)題7.1電子設(shè)備接地的目的在電子設(shè)備中,接地是抑制電磁噪聲和防止干擾的重要手段之一。在設(shè)計(jì)中如果能把接地和屏蔽正確地配合使用,則對(duì)實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的電磁兼容性將起到事半功倍的作用。電子設(shè)備中各類(lèi)電路均有電位基準(zhǔn),對(duì)于一個(gè)理想的接地系統(tǒng)來(lái)說(shuō),各部分的電位基準(zhǔn)都應(yīng)保持零電位。設(shè)備內(nèi)所有的基準(zhǔn)電位點(diǎn)通過(guò)導(dǎo)體連接在一起,該導(dǎo)體就是設(shè)備內(nèi)部的地線(xiàn)。電子電路的地線(xiàn)除了提供電位基準(zhǔn)之外,還可作為各級(jí)電路之間信號(hào)傳輸?shù)姆祷赝泛透骷?jí)電路的供電回路?！暗亍笨梢允侵复蟮?陸地使用的電子設(shè)備通常以地球的電位作為基誰(shuí),并以大地作為零電位?！暗亍币部梢允请娐废到y(tǒng)中某一電位基準(zhǔn)點(diǎn),并設(shè)該點(diǎn)電位為相對(duì)零電位,但不是大地零電位。例如,電子電路往往以設(shè)備的金屬底座、機(jī)架、機(jī)箱等作為零電位或“地”電位,但金屬底座與機(jī)架、機(jī)箱有時(shí)不一定和大地相連接,即設(shè)備內(nèi)部的“地”電位不一定與大地電位相同。通常,為了防止雷擊對(duì)設(shè)備和操作人員造成危險(xiǎn),將設(shè)備的機(jī)架、機(jī)箱等金屬結(jié)構(gòu)與大地相連。電子設(shè)備的“地”與大地連接有如下作用:

(1)提高電子設(shè)備電路系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。電子設(shè)備若不與大地連接,它相對(duì)于大地將呈現(xiàn)一定的電位,該電位會(huì)在外界干擾場(chǎng)的作用下變化,從而導(dǎo)致電路系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。如果將電子設(shè)備的“地”與大地相連接,使它處于真正的零電位,就能有效地抑制干擾。

(2)泄放機(jī)箱上積累的靜電電荷,避免靜電高壓導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部放電而造成干擾。

(3)為設(shè)備和操作人員提供安全保障。7.2接地系統(tǒng)有許多接地的方法,它們的使用常常依賴(lài)于所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)或正在開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)的功能。不考慮安全接地,僅從電路參考點(diǎn)的角度考慮,接地可分為懸浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。7.2.1懸浮地對(duì)電子產(chǎn)品而言,懸浮地是指設(shè)備的地線(xiàn)在電氣上與參考地及其他導(dǎo)體相絕緣,即設(shè)備懸浮地。另一種情況是在有些電子產(chǎn)品中,為了防止機(jī)箱上的騷擾電流直接耦合到信號(hào)電路,有意使信號(hào)地與機(jī)箱絕緣,即單元電路懸浮地。圖7-1分別給出了這兩種懸浮地。圖7-1懸浮地懸浮地容易產(chǎn)生靜電積累和靜電放電,在雷電環(huán)境下,還會(huì)在機(jī)箱和單元電路間產(chǎn)生飛弧,甚至使操作人員遭到電擊。當(dāng)設(shè)備懸浮地,電網(wǎng)相線(xiàn)與機(jī)箱短路時(shí),有可能引起觸電,所以懸浮地不宜用于通信系統(tǒng)和一般電子產(chǎn)品。7.2.2單點(diǎn)接地單點(diǎn)接地是為許多接在一起的電路提供共同參考點(diǎn)的方法。并聯(lián)單點(diǎn)接地最簡(jiǎn)單,它沒(méi)有共阻抗耦合和低頻地環(huán)路的問(wèn)題。如圖7-2所示,每一個(gè)電路模塊都接到一個(gè)單點(diǎn)地上,每一個(gè)子單元在同一點(diǎn)與參考點(diǎn)相聯(lián),地線(xiàn)上其他部分的電流不會(huì)耦合進(jìn)電路。這種結(jié)構(gòu)在1MHz以下能很好工作,但當(dāng)頻率升高時(shí),由于接地的阻抗較大,因此電路上會(huì)產(chǎn)生較大的共模電壓。當(dāng)?shù)鼐€(xiàn)的長(zhǎng)度超過(guò)1/4波長(zhǎng)時(shí),電路實(shí)際上與地是隔開(kāi)的。單點(diǎn)接地要求電路的每部分只接地一次,并都是接在同一點(diǎn)上,該點(diǎn)常常以大地為參考。由于只存在一個(gè)參考點(diǎn),因此可以相信沒(méi)有地回路存在,因而也就沒(méi)有騷擾問(wèn)題。圖7-2并聯(lián)單點(diǎn)接地并聯(lián)單點(diǎn)接地的一種改進(jìn)方式是將具有類(lèi)似特性的電路連接在一起,然后將每一個(gè)公共點(diǎn)連接到單點(diǎn)地,如圖7-3所示。這樣既單點(diǎn)接地又可以避免共阻抗耦合,且使高頻電路有良好的局部接地。為了減少共阻抗耦合,騷擾最大的電路應(yīng)最靠近公共點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)模塊中有一個(gè)以上的地時(shí),它們應(yīng)該通過(guò)背對(duì)背二極管連接到一起,避免當(dāng)電路斷開(kāi)時(shí)造成電路損壞。圖7-3改進(jìn)的并聯(lián)單點(diǎn)接地低頻設(shè)備信號(hào)地線(xiàn)的鋪設(shè),應(yīng)力求減小地線(xiàn)的長(zhǎng)度。如果有兩個(gè)以上獨(dú)立的低頻電路單元或插箱裝入機(jī)柜時(shí),應(yīng)安裝一條與機(jī)架絕緣的接地母線(xiàn),每個(gè)單元或插箱的信號(hào)地線(xiàn)通過(guò)搭接條連接到該接地母線(xiàn)上,如圖7-4所示。為了保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度和低阻抗通路,應(yīng)選用長(zhǎng)寬比小的搭接條,并帶絕緣,以避免與機(jī)柜或插箱等短接。圖7-4裝有接地母線(xiàn)的機(jī)柜7.2.3多點(diǎn)接地多點(diǎn)接地如圖7-5所示。從圖中可以看到,設(shè)備中的內(nèi)部電路都以機(jī)殼為參考點(diǎn),而所有機(jī)殼又以地為參考點(diǎn)。有一個(gè)安全地把所有的機(jī)殼連在一起,然后再與地或輔助信號(hào)地相連。這種接地結(jié)構(gòu)的原理在于為許多并聯(lián)路徑提供了到地的低阻抗通路,并且在系統(tǒng)內(nèi)部接地很簡(jiǎn)單。只要連接公共參考點(diǎn)的任何導(dǎo)體的長(zhǎng)度小于騷擾波長(zhǎng)的幾分之一,多點(diǎn)接地的效果都很好。圖7-5多點(diǎn)接地系統(tǒng)多點(diǎn)接地能夠避免單點(diǎn)接地在高頻時(shí)的問(wèn)題。在數(shù)字電路和高頻大信號(hào)電路中必須使用多點(diǎn)接地。模塊和電路通過(guò)許多短線(xiàn)(<0.1λ)連接起來(lái),以減少地阻抗產(chǎn)生的共模電壓。同樣,子單元通過(guò)許多短線(xiàn)與機(jī)架、地平面或其他低阻抗導(dǎo)體連接起來(lái)。這種方式不適合敏感模擬電路,因?yàn)檫@樣連接形成的環(huán)路容易受到磁場(chǎng)的影響。在這種結(jié)構(gòu)中,要避免50Hz交流電產(chǎn)生的騷擾是十分困難的。多點(diǎn)接地的子系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中,可以與其他子系統(tǒng)單點(diǎn)接地。7.2.4混合接地混合接地既包含了單點(diǎn)接地的特性,也包含了多點(diǎn)接地的特性。例如,系統(tǒng)內(nèi)的電源需要單點(diǎn)接地,而射頻部分則需要多點(diǎn)接地。混合接地使用電抗性器件使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時(shí)呈現(xiàn)不同的特性,這在寬帶敏感電路中是必要的。在圖7-6中,一條較長(zhǎng)的電纜的屏蔽外層通過(guò)電容接到機(jī)殼上,避免射頻駐波的產(chǎn)生。由于電容對(duì)低頻和直流有較高的阻抗,因此能夠避免兩模塊之間的地環(huán)路形成。圖7-6混合接地在使用電抗元件作接地系統(tǒng)的一部分時(shí),應(yīng)注意寄生諧振現(xiàn)象,這種諧振會(huì)使騷擾增強(qiáng)。例如,當(dāng)在一條自感為0.1μH的電纜上使用電容量為0.1μF的電容器時(shí),將在1.6MHz處產(chǎn)生諧振。在這個(gè)頻率上,電纜的屏蔽層根本沒(méi)有接地。當(dāng)將直流地和射頻地分開(kāi)時(shí),將每個(gè)子系統(tǒng)的直流地通過(guò)10～100nF的電容器聯(lián)到射頻地上,這兩種地應(yīng)在一點(diǎn)有低阻抗連接起來(lái),連接點(diǎn)應(yīng)選在最高翻轉(zhuǎn)速度(di/dt)的信號(hào)存在的點(diǎn)。圖7-7為電子設(shè)備的混合接地,它把設(shè)備的地線(xiàn)分成兩大類(lèi):電源地與信號(hào)地。設(shè)備中各部分的電源地線(xiàn)都接到電源總地線(xiàn)上,所有信號(hào)地都接到信號(hào)總地線(xiàn)上。兩根總地線(xiàn)最后匯集到公共的參考地。圖7-7電子設(shè)備的混合接地7.2.5大系統(tǒng)接地

大系統(tǒng)之所以不好處理,是因?yàn)橄到y(tǒng)中的距離在較高頻率上往往與波長(zhǎng)接近,這可以通過(guò)在機(jī)箱內(nèi)使用屏蔽電纜或?qū)㈦娎|靠近機(jī)箱壁來(lái)克服。電纜和機(jī)箱之間的寄生電容能夠在高頻時(shí)提供一個(gè)低阻抗接地,而機(jī)箱的作用是接地平面。復(fù)雜電子設(shè)備中往往包含有多種電子電路和各種電機(jī)、電器等元部件。這時(shí)地線(xiàn)應(yīng)分組鋪設(shè),除應(yīng)按電源電壓分組外,還應(yīng)分為信號(hào)地線(xiàn)(包括數(shù)字地線(xiàn)、模擬地線(xiàn)、高頻地線(xiàn)、低頻地線(xiàn)、高速地線(xiàn)、低速地線(xiàn)、高電平地線(xiàn)、低電平地線(xiàn)等)、噪聲地線(xiàn)(騷擾源地線(xiàn))和金屬件地線(xiàn)(機(jī)殼地)等,如圖7-8所示。其中,信號(hào)標(biāo)志部分屬于高電平騷擾源,容易對(duì)其他電路產(chǎn)生騷擾,所以單獨(dú)設(shè)噪聲地5;保持、比較、折疊等皆為低電平模擬電路,對(duì)騷擾敏感,故單獨(dú)設(shè)信號(hào)地2;發(fā)話(huà)路與收話(huà)路分別設(shè)信號(hào)地1和信號(hào)地4,以免高電平地線(xiàn)與低電平地線(xiàn)之間產(chǎn)生共地阻抗耦合;插箱內(nèi)屏蔽盒與插箱絕緣,通過(guò)多芯連接器接入信號(hào)地線(xiàn);每個(gè)插箱與機(jī)架之間僅有一點(diǎn)相連接,機(jī)架設(shè)金屬件地6;整個(gè)設(shè)備各類(lèi)地線(xiàn)匯集于一點(diǎn)接參考地。圖7-8大系統(tǒng)接地因此,地線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟如下:

·分析設(shè)備內(nèi)各類(lèi)部件的騷擾特性和敏感特性;

·搞清楚設(shè)備內(nèi)各類(lèi)電路的工作電平、信號(hào)種類(lèi)和電源電壓;

·將地線(xiàn)分類(lèi)、劃組;

·畫(huà)出總體布局框圖;

·排出地線(xiàn)網(wǎng)。最后,還應(yīng)指出,大系統(tǒng)除了安全地以外至少應(yīng)有兩個(gè)分開(kāi)的地,即電路地和機(jī)殼地,這些地應(yīng)僅在電源處相連。如圖7-9所示,機(jī)箱為高頻提供了一個(gè)很好的回路,電路地應(yīng)通過(guò)一個(gè)10～100nF的電容器與機(jī)殼相連,各個(gè)單元的安全地可以連到金屬件上。金屬件之間必須有可靠的搭接,對(duì)于接地而言,鉸鏈連接、滑動(dòng)連接和臨時(shí)性的連接都不能滿(mǎn)足要求。對(duì)于永久性的搭接,最理想的是焊接,當(dāng)確認(rèn)接觸面上沒(méi)有油漆或其他影響導(dǎo)電性的物質(zhì)時(shí),也可以用螺釘連接或鉚接。對(duì)于滑動(dòng)的部件,可以用單獨(dú)的短連接條實(shí)現(xiàn)搭接。圖7-9機(jī)架系統(tǒng)的接地7.3安全地線(xiàn)7.3.1設(shè)置安全地線(xiàn)的意義電子設(shè)備之所以要設(shè)置安全地線(xiàn),是基于下列三個(gè)原因:

(1)當(dāng)絕緣被破壞時(shí),安全地線(xiàn)能起保護(hù)作用。在交流電網(wǎng)供電的電子設(shè)備中,如果機(jī)箱不接大地,一旦電源與設(shè)備機(jī)箱間的絕緣被破壞,或電源變壓器初級(jí)繞組與鐵芯間的絕緣被擊穿,如圖7-10所示,設(shè)備機(jī)箱就會(huì)帶上電網(wǎng)電壓,對(duì)操作人員的安全構(gòu)成威脅。圖7-10機(jī)箱因絕緣擊穿帶電

(2)防止設(shè)備感應(yīng)帶電而造成電擊。對(duì)于一些機(jī)箱不接地的高頻、高壓大功率電子設(shè)備,其內(nèi)部的高頻、高壓電路與機(jī)箱間總存在雜散耦合阻抗,如圖7-11所示,因而會(huì)使機(jī)箱上感應(yīng)出危險(xiǎn)的高頻高電壓,此電壓值為

(7-1)

式中,Uf為機(jī)箱上的感應(yīng)電壓(V);Z1為高壓部件與機(jī)箱間的雜散阻抗(Ω);Z2為機(jī)箱與大地間的阻抗(Ω);U1為高壓部件的電壓值(V)。圖7-11機(jī)箱因雜散阻抗帶電電子設(shè)備的機(jī)箱帶有上述電壓后,對(duì)操作和維修人員將構(gòu)成威脅。一般人體能感覺(jué)到刺激的電流值大約是1mA;當(dāng)人體通過(guò)的電流值為5～20mA時(shí),肌肉就產(chǎn)生收縮抽搐現(xiàn)象,使人體不能自離電線(xiàn);當(dāng)電流達(dá)數(shù)十毫安以上時(shí),將使心肌喪失擴(kuò)張和收縮能力,直至死亡。當(dāng)設(shè)備機(jī)箱或按鍵上的電壓超過(guò)規(guī)定的電壓后,就有觸電的危險(xiǎn)。為了保證操作和維修人員的安全,應(yīng)把設(shè)備的機(jī)箱或底座等金屬件與大地連接。以圖7-10為例,如果機(jī)箱已接大地,在電源線(xiàn)及變壓器等器材的絕緣被擊穿時(shí),電源線(xiàn)中通過(guò)的大電流首先將保險(xiǎn)絲熔斷,使設(shè)備的機(jī)箱與電網(wǎng)脫離。注意,保險(xiǎn)絲一定要串聯(lián)在電網(wǎng)的相線(xiàn)中,中線(xiàn)串入保險(xiǎn)仍不能排除觸電危險(xiǎn)。對(duì)于圖7-11所示的情況,機(jī)箱接大地后,Z2＝0,則Uf＝0,這就消除了對(duì)人產(chǎn)生電擊的可能。若機(jī)箱內(nèi)有一強(qiáng)干擾源,將機(jī)箱接大地,還可抑制其電磁能量的輻射。

(3)防止雷擊事故。電子設(shè)備受雷擊可分為兩種情況,即直接雷擊和感應(yīng)雷擊。夏日的雷云往往帶有大量電荷,當(dāng)雷云接近電子設(shè)施上空時(shí),它可能通過(guò)電子設(shè)施對(duì)大地放電。雷電的放電電流達(dá)數(shù)千安,可在瞬間將電子設(shè)施或其他設(shè)備完全燒毀。防止直接雷擊的有效辦法是采用具有良好接地裝置的避雷針。若電子設(shè)備為懸浮的不接地系統(tǒng),雷云接近設(shè)備上空時(shí)可能在設(shè)備中感應(yīng)產(chǎn)生大量電荷。當(dāng)雷云通過(guò)其他物體放電后,在電子設(shè)備上感應(yīng)的電荷可能對(duì)地或其他設(shè)備形成放電,導(dǎo)致電子設(shè)備故障或損壞。設(shè)備接地后,機(jī)箱上感應(yīng)的電荷將隨之流入大地,不會(huì)導(dǎo)致因電荷大量積聚而產(chǎn)生高壓。7.3.2設(shè)置安全接地的方法

由上述分析表明,為防止電子設(shè)備機(jī)箱帶電或免遭雷擊,都需接地。因此在進(jìn)行電子設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),必須在機(jī)箱上設(shè)置接地端子。對(duì)于小型電子設(shè)備,機(jī)箱的接地可直接經(jīng)安全電源插座中的接地插孔連接到大地。

1.單相供電為便于電子設(shè)備的機(jī)箱與安全地線(xiàn)連接,試驗(yàn)室或安裝電子設(shè)備的工作室常采用單相三線(xiàn)制供電,如圖7-12所示。圖中相線(xiàn)是Y形三相供電系統(tǒng)中任一相,中線(xiàn)即Y形供電系統(tǒng)的回線(xiàn),而安全地線(xiàn)就是機(jī)箱接入大地的導(dǎo)線(xiàn)。正常工作時(shí),安全地線(xiàn)不通過(guò)電流,無(wú)電壓降,與之相連接的機(jī)箱都是“地”電位。功率不太大的電氣、電子設(shè)備,安全地線(xiàn)不一定與配電房的中線(xiàn)接地樁相接,可在試驗(yàn)室就近埋入接地樁,供安全地線(xiàn)接地用。圖7-12單相三線(xiàn)制供電線(xiàn)路

2.三相供電

當(dāng)設(shè)備采用三相供電時(shí),安全地線(xiàn)的設(shè)置有下述兩種方案可供選擇。

(1)三相五線(xiàn)制。設(shè)備的金屬機(jī)箱及其金屬件的接地線(xiàn)除通過(guò)接地樁就近接大地外,再引一根地線(xiàn)到變壓器或發(fā)電機(jī)中心點(diǎn)與三相電源的零線(xiàn)相接,如圖7-13所示。這里三相不平衡電流不會(huì)通過(guò)設(shè)備地線(xiàn),既保證了設(shè)備安全,也有利于消除工頻附加干擾。圖7-13三相五線(xiàn)制接地系統(tǒng)示意圖

(2)三相四線(xiàn)-五線(xiàn)制。有些場(chǎng)所無(wú)法專(zhuān)設(shè)一根地線(xiàn)至供電變壓器或發(fā)電機(jī),這時(shí)可采用圖7-14所示的三相四線(xiàn)-五線(xiàn)制接地系統(tǒng)。把設(shè)備機(jī)箱的接地線(xiàn)接入地樁后,再在總線(xiàn)入口處與電源零線(xiàn)端接,這樣可兼顧安全,并防止三相不平衡電流引起的工頻干擾。圖7-14三相四線(xiàn)—五線(xiàn)制接地系統(tǒng)示意圖7.3.3接地裝置

接地裝置是指埋入地下的板、棒、管、線(xiàn)等導(dǎo)電體,要求它們具有良好的抗腐蝕性及小的接地電阻。不同的設(shè)施和場(chǎng)所對(duì)接地電阻有不同要求,例如,電磁屏蔽室的接地電阻一般應(yīng)小于4Ω。對(duì)于雷電保護(hù)的接地電阻一般應(yīng)小于10Ω,但以地下管線(xiàn)等電位搭接為前提?？梢酝ㄟ^(guò)以下方法安裝接地裝置。

(1)埋設(shè)銅板:將鋼板或用扁銅條圍成框埋入地下,然后用多股鋼線(xiàn)或銅帶引出地面與試驗(yàn)室地線(xiàn)連接。

(2)打入地樁:將包銅鋼棒(管)打入地下2米左右作為接地樁。當(dāng)一根樁的接地電阻太大時(shí),可用多根同樣粗的鋼棒打入地下,再用導(dǎo)體并聯(lián)連接成一體,連接導(dǎo)體與地樁應(yīng)采用熔焊接頭。為進(jìn)一步減小接地電阻,可在地樁周?chē)袢虢底鑴Ｗ詈?jiǎn)單的降阻劑是木炭,以及土、水、鹽混合的漿土。但這種漿土易受到雨水和地下水的沖刷,其降阻效果不能長(zhǎng)久?，F(xiàn)在有一種降阻劑是在電介質(zhì)的水溶液中加入滯留劑,從而在地樁周?chē)纬赡z狀或固體物質(zhì),使其降阻效果持久不變。

(3)鉆孔法:用鉆機(jī)直接往地下打孔,一般深度為10～30m,孔徑為6cm左石,然后把與孔深等長(zhǎng)的接地棒埋入。對(duì)一般土壤,深度為5～15m時(shí),其接地電阻可小于10Ω。

(4)埋設(shè)導(dǎo)線(xiàn):在地面挖深0.6～1米、長(zhǎng)幾十米的溝,在溝內(nèi)埋入銅導(dǎo)線(xiàn),且在導(dǎo)線(xiàn)周?chē)钊肷鲜鼋底鑴?這對(duì)山區(qū)或凍土地帶臨時(shí)鋪設(shè)地線(xiàn)比較方便。

(5)地下管道:城市中的地下水管網(wǎng)是一種簡(jiǎn)單方便的接地裝置,其接地電阻可小于3Ω。一般僅能利用地下管道作為輔助接地裝置,必須以專(zhuān)門(mén)埋設(shè)的接地樁為主。而且還應(yīng)注意到,當(dāng)接地線(xiàn)中有直流電流時(shí),管道材料會(huì)加速電化學(xué)腐蝕。7.4地線(xiàn)中的干擾7.4.1地阻抗干擾地電流在地線(xiàn)阻抗上引起的干擾可用圖7-15說(shuō)明。圖中U1為干擾電路1中的干擾源電壓,U2為受干擾電路2中的信號(hào)電壓,Zg為兩電路之間的公共阻抗。下面分析電壓U1在受干擾電路負(fù)載RL2上的干擾響應(yīng)。圖7-15公共地阻抗引起的干擾根據(jù)電路1和電路2兩個(gè)回路寫(xiě)出下列方程:(7-2)由于僅討論電路1對(duì)電路2的干擾,I2在公共阻抗Zg上的作用不予考慮,則式(7-2)可簡(jiǎn)化為(7-3)一般則

Ug在電路2負(fù)載RL2上形成的騷擾電壓Un為可得(7-4)(7-5)將式(7-4)帶入式(7-5)中，可得

(7-6)

可見(jiàn),電路2負(fù)載RL2上的噪聲電壓Un是干擾電壓U1、公共地線(xiàn)阻抗Zg及負(fù)載RL2的函數(shù)。7.4.2地環(huán)路干擾電子設(shè)備中的地線(xiàn)如人體的血管,分布到設(shè)備內(nèi)部的各級(jí)電路單元,難免會(huì)與其他線(xiàn)路構(gòu)成環(huán)路。如在不對(duì)稱(chēng)饋電的信號(hào)電路中,地線(xiàn)與信號(hào)線(xiàn)可構(gòu)成環(huán)路,當(dāng)?shù)鼐€(xiàn)作為直流供電電源的饋線(xiàn)之一時(shí),它與另一電源線(xiàn)也會(huì)構(gòu)成環(huán)路,地線(xiàn)本身也可能構(gòu)成環(huán)路。當(dāng)交變磁場(chǎng)與這些環(huán)路交連時(shí),環(huán)路中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)就有可能疊加到傳輸信號(hào)上形成干擾。圖7-16為兩個(gè)級(jí)連的電路單元,其中cd是信號(hào)傳輸線(xiàn),地線(xiàn)ab既是信號(hào)的返回通路,又是電源饋線(xiàn)之一。由圖可見(jiàn),電源的正極饋線(xiàn)與地線(xiàn)在電路1和電路2間構(gòu)成一個(gè)環(huán)路aa′b′b,信號(hào)線(xiàn)cd與地線(xiàn)在電路1和電路2間又構(gòu)成另一環(huán)路cdba。當(dāng)交變磁場(chǎng)穿過(guò)這些環(huán)路時(shí),環(huán)路中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為

(7-7)式中,ei為環(huán)路中的感應(yīng)電勢(shì)(V);S為環(huán)路在磁場(chǎng)垂直方向上的投影面積(m2);B為穿過(guò)環(huán)路的磁通密度(T,1T=V·s/m2)。由圖7-16可見(jiàn),地環(huán)路中的感應(yīng)電勢(shì)ei與傳輸信號(hào)電壓串聯(lián)后輸送到下一級(jí)電路的輸入端,造成干擾。要減小地環(huán)路干擾,就得減小地環(huán)路面積,最好在線(xiàn)路布局時(shí)避免構(gòu)成地環(huán)路。圖7-16級(jí)連的兩電路單元7.4.3地線(xiàn)中的等效干擾電動(dòng)勢(shì)

綜上所述,從電磁兼容性的角度出發(fā),地線(xiàn)已不能看成是等電位的。假設(shè)某一段地線(xiàn)的電阻為Rg,電感為L(zhǎng)g,流過(guò)的電流為ig,則在這段地線(xiàn)上產(chǎn)生的壓降為(7-8)假設(shè)這段地線(xiàn)與電源正極饋線(xiàn)(或信號(hào)線(xiàn))構(gòu)成的環(huán)路面積為S,則在這段地線(xiàn)上產(chǎn)生的總的干擾電動(dòng)勢(shì)為(7-9)

可見(jiàn)在分析地線(xiàn)給電路所造成的干擾時(shí),只需在地線(xiàn)中加一等效干擾電動(dòng)勢(shì)eg,如圖7-17所示。圖7-17地線(xiàn)中的等效干擾電勢(shì)總之,地線(xiàn)干擾是造成設(shè)備(或系統(tǒng))內(nèi)部各單元之間耦合的重要因素之一。如何抑制地線(xiàn)干擾是電磁兼容性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題。根據(jù)地線(xiàn)中干擾形成的機(jī)理,減小地線(xiàn)干擾的措施可歸納為:減小地線(xiàn)阻抗和電源饋線(xiàn)阻抗;正確選擇接地方式和阻隔地環(huán)路。7.5低阻抗地線(xiàn)的設(shè)計(jì)地線(xiàn)中的干擾電壓除與流過(guò)地線(xiàn)的電流有關(guān)外,還與地線(xiàn)的阻抗有關(guān)。地線(xiàn)阻抗Zg包括電阻分量Rg和電感分量Lg,可記為(7-10)7.5.1導(dǎo)體的射頻電阻圓形截面導(dǎo)體的低頻電阻表達(dá)式為(7-11)

式中,l為導(dǎo)體的長(zhǎng)度(m);σ為導(dǎo)體的電導(dǎo)率(S/m);a為導(dǎo)體的半徑(m);S為導(dǎo)體的橫截面積(m2)。式(7-11)中導(dǎo)體的橫截面積應(yīng)理解為有效載流面積。在直流情況下,電流在導(dǎo)體截面上均勻分布,導(dǎo)體的橫截面積就是它的幾何截面積。但對(duì)于射頻電流,由于集膚效應(yīng),導(dǎo)體的有效載流面積將遠(yuǎn)小于導(dǎo)體的幾何截面積,即導(dǎo)體的射頻電阻高于直流電阻。(7-12(b))

1.實(shí)心圓截面導(dǎo)體的射頻電阻如果集膚深度遠(yuǎn)小于導(dǎo)體的半徑a,則單位長(zhǎng)度的射頻電阻為(7-12(a))

式中,δ為集膚效應(yīng)(m),。將及σ=σr,σCu=5.82×107σr代入式(7-12(a)),可得圖7-18表示了孤立圓截面直導(dǎo)體的射頻與直流電阻之比(RRf/Rdc)和頻率、直徑的關(guān)系,圖中橫坐標(biāo)參變量為(7-13(a))

式中,Rdc為長(zhǎng)1cm的圓導(dǎo)體直流電阻(Ω);f為導(dǎo)體中電流的頻率(Hz)。對(duì)銅導(dǎo)體而言,參變量x可簡(jiǎn)化為(7-13(b))

式中,d為銅導(dǎo)體的直徑(mm)。圖7-18孤立圓直導(dǎo)體的射頻電阻與直流電阻之比和頻率、直徑的關(guān)系由圖7-18和式(7-13(b))可見(jiàn),當(dāng)參變量x較小,集膚效應(yīng)可忽略時(shí),RRf等于Rdc。隨著頻率升高,導(dǎo)體半徑愈大,集膚效應(yīng)愈明顯。在工程上用相互絕緣的多股漆包線(xiàn)代替單根導(dǎo)線(xiàn)繞制射頻電感線(xiàn)圈,以延緩射頻電阻的增長(zhǎng)。

2.矩形截面的射頻電阻若導(dǎo)體橫截面不呈圓形,式(7-12)中的半徑a可按下式求得:

(7-14)橫截面周長(zhǎng)在截面積相同的情況下,截面的周長(zhǎng)與截面形狀有關(guān)。式(7-14)表明改變截面形狀可以改變導(dǎo)體的等效半徑。如圖7-19所示為三種形狀不同的橫截面。在截面積相等的條件下,矩形截面的周長(zhǎng)大于圓截面,而且寬厚比越大,截面周長(zhǎng)越長(zhǎng),其等效半徑也越大。由式(7-13)可知,導(dǎo)體等效半徑增大將導(dǎo)致射頻電阻下降,設(shè)備地線(xiàn)和搭接條采用扁銅帶的原因就在于此。圖7-19導(dǎo)體的三種常用截面形狀7.5.2導(dǎo)體的電感圓截面銅直導(dǎo)體的電感可按下式求得式中,l為導(dǎo)體的長(zhǎng)度(cm);d為導(dǎo)體的直徑(cm)。矩形銅直導(dǎo)體的電感為

式中,w為矩形導(dǎo)體橫截面的寬度(cm);t為矩形導(dǎo)體橫截面的厚度(cm)。(7-15)(7-16)式(7-16)表明在截面積一定的情況下,增加寬度可減小導(dǎo)體的電感量。因此,無(wú)論從導(dǎo)體的射頻電阻還是電感方面考慮,采用寬/厚比值大的扁銅帶制作地線(xiàn)都是合理的。7.5.3實(shí)心接地平面的阻抗在電子設(shè)備,特別是高頻電子設(shè)備中,往往把設(shè)備或電子電路的金屬底座作為接地平面(相當(dāng)于地線(xiàn))使用。這種實(shí)心平面狀地線(xiàn)(如圖7-20所示)可按下式近似計(jì)算其表面阻抗:(7-17)圖7-20平面狀地線(xiàn)式中,l為接地平面上兩點(diǎn)間的距離(m);λ為工作波長(zhǎng);b為接地平面的寬度。射頻表面電阻Rf按下式計(jì)算:(7-18)7.5.4低阻抗電源饋線(xiàn)電子設(shè)備內(nèi)部多個(gè)電路單元往往共用同一直流供電電源。為避免共用電源成為電路間的噪聲耦合通道,希望負(fù)載中通過(guò)的任何交流電流在直流供電線(xiàn)上都不產(chǎn)生顯著響應(yīng)電壓,為此應(yīng)盡可能降低電源饋線(xiàn)的阻抗。電源饋線(xiàn)的特性阻抗ZC為(7-19)

式中,L0為電源饋線(xiàn)的分布電感(H/m);C0為電源饋線(xiàn)的分布電容(F/m)。當(dāng)負(fù)載電流突變時(shí),負(fù)載兩端瞬時(shí)電壓變化值為ΔUL=ΔILZC

此瞬態(tài)電壓波動(dòng)極為有害。減小電源饋線(xiàn)的特性阻抗,就可減小饋線(xiàn)上的瞬態(tài)壓降。為此需減小饋線(xiàn)的分布電感,增加分布電容,采用長(zhǎng)寬比小的扁導(dǎo)體,在滿(mǎn)足耐壓條件下,盡量減小正負(fù)饋線(xiàn)的間距。低阻抗饋線(xiàn)還可減小饋線(xiàn)的環(huán)路面積,有利于抑制地環(huán)路干擾。圖7-21為集成電路用低阻抗電源線(xiàn)的饋線(xiàn)結(jié)構(gòu)。圖7-21集成電路用低阻抗電源線(xiàn)7.6阻隔地環(huán)路干擾的措施在圖7-22中,電路單元1輸出信號(hào)電壓US,經(jīng)信號(hào)線(xiàn)輸至電路單元2,再由地線(xiàn)構(gòu)成信號(hào)電流回路,結(jié)果信號(hào)線(xiàn)和地線(xiàn)構(gòu)成地環(huán)路。設(shè)地線(xiàn)中等效干擾電壓為Ug,則電路2的輸入電壓為US+Ug。為有效地傳輸信號(hào)、抑制干擾,就需采取措施使信號(hào)US能順利地傳輸至電路2,而地線(xiàn)中的干擾Ug在傳輸至電路2時(shí)受到阻擋。這種措施稱(chēng)為阻隔地環(huán)路。圖7-22電路間的地環(huán)路干擾7.6.1變壓器耦合圖7-23表示了采用變壓器阻隔地環(huán)路干擾的措施及其等效電路。電路1的信號(hào)經(jīng)變壓器耦合至電路2,而地線(xiàn)中干擾電壓的回路被變壓器隔斷。假定電路1的內(nèi)阻為0,變壓器繞組間的分布電容為C,電路2的輸入內(nèi)阻為RL,Ug在RL上的響應(yīng)電壓為Un。由于只分析變壓器阻隔地環(huán)路的能力,因?yàn)榘措娐贩治鲋械寞B加原理,可以不考慮信號(hào)電壓US,即將信號(hào)電壓短路。由交流電路的歐姆定律可得取上述復(fù)數(shù)之模得(7-20)圖7-23采用變壓器阻隔地環(huán)路當(dāng)直接由信號(hào)線(xiàn)傳輸時(shí),地線(xiàn)中的干擾電壓Ug全部加到RL上。采用變壓器后,加到RL上的電壓減為Un,所以式(7-20)表示了變壓器減小干擾的能力。圖7-24的曲線(xiàn)表示變壓器抑制干擾的能力與頻率、分布電容和輸入內(nèi)阻間的關(guān)系。在輸入內(nèi)阻和地線(xiàn)中干擾電壓的頻率確定之后,為提高抑制地線(xiàn)干擾能力,只有減小變壓器繞組間的分布電容C或減小電路2的輸入內(nèi)阻RL。圖7-24變壓器抑制干擾的能力7.6.2縱向扼流圈(中和變壓器)傳輸信號(hào)當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)中含有直流分量時(shí),變壓器失效,而應(yīng)采用如圖7-25(a)所示的縱向扼流圈。扼流圈兩個(gè)繞組的繞向與匝數(shù)都相同(雙線(xiàn)并繞)。信號(hào)電流在兩個(gè)繞組流過(guò)時(shí),產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好抵消,見(jiàn)圖7-25(b),它可幾乎無(wú)損耗地傳輸信號(hào)。當(dāng)?shù)鼐€(xiàn)等效干擾電壓Ug所引起的干擾電流(亦稱(chēng)縱向電流)流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí),產(chǎn)生的磁場(chǎng)同相疊加,扼流圈對(duì)干擾電流呈現(xiàn)較大的感抗,見(jiàn)圖7-25(c),起到抑制地線(xiàn)干擾的作用。需注意的是,只有當(dāng)工作頻率高到一定程度時(shí),縱向扼流圈兩個(gè)繞組之間的磁耦合才足以迫使信號(hào)返回電流流回次級(jí)繞組。圖7-25縱向扼流圈阻隔地環(huán)路干擾縱向扼流圈等效電路US表示需傳輸?shù)男盘?hào)電壓,Ug表示地線(xiàn)中的干擾電壓,RC1、RC2為連接線(xiàn)電阻,RL為負(fù)載。對(duì)縱向扼流圈而言,L1=L2=M=L。用電路理論的疊加原理分別討論信號(hào)電壓US和干擾電壓Ug在電路負(fù)載上的響應(yīng),即可求出縱向扼流圈對(duì)干擾的抑制能力。經(jīng)分析,存在如下關(guān)系:(7-21)表明負(fù)載上的信號(hào)電壓近似于信號(hào)源電壓,即縱向扼流圈對(duì)信號(hào)幾乎是無(wú)損耗傳輸。(7-22)

式中,fC=RC2/(2πL)是縱向扼流圈自身參數(shù)確定的截止頻率,其物理意義為:當(dāng)傳輸頻率等于截止頻率時(shí),信號(hào)電流將有70％流過(guò)地線(xiàn)。設(shè)Ug負(fù)載RL的響應(yīng)為Un,經(jīng)分析同樣可得(7-23)圖7-26是按上式繪制的縱向扼流圈對(duì)干擾的抑制特性。當(dāng)f>5fC時(shí),地線(xiàn)中的干擾在負(fù)載上所反映的電壓僅為20％,表明縱向扼流圈對(duì)地線(xiàn)干擾起到了有效的抑制作用?？v向扼流圈有以下特點(diǎn):

(1)既能傳輸交流信號(hào),又可傳輸直流信號(hào);

(2)對(duì)地線(xiàn)中高頻干擾的抑制能力強(qiáng);

(3)可有效地抑制線(xiàn)路中所傳輸?shù)母哳l信號(hào)對(duì)其他電路單元的干擾。圖7-26縱向扼流圈對(duì)地線(xiàn)干擾的抑制7.6.3電路單元間用同軸電纜傳輸信號(hào)兩電路單元間的信號(hào)傳輸采用同軸電纜(見(jiàn)圖7-27),能有效地抑制地環(huán)路干擾,其等效電路與縱向扼流圈類(lèi)似。圖7-27同軸電纜傳輸信號(hào)及其等效電路從電磁場(chǎng)的概念講,由于高頻時(shí)的集膚效應(yīng),信號(hào)電流只沿同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體的外表面和外導(dǎo)體的內(nèi)表面流過(guò),理想的同軸電纜不應(yīng)出現(xiàn)能量泄漏。實(shí)際上同軸電纜屏蔽層存在電氣上的不連續(xù),總有一些能量外泄,外界干擾同樣也可能有部分串入同軸電纜內(nèi)部。單層屏蔽同軸電纜的截止頻率為0.6～2kHz,雙層屏蔽同軸電纜的截止頻率為0.5～0.7kHz,屏蔽效能通常小于60dB。7.6.4光耦合器切斷兩電路單元間地環(huán)路的有效方法是采用光耦合器(見(jiàn)圖7-28)。電路1的信號(hào)電流使發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)弱隨它而變化,這樣就把電路1的信號(hào)電流變成強(qiáng)弱不同的光信號(hào)。再由電路2前的光電三極管把強(qiáng)弱不同的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電流,實(shí)現(xiàn)電路間的信號(hào)傳輸。發(fā)光二極管和光電三極管通常封裝在一起構(gòu)成光耦合器。這種光耦合器可把兩電路間的地環(huán)路完全隔斷,有效地抑制地線(xiàn)干擾。它適用于傳輸數(shù)字信號(hào),如固態(tài)繼電器內(nèi)部借助它隔離負(fù)載對(duì)控制信號(hào)的干擾。使用光耦合器時(shí),電路1和電路2必須分別供電,以避免電源饋線(xiàn)在同一電源變壓器中構(gòu)成新的干擾耦合途徑。光耦合器中電流與發(fā)光強(qiáng)度的線(xiàn)性關(guān)系較差,傳輸模擬信號(hào)易產(chǎn)生失真,應(yīng)用受到限制。圖7-28斷開(kāi)地環(huán)路的光耦合器7.6.5光纜傳輸信號(hào)光纜傳輸信號(hào)已被成功地用于通信等領(lǐng)域。用光纜代替電子系統(tǒng)內(nèi)的普通信號(hào)線(xiàn)纜,可免除外界的電磁干擾和電磁脈沖的影響,提供良好的電氣隔離,有利于傳輸數(shù)據(jù)的保密。與同軸電纜和雙絞線(xiàn)相比,光纜的損耗小得多,特別在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)。光纜傳輸信號(hào)的原理如圖7-29所示。用發(fā)光二極管或固態(tài)激光器件把電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)后注入光纖電纜,在接收端,光電二極管將探測(cè)到的光信號(hào)還原為電信號(hào)。在電磁兼容性測(cè)試領(lǐng)域常用光纜作為強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下信號(hào)的傳輸線(xiàn)。又如電磁場(chǎng)傳感器所檢測(cè)到的微弱電信號(hào)在傳輸?shù)綔y(cè)量?jī)x的過(guò)程中易受環(huán)境電磁場(chǎng)干擾,出入屏蔽室的信號(hào)線(xiàn)和監(jiān)控線(xiàn)會(huì)導(dǎo)致屏蔽室屏蔽效能的下降,都可用光纜取代傳統(tǒng)信號(hào)電纜。在核電磁脈沖試驗(yàn)中光纜更是必不可少的器材。圖7-29光纜傳輸原理7.6.6用差分放大器減小由地電位差引起的干擾地線(xiàn)總有一定的阻抗,地線(xiàn)電流會(huì)在信號(hào)電路兩接地點(diǎn)之間產(chǎn)生電位差Ug,該電位差會(huì)在非平衡輸入的放大器負(fù)載上輸出一個(gè)放大了的干擾電壓。而在平衡輸入的差分放大器負(fù)載上(見(jiàn)圖7-30),Ug所引起的干擾電壓基本被抵消,達(dá)到了抑制共模干擾的目的。圖7-30差分放大器抑制共模干擾7.7屏蔽電纜的接地屏蔽電纜由絕緣導(dǎo)線(xiàn)外面再包一層金屬薄膜即屏蔽層構(gòu)成。屏蔽層通常是金屬編織網(wǎng)或金屬箔。如果屏蔽層是金屬管,則成為同軸電纜。屏蔽電纜的屏蔽層只有在接地以后才能起到屏蔽作用。7.7.1屏蔽層接地產(chǎn)生的電場(chǎng)屏蔽

兩根平行導(dǎo)線(xiàn)之間的電場(chǎng)耦合會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_,如圖7-31所示。設(shè)其中一根為屏蔽電纜,并接在敏感電路中,則源電路導(dǎo)線(xiàn)對(duì)屏蔽電纜屏蔽層的耦合電容為Cms,而屏蔽層對(duì)芯線(xiàn)的耦合電容為CS,屏蔽層對(duì)地的耦合電容為C2S?？梢?jiàn),源導(dǎo)線(xiàn)上的騷擾電壓U1會(huì)通過(guò)Cms耦合到屏蔽層上,再通過(guò)CS耦合到芯線(xiàn)上。如果屏蔽層接地,C2S被短路,則U1通過(guò)Cms,被屏蔽層短路至地,不能再耦合到芯線(xiàn)上,從而起到了電場(chǎng)屏蔽的作用。屏蔽層的接地點(diǎn)通常選在屏蔽電纜的一端,稱(chēng)單端接地。如果屏蔽層不接地,由于其面積比普通導(dǎo)線(xiàn)大,耦合電容也大,產(chǎn)生的耦合量也大,將比不用屏蔽電纜時(shí)產(chǎn)生更大的電場(chǎng)輻合,這是需要注意的。此外,當(dāng)頻率較高或電纜較長(zhǎng)時(shí),還應(yīng)每隔λ/10的距離接一次地。圖7-31屏蔽電纜的電場(chǎng)屏蔽7.7.2屏蔽層接地產(chǎn)生的磁場(chǎng)屏蔽設(shè)屏蔽層中流有均勻的軸向電流IS,如圖7-32所示,則磁力線(xiàn)在管外,屏蔽層電感可表示為(7-24)圖7-32屏蔽層和芯線(xiàn)的磁耦合式中,Φ為IS產(chǎn)生的全部磁通。由于磁通Φ同樣包圍著芯線(xiàn),根據(jù)互感的定義,屏蔽層和芯線(xiàn)之間的互感應(yīng)為(7-25)

故M=LS

(7-26)設(shè)US是騷擾電壓源,電流I1流過(guò)芯線(xiàn),如圖7-33所示。LS和rS分別為屏蔽層的電感和電阻。如果屏蔽層不接地或只有一端接地,屏蔽層上無(wú)電流通過(guò),電流經(jīng)地面返回屏蔽層不起作用。當(dāng)屏蔽層兩端接地,接地點(diǎn)為A點(diǎn)和B點(diǎn),I1在A點(diǎn)將分兩路到達(dá)B點(diǎn),再回到源端,屏蔽層中的電流IS為(7-27)圖7-33屏蔽電纜的磁場(chǎng)屏蔽由式(7-26)有(7-28)

式中,ω0=rS/LS為屏蔽層截止頻率。當(dāng)ω≥ω0時(shí),IS=I1,IG≈0,I1幾乎全部經(jīng)由屏蔽層流回源端,屏蔽層外由I1和回流產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小相等,方向相反