《工程電磁兼容》課件-第6章

第6章接地技術(shù)及其應(yīng)用6.1接地及其分類6.2安全接地6.3導(dǎo)體阻抗的頻率特性6.4信號接地6.5屏蔽體接地6.6地回路干擾6.7電路的接地點(diǎn)選擇6.8地回路干擾的抑制措施習(xí)題

接地技術(shù)是任何電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)正常工作時(shí)必須采用的重要技術(shù),它不僅是保護(hù)設(shè)施和人身安全的必要手段,也是抑制電磁干擾、保障設(shè)備或系統(tǒng)電磁兼容性、提高設(shè)備或系統(tǒng)可靠性的重要技術(shù)措施。任何電路的電流都需要經(jīng)過地線形成回路,因而地線就是用電設(shè)備中各電路的公共導(dǎo)線。然而,任何導(dǎo)線(包括地線)都具有一定的阻抗,其中包括電阻和電抗,該公共阻抗使兩個(gè)不同的接地點(diǎn)很難得到等電位。因此公共阻抗使兩接地點(diǎn)間形成一定的電壓,產(chǎn)生接地干擾。

但是,恰當(dāng)?shù)慕拥胤绞娇梢詾楦蓴_信號提供低公共阻抗通路,從而抑制干擾信號對其他電子設(shè)備的干擾。所以說,接地一方面可引起接地阻抗干擾,另一方面良好的接地還可抑制干擾。本章將討論接地干擾的產(chǎn)生以及抑制接地干擾的技術(shù)措施。

設(shè)備或系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)與其功能設(shè)計(jì)同等重要。接地的效果無法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初立即顯現(xiàn),但在產(chǎn)品生產(chǎn)與測試過程中可發(fā)現(xiàn),良好的接地可在花費(fèi)較少的情況下解決許多電磁干擾問題。

6.1接地及其分類

6.1.1接地的概念

所謂“地(ground)”,一般定義為電路或系統(tǒng)的零電位參考點(diǎn)。直流電壓的零電位點(diǎn)或者零電位面不一定為實(shí)際的大地(建筑地面),而可以是設(shè)備的外殼或其他金屬板或金屬線。

接地原意指與真正的大地(earth)連接以提供雷擊放電的通路,例如避雷針一端埋入大地。后來接地成為為用電設(shè)備提供漏電保護(hù)(提供放電通路)的技術(shù)措施。現(xiàn)在接地的含義已經(jīng)得到延伸,“接地(grounding)”一般指為了使電路、設(shè)備或系統(tǒng)與“地”之間建立低阻抗通路,而將電路、設(shè)備或系統(tǒng)連接到一個(gè)作為參考電位點(diǎn)或參考電位面的良導(dǎo)體的技術(shù)行為,其中一點(diǎn)通常是系統(tǒng)的一個(gè)電氣或電子元(組)件,而另一點(diǎn)則是稱之為“地”的參考點(diǎn)。例如,當(dāng)所說的系統(tǒng)組件是設(shè)備中的一個(gè)電路時(shí),則參考點(diǎn)就是設(shè)備的外殼或接地平面。

6.1.2接地的要求

(1)理想的接地應(yīng)使流經(jīng)地線的各個(gè)電路、設(shè)備的電流互不影響,即不使其形成地電流環(huán)路,避免使電路、設(shè)備受磁場和地電位差的影響。

(2)理想的接地導(dǎo)體(導(dǎo)線或?qū)щ娖矫?應(yīng)是零阻抗的實(shí)體,流過接地導(dǎo)體的任何電流都不應(yīng)該產(chǎn)生電壓降,即各接地點(diǎn)之間沒有電位差,或者說各接地點(diǎn)間的電壓與電路中任何功能部分的電位差均可忽略不計(jì)。

(3)接地平面應(yīng)是零電位,它作為系統(tǒng)中各電路任何位置所有電信號的公共電位參考點(diǎn)。

(4)良好的接地平面與布線間將有大的分布電容,而接地平面本身的引線電感將很小,理論上它必須能吸收所有信號,且使設(shè)備穩(wěn)定地工作。接地平面應(yīng)采用低阻抗材料制成,并且有足夠的長度、寬度和厚度,以保證在所有頻率上它的兩邊之間均呈現(xiàn)低阻抗。用于安裝固定式設(shè)備的接地平面,應(yīng)由整塊銅板或者銅網(wǎng)組成。

6.1.3接地的分類

通常電路、用電設(shè)備按其作用可分為安全接地(safetygrounds)和信號接地(signalgrounds),其中安全接地又有設(shè)備安全接地、接零保護(hù)接地和防雷接地,信號接地又分為單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地和懸浮接地,見表6－1。

6.2安全接地

6.2.1設(shè)備安全接地

設(shè)備安全接地是安全接地的一種。為了人、機(jī)安全,任何高壓電氣設(shè)備、電子設(shè)備的機(jī)殼、底座均需要安全接地,以避免高電壓直接接觸設(shè)備外殼,或者避免由于設(shè)備內(nèi)部絕緣損壞而造成漏電打火使機(jī)殼帶電。否則,人體觸及機(jī)殼就會觸電。

機(jī)殼通過雜散阻抗而帶電,或者因絕緣擊穿而帶電,如圖6－1所示,設(shè)U1為用電設(shè)備中電路的電壓,Z1為電路與機(jī)殼(Chassis)之間的雜散阻抗(StrayImpedances),Z2為機(jī)殼與地之間的雜散阻抗,U2為機(jī)殼與地之間的電壓。機(jī)殼對地的電壓U2是由機(jī)殼對地的阻抗Z2分壓造成的,即圖6－1設(shè)備機(jī)殼接地的作用

6.2.2接零保護(hù)接地

用電設(shè)備通常采用220V(單相三線制)或者380V(三相四線制)電源提供電力,如圖6－2所示。設(shè)備的金屬外殼除了正常接地之外,還應(yīng)與電網(wǎng)零線相連接,稱為接零保護(hù)。

當(dāng)用電設(shè)備外殼接地后,人體一旦與機(jī)殼接觸,便處于與接地電阻并聯(lián)的位置,因接地電阻遠(yuǎn)小于人體電阻,故漏電電流絕大部分從接地線中流過。但是,接地電阻與電網(wǎng)中性點(diǎn)接地的接觸電阻相比,阻值相當(dāng),故接地線上的電壓降幾乎為相電壓220V的一半,這一電壓超過了人體能夠承受的安全電壓,使接觸設(shè)備金屬外殼的人體流過的電流超過安全限度,從而導(dǎo)致觸電危險(xiǎn)。因此,即使外殼良好接地也不一定能夠保證安全,為此應(yīng)該把金屬設(shè)備外殼接到供電電網(wǎng)的零線(中線)上,才能保證安全用電,如圖6－2所示,這就是所謂的“接零保護(hù)”原理。

室內(nèi)交流配線可采用如圖6－2(a)所示的接法。圖中“火線”上接有保險(xiǎn)絲,負(fù)載電流經(jīng)“火線”至負(fù)載,再經(jīng)“中線”返回。還有一根線是安全“地線”。該地線與設(shè)備機(jī)殼相連并與“中線”連接于一點(diǎn)。因此,地線上平時(shí)沒有電流,所以也沒有電壓降,與之相連的機(jī)殼都是地電位。只有發(fā)生故障,即絕緣被擊穿時(shí),安全地線上才會有電流。但該電流是瞬時(shí)的,因?yàn)楸ｋU(xiǎn)絲或電流斷路器在發(fā)生故障時(shí)會立即將電路切斷。圖6－2接零保護(hù)

6.2.3防雷接地

防雷接地是將建筑物等設(shè)施和用電設(shè)備的外殼與大地連接,將雷電電流引入大地,從而保護(hù)設(shè)施、設(shè)備和人身的安全,使之避免雷擊,同時(shí)避免雷擊電流竄入信號接地系統(tǒng),影響用電設(shè)備的正常工作。防雷接地是一項(xiàng)專門技術(shù),詳細(xì)內(nèi)容請查閱其他技術(shù)文獻(xiàn)。

6.2.4安全接地的有效性

安全接地的質(zhì)量好壞關(guān)系到人身安全和設(shè)施安全。因此,必須檢驗(yàn)安全接地的有效性。接地的目的是為了使設(shè)備與大地有一條低阻抗的電流通路,因此,接地是否有效取決于接地電阻,接地電阻的阻值越小越好。接地電阻與接地裝置、接地土壤狀況以及環(huán)境條件等因素有關(guān)。一般地,接地電阻應(yīng)小于10Ω。針對不同的接地目的,接地電阻有不同的選擇。設(shè)備安全接地的接地電阻一般應(yīng)小于10Ω,1000V以上的電力線路要求小于0.5Ω的接地電阻,防雷接地一般要求接地電阻阻值為10~25Ω,建筑物單獨(dú)裝設(shè)的避雷針的接地電阻要求小于25Ω。

接地電阻屬于分布電阻,通常由接地導(dǎo)線的電阻、接地體的電阻和大地的雜散電阻三部分組成。其中大地雜散電阻起主要作用,因此,接地電阻的大小不僅與接地體的大小、形狀、材料等特性有關(guān),而且與接地體附近的土壤特性有很大關(guān)系。土壤的成分、土壤顆粒的大小和密度、地下水中是否含有被溶解的鹽類等因素也會影響接地電阻的阻值。除此之外,接地電阻還受到環(huán)境條件的影響,比如天氣的潮濕程度、季節(jié)變化和溫度高低變化等都會影響接地電阻的阻值。因此,接地電阻的阻值并不是固定不變的,需要定期測定監(jiān)視。當(dāng)出現(xiàn)接地電阻阻值不符合接地要求時(shí),可以采用保持水分、化學(xué)鹽化和化學(xué)凝膠三種方法來有效地降低土壤的電阻率,以便減小接地電阻。

對于大電流接地系統(tǒng),要求接地電阻阻值較低。埋設(shè)于地下的自然接地體因其表面腐蝕等使其接地電阻難以降低,因此需要采用人工接地體。必須指出,在弱信號、敏感度高的測控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、貴重精密儀器系統(tǒng)中不能濫用自然接地體,例如水管。一般地,水管與建筑物的金屬構(gòu)件及大地并沒有良好的接觸,其接地電阻阻值比較大,因此不宜作為接地體。人工接地體是人工埋入地下的金屬導(dǎo)體,常見的形式有垂直埋入地下的鋼管、角鋼和水平放置的圓鋼、扁鋼,還有環(huán)形、圓板形和方板形的金屬導(dǎo)體。

6.3導(dǎo)體阻抗的頻率特性

電磁兼容工程中,接地、搭接是抑制電磁干擾的有效措施。不論地線還是搭接條,它們的直流電阻、交流電阻和感抗的不同,反映了導(dǎo)體阻抗的頻率特性。在用電設(shè)備、系統(tǒng)數(shù)字化的信息時(shí)代,導(dǎo)線因傳輸高頻電流而產(chǎn)生電磁騷擾,可能形成電磁干擾,影響設(shè)備、系統(tǒng)的電磁兼容性。因此,分析導(dǎo)線阻抗的頻率特性,有益于設(shè)計(jì)、實(shí)施接地或搭接。圖6－3為研究導(dǎo)體射頻阻抗的導(dǎo)體幾何形狀。圖6－3導(dǎo)體幾何形狀

6.3.1直流電阻與交流電阻的廣義描述

眾所周知,導(dǎo)線的直流電阻為

式中:ρ為導(dǎo)體的電阻率,單位為Ω·m;l為導(dǎo)體的長度,單位為m;S為導(dǎo)體的橫截面面積,單位為m2。

圓導(dǎo)線和扁平導(dǎo)體條的直流電阻分別為

式中:a為圓導(dǎo)線的半徑,單位為m;w、t分別為扁平導(dǎo)體條的寬度和厚度,單位為m。

式(6－7)表明,高頻交流電阻與工作頻率的平方根成正比。圖6－4表示半徑為0.6mm、長為1m的銅導(dǎo)線的高頻交流電阻與直流電阻之比對頻率的依賴關(guān)系。經(jīng)計(jì)算知,其直流電阻為15.25mΩ,頻率為1MHz時(shí),高頻交流電阻為115.34Ω。圖6－4相對電阻與頻率的關(guān)系

6.3.2導(dǎo)體電感

圓導(dǎo)線的直流內(nèi)電感和高頻交流內(nèi)電感分別為

和

仍然以半徑為0.6mm、長為1m,工作頻率為1MHz的銅導(dǎo)線為例,計(jì)算獲得其直流內(nèi)電感為50nH;高頻交流內(nèi)電感為11nH,對應(yīng)感抗為69.2mΩ;外電感為1.4μH,對應(yīng)感抗為8.94Ω?？梢姼哳l外電感遠(yuǎn)大于內(nèi)電感。所以,工程計(jì)算時(shí)可以忽略內(nèi)電感。通常,外電感與導(dǎo)線的長度成正比。

圖6－3所示的扁平導(dǎo)體條的外電感可以表示為

依據(jù)式(6－11)繪制的曲線如圖6－5和圖6－6所示,分別表明寬度、厚度的增大或減小對電感的貢獻(xiàn)。扁平導(dǎo)體條的寬度增大,電感減小;厚度增大,電感也減小。但是,寬度增大比厚度增大產(chǎn)生的電感減小量要大得多。圖6－5扁平導(dǎo)體條的寬度與電感圖6－6扁平導(dǎo)體條的厚度與電感

導(dǎo)體條橫截面的幾何形狀也是影響其電感量大小的重要因素。圖6－7表明橫截面為長方形的電感比橫截面為正方形的電感小,即寬度與厚度的比值越大,電感越小。

6.3.3如何選擇搭接條

對于搭接條尺寸的選擇,有些文獻(xiàn)指出,依據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則,長度與寬度比應(yīng)等于或小于5∶1;另一些文獻(xiàn)指出,搭接條的長度與寬度比應(yīng)等于或小于3∶1。在電磁兼容工程中,如何進(jìn)行搭接條尺寸的選擇,原則和依據(jù)是什么?這些都是必須解決的問題。從基本概念考慮,應(yīng)盡可能降低搭接條的射頻阻抗。為達(dá)到此目的,必須盡量降低搭接條的電感。我們通過選擇搭接條的不同幾何尺寸,采用表達(dá)式(6－11),獲得的計(jì)算結(jié)果如圖6－8所示。從圖6－8的計(jì)算結(jié)果可以看出,若僅考慮降低搭接條的電感,則長度與寬度之比越小越好。所以,相關(guān)文獻(xiàn)提供的兩種選擇都是可取的。圖6－8搭接條長度與寬度比對電感量的影響

6.4信號接地

信號接地是為設(shè)備、系統(tǒng)內(nèi)部各種電路的信號電壓提供一個(gè)零電位的公共參考點(diǎn)或面。對于電子設(shè)備,將其底座或者外殼接地,除了能提供安全接地外,更重要的是在電子設(shè)備內(nèi)部提供一個(gè)作為電位基準(zhǔn)的導(dǎo)體,以保證設(shè)備工作穩(wěn)定,抑制電磁騷擾。這個(gè)導(dǎo)體稱為接地面。設(shè)備的底座或者外殼往往采用接地導(dǎo)線連接至大地,接地面的電位一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定,就會導(dǎo)致電子設(shè)備工作的不穩(wěn)定。

信號接地的連接對象是種類繁多的電路,因此信號地線的接地方式也是多種多樣的。復(fù)雜系統(tǒng)中,既有高頻信號,又有低頻信號;既有強(qiáng)電電路,又有弱電電路;既有模擬電路,又有數(shù)字電路;既有頻繁開關(guān)動作的設(shè)備,又有敏感度極高的弱信號裝置。為了滿足復(fù)雜用電系統(tǒng)的電磁兼容性要求,必須采用分門別類的方法將不同類型的信號電路分成若干類別,以同類電路構(gòu)成接地系統(tǒng)。通常將所有電路按信號特性分成四類,分別接地,形成四個(gè)獨(dú)立的接地系統(tǒng),每個(gè)接地系統(tǒng)可能采用不同的接地方式。

四個(gè)獨(dú)立的接地系統(tǒng)是:

第一類接地系統(tǒng)是敏感信號和小信號電路的接地系統(tǒng)。它包括低電平電路、小信號檢測電路、傳感器輸入電路、前級放大電路、混頻器電路等的接地。由于這些電路工作電平低,特別容易受到電磁騷擾而出現(xiàn)電路失效或電路性能降級現(xiàn)象,因此,這些電路的接地導(dǎo)線應(yīng)避免混雜于其他電路中。

第二類是非敏感信號或者大信號電路的接地系統(tǒng)。它包括高電平電路、末級放大器電路、大功率電路等的接地。這些電路中的工作電流都比較大,因而其接地導(dǎo)線中的電流也比較大,容易通過接地導(dǎo)線的耦合作用對小信號電路造成干擾,可能會使小信號電路不能正常工作。因此,必須將其接地導(dǎo)線與小信號接地導(dǎo)線分開設(shè)置。

第三類是騷擾源器件、設(shè)備的接地系統(tǒng)。它包括電動機(jī)、繼電器、開關(guān)等產(chǎn)生強(qiáng)電磁騷擾的器件或者設(shè)備。這類器件或者設(shè)備在正常工作時(shí)會產(chǎn)生沖擊電流、火花等強(qiáng)電磁騷擾,這樣的騷擾頻譜豐富、瞬時(shí)電平高,往往使電子電路受到嚴(yán)重的電磁干擾。因此,除了采用屏蔽技術(shù)抑制這樣的騷擾外,還必須將其接地導(dǎo)線與其他電子電路的接地導(dǎo)線分開設(shè)置。

第四類是金屬構(gòu)件的接地系統(tǒng)。它包括機(jī)殼、設(shè)備底座、系統(tǒng)金屬構(gòu)架等的接地。其作用是保證人身安全和設(shè)備工作穩(wěn)定。

工程實(shí)踐中,也采用模擬信號地和數(shù)字信號地分別設(shè)置,直流電源地和交流電源地分別設(shè)置,以抑制電磁騷擾。電路、設(shè)備的接地方式有單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地和懸浮接地,詳細(xì)分析如下。

6.4.1單點(diǎn)接地

單點(diǎn)接地只有一個(gè)接地點(diǎn),所有電路、設(shè)備的地線都必須連接到這一接地點(diǎn)上。這一點(diǎn)將作為電路、設(shè)備的零電位參考點(diǎn)(面)。

1.共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地

圖6－9為一共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地的示例。設(shè)圖69中,電路1、電路2、電路3注入地線(接地導(dǎo)線)的電流分別為I1、I2、I3,R1為A點(diǎn)至接地點(diǎn)之間的一段地線(AG段)之電阻,AG段地線是電路1、電路2和電路3的共用地線;R2為BA段的地線電阻,這一段地線是電路2和電路3的共用地線;R3為CB段的地線電阻;G點(diǎn)為共用地線的接地點(diǎn)。

采用共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地時(shí)必須注意,要把具有最低接地電平的電路放置在最靠近接地點(diǎn)G的地方,即圖69中的A點(diǎn),以便B點(diǎn)和C點(diǎn)的接地電位受其影響最小。圖6－9共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地

2.獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地

圖6－10是獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地的等效電路圖,各個(gè)電路分別用一條地線連接到接地點(diǎn)G。I1、I2、I3依次表示電路1、電路2、電路3注入地線(接地導(dǎo)線)的電流,R1、R2、R3依次表示電路1、電路2、電路3的接地導(dǎo)線的電阻。顯然,各電路的地電位分別為圖6－10獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地

獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地方式的優(yōu)點(diǎn)是各電路的地電位只與本電路的地電流及地線阻抗有關(guān),不受其他電路的影響。但是,獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地方式存在以下三個(gè)缺點(diǎn)。第一,因各個(gè)電路分別采用獨(dú)立地線接地,需要多根地線,勢必會增加地線長度,從而增加了地線阻抗,使用比較麻煩,結(jié)構(gòu)笨重。第二,這種接地方式會造成各地線相互間的耦合,且隨著頻率的增加,地線阻抗、地線間的電感及電容耦合都會增大。

第三,這種接地方式不適用于高頻,如果系統(tǒng)的工作頻率很高,以致工作波長λ=c/f縮小到可與系統(tǒng)的接地平面的尺寸或接地引線的長度相比擬,就不能再用這種接地方式了。因?yàn)?當(dāng)?shù)鼐€的長度接近于λ/4時(shí),它就像一根終端短路的傳輸線,由分布參數(shù)理論可知,終端短路λ/4線的輸入阻抗為無窮大,即相當(dāng)于開路,此時(shí)地線不僅起不到接地作用,而且還將有很強(qiáng)的天線效應(yīng)向外輻射干擾信號。所以,一般要求地線長度不應(yīng)超過信號波長的1/20,顯然這種接地方式只適用于低頻。

6.4.2多點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地是指某一個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)需要接地的電路、設(shè)備都直接接到距它最近的接地平面上,以使接地線的長度最短,如圖6－11所示。這里說的接地平面,可以是設(shè)備底座,也可以是貫通整個(gè)系統(tǒng)的接地線,在比較大的系統(tǒng)中還可以是設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架等。如果可能,還可以用一個(gè)大型導(dǎo)電物體作為整個(gè)系統(tǒng)的公共地。圖6－11多點(diǎn)接地

圖6－11中,各電路的地線分別連接至最近的低阻抗公共地,設(shè)每個(gè)電路的地線電阻及電感分別為R1、R2、R3和L1、L2、L3,每個(gè)電路的地線電流分別為I1、I2、I3,則各電路對地的電位差分別為

為了降低電路的地電位,每個(gè)電路的地線應(yīng)盡可能短,以降低地線阻抗。但在高頻時(shí),由于集膚效應(yīng),高頻電流只流經(jīng)導(dǎo)體表面,即使加大導(dǎo)體厚度也不能降低阻抗。為了在高頻時(shí)降低地線阻抗,通常要將地線和公共地鍍銀。在導(dǎo)體截面積相同的情況下,為了減小地線阻抗,常用矩形截面導(dǎo)體做成接地導(dǎo)體帶。

多點(diǎn)接地方式的優(yōu)點(diǎn)是地線較短,適用于高頻情況,其缺點(diǎn)是形成了各種地線回路,造成地回環(huán)路干擾,這對設(shè)備內(nèi)同時(shí)使用的具有較低頻率的電路會產(chǎn)生不良影響。

綜上所述,單點(diǎn)接地適用于低頻,多點(diǎn)接地適用于高頻。一般來說,頻率在1MHz以下可采用一點(diǎn)接地方式;頻率高于10MHz應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式;頻率在1~10MHz之間,可以采用混合接地(在電性能上實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地混合使用)。如用一點(diǎn)接地,其地線長度不得超過0.05λ,否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地。

6.4.3混合接地

如果電路的工作頻帶很寬,在低頻時(shí)需采用單點(diǎn)接地,而在高頻時(shí)又需采用多點(diǎn)接地,此時(shí)可以采用混合接地方法。所謂混合接地,就是使用串聯(lián)電容器將那些只需高頻接地的電路、設(shè)備和接地平面連接起來,如圖6－12所示。圖6－12混合接地

6.4.4懸浮接地

懸浮接地就是將電路、設(shè)備的信號接地系統(tǒng)與安全接地系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)地及其他導(dǎo)電物體隔離,如圖6－13所示。圖中列舉了三個(gè)設(shè)備,各個(gè)設(shè)備的內(nèi)部電路都有各自的參考“地”,它們通過低阻抗接地導(dǎo)線連接到信號地。信號地與建筑物結(jié)構(gòu)地及其他導(dǎo)電物體隔離。圖6－13懸浮接地

采用這種接地方式,可以避免安全接地回路中存在的干擾電流影響信號接地回路。懸浮接地的概念也可以應(yīng)用于設(shè)備內(nèi)部的電路接地設(shè)計(jì),就是將設(shè)備內(nèi)部的電路參考地與設(shè)備機(jī)殼隔離,避免機(jī)殼中的干擾電流直接耦合至信號電路。懸浮接地的干擾耦合取決于懸浮接地系統(tǒng)和其他接地系統(tǒng)的隔離程度,在一些大系統(tǒng)中往往很難做到理想懸浮接地。除此之外,特別在高頻情況下,更難實(shí)現(xiàn)真正的懸浮接地。特別是當(dāng)懸浮接地系統(tǒng)靠近高壓設(shè)備、線路時(shí),可能會堆積靜電電荷,引起靜電放電,形成干擾電流。

6.5屏蔽體接地

6.5.1放大器屏蔽盒的接地

電路組件、高增益的放大器常常裝在一個(gè)金屬盒內(nèi),一來形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的固定構(gòu)件,二來保護(hù)其內(nèi)部電路組件、放大器等免受電磁輻射的騷擾。但是,屏蔽盒如何接地呢?

如圖6－14所示,放大器與屏蔽盒之間存在寄生電容。由等效電路可以看出,寄生電容C1S和C3S使放大器的輸出端到輸入端有一反饋通路,反饋到輸入端的電壓為

式中,U3是放大器輸出端的電壓;Un是放大器輸入端的騷擾電壓。圖6－14放大器屏蔽盒的接地

此反饋如不消除,則放大器將產(chǎn)生自激振蕩。解決的方法是把屏蔽盒接至放大器的公共端(theamplifiercommonterminal),將C2S短路,如圖6－14(c)所示。由式(6－17)可知,當(dāng)C2S=∞時(shí),Un=0。這種屏蔽體連接方式在放大器的公共端不接地的電路中也是適用的。

6.5.2電纜屏蔽層的接地

頻率低于1MHz時(shí),電纜屏蔽層的接地一般采用一端接地方式,以防止騷擾電流流經(jīng)電纜屏蔽層,使信號電路受到干擾。一端接地還可以避免騷擾電流通過電纜屏蔽層形成地環(huán)路(thegroundloop),從而可防止磁場的騷擾。電纜屏蔽層的接地點(diǎn)應(yīng)根據(jù)信號電路的接地方式來確定。

如圖6－15所示為一接地的放大器和一個(gè)不接地的信號源相連接。圖中UG1表示放大器公共端對地的電位,UG2表示兩個(gè)接地點(diǎn)的電位差。連接電纜的芯線和屏蔽層之間由于存在分布電容而產(chǎn)生騷擾耦合。放大器輸入端(即1、2兩端)出現(xiàn)的外來電壓就是騷擾電壓,以U12表示。圖6－15電纜屏蔽層接至放大器的公共端

圖6－15中,電纜屏蔽層有A、B、C、D四個(gè)可能的接地方法(或者接地點(diǎn),圖中用虛線表示)。屏蔽層接到A點(diǎn)顯然是不適合的,因?yàn)槠帘螌拥尿}擾電流因此會直接流入一條芯線,產(chǎn)生騷擾電壓,而且該騷擾電壓與信號電壓是串聯(lián)的。B點(diǎn)接地時(shí)(接地方法B),加至放大器輸入端的有騷擾電壓UG1和UG2,并由C1、C12分壓,放大器輸入端的騷擾電壓為

由上式可見,這種接地方式是不能令人滿意的。C點(diǎn)接地時(shí)(接地方法C),加至放大器輸入端的仍有電壓UG1,經(jīng)C1、C12分壓后,在放大器輸入端產(chǎn)生的騷擾電壓為因而這種接地方式仍不理想。D點(diǎn)接地時(shí)(接地方法D),放大器輸入端沒有騷擾電壓存在。所以,當(dāng)電路有一個(gè)不接地的信號源與一個(gè)接地的放大器連接時(shí),連接電纜的屏蔽層應(yīng)接至放大器的公共端。

同理,當(dāng)一個(gè)接地的信號源與一個(gè)不接地的放大器連接時(shí),連接電纜的屏蔽層應(yīng)接至信號源的公共端。

屏蔽雙絞線(shieldedtwistedpair)和同軸電纜(coaxialcable)的首選低頻屏蔽體接地方式如圖6－16所示。圖6－16(a)~圖6－16(d)分別表示或者在放大器的公共端接地,或者在信號源的公共端接地。圖6－16屏蔽雙絞線、同軸電纜的首選低頻接地方式

當(dāng)頻率高于1MHz或電纜長度超過信號波長的1/20時(shí),常采用多點(diǎn)接地方式,以保證屏蔽層上的地電位。最常用的是兩端接地,如圖6－17所示。長電纜應(yīng)在每隔1/10波長處接地一次。由于集膚效應(yīng)減少了屏蔽層上信號電流與騷擾電流的耦合,騷擾電流在屏蔽層外表面流動,而信號電流在屏蔽層內(nèi)表面流動。同軸電纜在高頻時(shí)采用多點(diǎn)接地方式能提供一定的磁屏蔽作用。圖6－17屏蔽雙絞線、同軸電纜的高頻兩端接地方式

高頻時(shí)出現(xiàn)的另一個(gè)問題是,雜散電容的耦合也會形成地環(huán)路,如圖6－18所示。這時(shí)電纜屏蔽層通過雜散電容實(shí)際上已被接地。若用一個(gè)小電容代替雜散電容,則可形成混合接地(復(fù)合接地):在低頻時(shí),因小電容對低頻的阻抗很高,電路是一點(diǎn)接地;在高頻時(shí),小電容的阻抗變得很低,電路變成多點(diǎn)接地。所以,這種接地方法對寬頻帶工作是有利的。

必須指出的是,電纜屏蔽層的一端接地并不能防止磁場的干擾。屏蔽電纜的防磁作用將在下面討論。圖6－18高頻時(shí)通過雜散電容形成地環(huán)路

6.5.3電纜屏蔽層的一端接地與兩端接地

騷擾源磁屏蔽的目的在于防止騷擾源的磁輻射。屏蔽導(dǎo)線接入電路時(shí),只要將屏蔽體在一端接地,則中心導(dǎo)線的電流在屏蔽體上感應(yīng)出的電荷就被泄放入地。電場將被限制在屏蔽體的內(nèi)部空間,在屏蔽體外部沒有電場。因此屏蔽體一端接地就具有電場屏蔽作用,如圖6－19(a)所示。但是一端接地的屏蔽體并不能限制磁場,其磁屏蔽作用是非常小的。

如果使屏蔽體內(nèi)流過一個(gè)電流,其大小與中心導(dǎo)線電流的大小相等、方向相反,則在屏蔽體外部,屏蔽體上的電流將產(chǎn)生一個(gè)磁場,它與中心導(dǎo)線上的電流所產(chǎn)生的磁場大小相等、方向相反,這兩個(gè)磁場相抵消,其結(jié)果是在屏蔽體的外部沒有磁場存在,如圖6－19(b)所示,從而起到磁屏蔽作用。圖6－19電纜屏蔽層一端接地的屏蔽作用

為了使屏蔽導(dǎo)線具有防止磁輻射的磁屏蔽作用,屏蔽體必須在兩端都接地,使屏蔽體能夠提供一個(gè)電流回路。電纜屏蔽層兩端接地及其等效電路如圖6－20所示。圖6－20屏蔽層兩端接地及其等效電路

圖6－21所示為將中心導(dǎo)線的一端與屏蔽層連接,并將屏蔽層的另一端接地,這樣中心導(dǎo)體的返回電流就全部流經(jīng)屏蔽層,所以這種接地方法有很好的磁屏蔽效果。這種接地方法呈現(xiàn)出磁屏蔽效果不是因?yàn)槠帘误w具有磁屏蔽性能,而是因?yàn)槠帘误w上的返回電流能夠產(chǎn)生一個(gè)抵消中心導(dǎo)線磁場的磁場。圖6－21將屏蔽層一端接地,另一端與中心導(dǎo)線連接

綜上可見,電纜屏蔽體兩端接地的使用條件是:

①頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于5倍屏蔽體的截止頻率;

②屏蔽體上不會有其他回路電流流過;

③屏蔽體兩端對地沒有電位差。

6.6地回路干擾

6.6.1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,稱為地電壓。兩接地點(diǎn)之間總有一定的阻抗,地電流流經(jīng)接地公共阻抗時(shí),在其上就產(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。

例如,圖6－22所示的接地回路,來自直流電源或者高頻信號源的電流經(jīng)接地面返回。由于接地面的公共阻抗非常小,所以在設(shè)計(jì)電路的性能時(shí)往往不予考慮。但是,對電磁騷擾而言,在回路中必須考慮接地面阻抗的存在。因此,圖中所示的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。對被干擾回路而言,ZiI1是電磁騷擾電壓,而ZiI2是對負(fù)載電壓降的分壓。由于RL2?|Zi|,因此,一般情況下,ZiI2對負(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負(fù)載的作用即可。

圖6－22公共阻抗引起的騷擾

如果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上將產(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

由此可知,被干擾回路的負(fù)載RL2受到的騷擾是電路1騷擾源U1的函數(shù)。

【例6－1】假設(shè)采用電纜槽作為接地面,將兩個(gè)電路的地線均接到電纜槽上,接地點(diǎn)間的公共地阻抗Zi=0.32Ω。電路1發(fā)送定時(shí)脈沖,電壓信號源幅度為5V,頻率為100kHz,信號源的內(nèi)阻為100Ω,負(fù)載阻抗為10Ω。被干擾回路的信號源內(nèi)阻為100Ω,負(fù)載端是內(nèi)含傳感器的顯示裝置,阻抗為100Ω,顯示器的靈敏度為1mV。求被干擾回路的負(fù)載(顯示裝置)上可能受到的干擾電壓值。

【解】根據(jù)公式(6－21)可知,負(fù)載(顯示裝置)上可能受到的干擾電壓值為

可見,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。

6.6.2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,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。所以,接地電流的存在是產(chǎn)生接地干擾的根源。接地電流產(chǎn)生的原因主要有以下幾種:

(1)導(dǎo)電耦合引起的接地電流。用電設(shè)備中的各級電路不可能總采用一點(diǎn)接地,在許多情況下需要采用兩點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地,即通過兩點(diǎn)或多點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與接地面的連接,因此形成接地回路。接地電流將流過接地回路,如圖6－23所示。圖6－23導(dǎo)電耦合的地電流回路

(2)電容耦合形成的接地電流。由于電路元件、器件、構(gòu)件與接地面之間存在著雜散電容(分布電容),通過雜散電容可以形成接地回路,電路中的電流總會有部分電流泄漏到接地回路中。圖6－24(a)表示導(dǎo)電耦合與電容耦合形成的接地回路,接地電流通過接地回路流動。圖6－24(b)表示在阻抗元件的高電位和低電位兩點(diǎn)上的分布電容所形成的接地回路。當(dāng)該接地回路處于諧振狀態(tài)時(shí),接地電流將非常大。圖6－24接地電流回路

(3)電磁耦合形成的感應(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,只要有變化的磁通通過殼體,就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

(4)金屬導(dǎo)體的天線效應(yīng)形成地電流。輻射電磁場照射到金屬導(dǎo)體時(shí),由于金屬導(dǎo)體具有接收天線的效應(yīng),金屬導(dǎo)體上將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢;如果金屬體是箱體結(jié)構(gòu),那么由于電場作用,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。該金屬箱體同回路連接時(shí),就會形成有接地電流通過的電流回路。

當(dāng)將采用傳輸線連接的設(shè)備置于地面附近時(shí),如圖6－25所示,外界電磁場作用于傳輸線,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?；蛘?若通過傳輸線與接地面形成的導(dǎo)電回路中的電磁場隨著時(shí)間而變化,也會在傳輸線上形成干擾。圖6－25電磁波在傳輸線上形成的共模干擾

由上述分析可以看出,接地公共阻抗、傳輸線或者金屬機(jī)殼的天線效應(yīng)等因素,可使地回路中存在共模干擾電壓,該共模干擾電壓通過地回路作用到受害電路的輸入端,形成地回路干擾。

6.7電路的接地點(diǎn)選擇

6.7.1放大器與信號源的接地點(diǎn)選擇

圖6－26表示一個(gè)信號源與放大器連接的電路。如果信號源在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為信號源與放大器連接導(dǎo)線的電阻。圖6－26放大器與信號源接地點(diǎn)的選擇

圖6－26中,導(dǎo)線電阻RC1和RC2一般很小,通常在1Ω以下,取RC1=RRC2=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。信號源的內(nèi)阻RS一般為500Ω。設(shè)放大器的輸入阻抗為10kΩ,圖626所示電路的等效電路可用圖6－27來表示。圖6－27信號源連接放大器的接地干擾分析

因?yàn)镽C2?RS+RC1+RL,由等效電路圖6－27(b)可得C點(diǎn)到地的電壓為

從而確定放大器輸入端的干擾電壓為

顯然,接地干擾電壓對放大器輸入端的干擾電壓值為

6.7.2多級電路的接地點(diǎn)選擇

多級電路的接地點(diǎn)應(yīng)選擇在何處為宜?一般來說,電子設(shè)備中的低電平級電路是受干擾的電路,因此接地點(diǎn)的選擇也應(yīng)使低電平級電路受干擾最小。

圖6－28所示的A、B、C三級電路,其電平依次增大。圖6－28(a)為接地點(diǎn)o選擇在靠近高電平級電路的c端;圖6－28(b)為接地點(diǎn)o選擇在靠近低電平級電路的a端。圖6－8多級電路接地點(diǎn)的選擇

多級電路接地點(diǎn)選擇在靠近高電平級電路端(圖6－28(a))時(shí),低電平級電路端的a點(diǎn)電位為

接地點(diǎn)選擇在靠近低電平級電路端時(shí),低電平級電路端的a點(diǎn)電位為

比較式(6－24)和式(6－25)可見,|Uao|>|U'ao|。這說明接地點(diǎn)選擇在靠近低電平級電路的輸入端時(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。因此得出結(jié)論,多級電路的接地點(diǎn)應(yīng)選擇在低電平級電路的輸入端。

6.7.3諧振回路的接地點(diǎn)選擇

眾所周知,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))。有時(shí)諧振回路內(nèi)部的電流是非常大的,如果把諧振回路的電感L和電容C分別接地,如圖6－29所示,那么在接地回路中將有高頻大電流通過,會產(chǎn)生很強(qiáng)的地回路干擾。圖6－29諧振回路的錯(cuò)誤接地

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6－30所示,則此時(shí)高頻大電流將不通過接地面,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。圖6－30諧振回路的正確接地

6.8地回路干擾的抑制措施

6.8.1隔離變壓器

隔離變壓器是通過阻隔地回路的形成來抑制地回路干擾的,如圖6－31所示。圖中,電路1的輸出信號經(jīng)變壓器耦合到電路2,而地回路則被變壓器所阻隔。圖6－31采用隔離變壓器阻隔地回路干擾

但是,變壓器繞組之間存在分布電容,通過此分布電容形成的地回路的等效電路如圖6－32所示。圖中設(shè)輸出電路的內(nèi)阻為零,變壓器繞組之間的分布電容為C,輸入電路的輸入電阻為RL。圖6－32隔離變壓器阻隔地回路的等效電路

當(dāng)沒有隔離變壓器而直接采用信號線傳輸時(shí),干擾電壓UG全部加到RL上。而采用隔離變壓器后加到RL上的電壓為Un。所以,式(6－29)表示了隔離變壓器抑制地回路干擾的能力。|Un/UG|越小,抑制干擾的能力就越大。

必須指出的是,采用隔離變壓器不能傳輸直流信號,也不適于傳輸頻率很低的信號。但是,隔離變壓器對地線中較低頻率的干擾具有很好的抑制能力。同時(shí),電路中的信號電流只在變壓器繞組連線中流過,因此可避免對其他電路形成干擾。

6.8.2縱向扼流圈

當(dāng)傳輸?shù)男盘栔杏兄绷鞣至炕蚝艿偷念l率分量時(shí),就不能用隔離變壓器,因?yàn)楦綦x變壓器使直流和低頻信號無法通過。此時(shí)要用如圖6－33所示的縱向扼流圈(longitudinalchoke)或稱中和變壓器(neutralizingtransformer),它能通過直流或低頻信號,而對地回路共模干擾電流卻呈現(xiàn)出相當(dāng)高的阻抗,使其受到抑制。圖6－33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)相同的繞組構(gòu)成的,一般由雙線并繞而成。信號電流在兩個(gè)繞組流過時(shí)方向相反,稱為異模電流,產(chǎn)生的磁場相互抵消,呈現(xiàn)低阻抗。所以扼流圈對信號電流不起扼流作用,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,稱為共模電流,產(chǎn)生的磁場同向相加。扼流圈對地回路干擾電流呈現(xiàn)高阻抗,可起到抑制地回路干擾的作用。

圖6－33(a)所示的電路性能可用圖6－33(b)的等效電路加以分析。在圖633(b)中,信號源電壓US通過縱向扼流圈并經(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是地電位差或地回路經(jīng)磁耦合形成的地回路電壓(此處稱為縱向電壓)。

首先分析縱向扼流圈對信號電壓US的影響。此時(shí)可暫不考慮UG。因RC1與RL串聯(lián),且RC1?RL,故RC1可忽略不計(jì)。這樣,圖6－33(b)的等效電路可簡化為圖6－34所示的形式。圖6－34縱向扼流圈對信號電壓US的影響

現(xiàn)在再分析縱向扼流圈對地回路電壓UG的抑制作用。此時(shí)可不考慮信號電壓(即將US短路),其等效電路如圖6－35所示。

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。

圖6－35縱向扼流圈對地回路電壓UG的影響

由I1回路得方程

因M=L1=L2=L,將式(6－38)代入式(6－36)得

6.8.3光電耦合器