第5章电磁干扰的抑制(接地)

第5章抑制电磁干扰的接地技术 5 1接地的概念 5 2基本接地方式 5 3屏蔽体接地 5 4地回路干扰及其抑制 5 5搭接 5 1接地的概念 指电路或系统的电位基准面 相对电位零点 接地的两种含义 1 电气接地 强电 提供放电通路 2 系统基准 地 指电路 设备 或系统与 地 所建立的低阻通路 如设备外壳 金属底座 屏蔽罩 粗铜线 铜带等 什么是地 220V 0V 机箱 Z1 高压部件与机箱间的阻抗 Z2 机箱与大地之间的阻抗 若不接地 Z2为无限大 机箱电压就是电源电压 危险 若接地 Z2 0 U2 0 安全 安全地 说明 避免因静电感应 使机壳上积累过多电荷 产生高电压 导致设备内部放电造成干扰 为操作人员提供安全保障 地线 电路中的电位参考点 相对电位零点 传统定义 地线 信号电流流回电源的低阻抗路径 新定义 信号地 单点接地 多点接地 混合接地 悬浮接地 信号接地方式 串联单点接地 并联单点接地 信号接地方式的种类 1 单点接地 低频 5 2基本接地方式 1 串联单点接地 优点 结构简单 易于实现 缺点 各点的地电位相互影响较大 最容易引起干扰 实践处理 具有最低接地电平的电路放在最靠近接地点的地方 敏感设备放在最靠近接地点的地方 大功率电路与小功率电路的混合系统 应避免单点接地 接地点的选择 接地点靠近最低电平电路 接地点靠近最高电平电路 2 并联单点接地 优点 各电路互相不影响 缺点 1 结构复杂 不便于使用 2 各地线间可能形成电容性和电感性耦合 结论 单点接地只适用于低频电路 当l接近于 4时 有很强的天线效应 向外辐射 高频时分布电容与分布电感的影响 难以实现真正的单点接地 各电路的地电位 2 多点接地 高频 说明 多点接地 应尽可能减少接地线长度 使高频阻抗减至最小 一般情况下 电子设备往往以镀银版作为接地子母线 以减少表面阻抗 各电路的地电位 优点 接地线较短 适用于高频及数字电路 缺点 形成各种地回路 可能造成地回路干扰 R1 结论 不能采用A B两点接地 通常 则 故 单点接地对噪声的抑制 在信号源的接地端接入一阻抗ZSG 当 则 故 且 当时 例 设RC1 RC2 1 RS 500 RL 10k RG 0 01 UG 10mV 试计算在放大器输入端的干扰电压值 若在信号源与地之间加一个很大的阻抗ZSG 1M 则 解 小结 单点接地适用于低频 多点接地适用于高频 当时 一般采用单点接地 当时 一般采用多点接地 当时 一般采用单点接地 如果电路对电压降很敏感 则接地线长度应比更小 若电路只是一般敏感 则接地线可大于 第一类接地系统 敏感信号和小信号接地系统 包括低电平 小信号检测 传感器输入 前级放大 混频器电路等 第二类接地系统 非敏感信号或大信号接地系统 包括高平电路 末级放大器电路以及大功率电路 1 不同接地系统的特点 特点 特别容易受到干扰 出现电路失效或电路性能降低 接地导线应尽量避免混杂其他电路 特点 必须将其与小信号接地线分开设置 3 混合接地 按照电路各自的特点 对不同的电路采用不同的接地方式 第三类接地系统 干扰源器件 设备的接地系统 如电动机 继电器 火花塞等 第四类接地系统 机壳 设备底座 系统金属构架等 注意 工程实践中 模电 数电以及信号地必须分别设置 直流与交流地必须分别设置 特点 干扰频带宽 瞬态电平高 除屏蔽外 必须与其它接地分开设置 特点 保证人身安全和设备工作的稳定 2 低频电路的串 并联混合接地 低电平电路串联接地 高电平 强噪声电平电路串联接地 机箱 机架串联接地 并联接地 机架2 机架1 机箱 机箱 3 高 低频电路单点与多点混合接地 低频 电容的阻抗大 单点接地高频 电容的阻抗小 多点接地 如 抗高频干扰的低频传输屏蔽电缆 低频单点 高频多点混合接地 如图 某电路 为一低电平视频电路 在从音频到高频下 实现了低频单点 高频多点 避免了低频地电流回路的形成 注意 避免电容与引线电感发生谐振 高频 电感的阻抗大 单点接地低频 电感的阻抗小 多点接地 如 多个机箱安全接地 高频电路则单点接地 低频多点 高频单点混合接地 如图 某电路 计算机及其外设 一般需要导线接地 但是容易引起电气干扰 通过加线圈 1mH f 50Hz Z 0 4 f 50k 1MHz Z约为1K 这种方式有助于抑制地线中的感应 瞬变和干扰进入逻辑总线 4 浮地 设备地线系统在电气上与大地相绝缘 可以避免安全接地回路中的干扰电流影响信号接地回路 可以减少由于地电流引起的共模干扰 优点 缺点 减少由于不当的接地而产生的干扰 对传导干扰也有较好的抑制作用 不能适应复杂的电磁环境 特别是对于一个较大的电子系统 对地的分布电容较大 不能做到真正的悬浮 雷击 静电感应时 会击穿绝缘 甚至引起弧光放电 5 3屏蔽体接地 1 单层屏蔽盒的接地 放大器输出端电压 形成反馈 此反馈不除 放大器将产生自激震荡 消除此干扰的方法 屏蔽盒与放大器的公共端短接 注意 这种连接方式在放大器公共端不接地也适用 通常 则 2 双层屏蔽盒的接地 3 电缆屏蔽层的接地 1 放大器接地 信号源不接地 f 1MHz时 电缆一般采取一端接地 四种可能的接地方式 A B C D 结论 方式D最好 方式A干扰会直接流入一条芯线 产生干扰 不合适 方式B 方式C 仍然不理想 方式D US UG1 UG2 A B C D 1 2 C1S C12 C2S 2 放大器不接地 信号源接地 结论 方式A最好 小结 当电路有一个接地信号源与一个不接地的放大器连接时 连接电缆的屏蔽层接地应接至信号源的公共端 当电路有一个不接地信号源与一个接地的放大器连接时 连接电缆的屏蔽层接地应接至放大器的公共端 5 4地回路干扰及其抑制 1 地回路干扰 由地回路中的共模干扰电压在受害回路输入端引起的干扰电压 地回路干扰的来源 共地阻抗的共模干扰 场对导线的共模干扰 地回路耦合系数 地电流的计算 2 地回路干扰抑制技术 在信号回路中使用隔离变压器 在信号回路中使用中和变压器 共模扼流圈 在信号线上使用磁环 在数据线路中使用光电耦合器或光纤 使用差分放大器 原理 地回路被隔离变压器阻隔 分析 由于绕组间存在分布电容 仍会产生一定干扰 或 电路模型 隔离变压器对地回路干扰的抑制 当时 适用范围 即 结构 两个绕向相同 匝数相同的绕组构成 共模扼流圈对地回路干扰的抑制 对于流过接地线的共模干扰电流 流经两线电流方向相同 所产生的磁场相长 故扼流圈对回路干扰电流呈现高阻抗 起到抑制地回路的作用 对于正常信号 流过的电流相反 所产生的磁场相消 对电流没有影响 且不会切断直流回路 原理 对干扰信号的抑制 设两绕组上的电流分别为I1 I2 则 令US 0 在一般情况下 当时 得 故 I2 I1 对信号的影响 设两绕组上的电流分别为IS IG 则 令UG 0 结论 对高频干扰具有较好的抑制能力 得 US M L1 L2 RC1 RC2 RL 等效电路 IG IS IS IG 原理 同纵向扼流圈 结论 信号电流主要流经同轴线的屏蔽层 得 当时 分析 由A RS LS B A构成的回路中 IS I1 IG 同轴电缆对地回路干扰的抑制 铁氧体磁环是高导磁率和高电阻率的材料 对高频干扰有很好的抑制损耗 而对低频电路的损耗较小 对共模干扰的抑制 对异模干扰的抑制 在信号线上使用铁氧体磁环 光电耦合器对信号的传输 利用发光二极管的发光强度随通过它的电流的变化特征 把电路1的信号变换成强弱不同的光信号 光敏三极管再把强弱不同的光信号转换成信号电流 从而完成电路1和电路2之间的信号传输 使用光电耦合器抑制地回路干扰 光电耦合器对干扰的抑制 光电耦合器利用光来传输信息 从输入端传送到输出端的光电耦合器件使得输入和输出在电气上完全隔绝 因而能有效地抑制干扰 光电耦合器适用于数字电路 不适用于模拟电路 光电耦合器的输入 输出端之间的杂散电容 0 3pF 10pF 限制了光电耦合器在高频端的使用 使用光电耦合器抑制地回路干扰 光纤的优点是具有无感应性和高度隔离性 相当于在共模地回路中引入一个高阻抗 能从比值上消除干扰 常用于作强电磁干扰环境中的信号传输线以及作微弱检测信号传输线 光纤对地回路干扰的抑制 差分放大器的输出电压 当两个输入端对地平衡时 即为差分平衡器件 U0 K U1 U2 使用差分放大器抑制地回路干扰 对干扰的抑制 例 UG 100mV RG 0 1 RS 500 RC1 RC2 1 RL1 RL2 10K 求UN 若RL1 RL2 100K 时 UN 解 其中 如此 大为减少干扰 同时对信号而言 也没有增加输入阻抗 搭接 两个金属物体之间的结构连接 减小设备间的电位差 减小接地阻抗 降低接地公共阻抗干扰和地回路干扰 实现屏蔽 滤波和接地技术的设计目的 防止雷电放电的危害 保护设备等的安全 避免静电放电 5 5搭接 目的 为电流提供一个电气上连续的结构面和低阻抗通路 2 良好搭接的作用 1 搭接的概念 搭接阻抗的影响 若 影响滤波效果 3 不良搭接的影响 间接搭接 采用搭接条或者其他辅助导体将两个金属物体连接起来 4 搭接的类型 直接搭接 两金属表面直接接触 5 搭接的方法 永久性搭接 利用铆接 熔焊 压接等工艺方法使两个金属物体保持固定连