05设备和电路产生的电磁干扰课件

设备和电路产生的电磁干扰电气工程中的EMC类型...引言这部分讲述电气、电机与电子设备中的几种电磁噪声源。这些设备中产生的电磁噪声或干扰是该电路与系统内电磁相互作用的结果。下表中给出了一个典型的美国家庭各种房间里电场强度代表数据。场所洗衣房餐厅浴室厨房卧室起居室门厅电场强度（V/m）0.80.91.2~1.52.62.4~7.83.313.0一个典型美国家庭各种房间里的电场强度...存在的问题很难将各种情况应用通用化。所以：必须将几类系统和设备产生的EMI的起源及其应用范围介绍清楚。因此，任何分析或电路模型都不可能应用在任何场合。...主要内容这部分将讨论下列问题的实质并介绍一些基本的模型：在电路中接通与断开触点（例如开关与继电器）所产生的EMI电路中放大器与调制器产生的EMIEMI对输电线或信号传输线及电缆的耦合机理辐射干扰对输电线或信号传输线产生的耦合...电磁发射各种电气、电机与电子设备在其正常运行过程中都发射电磁能量。这些发射分为：1、故意发射的信号 2、在设备工作期间非故意的电磁发射...故意发射的信号雷达、通信设备、电视和无线电发射机以及导航辅助设备所用的发射机等。设备正常运行时，也常常产生某些非故意的及不希望有的电磁发射。实际上由发射机发射的预期信号也可能干扰其他电子设备的运行。...非故意的电磁发射振荡器、放大器和发射机本来是用以产生预定和设计频率上的电磁能量的，但实际情况是，它们发射的能量覆盖了一个以预定频率为中心的频段。发射机还发射谐波以及在某些情况下还要发射预定频率的分谐波。有源器件的非线性和发射机中的调制器是这种非故意发射的主要来源。...电磁污染大家可以在baidu和Google搜索“电磁污染”，就会出现很多的资料。孕妇防辐射服，家庭电气设备的摆放，城市中的高压输电线，水果对电池辐射的消除，从事什么职业易受到电磁污染等等。...电气设备电气设备产生电磁噪声的源主要有，触点接通与断开时产生的顺便电压（通常称之为电弧）以及电流大小与方向突然变化——开关与继电器就是电磁噪声源。例子：采用整流子的电动机或发电机在工作时，触点的接通与断开就会产生瞬变电流。所以，从电扇、电动剃须刀、诸如制冷机之类的恒温控制装置、定时器、甚至连搅拌器这样的厨具都会产生电磁噪声。...距离115V家用电气设备30cm电场强度电器电场强度（V/m）电热毯250沸水器130立体声音响90冰箱60电烙铁60搅拌器50烤箱40吹风机40彩电30电咖啡壶30吸尘器16白炽灯泡2...距离各种115V电气设备不同距离处测量的磁通密度电器磁通密度（mT）距离3cm距离30cm距离1m电炉灶（超过10kW）6~2000.35~40.01~0.1电烤箱1~500.15~0.50.01~0.04微波炉75~2004~80.25~0.6污物清洗器80~2501~20.03~0.1咖啡机1.8~250.08~0.15<0.01开罐器1000~20003.5~200.07~1真空吸尘器200~8002~200.13~2吹风机6~2000<0.01~7<0.01~0.3电动剃须刀15~15000.08~9<0.01~0.3电视25~500.04~2<0.01~0.15灯具15~2000.2~40.01~0.3电动刀及电动圆锯250~10001~250.01~1...其他的电气设备汽车点火系统因点火引起的强瞬变电流而产生电磁噪声。电力牵引（机车）则由于电触点接通与断开形成的电流变化而产生同样的电磁噪声。固体断续电路与直流电机也是电力牵引中的电磁噪声源。...重要而基本的电磁噪声源继电器与开关的噪声电路中的非线性无源互调传输线中的串扰输电线的瞬变电磁干扰...继电器与开关的噪声继电器产生的瞬变电流取决于电路参数以及所用电触点的材料。为了说明问题，采用电话继电器的开关作用。...电话继电气等效电路图Rg、Lg

与Cg分别是电源端的电阻、电感与电容，Rl、Ll

与Cl则是负载阻抗。源负载开关CgRgLgClRlLl继电器/开关电路的等效电路...分析当继电器开关接通时，电流流过Cg与Cl。初始电流很快上升到一个高的峰值，然后在经历阻尼振荡后逐渐下降到正常的负载电流。阻尼振荡的频率：...分析当继电器开关断开（触点断开）时，在负载一侧发生阻尼振荡，其频率为：...分析在上述的过程中，由于高密度及其产生的热量，触点顶端的材料很可能熔化或蒸发。在接通或断开操作中产生的电弧还会在信号中产生瞬变电流。我们可以根据已知的电路参数计算出阻尼振荡的频率与振幅。定量计算触点处电弧或熔化/蒸发所产生的瞬变电流，却是非常困难和复杂的。...开关产生的噪声的特点开关产生的电磁噪声具有下列特点：开关噪声并非是完全无规则的，其频率与幅值至少可以部分地分析出来；间歇放电将产生显著的噪声；连续放电产生的噪声不显著；无感电路电气切断时产生稳定的电弧，该电弧取决于触点材料的成分。电抗器电路断开时产生簇射电弧，该电弧同样取决于触点材料的成分。...开关产生的噪声的特点每一次开关操作产生的弛豫振荡是锯齿波形，其频谱范围为10KHz~10MHz。每一次开关操作中，波峰到波峰的电压的变化氛围为100V至数千伏，持续时间为0.1ms至数毫秒。在开关每一次接通与断开时，就有一个振铃波形加进连接在两侧（负载与源）的线路中，这个振铃波德频率取决于电路的总感抗与总容抗，其范围从10MHz~1000MHz。...电磁干扰的效应开关与继电器产生的瞬态噪声有可能损坏敏感集成电路等电子元器件。瞬态噪声还会干扰无线电与电视接收，或导致电子线路特别是数字电路失灵。这种噪声具有很宽的频谱，所以对可能的失效特性进行准确的预测几乎是不可能的。...电路中的非线性几乎每一电子线路中都用有源器件。这些器件的伏安特性具有非线性性质。非线性伏安特性可用幂级数表示。幂级数中的高次项将导致两个或多个信号频率发生混频。这种混频会产生出原来信号中没有的全新的频率分量。这些电噪声在输出端出现。整流器、混频器、逻辑与数字电路等有依赖于非线性的电流-电压关系或脉冲信号来工作。脉冲信号使用很宽的频带。因此诸如放大与调制之类的工作过程也会产生电磁噪声。...放大器的非线性性质大多数高功率发射机（如无线电与电视广播设备）在其输出级采用丙类放大。这样做是为了达到高功率与高效率。这种电路中的输出电流波形是持续时间短的电流脉冲，可近似为余弦曲线的顶部。如图所示。I0Inθ0ππ/20-θ0丙类放大器的电流波形...数学分析所示的丙类放大器电流波形可表示为：式中Im是流过输出电路的电流峰值。电流流通角的范围为-θ0~+θ0，或2θ0。所以可得

其他...数学分析将上式的f(θ)展开成傅里叶级数，可得电流的直流分量Idc、基频分量If以及n次谐波分量In：利用上式可计算出电流各个分量的实际值以及相应的输出功率。...补充因为丙类模式运行过程中电流波形发生畸变，所以即使丙类放大器工作在它的线性区域，仍然会有各次谐波出现在输出中。...重要而基本的电磁噪声源继电器与开关的噪声电路中的非线性无源互调传输线中的串扰输电线的瞬变电磁干扰...调制在通信及其他几种用途中，信号都要调制在载波频率上。这种调制过程伴随有电磁噪声的加入。调制器的频谱输出取决于调制波形的特征与所采用的调制类型。这些参数还决定输出信号的带宽。在其总带宽中，频谱出表现在载波的基频上，也表现在载波的频谱上。...几种基本调制方法调幅调频调相脉冲调制...互调由于接收机（输入放大器、混频器等）中的非线性效应，两个或多个附加的信号有可能组合产生频率接近于接收机调谐频率的信号，称为互调。这种信号会造成接收机性能降低。其后果包括对接收机产生不容许的干扰，直至由于这种信号电流的加载造成接收机输出级发生饱和等现象。互调还会产生电磁噪声。...无源互调电路中的互调还会由诸如铁氧体隔离器、滤波器。接头、电缆之类的无源器件的非线性产生，称之为无源互调（PIM）。无源互调是当两个或多个射频信号通过具有非线性输入/输出特性的无源器件时，在几个频率上产生无用信号而造成的。...传输线的串扰当两条电缆相距很近时，磁场耦合导致了多导体传输线中一条电缆的电磁能量耦合进另一条电缆中。这种耦合是由导线之间的容抗造成的。由于发生上述现象，电磁能量从一条传输线传送或耦合进另一条传输线，称为串扰。这是电气、电子线路中最为普遍的电磁干扰生成源。...多导线传输线对于一般多导体传输线，可根据已知的终端电流及相应的终端条件对串扰进行估算。多导体间耦合的等效电路表示Vi(z)Vj(z)Ij(z)Lii(△z)Lij(△z)Cjj△z)Cij△z)Cii△z)Ii(z+△z)Vj(z+△z)Ij(z+△z)Vi(z+△z)Ii(z)Ljj(△z)导线i导线j参考导线...数学分析对于一条有（n+1）根导线的传输线，第0根导体设为具有零电位的参考地导体，则n根导体各具有电压Vi(z)与电流Ii(z)，其中i=1，2，…n。在稳态条件下，传输线方程可写成：式中，[L]与[C]是多导体线的感抗与容抗矩阵。...数学分析由于可逆性，这些矩阵是对称的。它们满足：[L][C]=με[U][U]是单位矩阵，μ与ε是媒介的磁导率与介电常数。前面的式子左端V和I上方的点，代表对z的导数。...数学分析式中，β=2π/λVi(l)与Ii(l)表示在z=l处的电压与电流Vi(0)与Ii(0)表示在z=0处的电压与电流...结论通过上述基本推导，来估算任意一对线i与j之间的串扰，以及在所有终端处激励所造成的耦合进一根特定电线的总信号。对于电小电线(l<<λ)可得出输出端电流表达式：式中与的定义为：...结论式中的第1项是两电路间互电感Lij=Lji造成的电感耦合对Ii(l)的贡献。第2项是由两电路间互感Cij=Cji产生的电容耦合对Vi(l)的贡献。从上面分析可知，电感耦合与电容耦合的叠加与线长和频率不存在简单的关系，而是几何形状、导体数目以及终端阻抗的函数。所以，对频率范围的分析正确与否取决于传输线导线的数目和截面形状以及终端阻抗R0i与RLi。...实例三导线传输线...重要而基本的电磁噪声源继电器与开关的噪声电路中的非线性无源互调传输线中的串扰输电线的瞬变电磁干扰...输电线中的瞬变上面我们讨论了相距很近的导线之间或多导体传输线中电磁能量或骚扰的耦合机理。这种耦合是由磁场与电场引起的。辐射进大气中的足够强的电磁场，可将电磁能量或骚扰耦合进行诸如暴露的输电线和无屏蔽的通信线之类的传输线。...感应电压与电流的计算说明计算由入射电磁波在传输线上产生的感应电压的一种方法。入射在间距为h的一对导线上的任何电磁场，（如下图）都要在线上感应出电压与电流。这些电压与电流是由垂直于包含两导线在内的平面的磁场分量以及在轴向与横向的电场分量感应出来的。外源激励的传输线ExEzHyXyh...数学分析感应电压与电流分量的表达式具有如下的形式：式中：Bn=μHn为磁通密度，Ez为纵向电场Ex为横向电场，C为单位长度的电容。...横电磁（TEM）模若传输线横截面的线度比波长小，则传输的主模是横电磁（TEM）模。此时，传输线方程修正为

式中L与C是传输线单位长度电感与电容，并假定传输线无损耗。...补充若长度为l、特征阻抗为Z0的传输线的两端分别与阻抗Ro和Rl相接，入射场将在这两个阻抗上产生感应电流。Ro和Rl

上的感应电流I0与Il分别由下式给出：式中，β是相位常数。...补充分析电场的水平分量和垂直分量都出现在上式中。这个表达式可用于非均匀场分布的一般情况。在均匀平面波激励情况下，积分退化为简单的乘法。对于斜入射的影响，可将入射场分解为正交极化分量。地面反射影响可按常规方法考虑，但地面可以假设为完纯反射时采用镜面法，或者根据适当极化的已知反射系数来处理。...结论根据上面的式子得出终端电流后，感应电压就可根据已知的终端阻抗Ro和Rl的计算出来。感应电压是作为瞬变电压在输电线上出现的。...输电线上的浪涌输电线携带的浪涌源如下：瞬时过电压（可能由诸如闪电之类的地球范围内的想象产生）由强雷达/无线电/通信发射的辐射被附近的输电线拾取输电干线电压突然减小或增大（有低阻抗负载的通断造成）高频噪声突然发生（可能由电抗性负载的通断引起）...自然雷电产生的浪涌电压下面的机理决定着自然雷电产生的浪涌电压。对地面物体的闪击或云击在附近产生电磁场，该场在初级与次级电路的导体上产生感应电压。附近地闪产生的雷电地电流耦合进接地网的公共地阻抗路径，造成在其长度与宽度方向上产生电位差。当变压器初级电路的气隙型避雷器工作从而限制了初级的电压时，引发了电压的快速下降，除了正常情况下由变压器耦合进次级电路的电压以外，通过变压器容抗耦合，还产生了附加的浪涌电压。...自然雷电产生的浪涌电压直击雷击中中高压初级电路，将大电流注入初级电路，该电流或是流过地电阻产生地电位变化，或是流过初级导体的浪涌阻抗，从而产生电压。此电压的一部分通过电容或变压器既通过电容又通过变压器，从变压器的初级耦合进次级，从而出现在低压交流电源电路中。闪电直接击中次级电路。这将产生超过设备承受能力的大电流与电压，为此在次级电路中要安装常规浪涌保护装置。...总结冲击输电线的浪涌，即使是单向的，也会激励起系统的自然谐振频率。其结果是，浪涌呈典型的振荡分布，在配电线上不同的位置会有不同的振幅与波形。输电线上的浪涌作为电压瞬变在输电线与中线或地线之间传播着，只要输电线距接地的导体或设备足够近，就会在它们之间产生电弧。电压瞬变沿着防护良好的输电线传播，并到达接收设备。在此情况下，接收设备输入（电源）级的敏感半导体器件可能损坏。当输电线导体靠近接地导体走线时，脉冲还会在接收设备内（例如在印制电路板）产生电弧。...重要而基本的电磁噪声源继电器与开关的噪声电路中的非线性无源互调传输线中的串扰输电线的瞬变电磁干扰...电磁干扰电磁能量从一个设备（称为发射机）到另一个设备（称为接收机）的不希望或非故意的耦合，称为电磁干扰。发射机与接收机之间电磁干扰耦合的各种途径如图所示。发射机接收机信号或控制板①②④③④⑤电力线③电磁能量（干扰）在发射机与接收机之间的耦合...辐射耦合发射机与接收机之间的辐射耦合是有电磁能量通过辐射途径传输而产生的。各辐射耦合如下：自然的与类似的电磁环境耦合进接收机，如输电线。来自附近设备的电磁能量通过直接辐射产生耦合。...传导耦合发射机与接收机之间的传导耦合经由发射机与接收