電磁兼容2 - 地線干擾與對(duì)策 - 2010-

1、第二章地線干擾與接地技術(shù)接地的概念為什么要地線地環(huán)路問(wèn)題與解決方法公共阻抗耦合問(wèn)題與解決方法各種接地方法電纜屏蔽層的接地自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念¾接地是指將一個(gè)導(dǎo)體與另一個(gè)零電位基準(zhǔn)的導(dǎo)體搭接在一起。¾電子設(shè)備中的“地”通常有兩種含義:一種是“大地”,真正的地;另一種是“系統(tǒng)基準(zhǔn)地”。¾通常將地作為系統(tǒng)的零電位點(diǎn)。¾理想的“地”必須是一個(gè)零電位、零阻抗的理想導(dǎo)體,其上各點(diǎn)之間不應(yīng)存在電位差,它可以在系

2、統(tǒng)中作為所有信號(hào)電平的參考點(diǎn)。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念¾電子設(shè)備接地的目的主要有兩個(gè):一是為了安全,稱為保護(hù)接地或安全接地;二是為信號(hào)電壓提供一個(gè)穩(wěn)定的零電位參考點(diǎn),稱為信號(hào)地或系統(tǒng)地。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念1保護(hù)接地線保護(hù)接地線:指機(jī)殼與屏蔽層接地用的地線,與大地連接在一起

3、。目的:防止機(jī)殼或屏蔽層上由于電荷積累、電壓上升而造成人身傷害,或引起火花放電,給設(shè)備造成高頻干擾而遭致?lián)p壞。也稱安全接地線。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念1保護(hù)接地線實(shí)際中,這類接地線除了設(shè)備安全接地線外,還有防雷接地。防雷接地:將建筑物等設(shè)施和電氣設(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、人身安全,使之免遭雷擊,同時(shí)消除雷擊電流竄入信號(hào)接地系統(tǒng),以避免影響電氣設(shè)備的正常工作。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所

4、Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology安全地220V0V+自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念2信號(hào)地線信號(hào)地線:指電路系統(tǒng)中作為電信號(hào)基準(zhǔn)電位的地線。電子系統(tǒng)中的接地是一種抑制干擾、保證電路工作性能穩(wěn)

5、定可靠的關(guān)鍵。信號(hào)地線既是各級(jí)電路中靜態(tài)、動(dòng)態(tài)電流的信道,又是各級(jí)電路通過(guò)某些共同的接地阻抗而相互耦合,從而引起內(nèi)部干擾的環(huán)節(jié)。因而,對(duì)于電子電路來(lái)說(shuō),簡(jiǎn)單地沿用電氣工程中僅以通路為要求的習(xí)慣接地方法是行不通的。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology信號(hào)地定義:信號(hào)電流流回信號(hào)源的低阻抗路徑。地線不是等電位體地線噪聲電壓的嚴(yán)重性地線電流路徑不確定地線噪聲地線設(shè)計(jì)的核心:減小地線的阻抗!自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REP

6、M Electrical Machine & Control Technology 地線引發(fā)干擾問(wèn)題的原因V = I R 地線電壓地線是等電位的假設(shè)不成立電流走最小阻抗路徑我們并不知道地電流的確切路徑地電流失去控制自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology地線電位示意圖<2mV >200mV 2mV 10mV 10mV 20mV 20mV 100mV 100mV 200mV自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of R

7、EPM Electrical Machine & Control Technology導(dǎo)線的阻抗Z = R AC + j LL 1H/m= 1 / (f r r 1/2R AC = 0.076r f 1/2R DC r 電流深度0.37I I趨膚效應(yīng)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology導(dǎo)線的阻抗頻率 Hz d = 0.65cm 10cm 1m d = 0.27cm 10cm 1m d = 0.06cm 10cm 1m d= 0.04cm 10cm 1m

8、10Hz 51.4 517327 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m 1k 429 7.14m6328.91m 5.34m 53.9m 14m 144m100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07 1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6 5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3.86 53 10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106 50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530 100M 42.6

9、54 71.4 77 150M 63.9 81 107 115金屬條與導(dǎo)線的阻抗比較金屬條阻抗/導(dǎo)線阻抗0.60.50.40.30.20.11 2 3 4 5 6 7 8 9 10S / W自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology關(guān)于導(dǎo)線阻抗的說(shuō)明1. 導(dǎo)體的阻抗與頻率關(guān)系很大:頻率高時(shí)的阻抗與頻率低時(shí)的阻抗完全不同,高頻時(shí)的阻抗遠(yuǎn)高于低頻時(shí)的阻抗。低頻時(shí)阻抗低的導(dǎo)體,高頻時(shí)阻抗不一定低。結(jié)論:用萬(wàn)用表測(cè)量出來(lái)的導(dǎo)體電阻值不能用作導(dǎo)體的阻抗值!這在實(shí)際工程中,是一個(gè)

10、常見的錯(cuò)誤。2. 導(dǎo)體的阻抗低頻時(shí)與截面尺寸關(guān)系大,高頻時(shí)關(guān)系小:由于阻抗電阻和感抗兩部分組成,頻率較低時(shí),感抗很小,電阻起主導(dǎo)作用,電阻與導(dǎo)線的截面尺寸關(guān)系很大。頻率較高時(shí),感抗起主導(dǎo)作用,而導(dǎo)線的電感與導(dǎo)線的截面尺寸關(guān)系不大。結(jié)論:用作高頻地線的導(dǎo)體,導(dǎo)線的粗細(xì)與地線效果關(guān)系不大。工程中常見的錯(cuò)誤是,使用很粗,但卻很長(zhǎng)的地線,增加了施工困難,增加了成本,卻沒(méi)有達(dá)到期望的效果。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所

11、Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology關(guān)于導(dǎo)線阻抗的說(shuō)明3. 當(dāng)?shù)鼐€很短時(shí),使用金屬片可以大大降低阻抗。但當(dāng)金屬條的長(zhǎng)度超過(guò)寬度很大時(shí),金屬條與導(dǎo)線相比優(yōu)勢(shì)不是很大。結(jié)論:一般在工程中,S/W 不要超過(guò)5,最好在3以下。當(dāng)金屬條長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度時(shí),其阻抗與導(dǎo)線基本相同。因此,當(dāng)導(dǎo)體很長(zhǎng)時(shí),就沒(méi)有必要專門使用金屬條作地線,用一條細(xì)導(dǎo)線(地線很長(zhǎng)時(shí),沒(méi)有必要使用粗導(dǎo)線也具有同樣的效果。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine &

12、Control Technology地線問(wèn)題-地環(huán)路I GV GV N地環(huán)路I 1I 2是一種較常見的干擾現(xiàn)象,常發(fā)生在通過(guò)較長(zhǎng)電纜連接的相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間。地環(huán)路干擾形成原因原因1:兩個(gè)設(shè)備的地電位不同,形成地電壓,在這個(gè)的驅(qū)動(dòng)下,設(shè)備1 互聯(lián)電纜設(shè)備2 地形成的環(huán)路之間有電流流動(dòng)。由于電路的不平衡性,每根導(dǎo)線上的電流不同,因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓,對(duì)電路造成干擾。地線上的電壓是由于其它功率較大的設(shè)備也用這段地線,在地線中引起較強(qiáng)電流,而地線又有較大阻抗產(chǎn)生的。原因2:由于互聯(lián)設(shè)備處在較強(qiáng)的電磁場(chǎng)中,電磁場(chǎng)在設(shè)備1 互聯(lián)電纜設(shè)備2 地形成的環(huán)路中感應(yīng)出環(huán)路電流,與原因1的過(guò)程一樣導(dǎo)致干擾。自動(dòng)化學(xué)

13、院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology地環(huán)路干擾解決辦法解決地環(huán)路干擾的基本思路有兩個(gè):9一個(gè)是減小地線的阻抗,從而減小干擾電壓。9一個(gè)是增加地環(huán)路的阻抗,從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無(wú)限大時(shí),實(shí)際是將地環(huán)路切斷,即消除了地環(huán)路。例如將一端的設(shè)備浮地、或?qū)⒕€路板與機(jī)箱斷開等是直接的方法。¾出于靜電防護(hù)或安全的考慮,這種直接的方法在實(shí)踐中往往是不允許的。¾更實(shí)用的方法是下面介紹的隔離變壓器、光耦合、共模扼流圈、平衡電路等方法。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電

14、機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology地環(huán)路干擾解決辦法自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology隔離變壓器屏蔽層只能接2點(diǎn)!C 2VG 12C 1屏蔽C PV G V S V NR L缺點(diǎn):不能傳輸

15、直流,體積大,成本高。由于變壓器的初次級(jí)之間有寄生電容,因此高頻時(shí)的隔離效果不是很好。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology隔離變壓器初次級(jí)間寄生電容的影響:設(shè)初次級(jí)之間的寄生電容是Cp ,RL 上的噪聲電壓為:V N = V G R L / ( R L + 1 / j C p = V G j C p R L / (1 + j C p R L 如果初次級(jí)之間的電容較小,則耦合電壓也較小。因此,要設(shè)法減小初次級(jí)間電容。減小初次級(jí)之間寄生電容的方法:在初次級(jí)之間加屏蔽

16、層可以減小寄生電容。屏蔽層的構(gòu)造是用銅箔或鋁箔繞一匝,但不能形成短路環(huán)(在搭接處墊一片絕緣材料。屏蔽層一定要接地,并且必須接到2點(diǎn)(即信號(hào)接收端,這樣地線上的干擾經(jīng)過(guò)C1耦合到屏蔽層,并被短路到地,而不會(huì)經(jīng)過(guò)C2 耦合到電路2的輸入端。經(jīng)過(guò)良好屏蔽的變壓器能夠工作到1MHz 。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology光隔離器發(fā)送發(fā)送接收接收RLRLV GV S V S V G光耦器件Cp光纖缺點(diǎn):距離短缺點(diǎn):設(shè)備復(fù)雜自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所I

17、nstitute of REPM Electrical Machine & Control Technology光隔離器光耦器件的寄生電容為2pf 左右,因此能夠在很高的頻率起到隔離作用。如果使用光纖,則沒(méi)有寄生電容的問(wèn)題,能夠獲得十分完善的隔離效果。光纖會(huì)帶來(lái)的問(wèn)題:光纖連接需要更大的功率需要更多的器件光連接的線形和動(dòng)態(tài)范圍都達(dá)不到模擬信號(hào)的要求光纜的安裝和維護(hù)比較復(fù)雜光纜連接技術(shù)一般用在數(shù)字電路中,由于其帶寬很寬,因此可以用在高速數(shù)據(jù)網(wǎng)中。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Contr

18、ol Technology共模扼流圈的作用Vs R 1R 1R L L V GI N1I N2I S V S + V N= R 1/ LV N / V G R L /(R S + R L M f自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology平衡電路對(duì)地環(huán)路干擾的抑制V G R S1V S1R S2R L2R L1V S2I N1I N2I S V L自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine &

19、amp; Control Technology地線問(wèn)題-公共阻抗耦合電路1電路2地電流1地電流2公共地阻抗V改進(jìn)1改進(jìn)2自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地方式種類信號(hào)接地方式并聯(lián)單點(diǎn)接地串聯(lián)單點(diǎn)接地混合接地多點(diǎn)接地單點(diǎn)接地自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地方式種類¾單點(diǎn)接地:多用于為許多接在一起的單元電路提供

20、共同參考點(diǎn)。在這種接地系統(tǒng)中;所有單元電路只有一個(gè)接地點(diǎn)。¾兩種單點(diǎn)接地形式:1串聯(lián)一點(diǎn)接地:每個(gè)分系統(tǒng)內(nèi)的各單元都單點(diǎn)接地,然后利用單根絕緣導(dǎo)線把每個(gè)分系統(tǒng)的接地電連接到樹叉狀的接地母線。2并聯(lián)一點(diǎn)接地:系統(tǒng)中各設(shè)備(分系統(tǒng)的接地線均通過(guò)一獨(dú)立的接地排。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology單點(diǎn)接地123123串聯(lián)單點(diǎn)接地優(yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)單缺點(diǎn):公共阻抗耦合若系統(tǒng)各線路或裝備所產(chǎn)生或需要的能量變化太大,則不適用串聯(lián)單點(diǎn)接地,因?yàn)楦吣芰康木€路或裝備所產(chǎn)生大量的地

21、電位會(huì)嚴(yán)重地影響低能量線路或裝備的正常運(yùn)作。并聯(lián)單點(diǎn)接地優(yōu)點(diǎn):無(wú)公共阻抗耦合缺點(diǎn):接地線過(guò)多耗時(shí)費(fèi)料,由于接地線太多太長(zhǎng),以至增加各地阻抗,尤其在高頻范圍中更加嚴(yán)重。I 1I 2I 3I 1I 2I 3A B CABC R 1R 2R 3自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology單點(diǎn)接地并聯(lián)接地更適合于連線較短、工作頻率較低的電路系統(tǒng)。地線導(dǎo)線加長(zhǎng),導(dǎo)致地線電阻增大,而且由于各地線間相互耦合,使線間電容耦合和電感耦合增大,在高頻時(shí)反而會(huì)引起較大的耦合干擾。并聯(lián)一點(diǎn)接地

22、方式一般只在頻率低于1MHz 時(shí)才用。在采用串聯(lián)一點(diǎn)接地方式時(shí),應(yīng)注意兩點(diǎn):(1使各級(jí)地線盡可能短而粗,以最大限度減少其等效電阻;(2使最低電平、最小電流的單元電路放在離接地線G 最近的地方,以避免受大信號(hào)電路的干擾。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology串聯(lián)單點(diǎn)、并聯(lián)單點(diǎn)混合接地模擬電路1模擬電路2模擬電路3數(shù)字邏輯控制電路數(shù)字信息處理電路繼電器驅(qū)動(dòng)電路馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electri

23、cal Machine & Control Technology線路板上的地線噪聲模擬數(shù)字自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology長(zhǎng)地線的阻抗設(shè)備Z 0= (L/C1/2R R L L C C F P1= 1/2(LC1/2Z P = (L2/R R ACR DC串聯(lián)諧振并聯(lián)諧振自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology多點(diǎn)接地&#

24、190;多點(diǎn)接地:系統(tǒng)中各單元電路的接地點(diǎn)都就近直接連到接地平面上,形成多個(gè)接地點(diǎn)。¾接地平面,可以是設(shè)備的底板,也可以是連通整個(gè)系統(tǒng)的地導(dǎo)線。¾在比較大的系統(tǒng)中,還可以是設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架等。¾如有可能,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。多點(diǎn)接地電路1電路2電路3R1R2R3L1L2L3自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology多點(diǎn)接地¾優(yōu)點(diǎn):電路結(jié)構(gòu)比單點(diǎn)接地簡(jiǎn)單;¾由于接地線短,接地線上可能出現(xiàn)的高頻駐波

25、現(xiàn)象顯著減少,因此它是高頻電路的惟一實(shí)用的接地方式。¾注意:多電接地后,設(shè)備內(nèi)部會(huì)增加許多地線回路,對(duì)低電平的電路會(huì)形成傳導(dǎo)耦合干擾,帶來(lái)不良影響。¾因此,提高接地系統(tǒng)的質(zhì)量就顯得格外重要。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology混合接地¾多點(diǎn)理論和實(shí)踐都表明,對(duì)于工作頻率低于1MHz和公共接地面尺寸小于/20(為接地線上的駐波波長(zhǎng)的電路系統(tǒng),宜采用單點(diǎn)接地方式;¾對(duì)于工作頻率高于10MHz和公共接地面尺寸大于/20的電路系統(tǒng)

26、,宜采用多點(diǎn)接地方式;¾而對(duì)于介于兩者之間的系統(tǒng),即頻率為1MHz10MHz、公共接地面尺寸為/20左右時(shí),一般可采用單點(diǎn)和多點(diǎn)結(jié)合的混合接地方式。¾對(duì)于既有低頻電路又有高頻電路的電子設(shè)備,也應(yīng)采用混合接地方式。自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology混合接地¾實(shí)施方法:低頻部分采用單點(diǎn)接地,高頻部分采用多點(diǎn)接地?；?qū)⒏鲉卧娐贩殖扇舾山M,組內(nèi)單點(diǎn)接地,組間多點(diǎn)接地。¾一種混合接地系統(tǒng),把系統(tǒng)的地線分成電源地和信號(hào)地兩大類,系統(tǒng)中各部分的電源地線都接到電源總地線上,所有信號(hào)地都接到信號(hào)總地線上,兩根總地線最后匯總到公共的參考地,即大地電極。