電磁兼容2 - 地線干擾與對策 - 2010-

1、第二章地線干擾與接地技術接地的概念為什么要地線地環(huán)路問題與解決方法公共阻抗耦合問題與解決方法各種接地方法電纜屏蔽層的接地自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念¾接地是指將一個導體與另一個零電位基準的導體搭接在一起。¾電子設備中的“地”通常有兩種含義:一種是“大地”,真正的地;另一種是“系統(tǒng)基準地”。¾通常將地作為系統(tǒng)的零電位點。¾理想的“地”必須是一個零電位、零阻抗的理想導體,其上各點之間不應存在電位差,它可以在系

2、統(tǒng)中作為所有信號電平的參考點。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念¾電子設備接地的目的主要有兩個:一是為了安全,稱為保護接地或安全接地;二是為信號電壓提供一個穩(wěn)定的零電位參考點,稱為信號地或系統(tǒng)地。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念1保護接地線保護接地線:指機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,給設備造成高頻干擾而遭致?lián)p壞。也稱安全接地線。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念1保護接地線實際中,這類接地線除了設備安全接地線外,還有防雷接地。防雷接地:將建筑物等設施和電氣設備的外殼與大地連接,將雷電電流引入大地,從而保護設施、設備、人身安全,使之免遭雷擊,同時消除雷擊電流竄入信號接地系統(tǒng),以避免影響電氣設備的正常工作。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所

4、Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology安全地220V0V+自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念2信號地線信號地線:指電路系統(tǒng)中作為電信號基準電位的地線。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、定可靠的關鍵。信號地線既是各級電路中靜態(tài)、動態(tài)電流的信道,又是各級電路通過某些共同的接地阻抗而相互耦合,從而引起內部干擾的環(huán)節(jié)。因而,對于電子電路來說,簡單地沿用電氣工程中僅以通路為要求的習慣接地方法是行不通的。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology信號地定義:信號電流流回信號源的低阻抗路徑。地線不是等電位體地線噪聲電壓的嚴重性地線電流路徑不確定地線噪聲地線設計的核心:減小地線的阻抗!自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REP

6、M Electrical Machine & Control Technology 地線引發(fā)干擾問題的原因V = I R 地線電壓地線是等電位的假設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化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology地線電位示意圖<2mV >200mV 2mV 10mV 10mV 20mV 20mV 100mV 100mV 200mV自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of R

7、EPM Electrical Machine & Control Technology導線的阻抗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趨膚效應自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology導線的阻抗頻率 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金屬條與導線的阻抗比較金屬條阻抗/導線阻抗0.60.50.40.30.20.11 2 3 4 5 6 7 8 9 10S / W自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology關于導線阻抗的說明1. 導體的阻抗與頻率關系很大:頻率高時的阻抗與頻率低時的阻抗完全不同,高頻時的阻抗遠高于低頻時的阻抗。低頻時阻抗低的導體,高頻時阻抗不一定低。結論:用萬用表測量出來的導體電阻值不能用作導體的阻抗值!這在實際工程中,是一個

10、常見的錯誤。2. 導體的阻抗低頻時與截面尺寸關系大,高頻時關系小:由于阻抗電阻和感抗兩部分組成,頻率較低時,感抗很小,電阻起主導作用,電阻與導線的截面尺寸關系很大。頻率較高時,感抗起主導作用,而導線的電感與導線的截面尺寸關系不大。結論:用作高頻地線的導體,導線的粗細與地線效果關系不大。工程中常見的錯誤是,使用很粗,但卻很長的地線,增加了施工困難,增加了成本,卻沒有達到期望的效果。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所

11、Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology關于導線阻抗的說明3. 當地線很短時,使用金屬片可以大大降低阻抗。但當金屬條的長度超過寬度很大時,金屬條與導線相比優(yōu)勢不是很大。結論:一般在工程中,S/W 不要超過5,最好在3以下。當金屬條長度遠大于寬度時,其阻抗與導線基本相同。因此,當導體很長時,就沒有必要專門使用金屬條作地線,用一條細導線(地線很長時,沒有必要使用粗導線也具有同樣的效果。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine &

12、Control Technology地線問題-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象,常發(fā)生在通過較長電纜連接的相距較遠的設備之間。地環(huán)路干擾形成原因原因1:兩個設備的地電位不同,形成地電壓,在這個的驅動下,設備1 互聯(lián)電纜設備2 地形成的環(huán)路之間有電流流動。由于電路的不平衡性,每根導線上的電流不同,因此會產生差模電壓,對電路造成干擾。地線上的電壓是由于其它功率較大的設備也用這段地線,在地線中引起較強電流,而地線又有較大阻抗產生的。原因2:由于互聯(lián)設備處在較強的電磁場中,電磁場在設備1 互聯(lián)電纜設備2 地形成的環(huán)路中感應出環(huán)路電流,與原因1的過程一樣導致干擾。自動化學

13、院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所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:9一個是減小地線的阻抗,從而減小干擾電壓。9一個是增加地環(huán)路的阻抗,從而減小地環(huán)路電流。當阻抗無限大時,實際是將地環(huán)路切斷,即消除了地環(huán)路。例如將一端的設備浮地、或將線路板與機箱斷開等是直接的方法。¾出于靜電防護或安全的考慮,這種直接的方法在實踐中往往是不允許的。¾更實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。自動化學院電氣工程系稀土永磁電

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

15、直流,體積大,成本高。由于變壓器的初次級之間有寄生電容,因此高頻時的隔離效果不是很好。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology隔離變壓器初次級間寄生電容的影響:設初次級之間的寄生電容是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 如果初次級之間的電容較小,則耦合電壓也較小。因此,要設法減小初次級間電容。減小初次級之間寄生電容的方法:在初次級之間加屏蔽

16、層可以減小寄生電容。屏蔽層的構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(即信號接收端,這樣地線上的干擾經過C1耦合到屏蔽層,并被短路到地,而不會經過C2 耦合到電路2的輸入端。經過良好屏蔽的變壓器能夠工作到1MHz 。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所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:距離短缺點:設備復雜自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所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,則沒有寄生電容的問題,能夠獲得十分完善的隔離效果。光纖會帶來的問題: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態(tài)范圍都達不到模擬信號的要求光纜的安裝和維護比較復雜光纜連接技術一般用在數字電路中,由于其帶寬很寬,因此可以用在高速數據網中。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所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自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology平衡電路對地環(huán)路干擾的抑制V G R S1V S1R S2R L2R L1V S2I N1I N2I S V L自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine &

19、amp; Control Technology地線問題-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1改進2自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地方式種類信號接地方式并聯(lián)單點接地串聯(lián)單點接地混合接地多點接地單點接地自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地方式種類¾單點接地:多用于為許多接在一起的單元電路提供

20、共同參考點。在這種接地系統(tǒng)中;所有單元電路只有一個接地點。¾兩種單點接地形式:1串聯(lián)一點接地:每個分系統(tǒng)內的各單元都單點接地,然后利用單根絕緣導線把每個分系統(tǒng)的接地電連接到樹叉狀的接地母線。2并聯(lián)一點接地:系統(tǒng)中各設備(分系統(tǒng)的接地線均通過一獨立的接地排。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology單點接地123123串聯(lián)單點接地優(yōu)點:簡單缺點:公共阻抗耦合若系統(tǒng)各線路或裝備所產生或需要的能量變化太大,則不適用串聯(lián)單點接地,因為高能量的線路或裝備所產生大量的地

21、電位會嚴重地影響低能量線路或裝備的正常運作。并聯(lián)單點接地優(yōu)點:無公共阻抗耦合缺點:接地線過多耗時費料,由于接地線太多太長,以至增加各地阻抗,尤其在高頻范圍中更加嚴重。I 1I 2I 3I 1I 2I 3A B CABC R 1R 2R 3自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology單點接地并聯(lián)接地更適合于連線較短、工作頻率較低的電路系統(tǒng)。地線導線加長,導致地線電阻增大,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,在高頻時反而會引起較大的耦合干擾。并聯(lián)一點接地

22、方式一般只在頻率低于1MHz 時才用。在采用串聯(lián)一點接地方式時,應注意兩點:(1使各級地線盡可能短而粗,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,以避免受大信號電路的干擾。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology串聯(lián)單點、并聯(lián)單點混合接地模擬電路1模擬電路2模擬電路3數字邏輯控制電路數字信息處理電路繼電器驅動電路馬達驅動電路自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electri

23、cal Machine & Control Technology線路板上的地線噪聲模擬數字自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology長地線的阻抗設備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)諧振自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology多點接地&#

24、190;多點接地:系統(tǒng)中各單元電路的接地點都就近直接連到接地平面上,形成多個接地點。¾接地平面,可以是設備的底板,也可以是連通整個系統(tǒng)的地導線。¾在比較大的系統(tǒng)中,還可以是設備的結構框架等。¾如有可能,還可以用一個大型導電物體作為整個系統(tǒng)的公共地。多點接地電路1電路2電路3R1R2R3L1L2L3自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology多點接地¾優(yōu)點:電路結構比單點接地簡單;¾由于接地線短,接地線上可能出現的高頻駐波

25、現象顯著減少,因此它是高頻電路的惟一實用的接地方式。¾注意:多電接地后,設備內部會增加許多地線回路,對低電平的電路會形成傳導耦合干擾,帶來不良影響。¾因此,提高接地系統(tǒng)的質量就顯得格外重要。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology混合接地¾多點理論和實踐都表明,對于工作頻率低于1MHz和公共接地面尺寸小于/20(為接地線上的駐波波長的電路系統(tǒng),宜采用單點接地方式;¾對于工作頻率高于10MHz和公共接地面尺寸大于/20的電路系統(tǒng)

26、,宜采用多點接地方式;¾而對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,一般可采用單點和多點結合的混合接地方式。¾對于既有低頻電路又有高頻電路的電子設備,也應采用混合接地方式。自動化學院電氣工程系稀土永磁電機及控制技術研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology混合接地¾實施方法:低頻部分采用單點接地,高頻部分采用多點接地。或將各單元電路分成若干組,組內單點接地,組間多點接地。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,所有信號地都接到信號總地線上,兩根總地線最后匯總到公共的參考地,即大地電極。