电磁兼容2 - 地线干扰与对策 - 2010-

1、第二章地线干扰与接地技术接地的概念为什么要地线地环路问题与解决方法公共阻抗耦合问题与解决方法各种接地方法电缆屏蔽层的接地自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念¾接地是指将一个导体与另一个零电位基准的导体搭接在一起。¾电子设备中的“地”通常有两种含义:一种是“大地”,真正的地;另一种是“系统基准地”。¾通常将地作为系统的零电位点。¾理想的“地”必须是一个零电位、零阻抗的理想导体,其上各点之间不应存在电位差,它可以在系

2、统中作为所有信号电平的参考点。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念¾电子设备接地的目的主要有两个:一是为了安全,称为保护接地或安全接地;二是为信号电压提供一个稳定的零电位参考点,称为信号地或系统地。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念1保护接地线保护接地线:指机壳与屏蔽层接地用的地线,与大地连接在一起

3、。目的:防止机壳或屏蔽层上由于电荷积累、电压上升而造成人身伤害,或引起火花放电,给设备造成高频干扰而遭致损坏。也称安全接地线。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念1保护接地线实际中,这类接地线除了设备安全接地线外,还有防雷接地。防雷接地:将建筑物等设施和电气设备的外壳与大地连接,将雷电电流引入大地,从而保护设施、设备、人身安全,使之免遭雷击,同时消除雷击电流窜入信号接地系统,以避免影响电气设备的正常工作。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所

4、Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology安全地220V0V+自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地的概念2信号地线信号地线:指电路系统中作为电信号基准电位的地线。电子系统中的接地是一种抑制干扰、保证电路工作性能稳

5、定可靠的关键。信号地线既是各级电路中静态、动态电流的信道,又是各级电路通过某些共同的接地阻抗而相互耦合,从而引起内部干扰的环节。因而,对于电子电路来说,简单地沿用电气工程中仅以通路为要求的习惯接地方法是行不通的。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology信号地定义:信号电流流回信号源的低阻抗路径。地线不是等电位体地线噪声电压的严重性地线电流路径不确定地线噪声地线设计的核心:减小地线的阻抗!自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REP

6、M Electrical Machine & Control Technology 地线引发干扰问题的原因V = I R 地线电压地线是等电位的假设不成立电流走最小阻抗路径我们并不知道地电流的确切路径地电流失去控制自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology地线电位示意图<2mV >200mV 2mV 10mV 10mV 20mV 20mV 100mV 100mV 200mV自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of R

7、EPM Electrical Machine & Control Technology导线的阻抗Z = R AC + j LL 1H/m= 1 / (f r r 1/2R AC = 0.076r f 1/2R DC r 电流深度0.37I I趋肤效应自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology导线的阻抗频率 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金属条与导线的阻抗比较金属条阻抗/导线阻抗0.60.50.40.30.20.11 2 3 4 5 6 7 8 9 10S / W自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology关于导线阻抗的说明1. 导体的阻抗与频率关系很大:频率高时的阻抗与频率低时的阻抗完全不同,高频时的阻抗远高于低频时的阻抗。低频时阻抗低的导体,高频时阻抗不一定低。结论:用万用表测量出来的导体电阻值不能用作导体的阻抗值!这在实际工程中,是一个

10、常见的错误。2. 导体的阻抗低频时与截面尺寸关系大,高频时关系小:由于阻抗电阻和感抗两部分组成,频率较低时,感抗很小,电阻起主导作用,电阻与导线的截面尺寸关系很大。频率较高时,感抗起主导作用,而导线的电感与导线的截面尺寸关系不大。结论:用作高频地线的导体,导线的粗细与地线效果关系不大。工程中常见的错误是,使用很粗,但却很长的地线,增加了施工困难,增加了成本,却没有达到期望的效果。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所

11、Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology关于导线阻抗的说明3. 当地线很短时,使用金属片可以大大降低阻抗。但当金属条的长度超过宽度很大时,金属条与导线相比优势不是很大。结论:一般在工程中,S/W 不要超过5,最好在3以下。当金属条长度远大于宽度时,其阻抗与导线基本相同。因此,当导体很长时,就没有必要专门使用金属条作地线,用一条细导线(地线很长时,没有必要使用粗导线也具有同样的效果。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine &

12、Control Technology地线问题-地环路I GV GV N地环路I 1I 2是一种较常见的干扰现象,常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。地环路干扰形成原因原因1:两个设备的地电位不同,形成地电压,在这个的驱动下,设备1 互联电缆设备2 地形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成干扰。地线上的电压是由于其它功率较大的设备也用这段地线,在地线中引起较强电流,而地线又有较大阻抗产生的。原因2:由于互联设备处在较强的电磁场中,电磁场在设备1 互联电缆设备2 地形成的环路中感应出环路电流,与原因1的过程一样导致干扰。自动化学

13、院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology地环路干扰解决办法解决地环路干扰的基本思路有两个:9一个是减小地线的阻抗,从而减小干扰电压。9一个是增加地环路的阻抗,从而减小地环路电流。当阻抗无限大时,实际是将地环路切断,即消除了地环路。例如将一端的设备浮地、或将线路板与机箱断开等是直接的方法。¾出于静电防护或安全的考虑,这种直接的方法在实践中往往是不允许的。¾更实用的方法是下面介绍的隔离变压器、光耦合、共模扼流圈、平衡电路等方法。自动化学院电气工程系稀土永磁电

14、机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology地环路干扰解决办法自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology隔离变压器屏蔽层只能接2点!C 2VG 12C 1屏蔽C PV G V S V NR L缺点:不能传输

15、直流,体积大,成本高。由于变压器的初次级之间有寄生电容,因此高频时的隔离效果不是很好。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology隔离变压器初次级间寄生电容的影响:设初次级之间的寄生电容是Cp ,RL 上的噪声电压为: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 如果初次级之间的电容较小,则耦合电压也较小。因此,要设法减小初次级间电容。减小初次级之间寄生电容的方法:在初次级之间加屏蔽

16、层可以减小寄生电容。屏蔽层的构造是用铜箔或铝箔绕一匝,但不能形成短路环(在搭接处垫一片绝缘材料。屏蔽层一定要接地,并且必须接到2点(即信号接收端,这样地线上的干扰经过C1耦合到屏蔽层,并被短路到地,而不会经过C2 耦合到电路2的输入端。经过良好屏蔽的变压器能够工作到1MHz 。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology光隔离器发送发送接收接收RLRLV GV S V S V G光耦器件Cp光纤缺点:距离短缺点:设备复杂自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所I

17、nstitute of REPM Electrical Machine & Control Technology光隔离器光耦器件的寄生电容为2pf 左右,因此能够在很高的频率起到隔离作用。如果使用光纤,则没有寄生电容的问题,能够获得十分完善的隔离效果。光纤会带来的问题:光纤连接需要更大的功率需要更多的器件光连接的线形和动态范围都达不到模拟信号的要求光缆的安装和维护比较复杂光缆连接技术一般用在数字电路中,由于其带宽很宽,因此可以用在高速数据网中。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所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自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology平衡电路对地环路干扰的抑制V G R S1V S1R S2R L2R L1V S2I N1I N2I S V L自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine &

19、amp; Control Technology地线问题-公共阻抗耦合电路1电路2地电流1地电流2公共地阻抗V改进1改进2自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地方式种类信号接地方式并联单点接地串联单点接地混合接地多点接地单点接地自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology接地方式种类¾单点接地:多用于为许多接在一起的单元电路提供

20、共同参考点。在这种接地系统中;所有单元电路只有一个接地点。¾两种单点接地形式:1串联一点接地:每个分系统内的各单元都单点接地,然后利用单根绝缘导线把每个分系统的接地电连接到树叉状的接地母线。2并联一点接地:系统中各设备(分系统的接地线均通过一独立的接地排。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology单点接地123123串联单点接地优点:简单缺点:公共阻抗耦合若系统各线路或装备所产生或需要的能量变化太大,则不适用串联单点接地,因为高能量的线路或装备所产生大量的地

21、电位会严重地影响低能量线路或装备的正常运作。并联单点接地优点:无公共阻抗耦合缺点:接地线过多耗时费料,由于接地线太多太长,以至增加各地阻抗,尤其在高频范围中更加严重。I 1I 2I 3I 1I 2I 3A B CABC R 1R 2R 3自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology单点接地并联接地更适合于连线较短、工作频率较低的电路系统。地线导线加长,导致地线电阻增大,而且由于各地线间相互耦合,使线间电容耦合和电感耦合增大,在高频时反而会引起较大的耦合干扰。并联一点接地

22、方式一般只在频率低于1MHz 时才用。在采用串联一点接地方式时,应注意两点:(1使各级地线尽可能短而粗,以最大限度减少其等效电阻;(2使最低电平、最小电流的单元电路放在离接地线G 最近的地方,以避免受大信号电路的干扰。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology串联单点、并联单点混合接地模拟电路1模拟电路2模拟电路3数字逻辑控制电路数字信息处理电路继电器驱动电路马达驱动电路自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electri

23、cal Machine & Control Technology线路板上的地线噪声模拟数字自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology长地线的阻抗设备Z 0= (L/C1/2R R L L C C F P1= 1/2(LC1/2Z P = (L2/R R ACR DC串联谐振并联谐振自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology多点接地&#

24、190;多点接地:系统中各单元电路的接地点都就近直接连到接地平面上,形成多个接地点。¾接地平面,可以是设备的底板,也可以是连通整个系统的地导线。¾在比较大的系统中,还可以是设备的结构框架等。¾如有可能,还可以用一个大型导电物体作为整个系统的公共地。多点接地电路1电路2电路3R1R2R3L1L2L3自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology多点接地¾优点:电路结构比单点接地简单;¾由于接地线短,接地线上可能出现的高频驻波

25、现象显著减少,因此它是高频电路的惟一实用的接地方式。¾注意:多电接地后,设备内部会增加许多地线回路,对低电平的电路会形成传导耦合干扰,带来不良影响。¾因此,提高接地系统的质量就显得格外重要。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology混合接地¾多点理论和实践都表明,对于工作频率低于1MHz和公共接地面尺寸小于/20(为接地线上的驻波波长的电路系统,宜采用单点接地方式;¾对于工作频率高于10MHz和公共接地面尺寸大于/20的电路系统

26、,宜采用多点接地方式;¾而对于介于两者之间的系统,即频率为1MHz10MHz、公共接地面尺寸为/20左右时,一般可采用单点和多点结合的混合接地方式。¾对于既有低频电路又有高频电路的电子设备,也应采用混合接地方式。自动化学院电气工程系稀土永磁电机及控制技术研究所Institute of REPM Electrical Machine & Control Technology混合接地¾实施方法:低频部分采用单点接地,高频部分采用多点接地。或将各单元电路分成若干组,组内单点接地,组间多点接地。¾一种混合接地系统,把系统的地线分成电源地和信号地两大类,系统中各部分的电源地线都接到电源总地线上,所有信号地都接到信号总地线上,两根总地线最后汇总到公共的参考地,即大地电极。