第6章 接地技术 (2012)

1、第第6 6章章 接地技术接地技术一、接地的基本概念一、接地的基本概念v电路中的电位参考点电路中的电位参考点给出了地线应具有的等电位状态给出了地线应具有的等电位状态v信号电流流回信号源的低阻抗路径信号电流流回信号源的低阻抗路径突出了电流的流动突出了电流的流动接地的目的接地的目的安全地安全地220V0V+1触电防护触电防护2雷击防护雷击防护 3静电放电防护静电放电防护接地的目的接地的目的信号地信号地4为系统中的所有电路提供一个电位基准为系统中的所有电路提供一个电位基准 交流电源电缆中的地线一般仅可用做安全地，不能用做信号地，两交流电源电缆中的地线一般仅可用做安全地，不能用做信号地，两个电源接地点之

2、间的电压通常有数百个电源接地点之间的电压通常有数百mV，小信号电路在这种条件下根，小信号电路在这种条件下根本无法工作。本无法工作。基本的接地方式基本的接地方式 接地方式接地方式 并联单点接地并联单点接地 串联单点接地串联单点接地 混合接地混合接地 多点接地多点接地 单点接地单点接地接地方式接地方式单点接地：所有电路的地线接到公共地线的同一点，单点接地：所有电路的地线接到公共地线的同一点，进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。多点接地：所有电路的地线接到公共地线的不同点，多点接地：所有电路的地线接到公共地线的不同点，一般电路就近接地一般电路就近接地混合接

3、地：在地线系统内使用电感、电容连接，利混合接地：在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性，用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性，使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。单点接地单点接地串联单点接地串联单点接地优点：简单优点：简单缺点：公共阻抗耦合缺点：公共阻抗耦合并联单点接地并联单点接地优点：无公共阻抗耦合优点：无公共阻抗耦合缺点：接地线过多缺点：接地线过多123I1I2I3ABC123I1I2I3ABCR1R2R3串联单点、并联单点混合接地串联单点、并联单点混合接地模拟电路模拟电路1模拟电路模拟电路2模

4、拟电路模拟电路3数字逻辑控制电路数字逻辑控制电路数字信息处理电路数字信息处理电路继电器驱动电路继电器驱动电路马达驱动电路马达驱动电路机壳、机架机壳、机架底板底板噪声地线噪声地线金属件地线金属件地线德国公司磨床的导电接地铜带德国公司磨床的导电接地铜带 线路板上的地线线路板上的地线噪声噪声模拟模拟数字数字多点接地多点接地地线阻抗一定保持很小，地线阻抗一定保持很小，避免公共阻抗耦合避免公共阻抗耦合镀银（减小表面电阻）镀银（减小表面电阻）良好搭接（减小地线阻抗）良好搭接（减小地线阻抗）宽金属板（减小电感）宽金属板（减小电感）R1R2R3L1L2L3电路电路1电路电路2电路电路3二、地线带来的干扰问题二

5、、地线带来的干扰问题V = I R地线电压地线电压地线是等电地线是等电位的假设不位的假设不成立成立电流走最小电流走最小阻抗路径阻抗路径我们并不知道我们并不知道地电流的确切地电流的确切路径路径地电流失地电流失去控制去控制设计地线的核心设计地线的核心减小地线的阻抗减小地线的阻抗导线的阻抗导线的阻抗Z = RAC + jLL 1H/m = 1 / ( f r r)1/2 RAC= 0.076r f1/2 RDCr电流深度0.37II趋肤效应趋肤效应导线的阻抗导线的阻抗频率 Hz d = 0.65cm 10cm 1m d = 0.27cm 10cm 1m d = 0.06cm 10cm 1m d= 0

6、.04cm 10cm 1m 10Hz 51.4 517 327 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m 1k 429 7.14m 632 8.91m 5.34m 53.9m 14m 144m 100k 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 3

7、8.5 530 100M 42.6 54 71.4 77 150M 63.9 81 107 115 高频时，导线的直径作用减小高频时，导线的直径作用减小1）地环路干扰问题）地环路干扰问题IGVGVN地环路地环路I1I2形成地环路干扰的原因形成地环路干扰的原因v两个设备的地电位不同，形成地电压两个设备的地电位不同，形成地电压差模电压差模电压v环路在电磁场中的感应环路在电磁场中的感应解决地环路干扰的基本思路解决地环路干扰的基本思路v减小地线的阻抗，从而减小干扰电压减小地线的阻抗，从而减小干扰电压v增加地环路的阻抗，从而减小地环路电增加地环路的阻抗，从而减小地环路电流流理想情况是切断地环路理想情况是

8、切断地环路 处于静电防护和安全的考虑，直接切断地环路是不处于静电防护和安全的考虑，直接切断地环路是不允许的。因此采用隔离变压器、光耦合、共模扼流圈、允许的。因此采用隔离变压器、光耦合、共模扼流圈、平衡电路等方法。平衡电路等方法。 电磁隔离装置一般指起隔离作用的各种形式的变压电磁隔离装置一般指起隔离作用的各种形式的变压器。变压器和其他磁耦合元件一样，都是以磁通的形式器。变压器和其他磁耦合元件一样，都是以磁通的形式将能量从一个电路转换到另一个电路的装置。变压器一将能量从一个电路转换到另一个电路的装置。变压器一方面本身存在电磁干扰问题，如初级和次级线圈间的分方面本身存在电磁干扰问题，如初级和次级线圈

9、间的分布电容、磁场泄漏和产生谐波引起的电压失真等；而另布电容、磁场泄漏和产生谐波引起的电压失真等；而另一个方面，变压器因也用于减小电磁干扰，如抗干扰变一个方面，变压器因也用于减小电磁干扰，如抗干扰变压器，隔离变压器和光耦合器等。压器，隔离变压器和光耦合器等。v抗干扰变压器抗干扰变压器抗干扰变压器的线圈的绕制方法是在环形磁芯的两边各绕初抗干扰变压器的线圈的绕制方法是在环形磁芯的两边各绕初级绕组的一半和次级绕组的一半，两个绕组的绕向相同，其级绕组的一半和次级绕组的一半，两个绕组的绕向相同，其中一对同名端相接，另一对同名端作为引出端。中一对同名端相接，另一对同名端作为引出端。v隔离变压器隔离变压器隔

10、离变压器一般指变比为隔离变压器一般指变比为1 1：1 1 的变压器，即原边和副边绕的变压器，即原边和副边绕组数相同，输入电压与输出电压相等。实际上，除自耦变压组数相同，输入电压与输出电压相等。实际上，除自耦变压器外的任何一种变压器都是一个隔离元件，它能提供初级和器外的任何一种变压器都是一个隔离元件，它能提供初级和次级之间的隔离。次级之间的隔离。隔离变压器适用于低频电路。隔离隔离变压器适用于低频电路。隔离变压器抑制地环路变压器抑制地环路干扰的频率范围为：干扰的频率范围为：采用隔离变压器断开接地采用隔离变压器断开接地环路的方法，对直流电路环路的方法，对直流电路和频率很低（如低于和频率很低（如低于5

11、0Hz50Hz）的电路不适用的。的电路不适用的。v光耦合器件光耦合器件切断两个电路单元之间地环路的最有效的方法是在两个切断两个电路单元之间地环路的最有效的方法是在两个电路之间采用光电耦合器。光电耦合器可以将两个电路电路之间采用光电耦合器。光电耦合器可以将两个电路之间的地环路完全断开，有效抑制地线的干扰。之间的地环路完全断开，有效抑制地线的干扰。使用光电耦合器时，电路使用光电耦合器时，电路1 1和电路和电路2 2必须分别馈电，以防必须分别馈电，以防止电源线在同一电源变压器中构成新的干扰耦合途径。止电源线在同一电源变压器中构成新的干扰耦合途径。光耦合器件总结光耦合器件总结v光耦器件的寄生电容为光耦

12、器件的寄生电容为 2pf 2pf 左右，因此能够在很高的左右，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。但是，用光纤会问题，能够获得十分完善的隔离效果。但是，用光纤会带来其它问题：带来其它问题：v 光纤连接需要更大的功率光纤连接需要更大的功率v 需要更多的器件需要更多的器件v 光连接的线形和动态范围都达不到模拟信号的要求光连接的线形和动态范围都达不到模拟信号的要求v 光缆的安装和维护比较复杂光缆的安装和维护比较复杂2）公共阻抗耦合问题）公共阻抗耦合问题电路电路1电路电路2地电流地电流1地电流

13、地电流2公共地阻抗公共地阻抗3）屏蔽电缆的接地问题）屏蔽电缆的接地问题V0vHE磁场屏蔽磁场屏蔽电场屏蔽电场屏蔽高频低磁高频低磁波屏蔽波屏蔽3.1双端阻抗接地屏蔽电缆（强电、高频信号电缆）双端阻抗接地屏蔽电缆（强电、高频信号电缆）的接地问题的接地问题双端阻抗接地屏蔽电缆的电场屏蔽双端阻抗接地屏蔽电缆的电场屏蔽电场屏蔽的电路模型 等效电路图 电场屏蔽的电缆接地电场屏蔽的电缆接地电缆接敏感电路的信号地，目的是电缆接敏感电路的信号地，目的是将屏蔽层的电位保持在地电位。将屏蔽层的电位保持在地电位。干扰频率较低干扰频率较低干扰频率较高干扰频率较高单点接地单点接地多点接地多点接地（间隔（间隔 /20接地接

14、地）双端阻抗接地屏蔽电缆的磁场屏蔽双端阻抗接地屏蔽电缆的磁场屏蔽磁场屏蔽的电路模型 等效电路图 sLM 屏蔽层中的电流屏蔽层中的电流 为为sI0111jIjrLjILjrLjMIjIssssss式中式中ssLr /0称为屏蔽层截止频率称为屏蔽层截止频率 051IIs当当时，时，。 总结：双端阻抗接地的屏蔽电缆只有屏蔽总结：双端阻抗接地的屏蔽电缆只有屏蔽层双端接地才能屏蔽电磁场层双端接地才能屏蔽电磁场从环路面积来考虑（被动屏蔽问题）从环路面积来考虑（被动屏蔽问题）地环路的影响电缆屏蔽层双端接地的地环路效应电缆屏蔽层双端接地的地环路效应 负载负载LR上的电压：上的电压： EIrEIrILjMIjU

15、sssssssL地环路的影响双重屏蔽电缆克服地环路效应双重屏蔽电缆克服地环路效应 另：另：三轴电缆、屏蔽双绞线也可起到相同作用。三轴电缆、屏蔽双绞线也可起到相同作用。双端阻抗接地屏蔽电缆的接地试验验证屏蔽电缆磁场屏蔽的测试装置屏蔽电缆磁场屏蔽的测试装置 （a）是屏蔽层不接地情况，）是屏蔽层不接地情况，（b）是同轴电缆屏蔽层单端）是同轴电缆屏蔽层单端接地情况，接地情况，（c）所示为同轴电缆的屏蔽）所示为同轴电缆的屏蔽层两端接地情况，层两端接地情况，（d）所示为双绞线，）所示为双绞线，（e）所示为屏蔽双绞线，屏）所示为屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地，蔽层单端接地，（f）所示为屏蔽双绞线的屏蔽）所示为屏

16、蔽双绞线的屏蔽层两端接地层两端接地 3）屏蔽电缆的接地问题）屏蔽电缆的接地问题0vHE磁场屏蔽磁场屏蔽电场屏蔽电场屏蔽高频低磁高频低磁波屏蔽波屏蔽3.2单端阻抗接地屏蔽电缆（低频信号电缆）的接地问题单端阻抗接地屏蔽电缆（低频信号电缆）的接地问题（g）所示为同轴电缆，只有）所示为同轴电缆，只有模拟负载端（模拟负载端（1）接地，）接地，（h）所示为双绞线，单端接）所示为双绞线，单端接地，地，（i）所示为屏蔽双绞线，单端）所示为屏蔽双绞线，单端接地，接地，（j）中屏蔽双绞线的屏蔽层两）中屏蔽双绞线的屏蔽层两端接地，端接地，（k）不常使用）不常使用低频电路接地选择举例低频电路接地选择举例各种接法的等效

17、电路各种接法的等效电路总结总结总结总结低频电路的屏蔽层接地方式低频电路的屏蔽层接地方式 强电或高频电路（强电或高频电路（阻抗双端接地阻抗双端接地）的屏蔽层接地方式）的屏蔽层接地方式 屏蔽电缆的复合接地方式屏蔽电缆的复合接地方式 问题v传感器端未接地、负载端接地的高频屏蔽电缆的屏蔽层如何接地？为什么？屏蔽层接地的实现避免屏蔽电缆接头处的避免屏蔽电缆接头处的“猪尾巴效应猪尾巴效应” 同轴电缆连接器同轴电缆连接器 德国公司磨床的电源线的屏蔽和接地德国公司磨床的电源线的屏蔽和接地 习题：图中两导线间的分布电容为习题：图中两导线间的分布电容为50pF，导线对地分布电容，导线对地分布电容为为150pF，导线，导线1端接端接200kHz、10V的交流信号源，如果的交流信号源