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电磁兼容
电磁兼容
中国电磁兼容网 http:
//www.emcchina.org
我们知道,从地球表面到人造卫星活动的近千千米空间内处处存在着电磁波,电和磁无时无刻不在影响着人们的生活及生产,电磁能的广泛应用,使工业技术的发展日新月异。
电磁能在为人类创造巨大财富的同时,也带来一定的危害,被称为电磁污染,研究电磁污染是环境保护中的重要分支。
以往人们把无线电通讯装置受到的干扰,称为电磁干扰,表明装置受到外部干扰侵入的危害,其实它本身也对外部其他装置造成危害,即成为干扰源。
因此必须同时研究装置的干扰和被干扰,对装置内部的组织和装置之间要注意其相容性。
随着科学技术的发展,日益广泛采用的微电子技术和电气化的逐步实现,形成了复杂的电磁环境。
不断研究和解决电磁环境中设备之间以及系统间相互关系的问题,促进了电磁兼容技术的迅速发展。
一、什么是电磁兼容
顾名思义,“兼容”即“兼顾”/容忍”,但电磁兼容(E1ectromagneticCompatibility,简写为Emc)并非指电与磁之间的兼容,电与磁是不可分割,相互共存的一种物理现象、物理环境。
国际电工委员会(IEC)对EMC的定义是:
指在不损害信号所含信息的条件下,信号和干扰能够共存。
研究电磁兼容的目的是为了保证电器组件或装置在电磁环境中能够具有正常工作的能力,以及研究电磁波对社会生产活动和人体健康造成危害的机理和预防措施。
随着信息技术、自动化控制技术,通信导航技术和电视、广播、移动电话、电脑及微波炉、电视机等家用电器的广泛应用,电磁兼容成为世界“工业技术的热点问题。
电工,电子产品在方便人们的同时,对社会生产活动和人体健康也带来了一系列的不利影响。
首先,电子元件几乎在所有的设备中都存在,而它们越来越趋于在极微弱的信号下工作,且信号工作频率越来越高,动作时间越来越短。
因而更容易受外界电磁场的干扰或干扰别人;另一方面,高能量、高频率的发射源的增多,也意味着干扰信号的增强。
同时,电磁辐射污染也已被世界卫生组织列为必须严加控制的现代公害之一,据调查,长期接受高频电磁辐射,会对眼睛、神经系统、生殖系统、心血管系统、消化系统及骨组织造成严重的不良影响,甚至危及生命。
因此,清洁电磁环境,保证电工、电子产品正常工作已受到世界范围的普遍关注。
电磁污染的来源包括雷电(包括核爆等强电磁脉冲),静电及所有电气的动作(包括正常及非正常的)过程。
如卫星通信,飞机航行的智能化;高层建筑、通信无线塔、超高压输电线路、油库群、港口建筑、森林、古迹的防雷;工厂自动化生产线、电气牵引馈电系统的谐波,大型医疗设备。
物理仪器,家用仪器,电动工具、移动电话、遥控仪表、集成模块,印刷电路板等,凡有电磁现象存在的地方都有EMC问题,绝缘物体的相对摩擦也会产生可怕的静电效应。
例如高速飞行器与大气的相对运动、合成材料的缠绕、流体(石油、天然气等)的高速传输、化纤织物与人体的摩擦等,由于静电积聚的隐蔽性和释放过程的突发性,造成的危害程度不亚于谐波和强电磁脉冲。
近年来,电磁污染对人体健康的影响日益引起、人们的重视,图1为ANSI/IEEE(95.1一1991)公布的最大允许曝露值。
日本、瑞典、美国的学者均提出了人们生活环境下最低的磁场强度允许值。
国际上,对电工、电子产品或系统使用的电磁环境分为A、B两类,分别规定了电磁发射的限值电平,详见图2和图3。
A类环境即工业环境,指有工、科、医射频设备的环境;频繁切断大感性负载、大容性负载的环境;大电流并有强磁场环境等。
B类环境即居民区、商业区及轻工业环境,指居民群楼、商业零售网点。
商业大楼、公共娱乐场所、户外场所(如加油站、停车场、游乐场、公园、体育场等)。
图2、图3中电压电平是电压与固定的基值U0(U比值的对数,其单位为分贝(dB)。
二、防治电磁兼容措施
抑制电磁污染的首要措施是找出污染源;其次是判断污染侵入的路途,主要有传导和辐射两种方式,工作重点是确定干扰量。
解决电磁兼容问题应从产品的开发阶段开始,并贯穿于整个产品或系统的开发,生产全过程。
国内外大量的经验表明,在产品或系统的研制生产过程中越早注意解决电磁兼容问题,越可以节约人力与物力。
电磁兼容设计的关键技术是对电磁干扰源的研究,从电磁干扰源处控制其电磁发射是治本的方法。
控制干扰源的发射,除了从电磁干扰源产生的机理着手降低其产生电磁噪声的电平外,还需广泛地应用屏蔽(包括隔离)、滤波和接地技术。
屏蔽主要运用各种导电材料,制造成各种壳体并与大地连接,以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径,隔离主要运用继电器、隔离变压器或光电隔离器等器件来切断电磁噪声以传导形式的传播途径,其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来,切断通过阻抗进行耦合的可能。
滤波是在频域上处理电磁噪声的技术,为电磁噪声提供一低阻抗的通路,以达到抑制电磁干扰的目的。
例如,电源滤波器对50Hz的电源频率呈现高阻抗,而对电磁噪声频谱呈现低阻抗。
接地包括接地、信号接地等。
接地体的设计、地线的布置、接地线在各种不同频率下的阻抗等不仅涉及产品或系统的电气安全,而且关联着电磁兼容和其测量技术。
三、电磁兼容标准
电磁兼容技术的迅速发展,也刺激了对电磁兼容标准化工作的需求。
一些发达国家在EMC技术的研究、标准的制定、EMC测试及认证方面处于领先地位。
尤其是欧共体成员国关于EMC法律性指令(89/336/EEC指令)颁布以来,各国政府开始从商贸的角度考虑EMC问题,并采取相应措施加强EMC标准及法规的制定和贯彻实施工作,我国虽然在EMC方面工作起步较晚,但有关部门正加紧工作,以跟上国际EMC工作的步伐。
89/336/EEC指令,从1996年1月1日起强制执行,所有投放市场的电工电子产品,均须按照LMC指令的要求进行EMC认证。
认证合格后,贴上CE标志,见图4。
IEC(国际电工委员会)专门从事电磁兼容标准s化工作的有两个技术委员会,即国际无线电干扰特别委员会(CISPR)和第77技术委员会(TC77)。
其中CISPR负责制订频率大于9kHz发射的基础标准和通用标准,TC77负责制订9kHz和开关操作等引起的高频瞬态发射及整个频率范围内的抗扰性基础标准和通用标准。
TC77制订的国际标准是IEC61000系列。
我国的EMC测试及标准化工作是60年代起步的。
对应于ClSPR成立了全国无线电干扰标准化技术委员会,对应TC77成立了“全国电磁兼容标准化联合工作组”,以促进磁兼容EMC研究和标准化工作。
随着EMC标准化工作的进行,其认证工作作为市场经济发展到一个比较成熟阶段的产物,就如安全认证、环境保护的绿色认证一样,EMC认证也将是产品的一个重要质量标志。
四、结语
EMC对人民生活、工业化生产和世界贸易均有重要影响,电磁兼容技术的研究不仅为保护电磁环境,使电磁应用与电磁环境协调发展,同时也是我国电工、电子装置和系统与国际标准接轨的必然趋势
电磁兼容的概念及设计方法
摘自《电源技术应用》2003·4
——作者:
阎秀生宁天夫郭详玉郭云志
摘要
电和磁是相互关联的。
每一台电子设备都不可避免电磁兼容问题。
因此,为了使电子设备可靠运行,必须研究电磁兼容技术。
以实例说明了电磁兼容的思路和设计方法。
通过对电磁干扰源的明确认识,对电磁干扰引入路径的清楚了解,针对电磁干扰敏感的接收电路进行重点保护。
ConceptsandDesignMethodsofElectromagnetCompatibility。
Abstract:
ELectricityandmagnetisinterrelated.Eachandeveryelectricepuipmentdon'tavoidtheproblemonelectromagneticcompatibility.Therefore,inorderthatelectricequipmentcanoperatewell,itisnecessarytoresearchthetechnologyofelectromagneticcompatibility.Thethinkinganddesignmethodofelectromagneticcompatibilityareexplainedbyexamples.TounderstandthesourceofEMIandthepropagativewayofEMIclearlythekeyprotectionofsensitivereceivingcircuitforEMIcanbecarriedout.
一.引言
1822年安培提出了一切磁现象的根源是电流的假说。
1831年法拉第发现了变化的磁场在导线中产生感应电动势的规律。
1864年麦克斯韦全面论述了电和磁的相互作用,提出了位移电流理论,总结出麦克斯韦方程,预言电磁波的存在,麦克斯韦的电磁场理论是研究电磁兼容的基础。
1881年英国科学家希维塞德发表了“论干扰”的文章,标志着电磁兼容性研究的开端。
1888年德国科学家赫兹首创了天线,第一次把电磁波辐射到自由空间,同时又成功地接收到电磁波。
从此开始了电磁兼容性的实验研究。
1889年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题,使电磁兼容性研究开始走向工程化。
1944年德国电气工程师协会制定了世界上第一个电磁兼容性规范VDE0878,1945年美国颁布了第一个电磁兼容性军用规范JAN-1-225。
我国从1983年开始也陆续颁布了一系列有关电磁兼容性规范。
虽然电磁干扰问题由来已久,但电磁兼容这个新型的综合性学科却是近代形成的。
主要研究和应用的内容包括:
电磁兼容性标准和规范,分析和预测,设计,实验测量,开发屏蔽材料,培训教育和管理等。
二.电磁兼容的重要性
[1] 为了电子设备工作的可靠性
磁兼容性是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。
电磁干扰是对电子设备工作性能有害的电磁变化现象。
电磁干扰不仅影响电子设备的正常工作,甚至造成电子设备中的某些元件损害。
因此对电子设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。
既要注意电子设备不受周围电磁干扰而能正常工作,又要注意电子设备本身不对周围其他设备产生电磁干扰,影响其他设备正常运行。
[2] 为了电子设备的国际接轨
近来,电磁兼容性已由事后处理发展到预先分析、预测和设计。
电磁兼容已成为现代工程设计中的重要组成部分。
电磁兼容性达标认证已由一个国家范围向全球地区发展,使电磁兼容性与安全性、环境适应性处于同等重要的地位。
例如,欧共体将产品的电磁兼容性要求纳入技术法规,强制执行89/336/EEC指令,规定从1996年1月1日起电气和电子产品必须符合电磁兼容性要求,并加贴CE标志后才能在市场销售。
为了与国际接轨,我国外经部和国家出入境检验局于1999年1月起对个人计算机、显示器、打印机、开关电源、电视机和音响设备实施电磁兼容性强制检测。
国家技术监督局规定从2002年10月起陆续对声音和电视广播设备、信息技术设备、家用电器、电动工具、电源、照明电器、电点火驱动装置、金融结算电子设备、安防电子产品和低压电器实施电磁兼容性强制性认证。
[3] 为了人身和某些特殊材料的安全
电磁波通过与电爆装置的控制电路感应耦合,形成的干扰电流可能引起电爆装置爆炸。
因此GJB786中规定,电引爆器导线上的电磁干扰感应电流和电压必须小于最大不发火电流和电压的15%。
另外,各种燃油在强电磁场的作用下(直接照射、电火化、静电放电)有发生燃烧和爆炸的危险,电磁能量通过对人体组织的物理化学作用会产生有害的生理效应。
因此,为了人身和某些特殊材料的安全,GJB786中还规定,电子设备的电磁辐射量连续波的平均功率密度不允许超过4mW/cm2,脉冲波的平均功率密度不允许超过2mW/cm2。
[4] 为了当今和未来战争的需要
核爆炸时产生的电磁脉冲,以光速向外辐射传播,其电场强度可达105V/m,磁场强度可达260A/m,脉冲宽度为20ns量级,电磁脉冲峰值处频率为105Hz。
这种电磁脉冲作用于电子设备时,轻者造成电子设备性能恶化,重者造成电路元件损坏。
特别是当今和未来战争中,已经应用的电磁脉冲弹和正在研制的高功率微波武器都具有类似核爆炸时产生的电磁脉冲辐射,将对电子设备构成致命威胁。
而电磁兼容可以为对抗这种威胁提供基本技术指导。
三.电磁兼容的设计思路
为了提高电子设备的电磁兼容能力,必须从开始设计时就给予电磁兼容性以足够的重视。
电磁兼容的设计思路可以从电磁兼容的三要素,即电磁干扰源、电磁干扰可能传播的路径及易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件入手。
也就是
[1] 首先,要充分分析电子设备可能存在的电磁干扰源及其性质,尽量消除或降低电磁干扰源的参数。
[2] 其次,要充分了解电磁干扰可能传播的路径,尽量切断其路径,或降低与电磁干扰耦合的能力。
[3] 最后,要充分认识易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件,尽量杜绝其接收电磁干扰的可能性。
据此,在设计时应采取相应对策,消除或部分消除可能出现的电磁干扰,以减轻调试工作的压力。
在调试中,针对具体出现的电磁干扰,以及接收电磁干扰的电路和元器件的表现进行分析,以确定电磁干扰源所在及电磁干扰可能传播的路径,再采取相应的解决办法。
四.电磁兼容的具体实例
[1] 对电磁干扰源要有明确的认识
例如,某探测设备在探测元件无输入信号时,其放大器输出端的干扰信号峰值为50.8mV,远远超过了该探测设备输出端最小探测信号电压峰峰值4.0mV的要求,致使整个设备无法正常工作。
该台探测设备的驱动电源采用直流斩波式方波交流电源,驱动螺线管电磁铁往复运动,由上可见,驱动电源的负载为感性的电磁线圈。
对感性的电磁线圈采用直流斩波式方波交流电源供电,在斩波时将产生严重的电磁干扰。
因为感性的电磁线圈中的电流变化必然产生感应电动势,电流变化越快,产生的感应电动势越大。
这种感应电动势将会通过某种路径传导耦合到放大器的输出级,而成为严重的电磁干扰。
该台探测设备的驱动电源采用线性纯正弦波电源时,在探测元件无输入信号时,在放大器输出端最大探测信号电压峰峰值仅为4.4mV。
而且有随机性质的噪声电压,其峰峰值最大为3.0mV。
说明原来干扰信号已被极大地消除。
从该项工作中,使我们体会到电磁干扰的严重性,对电磁干扰的认识仅停留在一般的水平上,广泛地、全面地采取各种抗干扰措施也不一定见效,必须抓住主要矛盾。
再举一例,某电子设备,当打开电源开关时,其测量显示呈紊乱状态。
究其原因,正是在电源开关时刻,电路由一种稳态转换到另一种稳态的过渡过程中,所出现的过电压、过电流所致。
为此,采取一定容量和电压的氧化锌压敏电阻并联在电源上,便收到了较好的效果。
这也说明对电磁干扰源有明确认识时,才能有的放矢地采取抗干扰措施,效果明显。
[2] 对电磁干扰可能的传播路径要有清楚了解
在核聚变化学研究中,将巨大的微波能量耦合到等离子体中,以提高核聚变物理参数。
为此,需要高能大功率发射系统。
其主电源脉冲电压达20kV,最大脉冲宽度30ns,最高脉冲功率2400kW。
该电源通过电感储能,直流开断,脉冲整形等一系列环节,由微机控制来实现。
调试过程中,当电压达数kV时,系统便无法正常运行。
轻则控制程序出错,重则程序全部被冲掉,更严重时微机芯片被烧毁。
由于对电磁干扰认识肤浅,,盲目地采取各种措施,如重新布线,改善接地,增加电磁屏蔽和隔离等等,忙了几个月均不能根本解决问题,挫折迫使我们冷静下来。
在进行了科学分析后,认定必须要对幅度高达数kV,前后沿很陡的这一电磁干扰源有清楚了解,并对其可能传播的路径采取加强隔离措施。
在对光电隔离器采取双重设计后,微机能稳定、可靠地工作了。
再举一例,在激光电源低功率调试中发现应交替导通的两个逆变开关IGBT的触发信号存在重叠现象,即有互相干扰。
如果不消除这种干扰,可能发生主电路直通故障。
基于以前积累的对电磁干扰可能的传播路径要有明确认识的工作经验,我们从逆变开关IGBT的触发端倒推,一级一级地检测出触发信号,直到产生触发信号的TL494集成电路的两个输出端,发现这两个输出端的引线距离很近,且平行布线很远。
通过分析表明,这种情况容易产生电容性耦合干扰,干扰的强弱与工作频率及两条引线之间的分布电容量有关。
当我们将其中一条引线切断,用一条拉开很远距离的临时导线代用后,两个逆变开关IGBT的触发信号不再发生重叠现象了。
从该项工作中,使我们体会到对电磁干扰可能传播的路径有明确的认识,才能顺利地排除电磁干扰。
否则将无从下手解决存在的电磁干扰问题。
[3] 对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件要进行重点保护
还是上述的第一个例子中,某探测设备在探测元件无输入信号时放大器输出端的干扰信号远远超过最小探测信号电压值,致使整个设备无法正常工作。
经过认真分析和实际测试,除了对电磁干扰源缺乏明确的认识和电磁干扰可能传播的路径缺乏清楚了解外,对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件——传感器输入电路和前级放大电路主要采取两项电磁兼容性措施:
(1)信号接地 信号接地的主要目的是为了抑制电磁干扰,应当特别注意低电平电路、信号检测电路、传感器输入电路和前级放大电路的接地。
该探测设备的传感器输入电路、前级放大电路和末级放大电路的接地应该只设一个接地点,因为多个接地点会引入共模阻抗的干扰。
而这个接地点的位置应当选择在保证地线中的电流流向为从小信号电路流向大信号电路,从而避免大信号电路的地线电流对小信号电路产生干扰。
(2)屏蔽 加强该探测设备的传感器输入电路和前级放大电路电磁屏蔽,并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。
电磁屏蔽设计时,一般采用电导率高的材料作为屏蔽体,并将屏蔽体接地。
它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰,有因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。
屏蔽体的厚度不必过大,应以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。
另外要注意屏蔽的完整性,如果屏蔽体不完整,将导致电磁场泄漏。
五.电磁兼容的设计方法
[5.1] 对电磁干扰源的设计方法
电磁干扰源的种类相当多,比如,自然的电磁干扰源包括:
地球表面的最大磁场强度为52A/m,平均电场强度为130v/m,雷电的大气干扰,静电的电晕放电和宇宙噪声等等。
人为的电磁干扰源包括:
含有整流子的直流电机换向时火花的电弧和电流变化,电器开关动作时产生的电弧和电流变化,非线性元器件工作时产生的谐波,高频振荡器和无线电发送设备的电磁辐射,汽车点火系统,医疗用的超声波发生器,生活用的微波炉以及电磁脉冲等等。
可以说电磁干扰源无处不在,下面仅谈论与我们相关的主要电磁干扰源。
[5.1.1]供电电源
供电电源,常由于负载的通断过渡过程,半导体元件的非线性,脉冲设备及雷电的耦合等因素,而成为电磁干扰源。
供电电源电磁兼容的设计方法为:
[1]采用交流电源滤波器
由于交流电源滤波器是低通滤波器,不妨碍工频电能的通过,而对高频电磁干扰呈高阻状态,有较强的抑制能力。
使用交流电源滤波器时,应根据其两端阻抗和要求的插入衰减系数选择滤波器的型式。
要注意其承受电压和导通电流的能力,屏蔽与机壳要电气接触良好,地线要尽量短,截面足够大,进出线要远离,而且滤波器应尽量靠近供电电源。
[2]采用电源变压器加静电屏蔽
由于电源变压器初、次级间存在分布电容,进入电源变压器初级的高频干扰能通过分布电容耦合到电源变压器的次级。
在电源变压器的初次级间增加静电屏蔽后,该屏蔽与绕组间形成新的分布电容。
将屏蔽接地,可以将高频干扰通过这一新的分布电容引入地,从而起到抗电磁干扰的作用。
静电屏蔽应选择导电性好的材料,且首尾端不可闭合,以免造成短路。
[3]脉冲电压的吸收
对脉冲电压的电磁干扰可以采用压敏电阻、固体放电管或瞬态电压抑制二极管来吸收。
当脉冲电压吸收器件承受一个高能量的瞬态电压脉冲时,其工作阻抗能立即降到很低,允许通过很大的电流,吸收很大的功率,从而将电压钳制在允许的范围内。
压敏电阻或固态放电管可应用于直流或交流电路。
单向瞬态电压抑制二极管应用于直流电路,而双向瞬态电压抑制二极管应用于交流电路。
使用脉冲电压吸收器件时,应选择其额定电压略高于设备的最大工作电压,以保证无脉冲电压时,吸收器件的功耗最小,当有脉冲电压时,其钳位的电压应低于设备的最高绝缘电压,以保证设备的安全。
其通流能力应大于脉冲电压所产生的电流。
[4]直流电源的电磁兼容措施
——整流电路的高频滤波 即在整流管上并联小电容(0.01uF)进一步滤掉从变压器进入的高频干扰。
——直流退耦 即在直流电源和地之间并联2个电容,大电容(10uF—100uF)滤掉低频干扰,小电容(0.01—0.22uF)滤掉高频干扰。
[5]电源的其它电磁兼容措施
——控制电路和功率电路采用分相供电或采用不同的电源供电。
——采用UPS(不间断电源)供电。
——采用电源电压监视集成电路
[5.1.2]暂态过程
暂态过程是由于电路机械触点的分合,负载的通断和电路的快速切换导致电路电压或电流发生快速变化,而成为电磁干扰源。
暂态过程的电磁兼容设计方法为
[1]电路机械触点的熄火花电路
电路机械触点的熄火花电路由电阻(R)和电容(C)串联组成。
其原理是用电容转换触点分断时负载电感(L)上的能量,从而避免在触点上产生过电压和电弧造成的电磁干扰,最终有电阻吸收这部分能量。
电路参数计算如下:
R>2(L/C)1/2 (Ω)
(1)
C1=4L/R2 (uF)
(2)
C2=(Im/300)2L (uF) (3)
式中:
R为电阻(Ω);
L为负载电感(uH);
Im为负载电感中的最大电流(A);
C取C1、C2、中最大者。
[2]电感负载的续流电路和吸收电路
直流电路电感负载的续流电路是用二极管反并联在电感负载上。
当切断电感负载时,其上的电流经二极管续流,不会产生过电压而危及电路上的其它器件。
参数选择如下:
IF>2IN (4)
VRRM>2VN (5)
式中:
IF为二极管正向平均电流;
VRRM二极管反向重复峰值电压;
IN为电感负载的额定电流;
VN为电感负载的额定电压。
如果用压敏电阻代替二极管,其效果会更好。
因为压敏电阻吸收能量快,从而减小了动作响应时间。
另外,压敏电阻还可以应用在交流电路电感负载的场合。
应用压敏电阻时应注意以下几点:
——压敏电阻的标称电压;
——压敏电阻的压比;
——压敏电阻的吸收能量的能力;
——压敏电阻的前沿响应时间;
——压敏电阻应当尽量紧靠电感使用;
[3]电容负
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