第四章-接地与搭接技术.ppt
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第四章接地与搭接技术,4.2安全接地,4.3信号接地,4.4地线回路的干扰及抑制技术,4.1接地的概念,4.5电缆屏蔽体的接地,4.6屏蔽盒的接地,4.7搭接,电磁干扰的抑制技术概论,万能的处理电磁兼容的方法是不存在的,例如对于EMC暗室,就有金属、铁氧体、吸波材料等。
总体上可以分为2类,第一:
设计上尽量选用相互干扰小的元件、部件,结构上注意合理布局,以保证元件、部件等级上的电磁兼容性,第二:
采用接地、屏蔽、滤波等技术,降低干扰电平,增加传播途径上的衰减,4.1接地的概念,指电路或系统的电位基准面(相对电位零点),接地的两种含义:
(1)接“大地”,以地球电位作为基准,并以大地作为零电位。
提供放电通路。
(2)系统基准“地”指信号回路的基准导体。
如设备外壳、金属底座、屏蔽罩、粗铜线、铜带等。
并设基准导体电位为相对零电位。
什么是地?
接地:
在系统的选定点与某个电位基准面之间建立低阻的导电通路。
几点说明:
理想的基准导体(接地平面)处处零电位,零阻抗。
实际上即便是超导,表面两点之间也存在电抗效应,实际只是近似而已。
接地面应采用低阻抗材料(如铜)制成,并有足够的长度、宽度和厚度,以保证在所有的频率上都呈现低阻抗。
如:
用于安装固定设备的接地平面应当有整块铜板或网格(25cm25cm)或更密一些的铜栅网组成。
对多路发射机装置要求用薄铜板作接地平面。
接地平面还应对大地呈现很大的电容。
在组装时,接地平面应延伸到所有设备底面的下方,而且应比设备底面最大尺寸伸长1.8m或更远。
如:
大功率发射机要求接地平面在径向延伸到最低工作频率波长的1/4,以便排除地电流。
还需设计一条接地母线,以便为设备提供就近接地汇流点,该母线应该每隔1.8m或更短的间距与接地平面经铜带熔焊连接在一起。
接地产生的电磁干扰,由于接地结构难以孤立完成,至少要有连接导线和导电平面。
当接地平面上有来自不同信号源的电流流过时,由于接地系统存在电阻就会产生电压降,这个电压就是造成电磁干扰的干扰电动势,也就是公共地阻抗干扰。
由于接地系统中存在回路,则外部电磁干扰源就通过电磁波作用在接地回路中产生感应干扰电动势。
提高电子设备电路系统工作的稳定性。
使整个系统有一个公共的零电位基准面,抑制外界电磁场的影响,并给高频干扰提供低阻抗通路。
使系统的屏蔽接地,取得良好的电磁屏蔽效果,达到抑制电磁干扰的目的。
防止雷电放电或事故导致金属外壳上出现过高对地电压而危及操作人员或设备的安全。
“接地”不一定与大地相通。
通常接地平面与大地连接,主要是基于以下考虑:
泄放因静电感应在机壳上积累的电荷,避免电荷积累过多形成高压而导致内部放电而造成干扰。
在电磁兼容领域,最容易犯的错误是忽视了导线电感引起的阻抗,特别是当频率较高时,电感的感抗会远远大于电阻。
(单根直导线),(矩形横截面导体),4.2安全接地,作用分类,安全接地:
就是为了安全(电路、设备及人身的安全)。
安全接地又可称为保险接地,必须接大地。
安全接地是采用低阻抗的导体将设备外壳与大地相连,使操作人员不致因设备外壳漏电或静电放电而发生触电危险。
安全接地还包括建筑物、输电线、高压电力设备的接地,其目的就是防止雷电放电造成设施破坏和人身伤亡。
第一、避免因静电感应,使机壳上积累过多电荷,产生高电压,导致设备内部放电造成干扰;第二、为操作人员提供安全保障。
Z1:
高压部件与机箱间的阻抗,Z2:
机箱与大地之间的阻抗。
接地:
Z20,U20不会发生触电危险,设备金属外壳的安全接地,不接地:
Z2为无限大,U2=U1机箱电压就是电源电压,有触电危险!
安全接地的目的:
例:
带有保险丝的电源线对设备供电,机壳未接地,当电源线与机箱间的绝缘被击穿,机箱带有电网电压,会有触电危险,机壳接地,机箱电压为零,有大电流经机箱流回电源,保险丝熔断,从而保证机箱不带电。
一般情况下,接地电阻为510欧,当人体接触带电外壳时,流经人体的电流可减少到原先漏电流的1/1001/200,而大部分电流经接地电阻分流。
人体电阻:
当人与机壳接触时,相当于在机壳与大地之间连接了一个人体电阻,干燥状态下,人体电阻高达40100K,潮湿状态下,人体电阻约为10K,流经人体的安全电流值,交流电流为1520mA,直流电流为50mA,国家规定人体安全电压为36V和12V。
接地能保证无意碰触漏电设备的人体中流过的电流达到安全值。
接零保护:
动力电气设备(如电动机)通常由三相四线制电网供电。
设备机壳除了外壳接地外,还应与电网零线连接,称为接零保护。
原因:
外壳接地后,由于接地电阻与电网中性点接地的接地电阻大小相当,因此接地阻抗上的电压降几乎为220V的一半,超过人体的安全电压,所以必须接地又接零保护。
在任何情况下,短路电流从零线回流,从而起到保护人身安全的作用。
配电箱、电缆线金属外皮和厂房配电柜等,凡采用三相四线制供电的动力设备,必须接地和接零。
防雷接地:
把可能受到雷击的物体和大地连接,以便提供泄放大电流的通路。
同时要求在消除雷击时,不影响其它接地系统。
防雷接地的作用就在于把雷闪的强大电流引离保护对象,导入大地,并保证由此引起的流散电场降低到安全水平以下。
防止雷击的措施,一般采用避雷针,若避雷针高为h,则保护区域为以投影为中心,半径为3倍高度的面积9h2,防雷接地的目的很明确,就是防护人及物体遭到雷击。
这物体可能是天线、大楼,也可能是电气、电子设备。
当它们所处位置较高、距雷云较近时,一定要防雷接地。
4.静电接地:
非导电用金属部件的接地,称为静电接地。
是防止静电事故的主要措施之一。
目的:
通过接地释放金属部件上的静电荷。
防止导体部件接收近区无线电发射机的辐射能量并再发射出去。
根据国标GB121581999明确指出,在所有需要采取防静电措施的场合,对所有金属物体应采用金属物体与大地作导通性连接,对金属以外的静电导体及亚导体应作间接接地。
4.3信号接地,信号接地的方式包括单点接地、多点接地、混合接地和浮地,4.3.1单点接地(低频),在整个电路系统中,只有一个物理点被定义为接地参考点,其他各需要接地的点都直接连接到这一点上,分为串联单点接地和并联单点接地两种方式,1.串联单点接地,优点:
结构简单,易于实现。
缺点:
存在公共阻抗耦合,各点的地电位相互影响较大,最容易引起干扰。
实践处理:
具有最低接地电平的电路放在最靠近接地点的地方;敏感设备放在最靠近接地点的地方;大功率电路与小功率电路的混合系统,应避免单点接地。
用一条公共接地线接到电位基准点,需要接地的部分就近接到公共接地线上。
2.并联单点接地,优点:
不存在公共地阻抗,各电路互相不影响,缺点:
1)结构复杂、不便于使用;2)各地线间可能形成电容性和电感性耦合。
结论:
单点接地只适用于低频电路,当l接近于/4时,有很强的天线效应,向外辐射;高频时分布电容与分布电感的影响,难以实现真正的单点接地。
各电路的地电位,需要接地的部分,通过独立的地线分别接到接地点,3.串联单点与并联单点混合接地,模拟电路1,模拟电路2,模拟电路3,数字信息处理电路,数字逻辑控制电路,马达驱动电路,继电器驱动电路,模拟信号地和数字信号地分别设置,干扰源(电动机、继电器、开关)的接地系统与其他电路系统的接地分别设置,4.3.2多点接地(高频),电子设备(或系统)中各个接地点直接接到距它最近的接地平面上,以保证接地线的长度最短。
接地平面可以是设备的底板,也可以是贯通整个系统的接地母线,还可以是设备的结构框架。
高频电子设备往往以镀银底板作为接地平面,以减小其表面阻抗,保证各级电路就近与其连接,达到低阻抗的要求。
还可以在接地面上开一些阻隔用的孔或槽,以便将地电流引导到合适的接地点。
多点接地,应尽可能减少接地线长度,使高频阻抗减至最小。
各电路的地电位,优点:
接地线较短,适用于高频及数字电路。
缺点:
形成各种地回路,可能造成地回路干扰,尤其是对频率较低的电路。
接地的基本规则:
单点接地适用于低频,多点接地适用于高频;,当时,一般采用单点接地;,当时,一般采用多点接地;,当时,一般采用单点接地;,当时,若最长接地线,则采用单点接地;若,则采用多点接地。
如果电路对电压降很敏感,则接地线长度应比更小;若电路只是一般敏感,则接地线可大于。
准则:
在所关心的最高频率上,若最长接线,则属于低频,采用单点接地;若,则属于高频,采用多点接地。
接地板上充满高频电流和干扰场形成的涡流,因此,在接地点之间构成许多回路,这些回路的直径(或接地点间距)应小于最高频率波长的1/20。
4.3.3浮地,设备地线系统在电气上与大地相绝缘。
缺点:
不能适应复杂的电磁环境,特别是对于一个较大的电子系统,对地的分布电容较大,不能做到真正的悬浮;雷击、静电感应时,会击穿绝缘,甚至引起弧光放电。
低频、小型电子设备普遍采用浮地方式,大型、高频电子设备不宜采用,第一类接地系统:
敏感信号和小信号接地系统。
包括低电平、小信号检测、传感器输入、前级放大、混频器电路等。
第二类接地系统:
非敏感信号或大信号接地系统,包括高平电路、末级放大器电路以及大功率电路。
4.3.4混合接地(按照电路各自的性质采用不同的接地方法),特点:
特别容易受到干扰,出现电路失效或电路性能降低,接地导线应尽量避免混杂其他电路。
特点:
必须将其与小信号接地线分开设置。
第三类接地系统:
干扰源器件、设备的接地系统。
如电动机、继电器、火花塞等。
第四类接地系统:
机壳、设备底座、系统金属构架等。
特点:
干扰频带宽、瞬态电平高。
除屏蔽外,必须与其它接地分开设置。
特点:
保证人身安全和设备工作的稳定。
注意:
工程实践中,模拟信号地、数字信号地必须分别设置。
直流与交流地必须分别设置。
设备电路的分类:
噪声电路(电源或控制电路)宽带高电平(kV),模拟电路窄带有增益低电平(V,mV),数字电路宽带无增益中电平(V),机架设备的接地点与外部接地桩之间要保证可靠的电气连接;接地线材料应采用多股铜线;铜线的横截面积应满足相关标准要求;,混合接地实例:
对于大型设备,不同的地也可分开引出,就近接到机房的接地桩上,4.3.5转换接地(适应电子线路高低频两方面的工作特性),低频:
电容的阻抗大单点接地高频:
电容的阻抗小多点接地,如图,电路为一低电平视频电路,在从音频到高频端,实现了低频单点、高频多点,避免了低频地电流回路的形成。
如:
抗高频干扰的低频传输屏蔽电缆。
注意:
避免电容与引线电感发生谐振,高频:
电感的阻抗大单点接地低频:
电感的阻抗小多点接地,如图,某电路,计算机及其外设,一般需要导线接地。
但是容易引起电气干扰,通过加线圈(1mH:
f=50,Z0.4,f=50k1MHz,Z约为1K)这种方式有助于抑制地线中的感应、瞬变和干扰进入逻辑总线,高频单点、低频多点混合接地,如:
多个设备安全接地,高频电路则单点接地。
在印制板上,1000V以上级别的雷击浪涌保护器件必须单独设立保护地。
保护器件应尽可能靠近插座或印制板的边缘,保护地线应尽可能粗、短且均匀。
一般,保护地除了与保护器件相连以外不能与其它元器件和其它地线相连,保护地与其它焊盘、走线应隔离足够距离。
保护地线应独立引出单板,接到后背板的保护地层上。
保护器件接地设计,几种实用接地技术介绍,扁平电缆接地的设计,64kbit/s信号传输采用屏蔽双绞线时,其屏蔽层收发两端均要接地。
线缆接地设计,2048kbit/s信号传输时应采用屏蔽双绞线或同轴电缆。
双绞线的屏蔽层收发两端均要接地;同轴电缆的外导体收发两端均要接地。
8448kbit/s、34368kbit/s、139264kbit/s、155520kbit/s信号传输时不宜采用双绞线,可采用同轴电缆,同轴电缆的外导体收发两端均要接地。
运动系统的接地(飞机),飞机的接地面,采用的是悬浮接地。
一般提供几个系统接地点,分组建立零电位,将小信号、大信号电路地及干扰源噪声地分别设置,然后连到一个接地体上。
飞机射频接地面,由于是悬浮接地。
接地面建立在机壳金属构件上。
凡构成蒙皮的所有构件(机翼、机身)之间,蒙皮上的舱盖、检修门必须搭接到基本结构上,电气上提供一个低阻通路。
飞机防雷接地,飞机可能会遭受两种雷击,直击雷和感应雷击,易造成设备毁坏,因此整个机体和基本结构应有连续的低阻通路。
飞机静电接地,飞机飞行时会产生大量静电荷在飞机尖端部位。
虽然安装了一定数量的放电器,但总有一部分电荷,形成比大地电位高许多的高电位,因此着陆时应有接大地的装置,如接地刷、接地钢索等,将飞机上的剩余静电迅速放掉。
飞机停在地面或加油时,必须与大地同电位连接,防止静电放电起火。
4.4地线回路的干扰及抑制技术,4.4.1地线回路中的电磁干扰,共地阻抗的共模干扰。
地线本身既有电阻分量又有电抗分量,当电流流过地线时,将产生电压降,通过一定的耦合方式形成干扰;,场对导线的共模干扰。
地线与其他连接线形成地回路,当时变电磁场耦合到回路中时,产生感应电动势,形成干扰;,由地回路中的共模干扰在受害回路输入端引起的干扰电压。
地回路干扰的来源:
ZG,I1,I2,UN,共用接地阻抗上ZG的地电流IG形成一共模噪声电压UG,使回路ABCDEFGHA和回路ABCIJFGHA上流动着噪声电流I1和I2,由于两回路阻抗不平衡,在负载两端差生差模干扰电压UN,地电流的计算:
地电压的计算:
设备1,电磁场耦合到地回路中,机壳,RX,机壳,设备2,连接电缆,Ui,I1,I2,电磁波,UN,地回路中的感生电压:
设两个地回路中的感生电压Ui相等,使地回路上流动着噪声电流I1和I2,由于两回路阻抗不平衡,在负载两端差生差模干扰电压UN,地回路耦合系数:
(用于说明地回路干扰的大小),UG-为地回路中的共模干扰电压,UN-为UG在受害电路输入端产生的差模干扰电压,4.4.2两点接地时的噪声电压,由于接地阻抗的存在,接地点间存在电位差,映射到电路中,就形成噪声电压,A点为信号源接地点,B点为放大器接地点,A,B点间存在地电位差UG,UG在放大器输入端形成噪声电压,当,则,故,思考:
如何去除噪声电压,由于,当时,,为消除干扰,则需去掉一个接地点,在信号源的接地端接入阻抗ZSG,例:
设RC1RC21、RS500、RL10k、RG=0.01、UG=10mV,试计算在放大器输入端的干扰电压值。
若在信号源与地之间加一个很大的阻抗ZSG=1M,则,解:
在信号回路中使用隔离变压器,在信号回路中使用中和变压器(共模扼流圈),在信号线上使用磁环,在数据线路中使用光电耦合器或光纤,使用差分放大器,4.4.3抑制地回路耦合电磁干扰的技术,1.使用隔离变压器,原理:
地回路被隔离变压器阻隔,分析:
由于绕组间存在分布电容,仍会产生一定干扰,或,当时,,适用范围:
,即,2中和变压器(纵向扼流圈),对于流过接地线的共模干扰电流,流经两线电流方向相同,所产生的磁场相长,故扼流圈对回路干扰电流呈现高阻抗,起到抑制地回路的作用。
对于正常信号,流过的电流相反,所产生的磁场完全抵消,对电流没有影响,且不会切断直流回路;,结构:
两个绕向相同、匝数相同的绕组构成,原理:
对干扰信号的抑制,设两绕组上的电流分别为I1、I2,则,(令US0),在一般情况下,得,故,当时,,对信号的影响,设信号电流为IS,地电流为IG,则,(令UG0),简化为:
结论:
中和变压器对高频干扰具有较好的抑制能力,中和变压器对信号的传输几乎没有影响,信号电流:
地电流:
当时,,讨论:
当时,,信号电流不再流经地线,原理:
同中和变压器,结论:
信号电流主要流经同轴线的屏蔽层,抑制了它对其它电路的干扰。
地线电流主要流经地线和屏蔽层,抑制了地回路的干扰。
得,3同轴电缆对地回路干扰的抑制,分析:
由ARSLSBA构成的回路中,US,I1,IS,IG,当时,,4在信号线上使用铁氧体磁环,铁氧体磁环是高导磁率和高电阻率的材料,在导线上套铁氧体磁环可增加导线自感,在同轴线上套磁环,可降低同轴线截止频率,进一步提高同轴线抑制地回路干扰的能力。
注意:
铁氧体吸收性能随电路阻抗和频率而变。
对高频干扰有很好的抑制损耗,而对低频电路的损耗较小。
5使用光电耦合器或光纤,用光电耦合器断开地回路,电路1,电路2,UG,ZG,光电耦合器对信号的传输:
利用发光二极管的发光强度随通过它的电流的变化特征,把电路1的信号变换成强弱不同的光信号;光敏三极管再把强弱不同的光信号转换成信号电流,从而完成电路1和电路2之间的信号传输。
光电耦合器对干扰的抑制:
光电耦合器利用光来传输信息,从输入端传送到输出端的光电耦合器件使得输入和输出在电气上完全隔绝,因而能有效地抑制干扰。
光电耦合器适用于数字电路,不适用于模拟电路(易引起模拟信号失真)。
光电耦合器的输入输出端之间的杂散电容(0.3pF10pF)限制了光电耦合器在高频端的使用。
使用光纤的工作原理:
光纤的优点是具有无感应性和高度隔离性,相当于在共模地回路中引入一个高阻抗,能从本质上消除干扰,常用作强电磁干扰环境中的信号传输线以及作微弱检测信号传输线。
6使用差分放大器,差分放大器的输出电压,当两个输入端对地平衡时(线路阻抗和输入阻抗相等),即为差分平衡器件。
U0=K(U1-U2),对干扰的抑制,增大放大器的输入电阻或减小信号源内阻,可以有效抑制地回路的干扰,例:
UG=100mV,RG=0.1,RS=500,RC1=RC2=1,K1RL1=RL2=10K,求UN=?
若RL1=RL2=100K时,UN=?
解:
接入差分放大器后,地线回路电压UG引起的干扰被大大减小了,其中,如此,大为减少干扰,同时对信号而言,也没有增加输入阻抗。
4.6电缆屏蔽体的接地,1放大器接地,信号源不接地,f1MHz时,电缆一般采取单点接地。
四种可能的接地方式:
A、B、C、D,结论:
方式D最好,方式A干扰会直接流入一条芯线,产生干扰,不合适。
方式B,方式C,仍然不理想,方式D,US,UG1,UG2,A,B,C,D,1,2,C1S,C12,C2S,2放大器不接地,信号源接地,结论:
方式A最好,小结:
当电路有一个接地信号源与一个不接地的放大器连接时,连接电缆的屏蔽层接地应接至信号源的公共端;,当电路有一个不接地信号源与一个接地的放大器连接时,连接电缆的屏蔽层接地应接至放大器的公共端。
以上结论对屏蔽双绞线和同轴电缆同样适用。
屏蔽双绞线的接地,US,US,同轴电缆的接地,f10MHz时,电缆必须采用多点接地的方式,高频时,由于杂散电容的存在,很难做到单点接地。
较长电缆,要求每隔0.1接地一次,以有效防止屏蔽体上出现高电平噪声。
高频时,由于趋肤效应,噪声电流只在屏蔽体外表面流动,信号电流仅在内层流动,相互间的干扰最小,用小电容取代杂散电容,就可以实现低频单点接地,高频多点接地,适用于在较宽频率范围内工作的电路,4.6屏蔽盒的接地,4.6.1单层屏蔽盒的接地,若屏蔽盒不接地,信号电路与屏蔽盒之间的杂散电容,在放大器的输出端与输入端之间引入反馈通路,放大器将产生自激震荡。
通常,则,要消除放大器的自激震荡,屏蔽盒必须接地(接电路的系统地),消除反馈干扰的方法:
屏蔽盒与放大器的公共端短接。
注意:
这种连接方式在共同端不接地也适用。
屏蔽盒接地点的位置,形式上共有三种选择,放大器的输入端、输出端和公共端,4.6.2双层屏蔽盒的接地,信号电路采用双层屏蔽时,抗电场干扰的屏蔽层必须接地,屏蔽接地点以及内外层连接点位置的选择,与单层屏蔽一样,应选在信号地线的输出端,搭接:
两个金属物体之间的结构连接,在金属表面间建立低阻抗的通路。
避免或减小设备间的电位差;减小接地阻抗、降低接地公共阻抗干扰和地回路干扰;实现屏蔽、滤波和接地技术的设计目的;防止雷电放电的危害、保护设备等的安全;避免静电放电。
4.7搭接,目的:
为电流提供一个电气上连续的结构面和低阻抗通路,避免相互连接的金属面之间形成电位差。
良好搭接的作用:
搭接阻抗的影响,搭接阻抗包括搭接条阻抗和搭接条与所接触的金属面之间的接触电阻,基本搭接方式:
直接搭接和间接搭接。
直接搭接:
直接把欲搭接的两金属构件连接在一起,无需中间过渡导体,间接搭接:
利用中间过渡导体(搭接条或搭接片)把欲搭接的两金属构件连接在一起,直接搭接的性能优于间接搭接,搭接的方法:
永久性搭接和半永久性搭接。
焊接:
搭接电阻极小搭接性能稳定永久性,不能变化,压力搭接:
存在一定的搭接电阻搭接性能不稳定灵活,可分开,导电胶粘接:
简单环境适应能力较差机械性能、导电性能较差,采用熔接、钎焊、熔焊、冷锻等,可实现永久性搭接,采用螺钉、铆钉等,可实现半永久性搭接,实现良好搭接的一般原则,搭接金属表面之间紧密接触。
尽可能采用相同的金属进行搭接。
对不同金属进行搭接时,金属间的电化序电位差不超过0.6V,以减小电化腐蚀。
保证搭接处或搭接条(片)能够承受预料的电流,以免因出现过载而熔断。
搭接条(片)应尽量短、粗、直,以保证搭接低阻抗。
对搭接处应采取防潮和防其他腐蚀的保护措施。
搭接电阻的要求,一般搭接电阻:
510m,土建设施搭接电阻:
1020m,电磁兼容实验室内搭接电阻:
2.5m,易燃易爆电路特殊要求搭接电阻:
0.52.5m,搭接阻抗不仅仅是直流电阻,导线的电感、机箱与地之间的分布电容不能忽略,搭接电阻的测试,采用四端法可直接测量搭接点的直流或低频搭接电阻,采用高频搭接阻抗测量探头、网络分析仪或带有跟踪信号源的频谱仪,可以测出搭接条的高频阻抗特性。
作业:
4.14.24.44.54.6,
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- 第四 接地 技术