1、第第7章章 接地技术接地技术 第第7章章 接地技术接地技术 7.1 电子设备接地的目的 7.2 接地系统 7.3 安全地线 7.4 地线中的干扰 7.5 低阻抗地线的设计 7.6 阻隔地环路干扰的措施 7.7 屏蔽电缆的接地 7.8 附加实例 习题 第第7章章 接地技术接地技术 在电子设备中,接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要手段之一。7.1 电子设备接地的目的电子设备接地的目的 在设计中如果能把接地和屏蔽正确地配合使用,则对实现电子设备的电磁兼容性将起到事半功倍的作用。第第7章章 接地技术接地技术“地”可以是指大地,陆地使用的电子设备通常以地球的电位作为基谁,并以大地作为零电位。“地地”也可
2、以是电路系统中某一电位基准点,并设该点电位为相对零电位,但不是大地零电位。第第7章章 接地技术接地技术 (1)(1)提高电子设备电路系统工作的稳定性。提高电子设备电路系统工作的稳定性。(2)(2)泄放机箱上积累的静电电荷泄放机箱上积累的静电电荷,避免静避免静电高压导致设备内部放电而造成干扰。电高压导致设备内部放电而造成干扰。(3)(3)为设备和操作人员提供安全保障。为设备和操作人员提供安全保障。电子设备的电子设备的“地地”与大地连接有如下作用与大地连接有如下作用:第第7章章 接地技术接地技术 7.2 接地系统接地系统有许多接地的方法,它们的使用常常依赖于所要实现的目标或正在开发的系统的功能。1
3、.安全接地2.悬浮地、3.单点接地、4.多点接地5.混合接地接地可分为:第第7章章 接地技术接地技术 7.2.1 悬浮地悬浮地两种悬浮地两种悬浮地1.1.设备悬浮地设备悬浮地:对电子产品或设备而言,悬浮地是指设备的地线在电气上与参考地及其他导体相绝缘。2.2.单元电路悬浮地单元电路悬浮地:为了防止机箱上的骚扰电流直接耦合到信号电路,有意使信号地与机箱绝缘。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-1 悬浮地第第7章章 接地技术接地技术 1.悬浮地容易产生静电积累和静电放电悬浮地容易产生静电积累和静电放电,在雷在雷电环境下电环境下,还会在机箱和单元电路间产生飞还会在机箱和单元电路间产生飞弧弧,甚至甚
4、至使操作人员遭到电击或雷击使操作人员遭到电击或雷击。2.当设备悬浮地时当设备悬浮地时,电网相线与机箱短路时电网相线与机箱短路时,有可能引起触电有可能引起触电,所以悬浮地不宜用于通信所以悬浮地不宜用于通信系统和一般电子产品。系统和一般电子产品。悬浮地的缺点：悬浮地的缺点：第第7章章 接地技术接地技术 7.2.2 单点接地单点接地单点接地单点接地是为许多接在一起的电路提供共同参考点的方法。并联单点接地最简单,它没有共阻抗耦合和低频地环路的问题。单点接地要求电路的每部分只接地一次,并都是接在同一点上,该点常常以大地为参考。由于只存在一个参考点,因此可以相信没有地回路存在,因而也就没有骚扰问题。第第7
5、章章 接地技术接地技术 图 7-2 并联单点接地第第7章章 接地技术接地技术 7.2.3 多点接地多点接地多点接地多点接地如图7-5所示。从图中可以看到,设备中的内部电路都以机壳为参考点,而所有机壳又以地为参考点。有一个安全地把所有的机壳连在一起,然后再与地或辅助信号地相连。只要连接公共参考点的任何导体的长度小于骚扰只要连接公共参考点的任何导体的长度小于骚扰波长的几分之一波长的几分之一,多点接地的效果都很好。多点接地的效果都很好。多点接地能够避免单点接地在高频时的问题。多点接地能够避免单点接地在高频时的问题。在数字电路和高频大信号电路中必须使用多点接地。在数字电路和高频大信号电路中必须使用多点
6、接地。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-5 多点接地系统第第7章章 接地技术接地技术 7.2.4 混合接地混合接地混合接地混合接地既包含了单点接地的特性,也包含了多点接地的特性。例如,系统内的电源需要单点接地,而射频部分则需要多点接地。混合接地使用电抗性器件使接地系统在低频和高混合接地使用电抗性器件使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性频时呈现不同的特性,这在宽带敏感电路中是必要的。这在宽带敏感电路中是必要的。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-6 混合接地第第7章章 接地技术接地技术 图 7-7 电子设备的混合接地图图7-77-7为电子设备的为电子设备的混合接地混合接地,它把设备的它把
7、设备的地线分成两大类地线分成两大类:电源电源地与信号地。地与信号地。设备中各设备中各部分的电源地线都接到部分的电源地线都接到电源总地线上电源总地线上,所有信所有信号地都接到信号总地线号地都接到信号总地线上。上。两根总地线最后汇两根总地线最后汇集到公共的参考地。集到公共的参考地。第第7章章 接地技术接地技术 7.3 安全地线安全地线7.3.1 设置安全地线的意义设置安全地线的意义 电子设备之所以电子设备之所以要设置安全地线要设置安全地线,是是基于下列三个原因基于下列三个原因:(1)(1)当绝缘被破坏时当绝缘被破坏时,安全地线能起保护作安全地线能起保护作用。用。图 7-10 机箱因绝缘击穿带电(2
8、)(2)防止设备感应带防止设备感应带电而造成电击。电而造成电击。(3)(3)防止雷击事故。防止雷击事故。第第7章章 接地技术接地技术 电子设备的机箱带有上述电压后电子设备的机箱带有上述电压后,对操作对操作和维修人员将构成威胁。和维修人员将构成威胁。一般人体能感觉到刺激的电流值大约是一般人体能感觉到刺激的电流值大约是1 1 mA;mA;当人体通过的电流值为当人体通过的电流值为5 520 mA20 mA时时,肌肉肌肉就产生收缩抽搐现象就产生收缩抽搐现象,使人体不能自离电线使人体不能自离电线;当电流达数十毫安以上时当电流达数十毫安以上时,将使心肌丧失扩张将使心肌丧失扩张和收缩能力和收缩能力,直至死亡
9、。直至死亡。第第7章章 接地技术接地技术 当设备机箱或按键上的电压超过规定的电当设备机箱或按键上的电压超过规定的电压后压后,就有触电的危险。就有触电的危险。为了保证操作和维为了保证操作和维修人员的安全修人员的安全,应把设备的机箱或底座等金属应把设备的机箱或底座等金属件与大地连接。件与大地连接。注意注意,保险丝一定要串联在电网的相线中保险丝一定要串联在电网的相线中,中线串入保险仍不能排除触电危险。中线串入保险仍不能排除触电危险。第第7章章 接地技术接地技术 7.3.2 设置安全接地的方法设置安全接地的方法为防止电子设备机箱带电或免遭雷击为防止电子设备机箱带电或免遭雷击,都需接地。都需接地。在进行
10、电子设备机箱结构设计时在进行电子设备机箱结构设计时,必须在机箱上必须在机箱上设置接地端子。设置接地端子。对于小型电子设备对于小型电子设备,机箱的接地可直接经安全电机箱的接地可直接经安全电源插座中的接地插孔连接到大地。源插座中的接地插孔连接到大地。第第7章章 接地技术接地技术 1.单相供电单相供电为便于电子设备的机箱与安全地线连接,试验室或安装电子设备的工作室常采用单相三线制供电,如图7-12所示。图中相线是Y形三相供电系统中任一相,中线即Y形供电系统的回线,而安全地线就是机箱接入大地的导线。安全地线就是机箱接入大地的导线。图 7-12 单相三线制供电线路第第7章章 接地技术接地技术 2.三相供
11、电三相供电三相供电时三相供电时,安全地线的设置有两种方案可供选择：安全地线的设置有两种方案可供选择：(1)(1)三相五线制三相五线制 设备的金属机箱及其设备的金属机箱及其金属件的接地线除通过接金属件的接地线除通过接地桩就近接大地外地桩就近接大地外,再引再引一根地线到变压器或发电一根地线到变压器或发电机中心点与三相电源的零机中心点与三相电源的零线相接。这里三相不平衡线相接。这里三相不平衡电流不会通过设备地线电流不会通过设备地线,既保证了设备安全既保证了设备安全,也有也有利于消除工频附加干扰。利于消除工频附加干扰。图图 7-13 三相五线制接地系统示意图三相五线制接地系统示意图第第7章章 接地技术
12、接地技术(2)(2)三相四线三相四线-五线制：五线制：在有些场所无法专设一在有些场所无法专设一根地线至供电变压器或发电根地线至供电变压器或发电机机,这时可采用三相四线这时可采用三相四线-五线制接地系统。五线制接地系统。把设备把设备机箱的接地线接入地桩后机箱的接地线接入地桩后,再在总线入口处与电源零线再在总线入口处与电源零线端接端接,这样可兼顾安全这样可兼顾安全,并并防止三相不平衡电流引起的防止三相不平衡电流引起的工频干扰。工频干扰。第第7章章 接地技术接地技术 7.3.3 接地装置接地装置接地装置是指埋入地下的板、棒、管、线等导电体,要求它们具有良好的抗腐蚀性及小的接地电阻。可以通过以下方法安
13、装接地装置：(1)埋设铜板埋设铜板:将钢板或用扁铜条围成框埋入地下,然后用多股钢线或铜带引出地面与试验室地线连接。第第7章章 接地技术接地技术(2)打入地桩打入地桩:将包铜钢棒(管)打入地下2米左右作为接地桩。当一根桩的接地电阻太大时,可用多根同样粗的钢棒打入地下,再用导体并联连接成一体,连接导体与地桩应采用熔焊接头。第第7章章 接地技术接地技术(3)钻孔法钻孔法:用钻机直接往地下打孔,一般深度为1030 m,孔径为6 cm左石,然后把与孔深等长的接地棒埋入。对一般土壤,深度为515 m时,其接地电阻可小于10。(4)埋设导线埋设导线:在地面挖深0.61米、长几十米的沟,在沟内埋入铜导线,且在
14、导线周围填入上述降阻剂,这对山区或冻土地带临时铺设地线比较方便。第第7章章 接地技术接地技术(5)地下管道地下管道:城市中的地下水管网是一种简单方便的接地装置,其接地电阻可小于3。一般仅能利用地下管道作为辅助接地装置,必须以专门埋设的接地桩为主。而且还应注意到,当接地线中有直流电流时,管道材料会加速电化学腐蚀。第第7章章 接地技术接地技术 7.4 地线中的干扰地线中的干扰7.4.1 地阻抗干扰地电流在地线阻抗上引起的干扰可用图7-15说明。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-15 公共地阻抗引起的干扰 U U1 1为干扰电路为干扰电路1 1中的干中的干扰源电压扰源电压,U U2 2为受干扰电
15、路为受干扰电路2 2中的中的信号电压信号电压,Z Zg g为两电路之间的公为两电路之间的公共阻抗。共阻抗。第第7章章 接地技术接地技术 7.4.2 地环路干扰地环路干扰电子设备中的地线如人体的血管,分布到设备内部的各级电路单元,难免会与其他线路构成环路。如在不对称馈电的信号电路中,地线与信号线可构成环路,当地线作为直流供电电源的馈线之一时,它与另一电源线也会构成环路,地线本身也可能构成环路。当交变磁场与这些环路交连时,环路中产生的感应电势就有可能叠加到传输信号上形成干扰。第第7章章 接地技术接地技术 图7-16为两个级连的电路单元,其中cd是信号传输线,地线ab既是信号的返回通路,又是电源馈线
16、之一。由图可见,电源的正极馈线与地线在电路1和电路2间构成一个环路aabb,信号线cd与地线在电路1和电路2间又构成另一环路cdba。当交变磁场穿过这些环路时,环路中产生的感应电势为(7-7)iddBeSdtdt 第第7章章 接地技术接地技术 式中,ei为环路中的感应电势(V);S为环路在磁场垂直方向上的投影面积(m2);B为穿过环路的磁通密度(T,1T=Vs/m2)。由图7-16可见,地环路中的感应电势ei与传输信号电压串联后输送到下一级电路的输入端,造成干扰。要减小地环路干扰,就得减小地环路面积,最好在线路布局时避免构成地环路。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-16 级连的两电路单元第
17、第7章章 接地技术接地技术 7.4.3 地线中的等效干扰电动势地线中的等效干扰电动势综上所述,从电磁兼容性的角度出发,地线已不能看成是等电位的。假设某一段地线的电阻为Rg,电感为Lg,流过的电流为ig,则在这段地线上产生的压降为(7-8)gUgggg(j)Ui RL第第7章章 接地技术接地技术 假设这段地线与电源正极馈线(或信号线)构成的环路面积为S,则在这段地线上产生的总的干扰电动势为(7-9)可见在分析地线给电路所造成的干扰时,只需在地线中加一等效干扰电动势eg,如图7-17所示。ggigggd(j)dBeUei RLSt第第7章章 接地技术接地技术 图 7-17 地线中的等效干扰电势第第
18、7章章 接地技术接地技术 总之,地线干扰是造成设备(或系统)内部各单元之间耦合的重要因素之一。如何抑制地线干扰是电磁兼容性设计的一个重要课题。根据地线中干扰形成的机理,减小地线干扰的措施可归纳为:减小地线阻抗和电源馈线阻抗;正确选择接地方式和阻隔地环路。第第7章章 接地技术接地技术 7.5 低阻抗地线的设计低阻抗地线的设计地线中的干扰电压除与流过地线的电流有关外,还与地线的阻抗有关。地线阻抗Zg包括电阻分量Rg和电感分量Lg,可记为(7-10)gggjZRL第第7章章 接地技术接地技术 7.5.1 导体的射频电阻导体的射频电阻圆形截面导体的低频电阻表达式为(7-11)式中,l为导体的长度(m)
19、;为导体的电导率(S/m);a为导体的半径(m);S为导体的横截面积(m2)。g2llRSa第第7章章 接地技术接地技术 式(7-11)中导体的横截面积应理解为有效载流面积。在直流情况下,电流在导体截面上均匀分布,导体的横截面积就是它的几何截面积。但对于射频电流,由于集肤效应,导体的有效载流面积将远小于导体的几何截面积,即导体的射频电阻高于直流电阻。第第7章章 接地技术接地技术 1f 1f(7-12(b)1.实心圆截面导体的射频电阻实心圆截面导体的射频电阻如果集肤深度远小于导体的半径a,则单位长度的射频电阻为(7-12(a)式中,为集肤效应(m),。将及=r,Cu=5.82107r代入式(7-
20、12(a),可得1 (/)2RFRma8rRFr4.1410(/)fRma第第7章章 接地技术接地技术 图7-18表示了孤立圆截面直导体的射频与直流电阻之比(RRf/Rdc)和频率、直径的关系,图中横坐标参变量为(7-13(a)式中,Rdc为长1 cm的圆导体直流电阻();f为导体中电流的频率(Hz)。r9dc810fxR对铜导体而言,参变量x可简化为(7-13(b)式中,d为铜导体的直径(mm)。21.0710 xdf第第7章章 接地技术接地技术 图 7-18 孤立圆直导体的射频电阻与直流电阻之比和频率、直径的关系第第7章章 接地技术接地技术 由图7-18和式(7-13(b)可见,当参变量x
21、较小,集肤效应可忽略时,RRf等于Rdc。随着频率升高,导体半径愈大,集肤效应愈明显。在工程上用相互绝缘的多股漆包线代替单根导线绕制射频电感线圈,以延缓射频电阻的增长。第第7章章 接地技术接地技术 2.矩形截面的射频电阻矩形截面的射频电阻若导体横截面不呈圆形,式(7-12)中的半径a可按下式求得:(7-14)2a 横截面周长在截面积相同的情况下,截面的周长与截面形状有关。式(7-14)表明改变截面形状可以改变导体的等效半径。如图7-19所示为三种形状不同的横截面。在截面积相等的条件下,矩形截面的周长大于圆截面,而且宽厚比越大,截面周长越长,其等效半径也越大。由式(7-13)可知,导体等效半径增
22、大将导致射频电阻下降,设备地线和搭接条采用扁铜带的原因就在于此。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-19 导体的三种常用截面形状第第7章章 接地技术接地技术 7.5.2 导体的电感导体的电感圆截面铜直导体的电感可按下式求得式中,l为导体的长度(cm);d为导体的直径(cm)。矩形铜直导体的电感为式中,w为矩形导体横截面的宽度(cm);t为矩形导体横截面的厚度(cm)。g40.002(2.302lg0.75)()lLlHdg20.002(2.302lg0.50.2235)()lwtLlHwtt(7-15)(7-16)第第7章章 接地技术接地技术 式(7-16)表明在截面积一定的情况下,增加宽度
23、可减小导体的电感量。因此,无论从导体的射频电阻还是电感方面考虑,采用宽/厚比值大的扁铜带制作地线都是合理的。第第7章章 接地技术接地技术 7.5.3 实心接地平面的阻抗实心接地平面的阻抗在电子设备,特别是高频电子设备中,往往把设备或电子电路的金属底座作为接地平面(相当于地线)使用。这种实心平面状地线(如图7-20所示)可按下式近似计算其表面阻抗:(7-17)gf2(1)llZRtgb第第7章章 接地技术接地技术 图 7-20 平面状地线第第7章章 接地技术接地技术 式中,l为接地平面上两点间的距离(m);为工作波长;b为接地平面的宽度。射频表面电阻Rf按下式计算:(7-18)6rfr0.28
24、10fR第第7章章 接地技术接地技术 7.5.4 低阻抗电源馈线低阻抗电源馈线电子设备内部多个电路单元往往共用同一直流供电电源。为避免共用电源成为电路间的噪声耦合通道,希望负载中通过的任何交流电流在直流供电线上都不产生显著响应电压,为此应尽可能降低电源馈线的阻抗。电源馈线的特性阻抗ZC为(7-19)式中,L0为电源馈线的分布电感(H/m);C0为电源馈线的分布电容(F/m)。0C0LZC第第7章章 接地技术接地技术 当负载电流突变时,负载两端瞬时电压变化值为UL=ILZC此瞬态电压波动极为有害。减小电源馈线的特性阻抗,就可减小馈线上的瞬态压降。为此需减小馈线的分布电感,增加分布电容,采用长宽比
25、小的扁导体,在满足耐压条件下,尽量减小正负馈线的间距。低阻抗馈线还可减小馈线的环路面积,有利于抑制地环路干扰。图7-21为集成电路用低阻抗电源线的馈线结构。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-21 集成电路用低阻抗电源线第第7章章 接地技术接地技术 7.6 阻隔地环路干扰的措施阻隔地环路干扰的措施在图7-22中,电路单元1输出信号电压US,经信号线输至电路单元2,再由地线构成信号电流回路,结果信号线和地线构成地环路。设地线中等效干扰电压为Ug,则电路2的输入电压为US+Ug。为有效地传输信号、抑制干扰,就需采取措施使信号US能顺利地传输至电路2,而地线中的干扰Ug在传输至电路2时受到阻挡。这
26、种措施称为阻隔地环路。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-22 电路间的地环路干扰第第7章章 接地技术接地技术 7.6.1 变压器耦合变压器耦合图7-23表示了采用变压器阻隔地环路干扰的措施及其等效电路。电路1的信号经变压器耦合至电路2,而地线中干扰电压的回路被变压器隔断。假定电路1的内阻为0,变压器绕组间的分布电容为C,电路2的输入内阻为RL,Ug在RL上的响应电压为Un。由于只分析变压器阻隔地环路的能力,因为按电路分析中的叠加原理,可以不考虑信号电压US,即将信号电压短路。由交流电路的欧姆定律可得nLUIRnLgLj(2)URURfC第第7章章 接地技术接地技术 取上述复数之模得(7-2
27、0)n2gL11 1 2UUfCR第第7章章 接地技术接地技术 图 7-23 采用变压器阻隔地环路第第7章章 接地技术接地技术 当直接由信号线传输时,地线中的干扰电压Ug全部加到RL上。采用变压器后,加到RL上的电压减为Un,所以式(7-20)表示了变压器减小干扰的能力。图7-24的曲线表示变压器抑制干扰的能力与频率、分布电容和输入内阻间的关系。在输入内阻和地线中干扰电压的频率确定之后,为提高抑制地线干扰能力,只有减小变压器绕组间的分布电容C或减小电路2的输入内阻RL。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-24 变压器抑制干扰的能力第第7章章 接地技术接地技术 7.6.2 纵向扼流圈纵向扼流圈
28、(中和变压器中和变压器)传输信号传输信号当传输的信号中含有直流分量时,变压器失效,而应采用如图7-25(a)所示的纵向扼流圈。扼流圈两个绕组的绕向与匝数都相同(双线并绕)。信号电流在两个绕组流过时,产生的磁场恰好抵消,见图7-25(b),它可几乎无损耗地传输信号。当地线等效干扰电压Ug所引起的干扰电流(亦称纵向电流)流经两个绕组时,产生的磁场同相叠加,扼流圈对干扰电流呈现较大的感抗,见图7-25(c),起到抑制地线干扰的作用。需注意的是,只有当工作频率高到一定程度时,纵向扼流圈两个绕组之间的磁耦合才足以迫使信号返回电流流回次级绕组。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-25 纵向扼流圈阻隔地环
29、路干扰第第7章章 接地技术接地技术 纵向扼流圈等效电路US表示需传输的信号电压,Ug表示地线中的干扰电压,RC1、RC2为连接线电阻,RL为负载。对纵向扼流圈而言,L1=L2=M=L。用电路理论的叠加原理分别讨论信号电压US和干扰电压Ug在电路负载上的响应,即可求出纵向扼流圈对干扰的抑制能力。经分析,存在如下关系:(7-21)LSS1RIU第第7章章 接地技术接地技术 表明负载上的信号电压近似于信号源电压,即纵向扼流圈对信号几乎是无损耗传输。(7-22)式中,fC=RC2/(2L)是纵向扼流圈自身参数确定的截止频率,其物理意义为:当传输频率等于截止频率时,信号电流将有70流过地线。设Ug负载R
30、L的响应为Un,经分析同样可得(7-23)LS22SC2C211RIUfLfRfn2gC11/UUff第第7章章 接地技术接地技术 图7-26是按上式绘制的纵向扼流圈对干扰的抑制特性。当f5fC时,地线中的干扰在负载上所反映的电压仅为20,表明纵向扼流圈对地线干扰起到了有效的抑制作用。纵向扼流圈有以下特点:(1)既能传输交流信号,又可传输直流信号;(2)对地线中高频干扰的抑制能力强;(3)可有效地抑制线路中所传输的高频信号对其他电路单元的干扰。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-26 纵向扼流圈对地线干扰的抑制第第7章章 接地技术接地技术 7.6.3 电路单元间用同轴电缆传输信号电路单元间用
31、同轴电缆传输信号两电路单元间的信号传输采用同轴电缆(见图7-27),能有效地抑制地环路干扰,其等效电路与纵向扼流圈类似。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-27 同轴电缆传输信号及其等效电路第第7章章 接地技术接地技术 从电磁场的概念讲,由于高频时的集肤效应,信号电流只沿同轴电缆内导体的外表面和外导体的内表面流过,理想的同轴电缆不应出现能量泄漏。实际上同轴电缆屏蔽层存在电气上的不连续,总有一些能量外泄,外界干扰同样也可能有部分串入同轴电缆内部。单层屏蔽同轴电缆的截止频率为0.62 kHz,双层屏蔽同轴电缆的截止频率为0.50.7 kHz,屏蔽效能通常小于60 dB。第第7章章 接地技术接地技
32、术 7.6.4 光耦合器光耦合器切断两电路单元间地环路的有效方法是采用光耦合器(见图7-28)。电路1的信号电流使发光二极管的发光强弱随它而变化,这样就把电路1的信号电流变成强弱不同的光信号。再由电路2前的光电三极管把强弱不同的光信号转化成相应的电流,实现电路间的信号传输。发光二极管和光电三极管通常封装在一起构成光耦合器。这种光耦合器可把两电路间的地环路完全隔断,有效地抑制地线干扰。它适用于传输数字信号,如固态继电器内部借助它隔离负载对控制信号的干扰。使用光耦合器时,电路1和电路2必须分别供电,以避免电源馈线在同一电源变压器中构成新的干扰耦合途径。光耦合器中电流与发光强度的线性关系较差,传输模
33、拟信号易产生失真,应用受到限制。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-28 断开地环路的光耦合器第第7章章 接地技术接地技术 7.6.5 光缆传输信号光缆传输信号光缆传输信号已被成功地用于通信等领域。用光缆代替电子系统内的普通信号线缆,可免除外界的电磁干扰和电磁脉冲的影响,提供良好的电气隔离,有利于传输数据的保密。与同轴电缆和双绞线相比,光缆的损耗小得多,特别在远距离传输时。第第7章章 接地技术接地技术 光缆传输信号的原理如图7-29所示。用发光二极管或固态激光器件把电信号转化成光信号后注入光纤电缆,在接收端,光电二极管将探测到的光信号还原为电信号。在电磁兼容性测试领域常用光缆作为强电磁场环境
34、下信号的传输线。又如电磁场传感器所检测到的微弱电信号在传输到测量仪的过程中易受环境电磁场干扰,出入屏蔽室的信号线和监控线会导致屏蔽室屏蔽效能的下降,都可用光缆取代传统信号电缆。在核电磁脉冲试验中光缆更是必不可少的器材。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-29 光缆传输原理第第7章章 接地技术接地技术 7.6.6 用差分放大器减小由地电位差引起的干扰用差分放大器减小由地电位差引起的干扰地线总有一定的阻抗,地线电流会在信号电路两接地点之间产生电位差Ug,该电位差会在非平衡输入的放大器负载上输出一个放大了的干扰电压。而在平衡输入的差分放大器负载上(见图7-30),Ug所引起的干扰电压基本被抵消,达
35、到了抑制共模干扰的目的。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-30 差分放大器抑制共模干扰第第7章章 接地技术接地技术 7.7 屏蔽电缆的接地屏蔽电缆的接地屏蔽电缆由绝缘导线外面再包一层金属薄膜即屏蔽层构成。屏蔽层通常是金属编织网或金属箔。如果屏蔽层是金属管,则成为同轴电缆。屏蔽电缆的屏蔽层只有在接地以后才能起到屏蔽作用。第第7章章 接地技术接地技术 7.7.1 屏蔽层接地产生的电场屏蔽屏蔽层接地产生的电场屏蔽两根平行导线之间的电场耦合会产生串扰,如图7-31所示。设其中一根为屏蔽电缆,并接在敏感电路中,则源电路导线对屏蔽电缆屏蔽层的耦合电容为Cms,而屏蔽层对芯线的耦合电容为CS,屏蔽层对地
36、的耦合电容为C2S。可见,源导线上的骚扰电压U1会通过Cms耦合到屏蔽层上,再通过CS耦合到芯线上。如果屏蔽层接地,C2S被短路,则U1通过Cms,被屏蔽层短路至地,不能再耦合到芯线上,从而起到了电场屏蔽的作用。屏蔽层的接地点通常选在屏蔽电缆的一端,称单端接地。如果屏蔽层不接地,由于其面积比普通导线大,耦合电容也大,产生的耦合量也大,将比不用屏蔽电缆时产生更大的电场辐合,这是需要注意的。此外,当频率较高或电缆较长时,还应每隔/10的距离接一次地。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-31 屏蔽电缆的电场屏蔽第第7章章 接地技术接地技术 7.7.2 屏蔽层接地产生的磁场屏蔽屏蔽层接地产生的磁场屏
37、蔽设屏蔽层中流有均匀的轴向电流IS,如图7-32所示,则磁力线在管外,屏蔽层电感可表示为(7-24)SSLI第第7章章 接地技术接地技术 图 7-32 屏蔽层和芯线的磁耦合第第7章章 接地技术接地技术 式中,为IS产生的全部磁通。由于磁通同样包围着芯线,根据互感的定义,屏蔽层和芯线之间的互感应为(7-25)故M=LS(7-26)SMI第第7章章 接地技术接地技术 设US是骚扰电压源,电流I1流过芯线,如图7-33所示。LS和rS分别为屏蔽层的电感和电阻。如果屏蔽层不接地或只有一端接地,屏蔽层上无电流通过,电流经地面返回屏蔽层不起作用。当屏蔽层两端接地,接地点为A点和B点,I1在A点将分两路到达
38、B点,再回到源端,屏蔽层中的电流IS为(7-27)1SSSjjMIILr第第7章章 接地技术接地技术 图 7-33 屏蔽电缆的磁场屏蔽第第7章章 接地技术接地技术 由式(7-26)有(7-28)式中,0=rS/LS为屏蔽层截止频率。当0时,IS=I1,IG0,I1几乎全部经由屏蔽层流回源端,屏蔽层外由I1和回流产生的磁场大小相等,方向相反,因而互相抵消,抑制了骚扰源的向外辐射。S 11SSS0jjjjL IIILr第第7章章 接地技术接地技术 7.7.3 地环路对屏蔽的影响地环路对屏蔽的影响如果电缆两端屏蔽层接地点A和B之间存在地电压,如图7-34所示,则屏蔽层中就有噪声电流IS流过。一方面I
39、S在LS和rS上产生压降,另一方面也会通过互感M在芯线上产生感应电压。设信号源电压为E,则负载上的电压为(7-29)LSS SS SS SjjUMIL Ir IEr IE 第第7章章 接地技术接地技术 可见,地环路引起的噪声电压被串联在信号回路中。采用三轴式屏蔽电缆可较好的解决这个问题。这是因为这种电缆在芯线外有两个互相绝缘的屏蔽层,内屏蔽层用作信号回流线,外屏蔽层两端接地,流过地环路电流,不会影响信号回路。第第7章章 接地技术接地技术 图 7-34 地环路对屏蔽的影响第第7章章 接地技术接地技术 7.8 附加实例附加实例 由于系统或系统中的部分系统接地不当,导致在实际中遇到了很多电磁干扰问题
40、,下面叙述几个实际例子,其中包括解决问题的方法。第第7章章 接地技术接地技术(1)点字模(Dot matrix)印刷机。在一次对点字模印刷机的静电放电试验中(见电磁兼容设计及测试技术,北京航空航天大学出版社),对设备表面的不同处加上静电放电脉冲。当加上一个6 kV的静电放电脉冲时,此系统失灵。经过分析,发现这是由于静电放电电流通过共阻抗通路耦合至内部电路的缘故。作为一种补救办法,对整体支撑点、接口卡面板、纸盘都提供分开的接地导体,并与安全地进行单点接地。这样处理可将静电放电抗扰度基准由6 kV提高至10 kV。第第7章章 接地技术接地技术(2)纺织计数器。当按IEC801-4标准(见附录)将纺
41、织计数器对电力线EFT(电快瞬态)抗扰度进行计算时(见电磁兼容设计及测试技术,北京航空航天大学出版社),发现设备在低至0.5 kV的EFT基准下就已失灵。作为解决这一问题的措施,可用一个电磁干扰电力线滤波器连至设备的功率输入点,这样可将抗扰度基准提高至1 kV。滤波器的外壳屏蔽体再适当地连至设备箱,而屏蔽体则以0.7 的接地电阻连至地面。这样处理后,系统可以耐受高至 4 kV的电快瞬态脉冲群。第第7章章 接地技术接地技术(3)计算机打印机。当一个8 kV的脉冲以气体放电形式加到计算机打印机的牵引杆上进行静电放电试验时(见电磁兼容设计及测试技术,北京航空航天大学出版社),可观测到一个有趣的现象。
42、牵引杆由金属制成并用一个塑料传动装置与打印机其他所有金属部分电气隔离,当静电放电脉冲加到牵引杆的一端时,可以看到在杆的另一端与附近的打印机金属部分之间会出现火花。这就导致辐射发射并将由电子电路拾取,打印机失灵。为解决这个问题,可以在隔离的金属杆与打印机金属底盘间用一低弹性金属簧片接触器来提供一个接地通道,这样抗扰度基准可由8 kV提高至15 kV。第第7章章 接地技术接地技术 习习 题题1.基本接地技术有哪些？2.接地技术可分为哪几类？3.信号接地与安全接地有哪些不同?4.简述悬浮地和信号隔离的关系。第第7章章 接地技术接地技术 5.下列论断是否正确,简要地证明你的答案。(1)良好的EMC接地
43、也是良好的安全接地,但良好的安全接地未必是良好的EMC接地。(2)对良好的EMC接地而言,垂直埋入地中的金属棒和与其紧邻的土壤间的电阻通常比周围土壤的电阻率更重要。(3)2 m正方的接地栅的接地电阻与直径为5 cm、长度为2 cm、彼此间隔2 m的两根垂直接地棒构成的线状接地系统的接地电阻相同。(4)对电缆接地来说,当入射磁场激励时将电缆两端接地会更好。第第7章章 接地技术接地技术 人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。第第7章章 接地技术接地技术
