第3章电磁兼容课件-接地

EMC-3第三章接地技术概述安全接地地环路问题与解决方法公共阻抗耦合问题各种接地方法EMC-3概述接地的概念：一般指为了使电路、设备或系统与“地”之间建立通路，而将电路、设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面的良导体的技术行为。接地的分类:安全接地信号接地接地的要求:理想的接地应使流经地线的各个电路、设备的电流互不影响。理想的接地导体(导线或导电平面)应是零阻抗的实体，即各接地点之间没有电位差。EMC-3安全地220V0V+++++关键词：安全，静电积累，绝缘损坏机壳带电，漏电保护，雷击电流，泄放路径，泄放电荷EMC-3EMC-3NO!circuitbreakerTERREsnapYES!circuitbreakerEMC-3接零保护接地人体电阻:10M-1.5k欧，人体的安全电流值:交流为15-20mA，直流电流为40mA持续时间在1s以上,安全电压为36VEMC-3PHN常见地线contactindirect罕见EMC-3EMC-3信号接地定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径EMC-3信号接地传统定义：地线就是电路中的电位参考点，它为系统中的所有电路提供一个电位基准（假设零阻抗的理想状态）真实情况地线为信号流回源的路径（很少刻意画出）地线阻抗不为零，电流流过有限阻抗时，必然会导致电压降接地体(导线或导电平面)各接地点之间有电位差信号回路阻抗不为零EMC-3地线引发干扰问题的原因V=IR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难以确定地电流的确切路径地电流失去控制较大的信号回路面积较强的电磁辐射电路间的互感耦增加对外的敏感度123大多数辐射发生的原因是因为返回电流未能按规定的路径返回EMC-3接地体(平面）地线电位示意图2mV200mV2mV~10mV10mV~20mV20mV~100mV100mV~200mV原因：信号（地线电流）频率高，感抗大，容抗小设计方案：分割相对稳定的电位区域EMC-3信号接地新定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径强调：流回路径，低阻抗EMC-3EMC-3地线的阻抗谈到地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差能够造成电路的误动作，许多人觉得不可思议：我们用欧姆表测量地线的电阻时，地线的电阻往往在毫欧姆级，电流流过这么小的电阻时怎么会产生这么大的电压降，导致电路工作的异常？EMC-3要搞清这个问题，首先要区分开导线的电阻与阻抗两个不同的概念。电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗，而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的。任何导线都有电感，当频率较高时，导线的阻抗远大于直流电阻。EMC-3在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号，脉冲信号包含丰富的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压。对于数字电路而言，电路的工作频率是很高的，因此地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。EMC-3导线的阻抗导线的阻抗＝电阻＋内电感Z=RAC+jLin内电感直流电阻8inLlmp=DClRSr==1/(frr)1/2d深度0.37II趋肤效应AD0.076CCRdfR=EMC-3圆柱导线的阻抗高频时，导线的直径作用减小频率Hzd=0.65cm10cm1md=0.27cm10cm1md=0.06cm10cm1md=0.04cm10cm1m10Hz51.45173273.28m5.29m52.9m13.3m133m1k4297.14m6328.91m5.34m53.9m14m144m100k42.6m712m54m828m71.6m1.090.3m1.071M426m7.12540m8.28714m10783m10.65M2.1335.52.741.33.57503.865310M4.2671.25.482.87.141007.710650M21.33562741435.750038.5530100M42.65471.477150M63.981107115随频率增加，导线阻抗增大半径变小，阻抗增大EMC-3如果将10Hz时的阻抗近似认为是直流电阻，可以看出当频率达到10MHz时，对于1米长导线，它的阻抗是直流电阻的1000倍至10万倍。因此对于射频电流，当电流流过地线时，电压降是很大的。从表上还可以看出，增加导线的直径对于减小直流电阻是十分有效的，但对于减小交流阻抗的作用很有限。但在电磁兼容中，人们最关心的交流阻抗。为了减小交流阻抗，一个有效的办法是多根导线并联。当两根导线并联时，其总电感L为：L=(L1+M)/2从式中可以看出，当两根导线相距较远时，它们之间的互感很小，总电感相当于单根导线电感的一半。故我们可以通过多条接地线来减小接地阻抗。但要注意的是，多根导线之间的距离不能过近。经验数值：一般可用1μΗ/m的数值估算导线电感。EMC-3金属条与导线的阻抗比较l/W金属条阻抗/圆导线阻抗同周长的金属条阻抗和圆导线阻抗的比较00.10.20.30.40.50.612345678910wLEMC-3金属条与导线的阻抗比较当地线很短时使用金属片可以大大降低阻抗。但是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。一般在工程中，L/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。EMC-3回路的阻抗回路的阻抗＝电阻＋回路的感抗回路的面积大，回路的电感值大，高频时，回路的感抗高ACZRjLLIw=+F=回回路感抗均正比于频率jωl导线电阻R=ρ×l/Sl是导线的长度，S是导线的横截面积，ρ电阻率L=kμS/l其中μ为磁导率=4π*10-7，S线圈的截面积，l线圈的长度，k为静电力常量系数，取决于线圈的半径（R)与长度(l)的比值。EMC-3地线问题1－地环路干扰IGVGVN地环路I1I2当时，产生噪声电压。共模电流干扰12II¹NV12cIII=-（）干扰源电压EMC-3地线问题－地环路地环路干扰是一种较常见的干扰现象，常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。产生的原因:地环路电流的存在。判别方法：由于地环路干扰是地环路电流导致的，因此在实践中，有时会发现，当将一个设备的安全接地线断开时，干扰现象消失，这是因为地线断开时，切断了地环路，这种现象往往发生在干扰频率较低的场合，当干扰频率较高时，断开地线与否关系不大。EMC-30EMC-3地环路干扰形成的原因高1.接地点电位不同2.处在强交变电磁场中－感应电压V/感应环路电流I低EMC-3形成的原因1：两个设备的地电位不同，形成地电压，在这个电压的驱动下，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，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。形成的原因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1一样导致干扰。EMC-3地环路干扰形成的原因地线电压＝强电流*线（地）阻抗）干扰电流EMC-3解决地环路干扰的方法在地线上干扰电流确定时，应减小地线阻抗，从而减小干扰电压单点接地消除了地环路更实用的方法：隔离变压器、光耦合、共模扼流圈、平衡电路等方法思考题：当将一端的设备与地线断开时，干扰现象消失，往往说明有地环路干扰问题，但是为什么不能反过来说：“当有地环路干扰时，只要将一端电路与地线之间的联线断开，就可以解决问题”？EMC-3隔离变压器VG12屏蔽CPVGVSVNRL方向相同的共模电流在变压器初级绕组中互相抵消，变压器起到了隔离作用。为了防止地回路电压通过电绕组之间的分布电容耦合加至负载，造成干扰，电屏蔽层应接至负载的接地端。隔离变压器不能传输直流和频率很低的信号，体积大，成本高屏蔽层只能接2点！EMC-3光隔离器（光电耦合器）光耦器件RL发送接收VGVSCp发光二极管中有差模信号电流通过时就输出与信号电流强度相对应的光通量，光敏晶体管根据光通量的大小转换成相应的电流。光电耦合器不能传输共模信号，可完全切断了两个电路之间的地环路。寄生电容为2pf量级，因此能够在很高的频率起到隔离作用。光纤连接需要较大的功率和器件，安装和维护复杂，光线形态和动态范围达不到模拟信号的要求，多应用于数字电路。EMC-3光隔离器发送发送接收接收RLRLVGVSVSVG光耦器件CpEMC-3共模扼流圈的作用流过共模电流时磁环中的磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量，对共模电流起到抑制作用，而当两线圈流过差模电流时磁环中的磁通相互抵消，几乎没有电感量，所以差摸电流可以无衰减地通过。（差摸电流）（共摸电流）EMC-3共模扼流圈的作用VsR1R1RLLVGIN1IN2ISVS+VNVN/VGMRL/（RS+RL）=R1/Lf()N1S1VRVjLRw+=LM=由VG引起的干扰电压VN尽量减小R1和增大L（磁导率）。1LRR=EMC-3平衡电路对地环路干扰的抑制VGRS1VS1RS2RL2RL1VS2IN1IN2ISVL平衡电路：Rs1=Rs2，RL1=RL2，VS1=Vs2VL=IS（RL1+RL2），地环路噪声Vg在负载上没有造成影响，仅有信号电流IS（差分电流）流过负载。高频平衡电路难以实现，通常抑制效果较差。VgEMC-3EMC-3EMC-3EMC-3地线问题1－地环路干扰地线问题2－公共阻抗耦合当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时，就发生了公共阻抗耦合。电路1电路2地电流1地电流2公共地阻抗EMC-3公共阻抗耦合实例~Vg~~改进1改进2说明：放大器（或类似电路）的实质是用小信号来对直流电源调制，得到功率较大的信号。因此，共用直流电源的路径上的公共阻抗都会造成耦合干扰。放大器功率放大器Vg降低公共阻抗的电压避开公共阻抗的电压EMC-3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EMC-3串联单点接地优点：简单缺点：公共阻抗耦合123I1I2I3ABCR1R2R3()()123123233BBAAACIIIZIUUUUIZUIZU+=++=++=+EMC-3串联单点接地EMC-3单点并联接地123I1I2I3ABC112233ABCUIZUIZUIZ===各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗有关,不受其他电路的影响。优点：无公共阻抗耦合，缺点：接地线过多，长度为(波长／4)的奇数倍，为辐射天线;频率的升高电容、电感耦窜扰大大增加适用于低频电路EMC-3多点接地优点：无公共阻抗耦合，地线较短，适合于高频情况缺点：地环环路干扰(),B,C1,2,31,2,31,2,3AUIRjLw=+R1R2R3L1L2L3电路1电路2电路3EMC-3混合接地~Vs地电流Rs低频时，电容的阻抗较大，放大电路为单点接地方式，高频时，电容阻抗较低，电路成为两点混合接地方式.~Vs安全接地Rs安全接地地环路电流低频时，为安全接地方式，高频时，（感性）地线断开，可切断地环路电流。EMC-3高频低频EMC-3接地选择原则对低频（小于1MHz）和公共地面小的情况（小于波长的20分之一），用单点接地。对高频（大于10MHz）和公共地面大的情况（大于波长的20分之一），用多点接地。介于上述两种情况，用混合接地。EMC-3悬浮接地悬浮接地是将信号接地与安全接地分开的方法EMC-3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折衷的方法：按照特性分组，将相互之间不易发生干扰的电路放在同一组。每个组内采用串联单点接地，获得最简单的地线结构，不同组的接地采用并联单点接地，避免相互之间干扰。EMC-3例：线路板上的地线噪声模拟数字在设计线路板时，要将模拟地、数字地以及大功率驱动电路的地分开的依据。EMC-3长地线的阻抗设备Z0=(L/C)1/2RRLLCCF