第2章耦合途径和电缆的屏蔽

1干扰的耦合途径和电缆的屏蔽Couplingwayofdisturbanceandshieldofcable徐义亨2012年5月2电缆之所以重要是因为它不仅是控制系统中最长的部分，容易通过近场的耦合对控制系统产生干扰；而且它还类似于一根拾取和辐射噪声的高效天线。本章我们将讨论与此有关的三种类型的耦合和电缆的三种屏蔽：1）电容性耦合和静电屏蔽。它起源于线路间电场的相互作用。2）电感性耦合和电磁屏蔽。它起源于线路间磁场的相互作用。3）电磁场耦合和辐射屏蔽。它是电场和磁场相结合的混合作用的耦合。故也被称为电磁耦合或辐射耦合。31电容性耦合噪声和其抑制方法电压源负载简化为41.1耦合机理两导线间的电容性耦合如图所示。Cs为噪声导体（如电源线）和受感应导体（如信号线）间的分布电容，CL为受感应导体的对地电容，RL为受感应导体的总电阻值，Z为CL和RL的并联阻抗。US为噪声电压，设Un为感应的噪声电压。噪声导体CS噪声电压US受感应导体CLRLUn并联阻抗Z5电容性耦合的等效电路可以作为噪声导体的包括：交流低压电源、视频、高频通信线等。噪声导体CS噪声电压US受感应导体CLRLUn并联阻抗ZUsCsCLRLUn6利用Cs和Z之间的分压公式就可以求出在受感应导体和地之间产生的感应噪声电压Un为：当噪声电压的频率较低时，阻抗RL远小于CL和Cs的阻抗时，则为:感应的噪声电压Un正比于噪声源的频率f、受感应导体的总电阻值RL、分布电容Cs以及噪声电压US。7当噪声电压的频率较高时，RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗时，则为:因为CL远大于Cs，所以上式又可简化为8当RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗时，感应的噪声电压正比于CS和CL的比值，和噪声电压的频率无关。感应的噪声电压的频率特性如图所示。fUn91.2电容性耦合的抑制措施电容性耦合噪声的大小，正比于下列因素：1）噪声电压；2）噪声频率；3）两导体间的分布电容；4）受感应体的对地阻抗。上述的诸因素中，噪声电压、噪声频率、受感应体的总电阻值往往是不可控的。所以抑制电容性耦合的最基本方法是减少与噪声导体间的分布电容。而减少两导体间的分布电容的最简单的方法就是加大与噪声导体之间的距离。101.3电容性耦合和距离的关系两根直径分别为d1和d2，间距为D的平行导线间,当D远大于d1和d2时，其分布电容Cs为：Cs=2πε/ln(D/d1d2)(F/m)式中：ε——自由空间的介电常数，其值为8.85×10-12F/m。由此可见：1)减少两导体间的分布电容的最简单的方法是加大与噪声导体之间的距离D和减小线径d。2)在选择线径d时，不宜过大。11一个实例90m3k2mm(10mm)2mm2.1V(0.32V)AC100V50Hz12所以，为什么在工业现场，不允许将信号线和交流电源线设在同一根电缆里，而且还需要将信号线和电源线以及高频信号线等保持一定的距离。但有时候受条件限制，无法用加大与噪声导体之间的距离来减少两导体间的分布电容时，此时采用静电屏蔽的方法是十分有效的。131.4屏蔽对电容性耦合的影响噪声导体受感应导体分布电容CS噪声电压US屏蔽层对地电容CLCes14屏蔽层不接地时UsCsCL屏蔽层芯线Ces15当受感应导线的外层包了屏蔽层后，设屏蔽层的对地电容为CL,如果屏蔽层不接地，受感应导线的对地阻抗无限大，受感应导体和屏蔽层之间的分布电容Ces上没有电流，作用在屏蔽层上的感应噪声电压Un为由于静电感应。则受感应导体上接受到的噪声电压就是屏蔽体上所感应的噪声电压。sLssnUCCCU16电缆的静电屏蔽如果屏蔽体接地，因为屏蔽层上的电压为零，所以受感应导体上的噪声电压也为零。由于受感应导线不可能全部封闭在屏蔽体内（包括导体两端外露和编织屏蔽层的空隙）,所以实际情况要复杂一些。为了获得良好的电场屏蔽，需要做到：1）最大限度的减小中心导线延伸到屏蔽之外部分的长度（猪尾巴效应）；2）为屏蔽层提供一个良好的接地。17主动屏蔽和被动屏蔽这里,我们讨论的是受感应导体屏蔽的情况（被动屏蔽）。如果我们将噪声导体进行屏蔽并接地（主动屏蔽）,同样可以起到抑制电场耦合的作用。所以在工业现场，无论是电源电缆，或者是信号电缆，都应采用屏蔽型电缆。主动屏蔽比被动屏蔽还重要。18采用屏蔽的效果要比拉开间距显著20mm20mm2个继电器电感50H内阻700欧AC110V1M欧500欧Sd90m示波器19上图是一个比较屏蔽和拉开间距的效果的试验例子。干扰源是采用两个并联的继电器，当用开关S将通电的继电器线圈突然断开时，线圈所产生的反冲电压可达1000V以上。这种反冲电压波形的前沿具有很大的变化速率，由此在导线上所产生的电力线改变的速率也非常高。这是一个含有相当高频率成分的噪声源。此外，接点间的火花放电也产生频谱很宽的噪声。由实验可知（实验数据见后表），用编织网进行屏蔽的话，感应出的噪声很小。若用增加两线间的距离d，还是能感应出几十伏的噪声电压。所以，静电屏蔽抑制电容性耦合噪声的效果一般要比拉开间距减小分布电容的效果来得显著。20线间距离d(mm)感应的噪声电压没有屏蔽层的导线编织网屏蔽导线040V～90V0.25V～0.7V17012V～30V0.15V～0.6V5107V～20V0.05V～0.3V212电感性耦合噪声和其抑制方法2.1耦合机理从物理学可知，线圈切割磁力线会感应出电动势。反之，线圈不动，周围的磁力线发生变化，也同样会在线圈两端感应出电动势。一根导线，当流过它的电流大小发生变化时，在其周围就会产生出变化的磁场。若在这个交变的磁场中有另一个电路回路，就会在回路中感应出电动势和感应电流。这两部分通过磁力线形成的耦合，其程度可用互感M来表示。2223噪声源电压为Ui，Ui在导体Z1回路上产生的电流为I，则在Z2回路上产生的感应电压为：UN=jωMI或UN=Mdi/dt由式可见，电感性耦合的噪声大小正比于A.噪声源回路的电流I变化率di/dt；B.互感M。一般而言，噪声源回路的电流I变化率是不可控的，有效的方法是如何减小互感M。减小互感M的方法有：A.拉开回路之间的耦合距离，包括回路之间的相对位置；B.尽可能减小噪声回路和感应回路的环路面积；此外，采用电磁屏蔽，包括双绞电缆和同轴电缆的使用。24一个实例例：某信号线与电压为220VAC、负荷为10kVA输电线的距离为1米，并平行走线10米，两线之间的互感为4.2µH，则信号线上感应的干扰电压为UN=ωMI=2•3.14•50•0.0000042•10000/220=59.98mV当信号电压为（1～5）V的信号，这个干扰电压的大小即相当于增加了1.5%的误差。252.2回路之间的相对位置与耦合程度的关系I5A10A15AUab40mV85mV130mV噪声回路感应回路26I5A10A15AUab100mV190mV280mV27一般而言：两个回路的平面相互垂直比平行其耦合要小。两个回路的环形面积愈小愈好。282.3对作为噪声源的同轴电缆施行的电磁屏蔽图所示的导线AB流过电流时，便成为向外界发出磁通的噪声源。AB噪声源I负载29如果对导线AB增加屏蔽体，并按图连接。电流在流经负载后，全部通过导体的屏蔽体返回到干扰源的地。由于流过屏蔽体上的电流也产生磁通，且与导体产生的磁通大小相等而方向相反，这样在屏蔽体的外面，不存在磁通，即导线AB被电磁屏蔽了。AB噪声源负载30如果将干扰源和负载都接地,当信号源和负载都接地时，由于流过屏蔽体的电流I2小于导线AB内的电流I，所以I2所产生的抵消磁通也比原来的小。然而，屏蔽体有一个重要的特性参数，即截止频率ωc=Rs/Ls，其中Rs和Ls分别为屏蔽体的电阻和电感。31如果沿屏蔽体和接地环路A-B-C-D-A，可列出方程式：式中M为屏蔽体与中心导体间的互感，其值为M=Φ/I2。而屏蔽体的自感Ls=Φ/I2,包围屏蔽体和中心导体的磁通是相同的，所以M=Ls代入上式整理得：32由式可知，当导体中流经的电流其频率远大于截止频率ωc=Rs/Ls时，绝大部分电流流过屏蔽体，屏蔽效果很好。当频率低于5ωc时，大部分电流从地面返回，屏蔽作用较小（所以低频时，不宜两端接地）。大多数电缆的截止频率在数千赫到数十千赫之间。33问题：为什么要把屏蔽体做成园筒状？说明：同轴电缆之所以要将屏蔽层制作成园筒状是为了降低Rs，增加Ls，从而降低截止频率ωc=Rs/Ls，增加可使用的频带宽度。342.4同轴电缆作为信号线路施行的电磁屏蔽(即外部已有一个交变的干扰磁场)a)b)c)d)信号源负载信号源负载信号源感应的干扰电流35几种情况的对比:图a)是不加屏蔽，易受外界磁通的影响。图b)是加不接地的屏蔽，由于不能减小回路的包围面积，无电磁屏蔽的效果。图c)是加一端接地的屏蔽，也不能减小回路的包围面积。图d)是加屏蔽体两端接地，可以减小回路的包围面积，有电磁屏蔽作用。当然这是有前提的，感应的干扰电流I（不是信号电流）的频率远大于导线的截止频率，否则，大部分返回电流也将从地面回路返回，也不能减小回路的包围面积。36我们常用屏蔽导线来防止外界磁通对导线的影响，其实这不是利用屏蔽体的磁屏蔽特性实现屏蔽的，而是将非磁性屏蔽体包在导体周围，并让它成为流经导线返回电流的一个通路，起到使电流的回路所包围的面积最小，使接收外界磁通影响为最小。372.5双绞线的电磁屏蔽原理及其应用1）对作为噪声源的导线实施电磁屏蔽环内有磁通产生环外磁通基本被抵消382）对信号线实施电磁屏蔽外磁通外磁通在导线上的感应相互抵消39双绞线的屏蔽效果随每单位长度的绞合数的增加而提高（见表）。表中的噪声衰减度系指平行导线时的干扰磁场值和采用双绞线后的干扰磁场值之比。但是，每单位长度的绞合数愈大，耗资也大，从后面的表看，绞距为50mm左右就可以了。由于双绞线使用十分方便，价格较低，屏蔽效果也较好，所以，在工程中常用到它。如果双绞线再加金属编织网就可以克服双绞线易受静电感应的缺点，使其屏蔽效果更好。双绞线和屏蔽双绞线常用于频率低于100kHz的屏蔽。40几种不同双绞线的效果比较试验条件噪声衰减度比例dB平行导线10双绞线（1绞/101.6mm)14：123双绞线（1绞/76.2mm)71：137双绞线（1绞/50.8mm)112：141双绞线（1绞/25.4mm)141：143金属导管内平行线22：127412.6同轴电缆和屏蔽双绞线的应用1）使用的频率范围双绞线和屏蔽双绞线因为有较大的电容，不适用于高频或高阻抗回路。非常适用频率低于100kHz的屏蔽。同轴电缆是一种特制的用金属编织网作屏蔽的电缆，在很大的范围内，具有均匀不变的低损耗的特性阻抗，可用于从直流到甚高频乃之超高频的频段。422）低频时屏蔽双绞线和同轴电缆的接地方法均采用单端接地，以避免因地电位差造成的环流，影响屏蔽的效果。43只有在高频（大于1MHz)时才将屏蔽体两端接地。或者，一端接地，另一端通过小电容再接地。这样，在低频时，电容有较大的阻抗，可认为是一端接地；高频时，电容阻抗变小，则成为两端接地。高频时，由于地电位差在电路中引起的噪声电压，其频率成分主要是工频信号及其谐波，容易被滤去。44屏蔽双绞线和同轴电缆一端屏接地和两端接地的噪声衰减度比较如果在实际应用中如需要两端都接地时，应在线路中使用隔离变压器或光电隔离器，以切断对地回路。一端接地两端接地80dB27dB70dB13dB452.7电容性耦合与电感性耦合噪声的比较判断方法噪声变化情况电感性耦合电容性耦合如电缆屏蔽层单端接地，将接地端断开不变变化46另外，高电压回路，容易成为电容性耦合的噪声源；大电流回路，容易成为电感性耦合的噪声源。电容性耦合噪声对受影响的电路是属于共模噪声；电感性耦合噪声对受影响的电路是属于串模噪声。472.8用于防雷的电缆的双层屏蔽当控制系统遭雷击时，由于静电感应和雷电电磁脉冲的磁场强度非常强大，本章讨论的电缆的屏蔽方法还不足以抑制雷电波的生成。此时，应采用电缆的双层屏蔽:内层单端接地，抑制电容性耦合；外层两端或多端接地，抑制电感性耦合，噪声电流只能在外屏蔽层