地線回路干擾的產(chǎn)生和減小地線干擾的技術(shù)措施

劉 瑞

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

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地線回路干擾的產(chǎn)生和減小地線干擾的技術(shù)措施

劉 瑞

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

摘 要：良好的接地不僅能抑制干擾帶來(lái)的影響，而且能抑制設(shè)備的向外輻射干擾；當(dāng)接地出現(xiàn)故障和錯(cuò)誤時(shí)，則會(huì)引入嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致電子設(shè)備在工作中出現(xiàn)異常。文章介紹地環(huán)路干擾和接地公共阻抗干擾的產(chǎn)生，分析地線中的等效干擾電勢(shì)，并提出相應(yīng)的抑制措施。

關(guān)鍵詞：接地公共阻抗 地環(huán)路 干擾 等效干擾電勢(shì)

引言

地線是指電子產(chǎn)品中各種電路單元基準(zhǔn)電位的連接導(dǎo)線，即信號(hào)地線或電源地線。在理想狀態(tài)下，地線是一個(gè)阻抗值為零、電位值為零的物理實(shí)體。在各種電路中，地線是信號(hào)電平的參考點(diǎn)，且有電流通過(guò)時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生電壓降。但是，實(shí)際情況下，理想地線是不存在的。它既有電阻又有電抗。當(dāng)電流通過(guò)地線時(shí)，其上必定會(huì)產(chǎn)生電壓降。此外，地線與電路之間還可能構(gòu)成環(huán)路，當(dāng)變化的磁場(chǎng)與環(huán)路交連時(shí)，地線中就有感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生。在電子設(shè)備中，不論是地線中電流產(chǎn)生的電壓降，還是地環(huán)路引起的感應(yīng)電勢(shì)，都會(huì)造成與公共地線連接的各電路單元產(chǎn)生相互干擾。

1 地線回路干擾的產(chǎn)生

1.1 接地公共阻抗產(chǎn)生的干擾

某些情況下，接地公共阻抗帶來(lái)的干擾無(wú)法避免，尤其是電子設(shè)備。兩個(gè)不同位置的接地點(diǎn)之間存在一定的電位差，稱為地電壓。任何電路中兩個(gè)不同點(diǎn)之間總是存在電阻和電抗。當(dāng)有電流流過(guò)地線時(shí)，就會(huì)在接地公共阻抗兩端產(chǎn)生地電壓。當(dāng)?shù)仉妷杭拥诫娐穬啥耍蜁?huì)形成共模干擾電壓。

圖1 公共接地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾

如圖1所示，在接地回路中，頻率較高的信號(hào)源或者直流電源電流流過(guò)地面形成閉合回路。由于地線與地面的接觸公共阻抗很小，所以在電子電路的性能設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略。當(dāng)電路進(jìn)行電磁干擾分析時(shí)，接地面阻抗的大小是要考慮的。

1.2 地環(huán)路干擾

在電子設(shè)備中，地環(huán)路干擾是一種較常見(jiàn)的干擾現(xiàn)象。通常，電子設(shè)備中的地線分布在設(shè)備內(nèi)部的各級(jí)電路單元，由于設(shè)備之間的地線存在電位差，這樣就難免與其他線路構(gòu)成環(huán)路。

當(dāng)?shù)鼐€阻抗兩端有地線電壓時(shí)，地線中就有電流流過(guò)，即地環(huán)路電流。地環(huán)路電流和電路的非平衡性對(duì)電路產(chǎn)生影響，就形成了差模干擾電壓。當(dāng)功率較強(qiáng)的電氣設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，用電設(shè)備的接地線中會(huì)有較強(qiáng)電流通過(guò)，導(dǎo)致電氣設(shè)備間的連接電纜中有電流通過(guò)。環(huán)路電流的產(chǎn)生由連接電纜與接地線造成，因此稱為地環(huán)路干擾。當(dāng)一變化的磁場(chǎng)與環(huán)路交連時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與傳輸信號(hào)形成疊加，于是產(chǎn)生干擾。

圖2 級(jí)連的兩電路單元

如圖2所示，地線環(huán)路中的感應(yīng)電勢(shì)ei與前級(jí)電路的傳輸信號(hào)電平串聯(lián)，并輸送到后級(jí)電路的輸入端，形成了地線環(huán)路干擾。為降低地環(huán)路對(duì)電路的干擾，要相應(yīng)縮小地環(huán)路面積。實(shí)際操作中，為了盡量避免線路設(shè)計(jì)和布局時(shí)形成地環(huán)路以達(dá)到抑制干擾的目的，通常采用樹(shù)叉狀地線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.3 地線中的等效干擾電勢(shì)

從以上對(duì)地阻抗干擾和地環(huán)路干擾的論述中可以看出，從電磁兼容的角度出發(fā)，地線不能看成等電位。假設(shè)某一段地線的電阻為Rg、電感為L(zhǎng)g、通過(guò)的電流為Ig，則在這段地線上產(chǎn)生的壓降為Ug。

假設(shè)這段地線與電源正極饋線（或信號(hào)線）構(gòu)成的環(huán)路面積為S，則在這段地線上產(chǎn)生的總干擾電勢(shì)為：

可見(jiàn)，接地線的存在導(dǎo)致電路出現(xiàn)干擾，分析時(shí)要在地線中加一等效干擾電勢(shì)eg，如圖3所示。

圖3 地線中的等效干擾電勢(shì)

2 減小地線回路干擾的技術(shù)措施

2.1 變壓器耦合

由于變壓器具有“隔直流、通交流”的作用，因此可用以阻隔地線形成回路，起到抑制地回路的干擾。如圖4所示，變壓器把電路1的信號(hào)由原邊耦合至副邊的電路2，從而對(duì)地線干擾電壓UG的回路起到阻斷作用。這里，我們僅考慮變壓器阻隔地環(huán)路的能力。由疊加原理可見(jiàn)，可以不考慮信號(hào)電壓US，即將信號(hào)電壓短路。

圖4 采用變壓器阻隔地環(huán)路干擾

總之，變壓器對(duì)直流信號(hào)起阻斷作用，也不適用于低頻率信號(hào)的傳輸。也就是講，當(dāng)?shù)鼐€中低頻率信號(hào)通過(guò)變壓器時(shí)被阻斷，從而對(duì)干擾起到良好的抑制能力。由于設(shè)備電路中電平信號(hào)的電流只從變壓器繞組連接導(dǎo)線中通過(guò)，對(duì)其他電路的電磁干擾也相應(yīng)得到避免。

2.2 縱向扼流圈

當(dāng)傳輸信號(hào)中存在大量的直流成分或較低的頻率成分時(shí)，不能用變壓器耦合傳輸信號(hào)，而縱向扼流圈可以使直流信號(hào)或低頻信號(hào)通過(guò)，如圖5所示。當(dāng)?shù)鼗芈饭材８蓴_電流通過(guò)縱向扼流圈時(shí)，對(duì)其呈現(xiàn)出相當(dāng)高的阻抗從而受到抑制。

縱向扼流圈由兩個(gè)繞行方向相同、匝數(shù)相等的繞組組成，通常稱為雙線并繞。通過(guò)兩個(gè)繞組的信號(hào)電流此時(shí)正好方向相反，形成差模電流。由信號(hào)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相抵消、阻抗較低，使流過(guò)縱向扼流圈的信號(hào)電流不被扼流，且不切斷直流回路。而通過(guò)兩個(gè)繞組的地線干擾電流此時(shí)正好方向相同，形成差模電流。由地線干擾電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)同向相加，對(duì)地線干擾電流呈現(xiàn)高阻抗，地回路干擾得到有效抑制。

圖5 采用縱向扼流圈阻隔地環(huán)路

2.3 光電耦合器

作為一種耦合器件，光電耦合器是把兩電路單元之間的地線回路切斷。光電耦合器工作原如圖6所示。當(dāng)通過(guò)電路1輸出信號(hào)電流的大小發(fā)生改變時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光的強(qiáng)弱隨流變化。發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)發(fā)光信號(hào)的變化取決于信號(hào)電流的變化，而光電晶體管會(huì)把發(fā)光信號(hào)再轉(zhuǎn)化為信號(hào)電流輸出。

圖6 用于斷開(kāi)地環(huán)路的光耦合器

把發(fā)光二極管和光電晶體管封裝在一起，就構(gòu)成一個(gè)光耦合器。當(dāng)光耦合器連接在兩電路單元之間，就可對(duì)地線干擾起到抑制作用。模擬信號(hào)在光耦合器傳輸過(guò)程中易出現(xiàn)非線性失真，因此模擬電路中一般不采用。但在數(shù)字信號(hào)傳輸中，光耦合器非常實(shí)用。使用光耦合器時(shí)，電路單元間必須分別饋電，以防止電源饋線在同一電源變壓器中構(gòu)成新的干擾耦合途徑。

2.4 同軸電纜傳輸信號(hào)

當(dāng)兩電路單元間的信號(hào)傳輸采用同軸電纜時(shí)，也能有效抑制地環(huán)路干擾，圖7即是同軸電纜傳輸信號(hào)的示意圖。

圖7 電路間采用同軸電纜傳輸信號(hào)

從電磁場(chǎng)的角度來(lái)講，由于高頻時(shí)的集膚效應(yīng)，信號(hào)電流只沿同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體的外表面和外導(dǎo)體的內(nèi)表面形成電路流過(guò)，理想同軸電纜在傳輸電磁信號(hào)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)能量泄漏。而實(shí)際上，同軸電纜屏蔽層存在電氣上的不連續(xù)，不可避免地會(huì)有少量能量泄露，外界干擾同樣可能有部分串入同軸電纜內(nèi)部。從總體上看，同軸電纜在傳輸信號(hào)時(shí)，既不易干擾其他電路，又抑制了地線干擾和外界電磁干擾傳輸信號(hào)的影響。通常，單層屏蔽同軸電纜的截止頻率在0.6～2kHz范圍內(nèi)，雙層屏蔽同軸電纜的截止頻率在0.5～0.7KkHz，屏蔽效能通常小于60dB。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高能量、高頻率的發(fā)射源不斷增多，促使干擾信號(hào)的強(qiáng)度增加，干擾設(shè)備中存在多種電磁輻射。然而，目前現(xiàn)有技術(shù)只能使電磁干擾得到一定范圍的控制。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，由于多種控制裝置分布在設(shè)備的幾個(gè)不同地方，導(dǎo)致裝置的接地系統(tǒng)形成非常復(fù)雜的接地網(wǎng)絡(luò)。良好的接地可保障電子設(shè)備的系統(tǒng)正常工作，防止電路以外電磁干擾的侵襲，保證控制裝置穩(wěn)定可靠運(yùn)行，有效控制向外界環(huán)境施放電磁污染。在設(shè)計(jì)和分析電路時(shí)，應(yīng)把接地系統(tǒng)考慮進(jìn)來(lái)。從系統(tǒng)工程的層面來(lái)看，要給予設(shè)備的接地問(wèn)題足夠的重視，以期得到很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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Technical Measures for the Generation of Interference of Ground Circuit and the Interference of Ground Wire

LIU Rui
（Tianjin Electromechanical Vocational College， T ianjin 300350）

Abstract:Good grounding can not only restrain the influence caused by interference， and can s uppress the equipment of outward radiation interference； when grounding faul t and error， int roduce serious interference， lead to abnormal electronic equipment at work. This paper introduces the interference and grounding of com mon impedance interference， the interference analysis of equivalent ground potential， and put forward the corresponding control measures.

Key words:public grounding impedance， loop， interference，equivalent interference potential