通訊設(shè)備接地問(wèn)題的研究與分析

彭 節(jié)

陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校 湖北 武漢 430075

一、接地系統(tǒng)的功能

在通信設(shè)備的設(shè)計(jì)中,為了確保整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,必須嚴(yán)格遵守EMC準(zhǔn)則。所謂EMC：就是ElectroMagneticCompatibility的縮寫(xiě),即電磁兼容。是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。因此,EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值；另一方面是指設(shè)備對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度,即電磁敏感性。為了使配置的整個(gè)通信系統(tǒng)達(dá)到EMC 要求,就必須通過(guò)接地網(wǎng)絡(luò)與接地系統(tǒng)連接。由于電流要在通信電路內(nèi)流動(dòng),而不能憑空消失,分流電流必須流向地面,這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電流到地的低阻抗通路極為重要。也就是說(shuō),在提供可靠的通信中,接地系統(tǒng)起到了重要的作用。

二、接地原理和原因

接地保護(hù)的基本原理是限制漏電設(shè)備對(duì)地的泄露電流,使其不超過(guò)某一安全范圍,一旦超過(guò)某一整定值保護(hù)器就能自動(dòng)切斷電源。

設(shè)備的接地是常用來(lái)在人為環(huán)境中防止危險(xiǎn)狀態(tài)的一種安全措施。而設(shè)計(jì)的低阻抗接地系統(tǒng),則是為了降低通信和電子系統(tǒng)的噪聲,并對(duì)瞬態(tài)電壓提供保護(hù),限制來(lái)自雷電、線路沖擊或偶然與高壓線路接觸時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓,并且限制正常工作時(shí)的對(duì)地電壓,使設(shè)備能可靠地運(yùn)行。接地原因主要有以下幾點(diǎn)：

1、為故障電流提供返回途徑,也就是說(shuō)為雷擊和開(kāi)關(guān)沖擊提供放電途徑,以保護(hù)通信設(shè)備。

2、保護(hù)人身,免受因機(jī)殼內(nèi)部偶然碰地時(shí)引起的電擊。

3、防止設(shè)備上靜電荷的積累。

4、降低或消除機(jī)架和機(jī)殼上的射頻電壓。

5、為射頻電流提供均勻和穩(wěn)定的導(dǎo)體。

6、穩(wěn)定電路的對(duì)地電位。

三、不同的接地系統(tǒng)

電子設(shè)備“接地”通常有兩種含義：一種是“大地”(安全地)；另一種是“系統(tǒng)基準(zhǔn)地”(信號(hào)地)?！敖哟蟮亍笔且缘厍虻碾娢粸榛鶞?zhǔn),并以大地作為零電位,把電子設(shè)備的金屬外殼、電路基準(zhǔn)點(diǎn)與大地相連,由于大地的電容非常大,一般認(rèn)為大地的電勢(shì)為零。在弱電系統(tǒng)中的接地一般不是真實(shí)意義上與地球相連的接地。對(duì)于電力電子設(shè)備將地線直接接在大地上或者接在一個(gè)作為參考電位的導(dǎo)體上,這點(diǎn)的電壓為0V,當(dāng)有電流通過(guò)該參考電位時(shí),電路中其他各點(diǎn)的電壓高低都是以這點(diǎn)為基準(zhǔn)的。接地方式多種多樣,我們常用到的有以下幾種：

1、安全接地：安全接地即將高壓設(shè)備的外殼與大地連接。一是防止機(jī)殼上積累電荷,產(chǎn)生靜電放電而危及設(shè)備和人身安全。如電腦機(jī)箱的接地。二是當(dāng)設(shè)備的絕緣損壞而機(jī)殼帶電時(shí),促使電源的保護(hù)動(dòng)作而切斷電源,以便保護(hù)工作人員的安全。三是可以屏蔽設(shè)備巨大的電場(chǎng),起到保護(hù)作用。

2、防雷接地：當(dāng)電子設(shè)備被雷擊時(shí),不論是直接雷擊還是感應(yīng)雷擊,如果缺乏相應(yīng)的保護(hù),設(shè)備都有可能受到很大損害甚至報(bào)廢。為防止雷擊,我們一般在高處設(shè)置避雷針與大地相連,以防雷擊時(shí)危及設(shè)備和人員安全。

3、工作接地：它是為電路正常工作而提供的一個(gè)基準(zhǔn)電位。這個(gè)基準(zhǔn)電位一般設(shè)定為零。該基準(zhǔn)電位可以設(shè)為電路系統(tǒng)中的某一點(diǎn)、某一段等。當(dāng)該基準(zhǔn)電位不與大地連接時(shí),視為相對(duì)的零電位。但這種相對(duì)的零電位是不穩(wěn)定的,它會(huì)隨著外界電磁場(chǎng)的變化而變化,使系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致電路系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。當(dāng)該基準(zhǔn)電位與大地連接時(shí),基準(zhǔn)電位視為大地的零電位,而不會(huì)隨著外界電磁場(chǎng)的變化而變化。

4、屏蔽接地：屏蔽與接地應(yīng)當(dāng)配合使用,才能起到良好的屏蔽效果。當(dāng)用完整的金屬屏蔽體將帶電導(dǎo)體包圍起來(lái)時(shí),在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應(yīng)出與帶電導(dǎo)體等量異種的電荷,外側(cè)出現(xiàn)與帶電導(dǎo)體等量的同種電荷,因此外側(cè)仍有電荷存在。如將金屬屏蔽體接地,外側(cè)電荷將流入大地,金屬外殼將不會(huì)存在電場(chǎng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)就要確定一些目標(biāo)：必須提供電源系統(tǒng)參考電壓；必須使人免受電擊；進(jìn)入到設(shè)備的錯(cuò)誤能量必須在引起損壞之前就要消除；通過(guò)設(shè)置到地的低阻抗通路和避免地環(huán)路來(lái)達(dá)到減小電噪聲的目的；任一種電路都需要接地點(diǎn)等。對(duì)于通信系統(tǒng),不存在一種技術(shù)能解決這些不同需求,并達(dá)到最佳EMC設(shè)計(jì)。

在通信中,解決EMC問(wèn)題會(huì)涉及到耦合路徑和接地系統(tǒng)的重要功能。許多可變因素會(huì)影響噪聲與電路的耦合。鑒于這些變化沒(méi)有一種標(biāo)準(zhǔn)的解決方法,在許多條件下,就必須應(yīng)用折中方案——也就是說(shuō)為了阻止來(lái)自更嚴(yán)重噪聲源的耦合,設(shè)計(jì)者可允許存在某些可忽略的噪聲。

對(duì)于一個(gè)電路,必須只有一個(gè)參考地。因?yàn)閮蓚€(gè)不同點(diǎn)不可能具有完全相同的電位,這樣兩個(gè)參考地就會(huì)導(dǎo)致噪聲。但是如果考慮兩個(gè)不同的電路并分別研究時(shí),可以有兩個(gè)不同的參考地。不過(guò),當(dāng)分析包含兩個(gè)電路組成的整個(gè)電路時(shí),就必須只有唯一的參考(物理)接地系統(tǒng)。

在低頻應(yīng)用時(shí),電路可被視為一個(gè)包括一些常用元件(如電阻、電容、電感)的等效電網(wǎng)絡(luò)。此種條件下,簡(jiǎn)單的計(jì)算就可滿足要求。然而,當(dāng)電路尺寸比波長(zhǎng)小時(shí),電路的輻射特性就不能忽視。

當(dāng)考慮一個(gè)電路的兩個(gè)導(dǎo)體(源/負(fù)載和線返同導(dǎo)體)時(shí),兩種電流的流向是不同的。首先,差模涉及有用信號(hào),即電流通過(guò)一個(gè)導(dǎo)體從源流向負(fù)載,并通過(guò)另一個(gè)導(dǎo)體返回。在共模條件下,電流在兩個(gè)導(dǎo)體上以相同的方向流動(dòng),并通過(guò)第三個(gè)導(dǎo)體(實(shí)際上為地)返回。很明顯,共模電流是許多接地系統(tǒng)產(chǎn)生干擾問(wèn)題的原因。

四、結(jié)論

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,一個(gè)設(shè)計(jì)良好的接地系統(tǒng)對(duì)獲得EMC 是至關(guān)重要的。對(duì)于一個(gè)給定的復(fù)雜的現(xiàn)代通信系統(tǒng)和所涉及的設(shè)備范圍,通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的技術(shù)方法并不能獲得可靠的保護(hù)。如上所述,一個(gè)有效的干擾控制計(jì)劃應(yīng)系統(tǒng)地注意到關(guān)鍵的敏感性以及與整個(gè)通信系統(tǒng)有關(guān)的一些可變的設(shè)計(jì)參數(shù)。