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电磁干扰及常用的抑制技术
作者: 时间:2013-12-16 阅读:

    1.电磁干扰

    电磁干扰(electromagneticinterference,EMI)是指系统在工作过程中出现的一些与有用信号无关的、并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。构成电磁干扰必须具备三个基本条件:①存在干扰源;②有相应的传输介质;③有敏感的接收元件。只要除去其中一个条件,电磁干扰就可消除,这就是电磁抑制技术的基本出发点。

    1.1电磁干扰的分类

    常见的各种电磁干扰根据干扰的现象和信号特征不同有以下分类方法。

    1、按其来源分类

   (1)自然干扰。自然干扰是指由于大自然现象所造成的各种电磁噪声。

   (2)人为干扰。由于电子设备和其他人工装置产生的电磁干扰。

    2、按干扰功能分类

    (1)有意干扰。有意干扰是指人为了达到某种目的而有意识制造的电磁干扰信号。这是当前电子战的重要手段。

    (2)无意干扰。无意干扰是指人在无意之中所造成的干扰,如工业用电、高频及微波设备等引起的干扰等。

    3、按干扰出现的规律分类

    (1)固定干扰。多为邻近电气设备固定运行时发出的干扰。

    (2)半固定干扰。偶尔使用的设备(如行车、电钻等)引起的干扰。

    (3)随机干扰。无法预计的偶发性干扰。

    4、按耦合方式分类

    (1)传导耦合干扰。传导耦合是指电磁噪声的能量在电路中以电压或电流的形式,通过金属导线或其他元件(如电容器、电感器、变压器等)耦合到被干扰设备(电路)。

    (2)辐射耦合干扰。电磁辐射耦合是指电磁噪声的能量以电磁场能量的形式,通过空间辐射传播,耦合到被干扰设备(或电路)。

    1.2电磁噪声耦合途径

    干扰源对电子设备的干扰是通过一定耦合形式进行的,无论是内部干扰或外部干扰,都是通过“路”(传输线路或电路)或“场”(静电场或交变电磁场)耦合到被干扰设备中的。

    1、电磁噪声传导耦合

    (1)直接传导耦合。电导性直接传导耦合最简单、最常见,但它也是最易被人们忽视的一种耦合方式。在考虑电磁兼容性问题时,必须考虑导线不但有电阻足,而且有电感L,漏电阻R,以及杂散电容C。在实际使用中尤其是频率比较高时,这些分布参数对信号的传输有着十分重要的影响。如何考虑分布参数的影响与传输线的长度密切相关。根据传输线的长度与传输信号频率的关系可把传输线分为长线和短线,对短信号线不必进行阻抗匹配,而对长信号线应在终端进行阻抗匹配。

    (2)公共阻抗耦合。当干扰源的输出回路与被干扰电路存在一个公共阻抗时,两者之间就会产生公共阻抗耦合。干扰源的电磁噪声将会通过公共阻抗耦合到被干扰电路而产生干扰。所谓“公共阻抗”通常不是人们故意接人的阻抗,而是由公共地线和公共电源线的引线电感所造成的阻抗和不同接地点问的电位差造成的寄生耦合。公共阻抗耦合主要包括公共地阻抗耦合和公共电源阻抗耦合。

    (3)共模电流和差模电流。干扰电流在导线上传输时有两种方式:共模方式和差模方式。一对导线上如流过差模电流则两条线上的电流大小相等、方向相反,一对导线上如流过共模电流则两条线上的电流方向相同,一般有用信号都是差模电流。干扰在传输线上既可以差模方式出现,也可以共模方式出现。

    2、电磁辐射耦合

    常把干扰源通过电场的耦合看成是电容性耦合(电场耦合),通过磁场的耦合看成电感性耦合,电场与磁场同时存在则为电磁场耦合。

    (1)电容性耦合。当干扰源产生的干扰波以电压形式出现时,干扰源与信号电路之间就存在电场(电容性耦合)。这时,干扰电压经电容耦合到信号电路。抑制电容性耦合可采取合理布置电路及电场屏蔽等措施。

    (2)电感性耦合。交流载体,如交流电动机、动力线、发电动机、变压器等,必将在载体周围空间产生工频磁场,干扰其周围的电路及电子装置。当变送器、热电偶等小信号通过较长的信号线传送时,在信号传送途中经常会受到这种交变磁场的干扰。

    (3)电磁场耦合。远场时电场与磁场干扰之比等于常数,通称为电磁场耦合。大功率的高频发生装置(如高频加热炉)、晶闸管变流装置、整流子电动机的电刷滑环、开关、继电器、接触器等节点开断时产生的电弧,电焊机的弧光,电车集电环产生的火花,以及航空雷达信号等,都将产生强烈的电磁波,并以空间辐射的形式干扰电子设备。

    电子设备中长的信号输入/输出线和控制线等也具有天线效应,即能够辐射干扰波和接收干扰波。离干扰源较远的地区干扰主要是由辐射电磁场造成的。

    3、串扰

    当信号平行且距离很近时,由于线间互感和互容的存在,在相邻两信号之间产生的干扰,称为串扰。当两根信号线紧靠在一起或当信号线与地距离很近时串扰严重。若将发送线和接收线改用两对双绞线,其中一根在始端和终端接地。对于一般TTL电路就比较安全了。

    4、浪涌

    浪涌顾名思义就是瞬间出现超出稳定值的峰值,它包括浪涌电压和浪涌电流。浪涌电压是指的超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲,浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。可能引起浪涌的原因有:重型设备、短路、电源切换或大型发动机。浪涌电流是指电源接通瞬间或是在电路出现异常情况下产生的远大于稳态电流的峰值电流或过载电流。它很可能使电路在浪涌的一瞬间烧坏,如PN结电容击穿,电阻烧断等等。

    2.常用的干扰抑制技术

    电磁干扰的抑制要从干扰源、传播途径、接收器三个方面着手,切断干扰耦合的途径,干扰的影响也将被消除。常用的方法有滤波、降低或消除公共阻抗、屏蔽、隔离等。

    2.1屏蔽技术

    屏蔽技术用来抑制电磁噪声沿着空间的传播及切断辐射电磁噪声的传输途径。通常用金属材料或磁性材料把所需屏蔽的区域包围起来,使屏蔽体内外的“场”相互隔离。如果目的是防止噪声源向外辐射场的干扰,则应该屏蔽噪声源,这种方法称主动屏蔽。如果目的是防止敏感设备受噪声辐射场的干扰,则应该屏蔽敏感设备,这种方法称被动屏蔽。

    对于电场、磁场、电磁场等不同的辐射场,由于屏蔽机理不同而采取的方法也不尽相同。屏蔽技术通常分为三大类:电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁场屏蔽(同时存在电场及磁场的高频辐射电磁场的屏蔽)。

    1、电场屏蔽

    电场屏蔽是抑制噪声源和敏感设备之间由于存在电场耦合而产生的干扰。电场有静电场和交变电场之分。利用金属屏蔽体可对电场起到屏蔽作用,但是,屏蔽体的屏蔽必须完善并良好地接地。如果可能,最好使用低电阻金属(铜、铝)做成屏蔽罩,并使之与机壳(地)可靠相连。

    无论是静电场或交变电场,电场屏蔽的必要条件是完善的屏蔽及屏蔽体良好接地。

    2、磁场屏蔽

    磁场屏蔽的目的是消除或抑制噪声源与敏感设备之间由于磁场耦合所产生的干扰。对于不同的频率必须采取不同的磁场屏蔽措施。

    (1)低频磁场屏蔽。

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图1-1低频磁场屏蔽

(a)主动屏蔽(b)被动屏蔽

    通电线圈周围产生磁场,磁力线是闭合的,由于磁力线分布在整个空间,可能对附近的敏感设备产生干扰。对于恒定磁场和低频段(100kHz以下)干扰磁场,采用高磁导率的铁磁材料(如硅钢片、坡莫合金、铁等)制成管状或杯状罩进行磁场屏蔽。这样,既可将磁场干扰限制在屏蔽罩内,也可使外界低频干扰磁场对置于屏蔽罩内的电路和器件不产生干扰。如图1-1(a)所示线圈的磁屏蔽,由于铁磁材料的高磁导率,因而使屏蔽体内的线圈产生的磁通主要沿屏蔽罩通过,而使屏蔽罩外面的元件、电路不受磁场的影响,即主动屏蔽。同样,当屏蔽体放入外磁场中,磁力线将集中在屏蔽体内通过,不至于泄漏在屏蔽壳体包围的内部空间中去,从而保证该空间不受外磁场的影响,即被动屏蔽,如图1-1(b)所示。

    在使用铁磁性材料作屏蔽壳体时,如果需要在壳体上开缝,一定要注意开缝的方向。图1-1(a)中壳体上磁力线是垂直流动的,所以横向的缝隙会阻挡磁力线,使磁阻增加,从而使屏蔽性能变坏。纵向的缝隙不会阻挡磁力线,但应注意缝不能太宽。

    (2)高频磁场屏蔽。

 

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图1-2高频磁场屏蔽

(a)主动屏蔽(b)被动屏蔽

    高频磁场采用低电阻率的金属良导体材料来屏蔽,如铜、铝,当高频磁场穿过金属板时由于电磁感应原理在金属板上产生感应电动势,由于金属板的电导率很高所以产生很大的涡流。如图1-2(a)所示。涡流又产生反磁场,与穿过金属板的原磁场相互抵消,同时又增强了金属板周围的原磁场。总的效果是使磁力线在金属板四周绕行而过。如果做一个金属盒把线圈包围起来,则线圈电流产生的高频磁场在金属盒内壁产生涡流,从而把原磁场限制在盒内,不至于向外泄漏,起到主动屏蔽作用。金属盒外的高频磁场同样由于涡流作用只能绕过金属盒,而不能进入盒内,起到了被动屏蔽的作用,如图1-2(b)所示。由于高频电流具有集肤效应,涡流只在金属表面的薄层中流过,金属屏蔽体不需太厚,薄薄一层(0.2~0.8mm)金属良导体就能起到良好的高频磁场屏蔽作用。

    磁场屏蔽和接地与否影响不大,一般均接地,可同时起到电场屏蔽的作用。

    3、电磁场屏蔽

    对于高频电磁干扰,通常采用电阻率小的良导体材料,且接地良好的屏蔽体就可同时实现电场屏蔽和磁场屏蔽。在实际屏蔽时,有些场合不便于使用金属板,就可用金属网代替,要求屏蔽效能高时,就可采用双层金属网屏蔽。

    低频时,电场屏蔽一般不成问题,因反射量很大。磁场情况则有所不同,因反射量小只能靠增加吸收量来增加总屏蔽量,就是说增加屏蔽物厚度,使屏蔽物的电导率和磁导率增加而增加吸收量,从而提高磁屏蔽能力。

    2.1接地技术

    接地的目的有两个,一是为保护人身和设备安全,避免雷击、漏电、静电等危害。此类地线称为保护地线,应与真正大地连接。另一个是为了保证设备的正常工作,如直流电源常需要有一极接地,作为参考零电位。传输信号传输也常需要有一根线接地,作为基准电位,传输信号的大小与该基准电位相比较。另外,对设备进行屏蔽时在很多情况下只有与接地相结合,才能具有应有的效果。接地系统又分为保护地线、工作地线、地环路和屏蔽接地四种。

    1、保护地线

    为确保操作人员的人身安全和设备运行安全,电气设备的机壳、底盘都应该接地。常用的电源插座或配电板上都有保护地线。图1-3为交流单相220V供电线路中的三根线:火线、中线、地线。正常工作时电流从火线流经负载,由中线返回,保护地线上无电流流过。若线路发生绝缘击穿或出现故障时,使火线与机壳相连,则保护地线上流过很大故障电流,使火线上的保险丝熔断,从而切断电源。因为机壳是通过保护地线与大地相连的,机壳始终保持大地电位,所以即使人接触机壳也不会发生危险的。按照直接接触安全操作电压的规定,普通环境电压应为48V以下,潮湿环境和手持设备应在24V以下,超过上述值即应妥善接地。

 

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    2、工作地线

    工作地线是给电源和传输信号提供一个等电位,但在实际电路中工作地线常常兼作电源和信号线的回流线。工作地线总具有一定的电阻和分布电感,一般电阻很小可忽略,但高频时电感的感抗不能忽略。当回流流过工作地线时就会在地线的阻抗上产生压降,因此各点的电位不同,任意两点存在着一定的电位差,就可、能产生共阻抗干扰。为了消除或抑制这种干扰,地线设计的一般原则为:①尽可能使接地电路各自形成回路,减小电路与地线问的耦合。②恰当布置地线,使地电流局限在尽可能小的范围内。③根据地线电流的大小,选择相应形状的地线和接地方式。常用的有单点接地和多点接地方式。

 

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图1-4单点串联接地方式

(a)单点串联接地(b)单点串联等效电路

    (1)单点接地。单点接地包括单点串联接地和单点并联接地。图1-4所示为单点串联接地方式,电路1、2、3的接地点由工作地线串联起来,然后接地。

    单点并联接地方式是将电路1、2、3各自独立地在同一点接地,如图1-5所示,电流I2、,I3就不可能流经I1,,因此就不会产生共阻抗干扰。

 

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图1-5单点并联接地方式

(a)单点并联接地(b)单点并联等效电路

    (2)多点接地。

 

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图1-6多点接地方式

    为了改善地线的高频特性,把需要接地的电路就近接到一金属面上,如图1-6所示。各电路接地点到金属面的引线要尽可能缩短。金属面导电好、面积大,因而本身阻抗很小,不易产生共阻抗干扰。在设备中常用机壳作地线。高频电路(f>100MHz)一般多采用该接地方式。但在印制板上,作为地线的金属面一般都比较大,这种情况无论高频电路还是低频电路都可多点就近接地。

    3、地环路

    地环路是由于电路多点接地并且电路问有信号联系时形成的干扰,而不是指由于地线本身构成的环路,如图1-7所示。在外界电磁场的影响下由于产生感应电动势而产生电流,使得在地线阻抗上有电压降,而导致产生共阻抗干扰。电路1在A点接地,电路2在B点接地,有一根信号线连接两电路,由于信号线和地之间构成了地环路ABCD,如果A点和B点的电位不同,就存在一定的电位差UAB,或者由于外界电磁场比较强,在地环路ABCD中产生感应电动势UAB,UAB叠加在有用信号Es上一起加到负载Z1上,从而产生干扰,这种干扰是差模干扰。

 

 

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1-7地环路的构成 1-8多层隔离变压器

    用阻隔地环流措施减小干扰,常用的方法有变压器隔离、扼流圈隔离、光电耦合隔离和继电器隔离等。

    (1)变压器隔离。

    隔离变压器是最常见的隔离器件之一,用来阻断干扰信号的传导通路,并抑制干扰信号的强度。图1-8所示为一种多层隔离变压器。在变压器的一次侧和二次侧线圈处设有静电隔离层S1和S2,还有三层屏蔽密封体。S1和S2的作用是防止通过一次侧和二次侧绕组的耦合相互干扰。变压器的三层屏蔽层,其内外两层用铁起磁屏蔽的作用,中间用铜与铁心相连并直接接地,起静电屏蔽作用。这三层屏蔽层是为了防止外界电磁场通过变压器对电路形成干扰。这种隔离变压器具有很强的抗干扰能力。

    (2)扼流圈隔离。

    当传输的信号中有直流分量或很低频率成分时,就不能用隔离变压器,而需要采用扼流圈来阻隔地环路,如图1-9所示。扼流圈的两个绕组的绕向和匝数都相同,信号电流在两个绕组中流过时产生的磁场恰好抵消,所以扼流圈并未起到扼流作用,可较顺利地传输信号电流。地线中的干扰电流流经两个绕组时产生的磁场同相相加,扼流圈对干扰电流呈现较大的感抗,因而起到阻隔地环流以减小干扰的作用。

 

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1-9用纵向扼流圈阻隔地环路

 

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1-10用于切断地环路的光电耦合器

    采用扼流圈有如下好处:①扼流圈不仅能传输交流信号,而且也能传输直流信号;②扼流圈对地线中较高频率的干扰有强的抑制能力;③扼流圈能抑制所传输的较高频率的信号对其他电路单元的干扰。

    (3)光电耦合隔离。

    切断两电路单元之间地环流的另一种方法是采用光电耦合器,如图1-10所示,其原理是发光二极管发光的强弱随电路1输出信号电流的变化而变化,强弱变化的光使光敏晶体管产生相应变化的电流作为电路2的输入信号。将这两种器件封装在一起就构成了光电耦合器。

    光电耦合器完全切断了两电路单元之间的地环路,所以有良好的抑制地线干扰的能力。由于光强和电流之间线性关系较差,在传输模拟信号时会产生较大的失真,故光电耦合器的运用受到限制,但对数字信号传输光电耦合器特别适用。

    (4)继电器隔离。

    继电器线圈和触点仅有机械联系而没有直接电联系,因此可利用继电器线圈接收信号,而利用其触点发送和传输信号,如图1-11所示,从而实现强电与弱电的隔离。继电器触点较多,且其触点能承受较大的负载电流,因而应用广泛。在实际应用中,常将继电器的线圈接入弱电控制回路,而对应于线圈的触点则用于传递强电回路的某些信号。隔离用的继电器,主要是一般小型电磁继电器或干簧继电器。

 

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1-11继电器隔离

    4、屏蔽接地

    为实现电场的屏蔽,必须用金属良导体作静电屏蔽层,而且必须接以恒定不变的电位(通常接大地),否则该屏蔽层不但不起任何静电屏蔽的作用,相反还会因之加大分布电容,从而加大电容耦合。正是因为这个原因,屏蔽高频电磁场的良导体屏蔽层也应当接地。此外,对用于屏蔽低频磁场的磁屏蔽体最好也接地。常见的屏蔽体还有屏蔽线、屏蔽电缆、电源滤波器、变压器等。

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