第3章-电磁兼容-接地课件

第三章第三章 接地技术接地技术o 概述概述o 平安接地平安接地o 地环路问题与解决方法地环路问题与解决方法o 公共阻抗耦合问题公共阻抗耦合问题o 各种接地方法各种接地方法 概概 述述oo接地的概念：接地的概念：接地的概念：接地的概念：一般指为了使电路、设备或系统与一般指为了使电路、设备或系统与一般指为了使电路、设备或系统与一般指为了使电路、设备或系统与“地之间建地之间建地之间建地之间建立通路，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。考电位面的良导体的技术行为。考电位面的良导体的技术行为。考电位面的良导体的技术行为。oo接地的分类接地的分类接地的分类接地的分类:平安接地平安接地平安接地平安接地 信号接地信号接地信号接地信号接地 oo接地的要求接地的要求接地的要求接地的要求:oo 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。理想的接地应使流经地线的各个电路、设备的电流互不影响。oo 理想的接地导体理想的接地导体理想的接地导体理想的接地导体(导线或导电平面导线或导电平面导线或导电平面导线或导电平面)应是零阻抗的实体，即各接应是零阻抗的实体，即各接应是零阻抗的实体，即各接应是零阻抗的实体，即各接地点之间没有电位差。地点之间没有电位差。地点之间没有电位差。地点之间没有电位差。oo 安安 全全 地地220V0V+关键词：关键词：平安，静电积累，绝缘损坏机壳带电，平安，静电积累，绝缘损坏机壳带电，漏电保护，雷击电流，泄放路径，泄放电荷漏电保护，雷击电流，泄放路径，泄放电荷 NO!circuit breakerTERREsnapYES!circuit breaker 接零保护接地接零保护接地人体电阻人体电阻:欧，欧，人体的平安电流值人体的平安电流值:交流为交流为 15-20mA，直流电流为，直流电流为 40mA持续时间在持续时间在 1s以上以上,平安电压为平安电压为 36VPHN常见常见地线地线contact indirect罕见罕见信信 号号 接接 地地定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径 信信 号号 接接 地地o传统定义：传统定义：o 地线就是电路中的电位参考点，它为系统中的所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有电路提供一个电位基准假设零阻抗的理想状态o真实情况真实情况 o地线为信号流回源的路径很少刻意画出地线为信号流回源的路径很少刻意画出o地线阻抗不为零，电流流过有限阻抗时，必然会导致电地线阻抗不为零，电流流过有限阻抗时，必然会导致电压降压降o接地体接地体(导线或导电平面导线或导电平面)各接地点之间有电位差各接地点之间有电位差o信号回路阻抗不为零信号回路阻抗不为零 地线引发干扰问题的原因地线引发干扰问题的原因V=I R地线电压地线电压地线是等地线是等电位的假电位的假设不成立设不成立电流走最小电流走最小阻抗路径阻抗路径难以确定地难以确定地电流确实切电流确实切路径路径地电流失地电流失去控制去控制较大的信号较大的信号 回路面积回路面积 较强的电磁辐射较强的电磁辐射 电路间的互感耦电路间的互感耦增加对外的敏感度增加对外的敏感度1 2 3 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 接地体接地体(平面地线电位示意图平面地线电位示意图 2mV200mV2mV 10mV10mV 20mV20mV 100mV100mV 200mVp 原因：信号地线电流频率高，感抗大，容抗小原因：信号地线电流频率高，感抗大，容抗小p 设计方案：分割相对稳定的电位区域设计方案：分割相对稳定的电位区域 信信 号号 接接 地地n 新定义新定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径信号电流流回信号源的低阻抗路径强调强调：流回路径，低阻抗流回路径，低阻抗地线的阻抗地线的阻抗 谈到谈到地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差能够造能够造成电路的误动作，许多人觉得不可思议：成电路的误动作，许多人觉得不可思议：我们用我们用欧姆表欧姆表测量测量地线的电阻时，地线的电阻时，地线的电阻地线的电阻往往在往往在毫欧姆级毫欧姆级，电流流过这么，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常？o 要搞清这个问题，首先要区分开导线的要搞清这个问题，首先要区分开导线的电阻电阻电阻电阻与与阻抗阻抗阻抗阻抗两个不同的概念。两个不同的概念。电阻电阻指的是指的是在在直流状态下直流状态下导线对电流呈现导线对电流呈现的阻抗的阻抗，而，而阻抗阻抗指的是指的是交流状态下交流状态下导线对电流导线对电流的阻抗的阻抗，这个，这个阻抗主要是由阻抗主要是由导线的电感导线的电感引起的。引起的。任何导线都有电感，当频率较高时，导线的阻任何导线都有电感，当频率较高时，导线的阻抗远大于直流电阻。抗远大于直流电阻。o在实际电路中，在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是造成电磁干扰的信号往往是脉脉冲信号冲信号，脉冲信号包含丰富的高频成分脉冲信号包含丰富的高频成分，因此，因此会在地线上产生较大的电压。对于数字电路而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，因此言，电路的工作频率是很高的，因此地线阻抗地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。对数字电路的影响是十分可观的。导线的阻抗导线的阻抗o导线的阻抗电阻导线的阻抗电阻内电感内电感Z=RAC+jLin 内电感内电感 直流电阻直流电阻 =1/(f r r)1/2d深度IIn 趋肤效应趋肤效应 圆柱导线的阻抗高高频频时时，导导线线的的直直径径作作用用减减小小频率 Hz d=0.65cm 10cm 1m d=0.27cm 10cm 1m d=0.06cm 10cm 1m d=0.04cm 10cm 1m 10Hz 51.4m 517m 327m 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m 1k 429m 7.14m 632m 8.91m 5.34m 53.9m 14m 144m 100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07 1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6 5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3.86 53 10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106 50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530 100M 42.6 54 71.4 77 150M 63.9 81 107 115 随随频频率率增增加加，导导线线阻阻抗抗增增大大 半径变小，阻抗增大半径变小，阻抗增大o如果将10Hz时的阻抗近似认为是直流电阻，可以看出当频率到达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。o 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，一个有效的方法是多根导线并联。当两根导线并联时，其总电感 L为：o L=(L1+M)/2o 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。o 经验数值：一般可用1/m的数值估算导线电感。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00.10.20.30.40.50.61 2 3 4 5 6 7 8 9 10L金属条与导线的阻抗比较o当地线很短时使用金属片可以大大降低阻抗。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，相比优势不是很大。一般在工程中，L/W不要超过不要超过5，最好在，最好在3以下。以下。o当金属条长度远大于宽度时，其阻抗与导线根本相同，当金属条长度远大于宽度时，其阻抗与导线根本相同，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。也具有同样的效果。回路的阻抗回路的阻抗n 回路的阻抗电阻回路的阻抗电阻回路回路的感抗的感抗回路的面积大，回路的电感值大，高频时，回路的感抗高回路的面积大，回路的电感值大，高频时，回路的感抗高回路感抗均回路感抗均正比于频率正比于频率 jl导线电阻导线电阻R=l/S l是导线的长度，是导线的长度，S是导线的横截面积，是导线的横截面积，电阻率电阻率L=kS/l其中 为磁导率=4*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。地线问题地线问题1地环路干扰地环路干扰IGVGVN地环路I1I2 当当 时，产生噪声电压时，产生噪声电压 。共模电流共模电流 干扰干扰 干扰源电压o地线问题地环路地线问题地环路 o 地环路干扰是一种较常见的干扰现象，常常发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。生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。o 产生的原因产生的原因:地环路电流的存在。地环路电流的存在。o 判别方法：由于地环路干扰是地环路电流导致判别方法：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，当将一个设备的的，因此在实践中，有时会发现，当将一个设备的平安接地线断开时，干扰现象消失，这是因为地线平安接地线断开时，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。否关系不大。0 地环路干扰形成的原因地环路干扰形成的原因 高高1.接地点电位不同接地点电位不同2.处在强交变电磁处在强交变电磁场中场中感应电压感应电压 V/感应环路电流感应环路电流 I低低o形成的原因形成的原因1：两个设备的地电位不同，形成地电压两个设备的地电位不同，形成地电压，在这，在这个电压的驱动下，设备个电压的驱动下，设备1-互联电缆互联电缆设备设备2-地形成的环路之间有电流流动。由于电路的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，因此会产生不平衡，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压差模电压，对电路造成干扰。，对电路造成干扰。o形成的原因形成的原因2：由于互联设备处在较强的电磁场中，电磁由于互联设备处在较强的电磁场中，电磁场在设备场在设备1-互联电缆互联电缆设备设备2-地形成的环地形成的环路中路中感应出环路电流感应出环路电流，与原因，与原因1一样导致干扰。一样导致干扰。地环路干扰形成的原因地环路干扰形成的原因 地线电压强电流地线电压强电流*线地阻抗线地阻抗干扰电流 解决地环路干扰的方法解决地环路干扰的方法 o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o单点接地消除了地环路单点接地消除了地环路o更实用的方法：更实用的方法：o 隔离变压器、光耦合、共模扼流圈、平衡电路等方法隔离变压器、光耦合、共模扼流圈、平衡电路等方法o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：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，就可以解决问题题？隔离变压器隔离变压器VG12屏屏蔽蔽CPVGVSVNRLn 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n 起到了隔离作用起到了隔离作用。n 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n 载，造成干扰，电屏蔽层应接至负载的接地端。载，造成干扰，电屏蔽层应接至负载的接地端。n 隔离变压器不能传输直流和频率很低的信号，体积大，本钱高隔离变压器不能传输直流和频率很低的信号，体积大，本钱高 屏蔽层只能接2点！光隔离器光电耦合器光耦器件RL发送接收VGVSCppp 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。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。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。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。pp 寄生电容为寄生电容为寄生电容为寄生电容为 2pf2pf2pf2pf量级，因此能够在很高的频率起到隔离作用。量级，因此能够在很高的频率起到隔离作用。量级，因此能够在很高的频率起到隔离作用。量级，因此能够在很高的频率起到隔离作用。pp 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。态范围达不到模拟信号的要求，多应用于数字电路。态范围达不到模拟信号的要求，多应用于数字电路。态范围达不到模拟信号的要求，多应用于数字电路。光隔离器发送发送接收接收RLRLVGVSVSVG光耦器件Cp 共模扼流圈的作用共模扼流圈的作用p 流过共模电流时磁环中的磁通相互叠加，从而具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，对有相当大的电感量，对共模电流起到抑制作用共模电流起到抑制作用，而当，而当两线圈流过差模电流时磁环中的磁通相互抵消，几乎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，所以没有电感量，所以差摸电流可以无衰减地通过差摸电流可以无衰减地通过。差摸电流差摸电流共摸电流共摸电流 共模扼流圈的作用VsR1R1RLLVGIN1IN2ISVS+VNVN/VGMRL/（RS+RL）=R1/Lf由VG引起的干扰电压VN尽量减小 R1 和增大 L磁导率。平衡电路对地环路干扰的抑制平衡电路对地环路干扰的抑制VGRS1VS1RS2RL2RL1VS2 IN1IN2ISVL 平衡电路：平衡电路：Rs1=Rs2，RL1=RL2，VS1=Vs2 VL=ISRL1+RL2，地环路噪声，地环路噪声 Vg 在负在负 载载上没有造成影上没有造成影 响，仅有信号电流响，仅有信号电流 IS差分电流差分电流 流过负载。流过负载。高频平衡电路难以实现，通常抑制效果较差。高频平衡电路难以实现，通常抑制效果较差。Vg 地线问题地线问题1地环路干扰地环路干扰地线问题地线问题2公共阻抗耦合公共阻抗耦合o当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时，当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时，就发就发生了公共阻抗耦合。生了公共阻抗耦合。电路电路1电路电路2地电流地电流1地电流地电流2公共地阻抗公共地阻抗 公共阻抗耦合实例公共阻抗耦合实例Vg改进改进1改进改进2p 说明：放大器或类似电路的实质是用小信号来对直流电说明：放大器或类似电路的实质是用小信号来对直流电p 源调制，得到功率较大的信号。因此，共用直流电源的路径上源调制，得到功率较大的信号。因此，共用直流电源的路径上p 的公共阻抗都会造成耦合干扰。的公共阻抗都会造成耦合干扰。放大器放大器功率放大器功率放大器Vg降低公共阻抗的电压降低公共阻抗的电压避开公共阻抗的电压避开公共阻抗的电压 接地方式种类接地方式种类 信号接地方式信号接地方式 并联单点接地 串联单点接地 混合接地混合接地 多点接地多点接地 单点接地单点接地 串联单点接地串联单点接地优点：优点：简单简单缺点缺点：公共阻抗耦合：公共阻抗耦合123I1I2I3ABCR1R2R3 串联单点接地串联单点接地 单点并联接地单点并联接地123I1I2I3ABCp 各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗 有关有关,不受其他电路的影响。不受其他电路的影响。p 优点：无公共阻抗耦合，优点：无公共阻抗耦合，p 缺点：缺点：接地线过多接地线过多，长度为长度为(波长波长4)的奇数倍，为辐射的奇数倍，为辐射天线天线;频率的升高频率的升高电容、电感耦窜扰大大增加电容、电感耦窜扰大大增加适用于适用于低频电路低频电路 多点接地p 优点：无优点：无公共阻抗耦合，公共阻抗耦合，地线较短地线较短，适合于高频适合于高频 情况情况p 缺点：地环环路干扰缺点：地环环路干扰R1R2R3L1L2L3电路1电路2电路3 混合接地混合接地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，电路成为两点抗较低，电路成为两点混合混合接地方式接地方式.Vs安全接地Rs安全接地地环路电流低频时，为平安接地方式，高频时，感性地线断开，可切断地环路电流。低频时，为平安接地方式，高频时，感性地线断开，可切断地环路电流。高频低频 接地选择原那么接地选择原那么o对低频小于对低频小于1MHz和公共地面小的情况和公共地面小的情况小于波长的小于波长的 20 分之一，用单点接地。分之一，用单点接地。o对高频大于对高频大于10MHz和公共地面大的情况和公共地面大的情况大于波长的大于波长的20分之一，用多点接地。分之一，用多点接地。o 介于上述两种情况，用混合接地。介于上述两种情况，用混合接地。悬浮接地悬浮接地o悬浮接地是将信号接地与平安接地分开的方法悬浮接地是将信号接地与平安接地分开的方法串联单点、并联单点混合接地串联单点、并联单点混合接地模拟电路模拟电路1模拟电路模拟电路2模拟电路模拟电路3数字逻辑控制电路数字逻辑控制电路数字信息处理电路数字信息处理电路继电器驱动电路继电器驱动电路马达驱动电路马达驱动电路n 折衷的方法：按照特性分组，将相互之间不易发生干折衷的方法：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，得最简单的地线结构，不同组的接地采用并联单点接地，防止相互之间干扰。防止相互之间干扰。例：线路板上的地线例：线路板上的地线噪声噪声模拟模拟数字数字在设计线路板时，要将模拟地、数字地以及在设计线路板时，要将模拟地、数字地以及大功率驱动电路的地分开的依据大功率驱动电路的地分开的依据。长地线的阻抗设备设备Z0=(L/C)1/2RRLLCCFP1=1/2(LC)1/2ZP=(L)2/RRAC RDC 串联谐振串联谐振并联谐振并联谐振谐振时，影响电路的稳定性稳定性 单点接地实例 多点接地实例 浮点接地实例 接地位置不当造成的干扰案例接地位置不当造成的干扰案例 稳压电源 稳压电源 火灾报警器 火灾报警器思考讨论题思考讨论题o1.地环路干扰形成因素有哪几种?分别可采用什么针对措施减少干扰？o2.EMC设计中接地的方式有哪些？分别在什么情况下采用？接地时应注意什么问题？o3.试说明混合接地使用场合及工作原理。