1 什么是地線？
地線有安全地和信號地兩種。前者是為了保證人身安全、設備安全而設置的地線,后者是為了保證電路正確工作所設置的地線。造成電路干擾現(xiàn)象的主要是信號地,因此這里僅討論信號地的問題。
信號地的一般定義是：電路的電位參考點。
更恰當?shù)卣f,這個定義是我們設計電路時的一個假設。從這個定義是無法分析和理解一些地線干擾問題的。從現(xiàn)在開始,我們在分析電磁兼容問題時,使用下面的定義。
地線是信號電流流回信號源的地阻抗路徑。
既然地線是電流的一個路徑,那么根據(jù)歐姆定律,地線上是有電壓的;既然地線上有電壓,說明地線不是一個等電位體。這樣,我們在設計電路時,關(guān)于地線電位一定的假設就不再成立,因此電路會出現(xiàn)各種錯誤。這就是地線干擾的實質(zhì)。 2 地線的阻抗有多大？
一個難以理解的問題是,我們在設計地線時,都使地線的電阻很小,那么地線上的電位差怎么會大到導致電路出錯的程度。理解這個問題,要理解地線阻抗的組成。
地線的阻抗Z由電阻部分和感抗部分兩部分組成,即：Z = RAC + jωL。
電阻成分：導體的電阻分為直流電阻RDC和交流電阻RAC。對于交流電流,由于趨膚效應,電流集中在導體的表面,導致實際電流截面減小,電阻增加,直流電阻和交流電阻的關(guān)系如下：
RAC= 0.076rf1/2RDC
式中：r=導線的半徑,單位cm,f=流過導線的電流頻率,單位Hz, RDC= 導線的直流電阻,單位Ω。
電感成分：任何導體都有內(nèi)電感（這區(qū)別于通常講的外電感,外電感是導體所包圍的面積的函數(shù)）,內(nèi)電感與導體所包圍的面積無關(guān)。對于圓截面導體如下：
L=0.2S[ln(4.5/d) -1] （μH）
式中S=導體長度(m),d=導體直徑(m)
表1說明了直流電阻與交流阻抗的巨大差異。頻率很低時的阻抗可以認為是導體的電阻,從表中可以看出,隨著頻率升高,阻抗增加很快,當頻率達到100MHz以上時,直徑6.5mm長度僅為10cm的導線也有數(shù)十歐姆的阻抗。 | 頻率 | d=0.65cm | d=0.27cm | d=0.06cm | d=0.04cm | | 10cm | 1m | 10cm | 1m | 10cm | 1m | 10cm | 1m | | 10Hz | 51.4μΩ | 517μΩ | 327μΩ | 3.28mΩ | 5.29mΩ | 52.9mΩ | 13.3mΩ | 133mΩ | | 1kHz | 429μΩ | 7.14mΩ | 632μΩ | 8.91mΩ | 5.34mΩ | 53.9mΩ | 14mΩ | 144mΩ | | 100kHz | 42.6mΩ | 712mΩ | 54mΩ | 828mΩ | 71.6mΩ | 1.0Ω | 90.3mΩ | 1.07Ω | | 1MHz | 426mΩ | 7.12Ω | 540mΩ | 8.28Ω | 714mΩ | 10Ω | 783mΩ | 10.6Ω | | 5MHz | 2.13Ω | 35.5Ω | 2.7Ω | 41.3Ω | 3.57Ω | 50Ω | 3.86Ω | 53Ω | | 10MHz | 4.26Ω | 71.2Ω | 5.4Ω | 82.8Ω | 7.14Ω | 100Ω | 7.7Ω | 106Ω | | 50MHz | 21.3Ω | 356Ω | 27Ω | 414Ω | 35.7Ω | 500Ω | 38.5Ω | 530Ω | | 100MHz | 42.6Ω | | 54Ω | | 71.4Ω | | 77Ω | | | 150MHz | 63.9Ω | | 81Ω | | 107Ω | | 115Ω | | 表1 不同直徑、長度的導線的阻抗 3 地環(huán)路干擾及對策
地環(huán)路干擾是一種較常見的干擾現(xiàn)象,常常發(fā)生在通過較長電纜連接的相距較遠的設備之間。其產(chǎn)生的內(nèi)在原因是設備之間的地線電位差。地線電壓導致了地環(huán)路電流,由于電路的非平衡性,地環(huán)路電流導致對電路造成影響的差模干擾電壓（圖1）。
由于地環(huán)路干擾是由地環(huán)路電流導致的,因此在實踐中,有時會發(fā)現(xiàn),當將一個設備的地線斷開時,干擾現(xiàn)象消失,這是因為地線斷開時,切斷了地環(huán)路。這種現(xiàn)象往往發(fā)生在干擾頻率較低的場合,當干擾頻率高時,短開地線與否關(guān)系不大。
地環(huán)路干擾形成的原因1：兩個設備的地電位不同,形成地電壓,在這個電壓的驅(qū)動下,“設備1-互聯(lián)電纜-設備2- 地”形成的環(huán)路之間有電流流動。由于電路的不平衡性,每根導線上的電流不同,因此會產(chǎn)生差模電壓,對電路造成干擾。地線上的電壓是由于其他功率較大的設備也用這段地線,在地線中引起較強電流,而地線又有較大阻抗產(chǎn)生的。
地環(huán)路干擾形成的原因2：由于互聯(lián)設備處在較強的電磁場中,電磁場在“設備1 - 互聯(lián)電纜 - 設備2 - 地”形成的環(huán)路中感應出環(huán)路電流,與原因1的過程一樣導致干擾。
解決地環(huán)路干擾的方法：解決地環(huán)路干擾的基本思路有三個：一個是減小地線的阻抗,從而減小干擾電壓,但是這對第二種原因?qū)е碌牡丨h(huán)路沒有效果。另一個是增加地環(huán)路的阻抗,從而減小地環(huán)路電流。當阻抗無限大時,實際是將地環(huán)路切斷,即消除了地環(huán)路。例如將一端的設備浮地、或?qū)⒕�路板與機箱斷開等是直接的方法。但出于靜電防護或安全的考慮,這種直接的方法在實踐中往往是不允許的。更實用的方法是使用隔離變壓器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡電路等方法。第三個方法是改變接地結(jié)構(gòu) ,將一個機箱的地線連接到另一個機箱上,通過另一個機箱接地,這就是單點接地的概念。
4 公共阻抗耦合及對策
當兩個電路的地電流流過一個公共阻抗時,就發(fā)生了公共阻抗耦合,如圖2(a) 所示。
一個電路的地電位會受到另一個電路工作狀態(tài)的影響,即一個電路的地電位受另一個電路的地電流的調(diào)制,另一個電路的信號就耦合進了前一個電路。
放大器級間公共地線耦合問題：圖2(a) 中的放大器,由于前置放大電路與功率放大電路共用一段地線,功率放大電路的地線電流很大,因此在地線上產(chǎn)生了較大的地線電壓V。這個電壓正好在前置放大電路的輸入回路中,如果滿足一定的相位關(guān)系,就形成了正反饋,造成放大器自激。
解決辦法：可以有兩個解決辦法,一個是將電源的位置改變一下,使它靠近功率放大電路,這樣,就不會有較大的地線電壓落在前置放大電路的輸入回路中了,如圖2 (b) 所示。另一個辦法是功率放大電路單獨通過一根地線連接到電源,這實際是改成了并聯(lián)單點接地結(jié)構(gòu),如圖2 (d) 所示。 5 接地策略
  信號地有圖3所示的幾種方式。
單點接地：所有電路的地線接到公共地線的同一點,進一步可分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。最大好處是沒有地環(huán)路,相對簡單。但地線往往過長,導致地線阻抗過大。
多點接地：所有電路的地線就近接地,地線很短,適合高頻接地。問題是存在地環(huán)路。
混合接地：在地線系統(tǒng)內(nèi)使用電感、電容連接,利用電感、電容器件在不同頻率下有不同阻抗的特性,使地線系統(tǒng)在不同的頻率具有不同的接地結(jié)構(gòu)。
串聯(lián)單點接地容易產(chǎn)生公共阻抗耦合的問題,解決的方法是采用并聯(lián)單點接地。但是并聯(lián)單點接地往往由于地線過多,而沒有可實現(xiàn)性。因此,靈活的方案是,將電路按照信號特性分組,相互不會產(chǎn)生干擾的電路放在一組,一組內(nèi)的電路采用串聯(lián)單點接地,不同組的電路采用并聯(lián)單點接地。如圖4所示。這樣,既解決了公共阻抗耦合的問題,又避免了地線過多的問題。 |
66821730(技術(shù)支持)
