电磁兼容第四章-接地.ppt

1、第四章 接地与搭接技术,主要内容,1.接地的概念,2.安全接地,3.信号接地,4.地线回路干扰及其抑制,5.电缆屏蔽体的接地,6.屏蔽盒的接地,7.搭接,4.1 接地的概念,基本概念,接地：在系统的某个选定点与某个电位基准面之间建立一条低阻抗的导电通路,接大地：以地球的电位为基准(零电位)，把电子设备的金属外壳等通过由接地线、接地电极等组成的接地装置与地相连接系统基准地(系统地)：指信号回路的基准导体(电子设备通常以金属底座、机壳、屏蔽罩或粗铜线等作为基准导体)，并设该基准导体电位为相对零电位，但不是大地零电位。,地：指电路或系统的电位基准面（相对电位零点）,接地的两种含义：,理想的基准导体(

2、接地平面),必须是一个零电位、零阻抗的物理实体，其上各点之间不应存在电位差，它可以为系统中所有信号电平的参考点。一个理想的接地平面，可以为系统中得任何位置的信号提供公共的电位参考点。或者说，在一个系统中，各个理想接地点之间不存在任何电位差。,实际情况,地线为信号流回源的路径;信号回路阻抗不为零.地线阻抗不为零，电流流过有限阻抗时，必然会导致电压降;接地体(导线或导电平面)各接地点之间有电位差.,良好的接地平面,良好的接地平面不一定要和大地具有相同的电位。在某些情况下，也不必与大地相连通。,接地平面与大地连接的优点：,提高电子设备电路系统工作的稳定性；使系统的屏蔽接地，取得良好的电磁屏蔽效果；泄

3、放因静电感应在机壳上积累的电荷，避免电荷 积累过多形成的高压导致设备内部放电而造成干扰；防止雷电放电或事故导致金属外壳上出现过高对地电压而危及操作人员和设备的安全。,contact indirect,4.2 安全接地,基本概念,安全接地(保险接地)：采用低阻抗的导体将用电设备的外壳连接到大地上，使操作人员不致因设备外壳漏电或静电放电而发生触电危险。,解释,大地具有非常大的电容量，是理想的零电位，不论往大地注入多大的电流或电荷，在稳态时其电位都保持为零。,实际情况,与一般用电设备一样，电子设备金属外壳必须接大地，这样可以避免因事故导致金属外壳出现过高对地电压而危及操作人员和设备的安全,220V,

4、0V,机箱,Z1:高压部件与机箱间的阻抗；Z2:机箱与大地之间的阻抗。,若不接地，Z2为无限大，机箱 电压就是电源电压，危险!,若接地，Z2=0，U2=0,安全,安全地,人体的电参数,人体电阻：人体电阻变化范围很大，人体的皮肤处于干燥洁净和无破损情况时，人体电阻可高达40-100K;人体处于出汗、潮湿状态时，人体电阻降至10000。,流经人体的安全电流值：对于交流电为15-20mA；对于直流电为50mA。当流经人体的电流高达100mA时，就可能导致死亡。因此，我国规定的人体安全电压为36V和12V。一般家用电器的安全电压为36V，以保证触电时流经人体的电流值小于40mA。,接地带来的安全,将机

5、壳接地：当人体接触带电机壳时，人体电阻与接地导线的阻抗并联，人体电阻远大于接地导线的阻抗，大部分漏电电流流经接地导线旁路流入大地。通常规定接地电阻值为5-10，所以流经人体的电流值将减小为原先的1/200-1/100.,4.3 信号接地,单点接地,多点接地,混合接地,悬浮接地,信号接地方式,串联单点接地,并联单点接地,信号接地方式的种类,4.3.1 单点接地,(1)串联单点接地,4.3.1 单点接地,(1)串联单点接地,缺点：通常地线的直流电阻不为零，特别是在高频情况下，地线的交流阻抗比其直流电阻大，因此共用地线上A、B和C点的电位不为零，并且各点电位受到所有电路注人地线电流的影响。从抑制干扰

6、的角度考虑，这种接地方式是最不适用的。,优点：这种接地方式的结构比较简单，各个电路的接地引线比较短，其电阻相对小，所以，这种接地方式常用于设备机柜中的接地。如果各个电路的接地电平差别不大，也可以采用这种接地方式。反之，高电平电路会干扰低电平电路。,接地点的选择,接地点靠近最低电平电路,接地点靠近最高电平电路,设电路1、2和3三级的电平依次由低到高,4.3.1 单点接地,(1)串联单点接地,结论：地电位对低电平级电路的干扰最小,(2)并联单点接地,优点:各电路互相不影响,缺点:1)结构复杂、不便于使用；2）各地线间可能形成电容 性和电感性耦合。,结论：单点接地只适用于低频电路,当l 接近于/4时

7、，有很强的天线效应，向外辐射；高频时分布电容与分布电感的影响，难以实现真正的单点 接地。,各电路的地电位,4.3.1 单点接地,(3)串联单点、并联单点混合接地,模拟电路1,模拟电路2,模拟电路3,数字逻辑控制电路,数字信息处理电路,继电器驱动电路,马达驱动电路,4.3.1 单点接地,4.3.2 多点接地（适用于高频）,各电路的地电位,多点接地:指电子设备(或系统)中各个接地点都有直接接到距它最近的接地平面上，以使接地引线的长度最短。这里所说的接地平面可以是设备的底板，也可以是贯通整个系统的接地母线。,R1,4.3.2 多点接地（适用于高频）,经验:(1)多点接地，应尽可能减少接地线长度，使高

8、频阻抗减至最小。一般情况下，电子设备往往以镀银版作为接 地子母线，以减少表面阻抗。(2)频率低于1MHz时，采用单点接地较好；频率高于10MHz时，采用多点接地。对于1-10MHZ间的频率而言，只要最长接地线的长度小于/20，则可以采用单点接地方案以避免公共阻抗耦合。,优点:接地线较短，适用于高频及数字电路。,缺点:形成各种地回路，可能造成地回路干扰。,4.3.3 浮地,设备地线系统在电气上与大地相绝缘。减小由于地电流引起的电磁干扰。,利用悬浮机壳内的屏蔽层降低地回路干扰,可以避免安全接地回路中 的干扰电流影响信号接地 回路。,可以减少由于地电流引起 的共模干扰；,优点：,缺点：,减少由于不当

9、的接地而产 生的干扰；,对传导干扰也有较好的抑 制作用。,不能适应复杂的电磁环境，特 别是对于一个较大的电子系 统，对地的分布电容较大，不 能做到真正的悬浮；,雷击、静电感应时，会击穿绝 缘，甚至引起弧光放电。,4.3.3 浮地,4.3.4 混合接地,低频：电容的阻抗大单点接地高频：电容的阻抗小多点接地,如：抗高频干扰的低频传输屏 蔽电缆。,低频单点、高频多点混合接地,高频：电感的阻抗大单点接地低频：电感的阻抗小多点接地,如：多个机箱安全接地，高频电路则单点接地。,低频多点、高频单点混合接地,4.3.4 混合接地,4.3.4 混合接地,如图，某电路，为一低电平视频电路，在从音频到高频下，实现了

10、低频单点、高频多点，避免了低频地电流回路的形成。,注意:避免电容与引线电感发生谐振。,4.3.5 转换接地,如图，某电路，计算机及其外设，一般需要导线接地。但是容易引起电气干扰，通过加线圈（1mH：f=50Hz，Z 0.4；f=50k 1 MHz，Z 约为1K）这种方式有助于抑制地线中的感应、瞬变和干扰进入逻辑总线,4.3.5 转换接地,4.4 信地线回路的干扰及抑制技术,4.4 地回路干扰及其抑制,4.4.1 地回路干扰,由地回路中的共模干扰电压在受害回路输入端引起的干扰电压。,地回路干扰的来源:,共地阻抗的共模干扰:实际地线本身既有电阻分量又有电抗分量，当有电流通过地线时，就要产生压降,场

11、对导线的共模干扰,地电流的计算,4.4 地回路干扰及其抑制,4.4.2 两点接地时的噪声电压,两个接地点的电位很少相同，故当接地点位置有好几处时，接地点间的电位差将反映到电路中。,放大器的输入电压除与信号源电压Us有关外，A点与B点间的地电位差UG也会在放大器的输入端形成噪声电压Un.,通常,4.4.2 两点接地时的噪声电压,故,在信号源的接地端接入一阻抗ZSG,当,且,4.4.2 两点接地时的噪声电压,在信号源的接地端接入一阻抗ZSG,当 时，,4.4.2 两点接地时的噪声电压,例：设RC1RC21、RS500、RL10k、RG=0.01、UG=10mV，试计算在放大器输入端的干扰电压值。,

12、若在信号源与地之间加一个很大的阻抗ZSG=1M，则,解：,4.4.2 两点接地时的噪声电压,4.4 地回路干扰抑制技术,在信号回路中使用隔离变压器,在信号回路中使用中和变压器（共模扼流圈）,在信号线上使用磁环,在数据线路中使用光电耦合器或光纤,使用差分放大器,原理：地回路被隔离变压器阻隔,分析：由于绕组间存在分布电容，仍会产生一定干扰,或,电路模型,4.4.3 抑制地回路耦合电磁干扰的技术,1 在信号电路中使用隔离变压器,当 时，,适用范围:，即,4.4.3 抑制地回路耦合电磁干扰的技术,1 在信号电路中使用隔离变压器,结构：两个绕向相同、匝数相同的绕组构成,4.4.3 抑制地回路耦合电磁干扰

13、的技术,2 在信号电路中使用纵向扼流圈(中和变压器),适用情况：传输的信号中含有直流分量或信号频率很低时,对于流过接地线的共模干扰电流，流经两线电流方向相同,所产生的磁场相长，扼流圈对回路干扰电流呈现高阻 抗，起到抑制地回路的作用。,对于正常信号，流过的电流相反，所产生的磁场相消，对电流没有影响，且不会切断直流回路；,4.4.3 抑制地回路耦合电磁干扰的技术,2 在信号电路中使用纵向扼流圈(中和变压器),4.4.3 抑制地回路耦合电磁干扰的技术,2 在信号电路中使用纵向扼流圈(中和变压器),电感性耦合的干扰电压,3.3 传导耦合分析：电感性耦合,对信号(差模电流)的影响,设两绕组上的电流分别为

14、IS、IG，则,（令UG0，且注意RC1RL）,结论：对高频干扰具有较好的抑制能力,得,US,M,L1,L2,RC1,RC2,RL,等效电路,IG,IS,IS-IG,加入扼流圈对信号传输没有影响,对干扰信号(共模电流)的抑制,设两绕组上的电流分别为I1、I2，则,（令US0）,在一般情况下,当 时，,得,故,I2,I1,铁氧体磁环是高导磁率和高电阻率的材料，对高频干扰有很好的抑制损耗，而对低频电路的损耗较小。,对共模干扰的抑制,对差模干扰的抑制,4.4.3 抑制地回路耦合电磁干扰的技术,3 在信号传输线上使用铁氧体磁环,利用发光二极管的发光强度随通过它的电流的变化特征，把电路1的信号变换成强弱

15、不同的光信号；光敏三极管再把强弱不同的光信号转换成信号电流，从而完成电路1和电路2之间的信号传输。,4.4.3 抑制地回路耦合电磁干扰的技术,4 在数据线路中使用光电耦合器,光电耦合器利用光来传输信息，从输入端传送到输出端的光电耦合器件使得输入和输出在电气上完全隔绝，因而能有效地抑制干扰。,光电耦合器适用于数字电路，不适用于模拟电路。因为其线性不好，会引起模拟信号失真。,光电耦合器的输入 输出端之间的杂散电容（0.3pF10pF）限制了光电耦合器在高频端的使用。,4.4.3 抑制地回路耦合电磁干扰的技术,4 在数据线路中使用光电耦合器,光纤的优点是具有无感应性和高度隔离性，相当于在共模地回路中

16、引入一个高阻抗，能从比值上消除干扰，常用于作强电磁干扰环境中的信号传输线以及作微弱检测信号传输线。,4.4.3 抑制地回路耦合电磁干扰的技术,4 在数据线路中使用光纤,差分放大器的输出电压,当两个输入端对地平衡时，即为差分平衡器件。,U0=K（U1 U2）,4.4.3 抑制地回路耦合电磁干扰的技术,5 使用差分放大器,对干扰的抑制,抑制干扰的方法：增大放大器的输入阻抗RL1和RL2或减小信号源内阻Rs,(A、B两点不是同电位),例：UG=100mV，RG=0.1，RS=500,RC1=RC2=1，RL1=RL2=10K，求UN=？若RL1=RL2=100K时,UN=？,解：,A、C两点间的电压为：,提高放大器的输入阻抗(接入电阻R),A、C两点间的电阻为：,C,UG在放大器输入端引起的噪声电压为,因此，可大为减少干扰，同时对信号而言，也没有增加输入阻抗。,提高放大器的输入阻抗(接入电阻R),4.5 电缆屏蔽体的接地,4.5 电缆屏蔽层的接地,1 放大器接地，信号源不接地,低频电缆屏蔽体接地点选择：低频(f 100kHz)电路使用的电缆，其屏蔽体也要接地，原则上采用单点接地。如果接地点超