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碧空雄鹰的博客

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什么是“电磁骚扰”  

2012-10-03 10:20:58|  分类: 电磁兼容 |  标签: |举报 |字号 订阅

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问:最近在看资料时,常遇到“电磁骚扰”和“电磁干扰”两个术语,它们有什么不同?

答:根据中华人民共和国国家标准GB/T4365-1995,“电磁兼容术语”,电磁骚扰和电磁干扰的定义分别如下:

电磁骚扰:任何可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。

电磁干扰:电磁骚扰引起的设备、转输通道或系统性能的下降。

从上面定义可知,电磁骚扰仅仅是电磁现象,即客观存在的一种物理现象,它可能引起降级或损害,但不一定已经形成后果。而电磁干扰则是电磁骚扰引起的后果。

问:电磁骚扰什么场合最多,它们是怎样产生的?

答:电磁骚扰最多的场合如下:高速数字信号线路、开关电路、脉冲发生电路和大功率控制电路等在极短的时间内电压电流急速变化的场合,所含有电感和电容的电路通断的场合。

另外,磁场、电场、电荷等电量急速变化时,同样产生电磁骚扰。

开关动作的电路中,电压/电流的增大或衰减时间t越短,则噪声的带宽越宽;急速变化的电压V及电流I的幅值越大,则噪声的幅度越大。

特别是在电感性负载的电路中,电路从通转换成断的瞬间,容易产生如图1所示的断续的电磁干扰。图中的噪声波形由小逐渐变大,这对应了开关触点之间的距离由小到大的过程。

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图1从通变为断时的噪声

在图2所示的电路中,直流电压VD在L和R串联的负载上产生电流I时,开关S从通转换成断的瞬间,在L两端产生比VD大数十倍、有时上百倍的极性相反的尖峰电压(称为电感反冲电压)。

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图2 电感电路断开的情况

当L两端有寄生电容C0时,会有以下现象:


当C0=100pF时,产生约 - 848V,225kHZ的振荡;
当C0可以忽略时,将达到 - 6000V;
寄生电容越大,电感两端的电压越低,振荡频率也越低。
实际电路中,即使在电感L两端连接电容器,因为电容器引线电感的影响,不会得到电容器的最佳效果,衰减振动波形的下降部分dυ/dt变大,剩下高频部分。
电容器必须是耐高压的,否则有可能被破坏。

图3是利用镇流器两端产生的高压点燃日光灯的电路。它所产生的振荡高压一旦传入其他电器设备,旧会成为骚扰。

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图3 日光灯的启动电路。

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图4是针对继电器触点跳跃产生的噪声使用抗干扰变压器的效果。

问:高压线会产生什么样的电磁波,它会有什么影响,怎么对付这种骚扰?

答:随着电力需求的增长,电力传送越来越高压化。高压往往会发生局部放电,向空间发射电磁波。这种电磁波对中波广播信号和VHF频带的电视信号影响最大。


噪声特性

局部放电可以分为正电晕放电、负电晕放电和火花放电三种。三种放电的频率特性如图1所示。从图中可以看出,正电晕放电产生噪声随着频率的增加按照正比例规律衰减,因此重要对中波广播信号产生骚扰。火花放电产生的噪声,从广播频段到电视频段几乎没有衰减,因此对广播和电视都有影响。

另外,导体表面电位的变化越大,越容易发生正电晕放电,因此导体表面上一旦有水滴状突起物,噪声旧会增加。因此雨天的噪声比晴天要大,雨越大,噪声越强,但是当降雨量超过10mm / h时,噪声就不再增加。


对策:使用较粗的导体或多根导体能够减小导体表面电位变化,从而抑制噪声。绝缘子上的放电往往是由于受到盐分等污染或固定不好产生。这时,可用噪声检测器查出问题所在,然后采取适当的措施。

 

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图6 各种放电的频率特性

 

问:那些方法能够减小电磁骚扰?请简单介绍一下。

答:减小电磁骚扰的方法有屏蔽、滤波、电路设计、线路板布线等。

屏蔽:用金属材料将机箱内部产生噪声封闭起来的方法称为屏蔽。屏蔽对防止外部噪声进入机箱也是同样有效的。电场屏蔽和磁场屏蔽的方法是不同的。

电场屏蔽中用导体将噪声源包围起来,然后接地,旧能达到屏蔽的目的。并且,由于导体表面的反射损耗很大,因此很薄的材料(铝箔、铜箔)也有很好的屏蔽效果。另外,机箱上即使有缝隙,也不会产生太大的影响。

磁场屏蔽中,直流磁场/低频磁场和高频磁场的屏蔽方法是不同的。直流磁场/低频磁场的屏蔽需要用厚的高导磁率材料包围起来,高频磁场的屏蔽要使用导电率高的材料完全封闭起来。

滤波:将有用信号和噪声分离开,滤除噪声的器件。根据电路原理,有用扼流圈阻止噪声的方法,用电容旁路噪声的方法,和两者结合的方法,如图1所示。

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图7 干扰滤波器

电路设计:由于时钟频率越高,高频能量辐射越强,因此在数字电路中不要使用过高的时钟频率。线路板上的总线、较大的环路面积和较长的导线都是强辐射源,因此,除非必要,要尽量避免这些情况的出现。使用大规模集成电路能够大幅度减少线路板上走线,从而减小辐射。在选用集成电路时,也有些问题需要注意。例如,高速MOS电路在高频使用时,消耗功率较大,并且由于输出电压幅度较高,低频段的高次谐波较强,这些都会导致较强的辐射。高速肖特基电路由于脉冲上升时间很短,因此会在很高的频率范围内产生辐射。在功能允许的条件下,尽量使用标准型电路。

线路板:线路板上的走线是主要的辐射源。走线产生辐射主要是由于逻辑电路中电流的突变,在导线的电感上产生了感应电压,这个电压会产生较强的辐射。另外,由于导线其着辐射天线的作用,因此导线的长度越长,辐射的效率越高。因此,线路板布线的基本原则是,减小导线的电感,例如使用最短的走线,电流较大的电源线和地线要粗一些。图2是一个锁相环路的实例。(a)是采取措施前的情况,(b)是采取措施以后的情况。所采取的措施包括将集成电路之间的联线缩短为1/2,地线改为地线网格。从图中可以看出,辐射改善了20dB以上。

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图8 线路板的噪声对策效果

 

问:电缆产生的噪声是共模的还是差模的?

答:电缆产生的噪声两者都有。电子设备中噪声有从信号电缆和电源电缆上产生的传导噪声和空间辐射的辐射噪声两大类。这两大类中有分为共模噪声和差模噪声两种。

差模传导噪声是电子设备内噪声电压产生的与电源电流或信号电流相同路径的噪声电流,如图1所示。减小这种噪声的方法是在电源线和信号线上串联电感(差模扼流圈)、并联电容或用电感和电容组成低通滤波器,减小高频的噪声,如图2。

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图9 差模噪声

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图10差模噪声的抑制

共模传导噪声是在设备内噪声电压的驱动下,经过设备与大地之间的寄生电容,在电缆与大地之间流动的噪声电流,如图3所示。减小共模噪声的方法是在电源线或信号线中串联电感(共模扼流圈)、在导线与地之间并联电容器、使用LC滤波器,图4所示。共模扼流圈是将电源线的火线和零线(或信号线和回流线)同方向绕在铁氧体磁芯上构成的,它对线间流动的差模电源电流和信号电流阻抗很小,而对两根导线与地之间流过的共模电流阻抗很大。

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图11 共模噪声

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图12 共模噪声的抑制

差模辐射噪声是图1中电缆中的信号电流环路所产生的辐射。一般情况下,这种噪声产生的电场强度与观测点到电缆的距离成反比,与电流环路的面积和电流成正比,与频率的平方成正比。因此,减小这种辐射的方法是在信号输入端加LC低通滤波器阻止噪声电流流进电缆;使用扁平电缆或屏蔽电缆,在相邻的导线中传输信号电流和回流电流,使环路面积减小。

共模辐射是由于电缆端口上有共模电压,在这个共模电压的驱动下,从电缆到大地之间有共模电流流动而产生的。辐射的电场强度与观测点到电缆的距离成反比,(当电缆长度比电流的波长短时)与电缆的长度和频率成正比。减小这种辐射的方法有:通过在线路板上使用地线网格或地线面降低地线阻抗,在电缆的端口处使用共模扼流圈或LC低通滤波器。另外,尽量缩短电缆的长度和使用屏蔽电缆也能减小辐射。

问:接地线(Ground)与接大地(Earth)有什么不同?

答:在实际工作中,人们往往统称接地,并不区分两者,但认真追究起来,往往会发生概念的混乱。

一般,地线指做为电压基准点或面的电路或结构;有些人将大地算做地线一种,也有人不将大地算做地线的一种。

接大地的一个例子是,电气设备的接地问题。电气设备的外壳接地后,即使电路与外壳之间的绝缘强度降低甚至破坏,也不会发生电击伤害,而仅会将保险烧断。因此,电气设备的接地是法律所规定的。

虽然电子设备为了正常工作而需要一个理想的基准地线面,但是电子电路的地线与接大地没有关系。计算器和便携式收音机即使没有接大地也能正常工作,不能接大地的飞机和飞船上搭载的各种电子设备利用飞机/飞船的金属外壳做地线面,也能够正常工作。

虽然从抗雷电和静电放电的角度,以及安全的角度,电子设备需要接大地,但是从电磁骚扰的角度看,大地可能形成地环路,对信号造成干扰。

在落地式的大型电子设备中,有将内部电路连接到金属机柜上的机柜地端子,也有为内部电路地线电流提供的低阻抗通路的信号地端子。在简单设备的场合,机柜地与信号地在内部连接起来,然后作为接大地端。图1是两台设备接地情况。两台设备与地板之间是绝缘的,信号端子与机柜接地分别在一点接地。这样,流过设备的噪声电流就不会流到信号地线上,因此不会造成电位基准面的变动。并且,由于各个信号端子分别接地,因此不会发生地线电流的相互干扰。

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图13 机柜接地实例

 

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