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合理解决弱电系统中的电磁干扰

我爱方案网| 电磁干扰,电磁兼容,弱电系统,抗干扰| 2010-11-21
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【中心议题】

  • 对常见的电磁干扰进行分析
  • 介绍了电磁干扰的解决方法

【解决方案】

  • 抗干扰的电源装置方法
  • 抗干扰的传输信号线路方法
  • 抗干扰弱的电设备内部结构方法

弱电系统是实现信息的传送的系统,在传送信息的过程中要求能够实现信息的保真度、速度、广度和可靠性。目前,随着电子学、计算机、激光、光纤维通讯和各种遥控遥感技术的发展,社会已进入高度信息化的时代,越来越多的高精度、高可靠性、高灵敏度、高密度(小型化、集成化)、大功率、小信号运用的电子设备是支持弱电系统运行的基础,而电子设备之间的电磁干扰已成为系统和设备正常工作的突出障碍。

看看这些关于电磁干扰的例子:变频器、调光开关等节能器件等是以晶闸管或类似电子器件为核心的设备,它们工作时会在电网上产生高次谐波干扰;数字电路装置(包括电脑、程控交换机、设备自动控制系统的现场控制器等)、高频振荡电路(包括发射机、接收机及时钟本振等振荡电路的基频及其谐波)、气体放电灯、荧光灯的整流器、启动器等,它们都会对电网及周围空间产生电磁干扰;家用电器、办公用电器,其中串激电机的换向器、电子控制器、定时器等均会对电网及周围空间产生电磁干扰(电磁干扰频谱从几万赫到几百兆赫);还有一些工、科、医射频设备,是指医院、科技展览厅中那些可能对150千赫--400吉赫频段内的无线电造成电磁干扰的设备。

一、电磁干扰的定义

“干扰”这个词的本意就是指,对某个正处于稳定工作状态的系统产生不良的影响。“电磁干扰”是电子噪音对正处于正常工作状态的系统、电子设备产生不良影响的电磁现象,即任何伴随着电压、电流的变化而产生会降低某个装置、设备或者系统的性能,或可能产生不良影响的电磁现象就是电磁干扰。这样看来,恒定的电压、电流或电磁场对系统或电子设备是不会造成很大干扰的。对电路或电器设备造成严重干扰的,主要是不断变化着的电场或磁场。

因此,简单地说,任何不希望的电压和电流的波动对设备性能的影响就称为电磁干扰。产生这些电压、电流的源头即为电磁干扰源。这些电压和电流会通过传导或电磁辐射传到受害的系统和设备。

二、电磁干扰的分类

通常,在分析电磁干扰时,系统指人们对之进行设计和管理控制的电工设备或电子设备整体。

1、根据干扰方式的不同,电磁干扰可分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰。辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。

2、根据干扰来源的不同,电磁干扰可以来自系统内部,也可以来自系统外部,前者称为系统内部的干扰,后者称为系统之间的干扰。

3、根据产生干扰的原因不同,电磁干扰分为自然和人工两种。自然干扰源主要是雷电、太阳辐射或宇宙辐射等;人为干扰源有输电线路、电动机、开关、继电器、氖灯、荧光灯、电铃、电热器、电弧焊接机、晶闸管逆变器、气体整流器、高速逻辑电路、门电路、数据处理机、电流的突变、电弧放电、电晕放电,以及核爆炸产生的核电磁脉冲等。

 

三、电磁干扰的传输

电磁干扰的途径分为传导耦合方式和辐射耦合方式两种方式。

1、传导是指电压或电流通过干扰源和被干扰对象之间的公共阻抗进入被干扰对象。其中的公共阻抗通常是干扰频率的函数。有时干扰经过金属线路的传输,包括集总元件如电容器、变压器等直接传导到电路。

2、辐射则用来表征非传导性的传输,其传输机理可能是天线的“近场”或感应场,而不是辐射场。在干扰电磁场中,磁场通过电感性耦合,电场通过电容性耦合而进入电路中。

四、解决弱电系统中电磁干扰问题的方法

解决方法就是怎样使得在同一电磁环境下工作的电子设备、电子系统都能互不干扰地正常工作,能够达到兼容状态,这就涉及到弱电系统中的电磁兼容性能。

电磁兼容性(EMC)是指“一种器件、设备或系统的性能,它可以使其在自身环境下正常工作并且同时不会对此环境中任何其他设备产生强烈电磁干扰(IEEEC63.12-1987)。”

弱电系统中的电磁兼容性主要研究内容就是电磁干扰和抗干扰问题。电磁干扰问题上面我们已经探讨过了,下面我们来说说抗干扰的问题。

电子系统或电工设备以规定的安全逾度,在指定的电磁环境中按照设计要求工作的能力,是反映电子系统性能的重要指标之一。系统、电子设备能电磁兼容就意味着无论是在系统内部,还是对其所处的环境,系统都能如预期的那样正常的工作,即具有很好的抗干扰能力。

弱电系统的主体设备是采用了信息技术中的各种电子设备,所以要提高弱电系统的抗干扰性能只有采用多方面的综合抑制措施才能获得满意效果。对于弱电系统应从电子设备、信号传输线路、电源回路的内部结构等几个方面来考虑抗干扰的方法。

1、抗干扰的电源装置方法

电源装置是弱电电子设备、电子系统正常工作的动力源。电源的稳定、可靠、安全与否对弱电系统的正常运行影响极大。据资料显示,大约有30%50%的电子系统、电子设备的故障是发生在电源部分。电源的干扰主要有切断时造成的欠电压或大容量感性负载投入、巨大的雷电冲击电流、电网中的高次谐波的干扰等。解决这些问题可以装设电磁干扰滤波器,它是一种用于抑制电磁干扰,特别是电源线路中噪音的电子线路设备,是消除对电源环节造成影响的高频干扰和共模干扰的有效办法。因为有害的电磁干扰的频率要比正常信号频率高得多,所以电磁干扰滤波器是通过选择性地阻拦或分流有害的高频来发挥作用的。基本上电磁干扰滤波器的感应部分被设计作为一个低通器件使交流线路频率通过,同时它还是一个高频截止器件,电磁干扰滤波器的其他部分使用电容来分路或分流有害的高频噪声,使这些有害的高频噪声不能到达敏感电路。这样电磁干扰滤波器显著降低或衰减了所有要进入或离开受保护电子器件的有害噪声信号。

2、抗干扰的传输信号线路方法

a、终端匹配法。在动态波形要求不严格的条件下,在终端并上一个较大(大于特性阻抗)的电阻,一方面可改善因反射引起的动态波形畸变,另一方面又兼顾了高电平降低得不很严重。匹配电阻一般阻值都很低,在终端用电阻匹配的方法,功耗较大。

b、始端的匹配方法。适当的选择串联电阻,改善波形,消除反射。R的阻值一般取传输线的特性阻抗减去输出门的输出内阻。

c、在数字信号的传输中,尽可能避免悬空端。

d、在单线传输的情况下,如其旁边有屏蔽线可将单线围绕在屏蔽线周围,或者使单线紧贴在接地的金属地板上走线,这样都可使接地线对地的阻抗变低,线间的分布电容减少,提高传输线抗干扰的性能。

e、在双向传输中,应注意让往返的两种信号线分开。两信号线之间接一根地线作为屏蔽。另外采用有屏蔽层的传输电缆也是减少电磁干扰的一项基本措施。

 

3、抗干扰弱的电设备内部结构方法

只有如金属和铁之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率增加而降低,另外如果初始磁场较强也会使导磁率降低,还有就是采用机械方法将屏蔽罩作成规定形状同样会降低导磁率。

在高频电场下,采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果,但条件是屏蔽必须连续,并将敏感部分完全遮盖住,没有缺口或缝隙(形成一个法拉第笼)。然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的,由于屏蔽罩要分成多个部分进行制作,因此就会有缝隙需要接合,另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便安装与插卡或装配组件的连线。

设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙,而且设备运行过程中还会需要用到这些孔隙。制造、面板连线、通风口、外部监测窗口以及面板安装组件等都需要在屏蔽罩上打孔,从而大大降低了屏蔽性能。尽管沟槽和缝隙不可避免,但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有好处的。弱电电子设备外壳的通风孔、进出线孔、连接缝隙等要足够小。由于接缝会导致屏蔽罩导通率下降,因此屏蔽效率也会降低。要注意低于截止频率的辐射其衰减只取决于缝隙的长度直径比,例如长度直径比为3时可获得100dB的衰减。在需要穿孔时,可利用厚屏蔽罩上面小孔的波导特性;另一种实现较高长度直径比的方法是附加一个小型金属屏蔽物,如一个大小合适的衬垫。所有衬垫都有一个有效工作最小接触电阻,可以加大对衬垫的压缩力度以降低多个衬垫的接触电阻,当然这将增加密封强度,会使屏蔽罩变得更为弯曲。大多数衬垫在压缩到原来厚度的30%70%时效果比较好。因此在建议的最小接触面范围内,两个相向凹点之间的压力应足以确保衬垫和垫片之间具有良好的导电性。除此,在多缝情况下,推广构成多孔屏蔽罩也是可行的。机箱的接缝处可使用导电衬垫,通风窗可使用波导管,面板显示窗可使用屏蔽玻璃材料。可用于切断通过空间辐射传播的电磁干扰。所以电子设备一般都需要进行屏蔽,这是因为结构本身存在一些槽和缝隙。所需屏蔽可通过一些基本原则确定,但是理论与现实之间还是有差别。例如在计算某个频率下衬垫的大小和间距时还必须考虑信号的强度,如同在一个设备中使用了多个处理器时的情形。

表面处理及垫片设计是保持长期屏蔽以实现电磁兼容性能的关键因素。

除了解决设备本身的问题,弱电电子设备的输入、输出端接口电路设计中还应设置消除雷电影响的抗电涌抑制器、高低频滤波器、光电耦合器等电路,并尽量设法采用平衡传输制式,可有效抑制地环路干扰。尽可能减小电路板中的相互电磁干扰。可采用多层电路板以减少引线;布线尽量短粗以减小环路电阻;布线转角处要圆滑,以利于阻抗匹配;不同类型的电路单元要分路接地等等。

总之,弱电系统主要考虑的问题是信息传送的效果问题,其系统的运行是依赖于各种电子设备,因此要提高弱电系统的抗电磁干扰性能必须使得在同一电磁环境下工作的各种电子设备、电子系统都能互不干扰地正常工作,达到兼容状态。抑制电磁干扰应从电源、传输、负载等环节着手,采用综合治理方法,从全系统的立场上来全面考虑电磁兼容问题。电磁兼容技术是一个正在发展的领域,这是由于现代的计算、通信、控制系统中,电气和电子线路的密度以及它们之间的相关功能日益增加。对弱电设备的选型、弱电系统的组成配置、电缆管线的布置、系统调校时分析干扰性质及来源等全过程采取有效的措施,以确保整个弱电系统的电磁兼容性满足要求。

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