手机端
or

欢迎您加入我爱方案网QQ群

1.智能产品外包服务群(311606115)
2.嵌入式项目开发群(491609563)

实用EMI噪讯对策讲座(3)——噪讯与电洞

我爱方案网| EMI,噪讯,电洞| 2011-11-30
723 收藏
分享到: 
每日精选
热门推荐

中心议题:
    *  电洞与噪讯的区别
    *  雷电放电
    *  诱导雷的对策
解决方案:
    *  使用电洞缓冲器
    *  合并使用噪讯滤波器

本系列讲座共12篇,剩下6篇在文章最后:
实用EMI噪讯对策讲座(1)——基础物理篇
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010427
实用EMI噪讯对策讲座(2)——信号模式
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010428
实用EMI噪讯对策讲座(3)——噪讯与电洞
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010429
实用EMI噪讯对策讲座(4)——平衡
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010430
实用EMI噪讯对策讲座(5)——天线与噪讯放射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010431
实用EMI噪讯对策讲座(6)——反射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010432

在噪讯领域中有所谓「电洞」一词,事实上电洞(surge)是指强大脉冲状的噪讯而言;相对的引发电子组件或是电路暂时性误动作的噪讯一旦消失时,电子组件与电路能够立即恢复功能者统称为「噪讯(noise)」。

狭义的噪讯是指会破坏电子组件与电路强烈物质,称为「电洞(surge) 」或是「雷击」,不过电子组件的耐性各式各样,类似这样的定义并无法具体厘清噪讯与电洞两者的界限,一般而言噪讯与电洞只能作如图1所示概括性区别,有关噪讯与电洞的区别,如果对象是电子机器时,通常以10V的电压为基准,10V以下称为「噪讯」,10V以称为「雷击或是电洞」。

电洞又分为自然发生与人工两种形式,自然界产生的电洞典型代表,例如与雷电有关的雷电放电、诱导雷,以及静电放电等等;至于人工电洞典型代表,例如开闭电洞(switching surge)等等。由于静电放电来自人体的情况相当多,这意味着静电放电涉及到人体,有关静电放电的具体内容后面章节有详细说明,图2是 低电压系统的电洞噪讯分类。
 
图1 电洞与噪讯的区别
  
图2 低电压系统的电洞噪讯分类

雷电放电


雷电放电属于自然界发生的电洞,同时也是最强烈的电洞,雷电放电是雷云中发生的静电Δ放电现象,若与一般静电放电比较,它的能量等级与一般静电放电的差异非常大,因此必需与一般静电放电作明确区隔。雷电放电分为两种:

雷云中发生的云放电


落雷

虽然雷云是带电的静电,不过它是大地之间产生的静电放电,相形之下落雷则会对地表上所有物体造成重大伤害,这其中当然包含大部份的电子组件与电路。雷电放电因放电形成的放射变成噪讯源,这点与落雷完全相同。雷云中的电荷起因于雷云中上升气流,与下降冰雹相互之间摩擦电气所造成,因此雷云的带电方式会随着冬天与夏天的雷云产生极大差异(图3)。
 
图3 雷云的电荷分布
 

 

 
冬天与夏天云与电荷的高度不同,地表的温度分布也不相同,所以冬天冰雹形成的高度比较低。由于正电荷在云的上方扩散,负电荷则聚集在-20 ~ -30°C的地方,因此冬天的雷云被强风带动形成长条状,夏天雷云会使下方的「负电荷」放电到地表引发落雷,相形之下夏天雷云会使下方的「正电荷」放电到地表,不过某些情况却是负电荷放电。雷电放是一连串的放电现象,动作上首先反复进行数次所谓的「尖端放电」动作,接着引发「复归雷击」的主放电,虽然某些情况复归雷击只发生一次,不过大型雷电的场合,通常间隔40ms反复发生数次,图4是落雷的雷击电流波形。
 
图4 落雷的雷击电流波形

雷击本身非常强烈,物体或是电子机器如果直接遭受雷击,会形成造成重大伤害,因此根本防护对策就是避免直接遭受雷击,避雷针可算是常见而且非常有效的对策之一。避雷针并无法消除雷击,当物体或是电子机器遭受雷击时,它可以将雷击电流传导至大地,所以避雷针必需接地。如图5所示它可以保护从顶端向下延伸形成的一定角度(保护角)范围,一般保护角大约是60°C,不过避雷针属于可燃物,被当作危险物处理对象时,基于安全考虑一般规定保护角必需低于45°C。
 
图5 避雷针的铺设

避雷针的实际保护角范围受到各种要因改变无法一概而论,其中一种称为「回转球体方」的计算方法,可以获得接近实际的保护角范围。此处假设从尖端放电的距离为雷击距离rs,避雷针前端的高度为h,图6的关系便可成立。图中超越雷击距离rs的范围为受到保护的范围,由图可知尖端放电的位置越低,保护范围相对变窄,例如尖端放电位置极低的图6(b),保护角与45°C比较时,它的保护的范围变成非常狭窄。此外,即使在高楼搭建避雷针,屋顶附近的侧壁同样会有遭受落雷的可能,不过表面包覆金属的构造物即使遭受雷击,雷击电流只会在金属表面流动,不会在构造物内部流动。
 
图6 利用回转球体法的保护范围

诱导雷

诱导雷的发生

雷电非常强烈即使没有直接遭受雷击,也可能因诱导雷遭受伤害,换言之来自雷电的诱导传送的电洞会成为高电压。诱导雷属于一般模式 (common mode),所谓诱导它是指波及电气、磁气的电场与磁场内的物体,例如静电诱导、磁气诱导、电磁诱导等等。诱导雷的场合属于静电诱导Δ,图7是诱导雷的主要发生原因。
 
图7 诱导雷的主要发生原因
 

 

 
诱导雷的传输

如图8所示,诱导雷透过电源线、信号线等金属导线路径传递,诱导雷通过金属导线传递时,强度会逐渐衰减,波形则不断扩散。图9是在低压布线传输的诱导雷电压实测范例。
 
图8 诱导雷的主要入侵路径
  
图9 在低压布线传输的诱导雷

传递路径为信号线的场合,它的电压、波形与上述电力线完全相同,类似信号线包覆遮屏物(shield)悬空架设的缆线(cable),遭受诱导雷部位的信号线(电压V)与遮屏物(电压V¹)内部,会产生几乎相同的电压(V=V¹)。

一般遮屏物的端末端与大地接地的情况相当普遍,此时端末端的遮屏物电压会变成零,不过信号线的电压仍旧维持V(图10),端末端遮屏物与信号线之间则变成V电压负载。

地下缆线的场合即使是缆线设在地表下面,然而地下缆线与上述悬空架设缆线承受大致相同的雷诱导。虽然大地是优秀的电气导体,然而大地的导电率却没有预料中的高,因此雷电的电磁波往往可以深入地下数百~数千公里。

设在地表下面数公尺坑洞(pit)中的缆线,基本上与架空缆线的电气特性相同,换言之端末侧进行与架空缆线相同处理时,地下缆线会发生与架空缆线相同的电压。如图11所示建筑物内部的接地如果是离开大地呈悬空接地状时,理论上接地、遮屏物、信号线三者会变成相同电压,不过大部份的情况接地部位不会完全从大地悬空,大地与接地部位之间的阻抗(impedance)Δ很大时,基本上它的电气特性相同与图11所示完全相同。此外诱导雷属于高频波,接地线很长时即使直流阻抗很低,由于接地线的电感效应阻抗会变大,其结果引发图11的状态。
 
图10 包覆遮蔽结构的高空缆线
 
图11 从大地漂浮架设的接地
 

 

 
雷电电流本身非常强大,雷电电流会从落雷地点或是避雷针的接地处流入大地,造成电压瞬间大幅下降,大地则随着产生强大电压,如图12所示雷电的强大电流还会透过接地入侵机器。
 
图12 从接地侵入的诱导雷

诱导雷的对策

对电子机器而言诱导雷的电洞几乎都是经过电源线,或是信号线等路径传递,来自接地的电洞结果同样成为电源线,或是信号线与接地之间的电洞电压,因此有效的诱导雷对策,除了雷电电洞之外还适应在开闭电洞,以及经过电源线或是信号线等路径传递的电洞。如图13所示诱导雷的对策是利用电洞缓冲器使电洞旁通(bypass)。

图13 电洞缓冲器的使用方式

电洞几乎都是一般模式,因此对策上必需使一般模式旁通,此处请读者注意某些情况中途会变成标准模式(normal mode)。此外,电洞缓冲器动作期间,由于分布不均可能会产生标准模式,因此必需使用标准模式用电洞缓冲器(surge absorber)。

如图14所示电洞缓冲器对一定电压以下的电压具有高阻抗,一旦超过一定电压,阻抗就会大幅降低,因此电洞缓冲器属于防止电压超过额定值(一定电压)的电子组件。图14是可变电阻Δ(varistor)机型的动作特性,除此之外电洞缓冲器还有硅PN接合型、放电隙缝(gap)型电洞缓冲器等各种型式。图15(a)是两个齐纳二极管(Zener diode)对向构成的电洞缓冲器。通常电洞缓冲器的电容器(capacitance)Δ非常大,该电容器具有噪讯滤波器的功能,缺点是不适合高频用,高频的场合必需改用逆阻止硅PN接合型(15(b))。

如上所述电洞缓冲器主要功能是吸收电洞,避免机器设备遭受伤害,不过实际上会有所谓的残留噪讯(图16),因此必需合并使用噪讯滤波器,才能够彻底消除残留噪讯。
 
图14 电洞缓冲器的特性
  
图15 Zener二极管型与逆阻止型的双向使用方法
 
图16 噪讯消除特性

本系列讲座共12篇,剩下6篇在文章头部:
实用EMI噪讯对策讲座(7)——失真
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010433
实用EMI噪讯对策讲座(8)——遮蔽Shield
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010434
实用EMI噪讯对策讲座(9)——Ground与电源
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010436
实用EMI噪讯对策讲座(10)——电源的噪讯
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010437
实用EMI噪讯对策讲座(11)——DC电源与Ground
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010438
实用EMI噪讯对策讲座(12)——筐体与筐体内的导线
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010439

深圳市中电网络技术有限公司 Copyright© www.52solution.com 粤ICP备10202284号