王耕，謝宇

（國(guó)家廣電總局726臺(tái)，云南 宣威 655400）

1 引言

瞬態(tài)干擾是時(shí)間短、幅度大、頻譜寬的電磁干擾類型，它對(duì)電子設(shè)備穩(wěn)定性的影響極大。在實(shí)際工作中，我們經(jīng)常遇到的瞬態(tài)干擾主要有3種，即電快速瞬變脈沖群（EFT：Electrical Fast Transient）、 浪涌（SURGE）和靜電放電（ESD：Electrostatic Discharge）。在廣播發(fā)射機(jī)的運(yùn)行維護(hù)工作中，應(yīng)當(dāng)重視EFT干擾的影響。它很容易造成發(fā)射機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致播出事故的發(fā)生。對(duì)發(fā)射機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行造成不良影響的、較為常見的一類EFT干擾是伴隨振動(dòng)產(chǎn)生的間歇式觸點(diǎn)作用。本文將結(jié)合設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)情況，以EFT造成的發(fā)射機(jī)故障為例，對(duì)高頻電磁環(huán)境中的EFT干擾進(jìn)行探討，請(qǐng)各位同行指正。

2 EFT干擾產(chǎn)生的原理

在電感性負(fù)載電路中，如圖1所示，根據(jù)楞次定律和電路的暫態(tài)分析，當(dāng)開關(guān)K斷開時(shí)，由于電感上的電流不能突變，所以，為了維持這個(gè)電流，電感上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，即：

式中：φ——電感中的磁通（T·m）；

L——電感（H）；

i——電感中的電流（A）。

由于電感中存在著寄生電容C，反向電動(dòng)勢(shì)便對(duì)寄生電容C反向充電。同時(shí)，觸點(diǎn)上的電壓隨充電電壓的升高而升高。當(dāng)電壓升高到一定程度時(shí)，就將觸點(diǎn)擊穿，形成導(dǎo)電通路。由于導(dǎo)電通路的形成，寄生電容C就開始放電，電壓開始下降；當(dāng)電壓低于維持觸點(diǎn)空氣導(dǎo)通的電壓時(shí)，導(dǎo)電通路斷開，反向電動(dòng)勢(shì)再次對(duì)寄生電容C充電，重復(fù)上述過程。隨著觸點(diǎn)之間的距離增加，電容上的電壓不能將觸點(diǎn)擊穿時(shí)，這個(gè)過程結(jié)束。

圖1 感性負(fù)載斷開時(shí)產(chǎn)生的EFT干擾

當(dāng)由觸點(diǎn)擊穿而形成的導(dǎo)電通路斷開時(shí)，電容C將通過電感回路放電，直到電感中的能量被耗盡為止。

由于觸點(diǎn)斷開的距離增大，擊穿觸點(diǎn)所需要的電壓必然增加，電容上的電壓便相應(yīng)地增高，從而使電容充電時(shí)間增長(zhǎng)，振蕩波形的頻率降低，如圖1（b）所示。

電容C每次擊穿觸點(diǎn)向電源回路反向放電時(shí)，就會(huì)在電源回路產(chǎn)生很大的脈沖電流。由于電源阻抗的存在，脈沖電流就會(huì)在電源兩端形成脈沖電壓，從而對(duì)共用該電源的其它電路造成影響。

由于擊穿電壓的上升時(shí)間在納秒級(jí)，因此干擾的帶寬可達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz。

通過上述分析可見，無(wú)論觸點(diǎn)斷開還是接通，在觸點(diǎn)之間都會(huì)產(chǎn)生電擊穿現(xiàn)象。這種電擊穿在觸點(diǎn)似接觸而非接觸的時(shí)候產(chǎn)生。當(dāng)觸點(diǎn)之間的距離逐漸減小，即觸點(diǎn)逐漸靠近時(shí)，電擊穿現(xiàn)象一直維持到觸點(diǎn)閉合；當(dāng)觸點(diǎn)之間的距離逐漸增大時(shí)，電擊穿現(xiàn)象一直維持到無(wú)法滿足擊穿條件為止。電感負(fù)載開關(guān)系統(tǒng)斷開時(shí)，在斷開點(diǎn)處將產(chǎn)生瞬態(tài)干擾（EFT），并且這種干擾由大量脈沖組成。

在實(shí)際工作中，應(yīng)當(dāng)關(guān)注兩種開關(guān)觸點(diǎn)被擊穿導(dǎo)通的現(xiàn)象：一種是輝光放電；一種是弧光放電。

a）輝光放電

當(dāng)加在兩個(gè)觸點(diǎn)間的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，觸點(diǎn)之間的氣體開始電離，就會(huì)在觸點(diǎn)之間產(chǎn)生一種能自行維持的輝光放電，這種現(xiàn)象也被稱作湯森放電（Townsend Discharge）。激發(fā)氣體電離的電壓被稱為起輝電壓，起輝電壓是氣體、氣體壓力和觸點(diǎn)之間距離的函數(shù)。

由如圖2所示的輝光放電電壓與觸點(diǎn)間距離之間的關(guān)系可見，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和標(biāo)準(zhǔn)溫度下的空氣，當(dāng)觸點(diǎn)間距為0.08 mm時(shí)，其起輝電壓大約為320 V，即只需320 V電壓便可以激發(fā)一次輝光放電。當(dāng)氣隙長(zhǎng)度越長(zhǎng)或者越短，觸點(diǎn)間距增加或減小時(shí)，激發(fā)輝光放電的電壓就會(huì)增高。

氣體發(fā)生電離以后，只需要較低的維持電壓就能維持氣體的電離狀態(tài)。在空氣中，維持電壓大約為300 V。由圖2可見，維持電壓為常數(shù)，即說明維持電壓與觸點(diǎn)間的距離無(wú)關(guān)。另外，為了維持輝光放電，還需要一個(gè)通常為幾毫安的最小電流值。

圖2 輝光放電電壓與觸點(diǎn)間距的關(guān)系

輝光放電的特征是具有較高的電壓和較小的電流。

b）弧光放電

弧光放電是由電場(chǎng)感應(yīng)的電子發(fā)射而引發(fā)的。在金屬中，有些電子的速度足夠高，可以逸出金屬表面。而在通常情況下，它們很快就會(huì)被自己產(chǎn)生的電場(chǎng)拉回到金屬表面。但如果有一個(gè)外加電場(chǎng)能夠克服這個(gè)拉回逸出電子的場(chǎng)，那么逸出的電子就可以克服拉力而逸出金屬表面，成為空間的自由電子。產(chǎn)生這種電子發(fā)射所需要的電壓梯度一般為0.5 MV/cm，即觸點(diǎn)間距為1cm時(shí)，電壓變化為5 V。

由圖3所示的弧光放電可見，在外界電場(chǎng)的作用下，電子從陰極射向陽(yáng)極。最大電壓梯度值在陰極的最高凸出部位，是發(fā)射電子的電子源。電子流穿過觸點(diǎn)間隙轟擊陽(yáng)極。由于局部電流很大，產(chǎn)生功率損耗，從而使得觸點(diǎn)局部在短時(shí)間內(nèi)溫升很快，造成金屬汽化。一旦出現(xiàn)金屬汽化，就會(huì)在觸點(diǎn)之間形成一個(gè)導(dǎo)電性的金屬氣體橋。即使此時(shí)的電壓梯度小于產(chǎn)生弧光放電的電壓梯度，弧光放電也可以繼續(xù)維持。弧光放電的特征是電壓不高，電流增大的兩極間電壓反而下降，有強(qiáng)烈的光輝。

一旦發(fā)生了弧光放電，形成金屬氣體橋，只要有足夠高的外界電壓克服陰極電位，并且有足夠的電流使陰極或者陽(yáng)極的金屬汽化，弧光放電就能夠維持。維持電壓一般為10～30 V，維持電流一般為1 A。氣體金屬橋上流過的電流取決于電源電壓和電路阻抗。

弧光放電的特征是具有較低的電壓和較大的電流。

3 EFT干擾對(duì)發(fā)射機(jī)穩(wěn)定性的影響分析

3.1 故障舉例

下面，舉例說明EFT干擾對(duì)廣播發(fā)射機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行造成的不良影響。

使用螺絲搭接是在廣播發(fā)射機(jī)中最常用的搭接手段之一，而這種搭接也容易產(chǎn)生搭接不良的現(xiàn)象。當(dāng)因螺絲搭接不良時(shí)，極易產(chǎn)生EFT電磁干擾，造成元器件損壞或性能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致播出事故的發(fā)生。故障產(chǎn)生的原因通常為綜合因素，但通過梳理，我們可以分析出其主要原因。

a）故障現(xiàn)象

檢修中發(fā)現(xiàn)DX-600中波發(fā)射機(jī)的PB模式控制接口板（PB MODE CONTROL INTERFACE BD）的固定螺絲燒，板卡的4個(gè)安裝孔位置被燒壞，重則露出覆銅。如果不及時(shí)處理，該板卡失效后將使發(fā)射機(jī)不能正常運(yùn)行，影響安全傳輸發(fā)射。

b）故障分析

DX-600中波發(fā)射機(jī)合成器系統(tǒng)的PB模式控制接口板共有兩塊，分別被安裝在并機(jī)柜A2上方的中間前后機(jī)箱，其安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由于板卡處于強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境，為了防止高頻干擾，在板卡上使用了開孔的屏蔽罩對(duì)高頻進(jìn)行屏蔽，并用4顆螺絲穿過板卡安裝孔固定于機(jī)柜壁，構(gòu)成了一個(gè)干擾源在屏蔽體外部的被動(dòng)屏蔽結(jié)構(gòu)。

在正常情況下，板卡固定螺絲緊固，搭接電阻很小，高頻能量可被迅速地泄放到地，不會(huì)對(duì)板卡造成不良的影響。而當(dāng)機(jī)器運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)造成固定螺絲松動(dòng)時(shí)，原來良好的電氣低阻抗路徑被阻斷，高頻能量便不能通過屏蔽體被有效地泄放，形成如圖5所示的電路。

圖3 弧光放電

圖4 PB模式控制接口板安裝結(jié)構(gòu)

圖5（a）為螺絲緊固時(shí)的等效電路，因?yàn)槁萁z緊固，形成的搭接電阻很小，可以忽略不計(jì)，高頻能量便被有效地泄放到地。圖5（b）為螺絲松動(dòng)后的等效電路，由于固定螺絲松動(dòng)，形成搭接阻抗，高頻能量不能被迅速、有效地泄放，并在搭接阻抗上產(chǎn)生壓降，從而對(duì)板卡產(chǎn)生不良的影響，致使板卡燒壞。由于發(fā)射機(jī)在運(yùn)行當(dāng)中產(chǎn)生的振動(dòng)，使固定螺絲伴隨振動(dòng)而產(chǎn)生了間歇式觸點(diǎn)作用，導(dǎo)致電擊穿，加速了板卡的燒損。另外，由于螺絲松動(dòng)的程度不同，使得搭接阻抗大小不同，電擊穿的程度不同，勢(shì)必導(dǎo)致板卡的4個(gè)安裝孔位置被燒壞的程度不一致。

圖5 螺絲松動(dòng)前后的等效電路

綜上所述，造成PB模式控制接口板損壞的原因?yàn)椋?/p>

1）固定螺絲松動(dòng)，產(chǎn)生搭接阻抗；

2）伴隨機(jī)器在運(yùn)行中的振動(dòng)，在搭接點(diǎn)處產(chǎn)生了間歇式觸點(diǎn)作用，加快了板卡的燒壞；

3）螺絲松動(dòng)程度不一致，搭接阻抗大小不同，高頻能量在其上產(chǎn)生的壓降不同，間歇式觸點(diǎn)作用的程度不同，使得板卡固定位置燒壞的程度不同。

3.2 預(yù)防措施

由于常見的觸點(diǎn)保護(hù)方案在很多技術(shù)資料中都有詳細(xì)的分析，這里就不再贅述。為了避免發(fā)射機(jī)中這一類特殊的EFT干擾對(duì)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行造成的不良影響，應(yīng)采取如下措施：

1）制定檢修周期，定期對(duì)發(fā)射機(jī)所有的搭接部位進(jìn)行檢查，保證搭接部位接觸良好，壓接密實(shí)；

2）對(duì)易以伴隨振動(dòng)而產(chǎn)生EFT干擾的部位，對(duì)其固定件進(jìn)行可靠性處理，例如：對(duì)螺絲緊固、增加彈簧墊片、甚至可將原用的螺絲加大等措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于EFT干擾具有時(shí)間短而幅度大的特點(diǎn)，它對(duì)發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行將造成不良的影響，在技術(shù)維護(hù)工作中應(yīng)當(dāng)采取措施加強(qiáng)對(duì)它的防護(hù)，從而保證安全傳輸發(fā)射的順利進(jìn)行。

[1]王耕.大功率廣播發(fā)射機(jī)的地線干擾與抑制[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2009，27（4）：54-58.

[2]楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2004.