彭 節(jié)
陸軍工程大學軍械士官學校 湖北 武漢 430075
在通信設(shè)備的設(shè)計中,為了確保整個通信系統(tǒng)的可靠運行,必須嚴格遵守EMC準則。所謂EMC:就是ElectroMagneticCompatibility的縮寫,即電磁兼容。是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此,EMC包括兩個方面的要求:一方面是指設(shè)備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值;另一方面是指設(shè)備對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度,即電磁敏感性。為了使配置的整個通信系統(tǒng)達到EMC 要求,就必須通過接地網(wǎng)絡(luò)與接地系統(tǒng)連接。由于電流要在通信電路內(nèi)流動,而不能憑空消失,分流電流必須流向地面,這樣系統(tǒng)設(shè)計中電流到地的低阻抗通路極為重要。也就是說,在提供可靠的通信中,接地系統(tǒng)起到了重要的作用。
接地保護的基本原理是限制漏電設(shè)備對地的泄露電流,使其不超過某一安全范圍,一旦超過某一整定值保護器就能自動切斷電源。
設(shè)備的接地是常用來在人為環(huán)境中防止危險狀態(tài)的一種安全措施。而設(shè)計的低阻抗接地系統(tǒng),則是為了降低通信和電子系統(tǒng)的噪聲,并對瞬態(tài)電壓提供保護,限制來自雷電、線路沖擊或偶然與高壓線路接觸時產(chǎn)生的過電壓,并且限制正常工作時的對地電壓,使設(shè)備能可靠地運行。接地原因主要有以下幾點:
1、為故障電流提供返回途徑,也就是說為雷擊和開關(guān)沖擊提供放電途徑,以保護通信設(shè)備。
2、保護人身,免受因機殼內(nèi)部偶然碰地時引起的電擊。
3、防止設(shè)備上靜電荷的積累。
4、降低或消除機架和機殼上的射頻電壓。
5、為射頻電流提供均勻和穩(wěn)定的導體。
6、穩(wěn)定電路的對地電位。
電子設(shè)備“接地”通常有兩種含義:一種是“大地”(安全地);另一種是“系統(tǒng)基準地”(信號地)?!敖哟蟮亍笔且缘厍虻碾娢粸榛鶞?并以大地作為零電位,把電子設(shè)備的金屬外殼、電路基準點與大地相連,由于大地的電容非常大,一般認為大地的電勢為零。在弱電系統(tǒng)中的接地一般不是真實意義上與地球相連的接地。對于電力電子設(shè)備將地線直接接在大地上或者接在一個作為參考電位的導體上,這點的電壓為0V,當有電流通過該參考電位時,電路中其他各點的電壓高低都是以這點為基準的。接地方式多種多樣,我們常用到的有以下幾種:
1、安全接地:安全接地即將高壓設(shè)備的外殼與大地連接。一是防止機殼上積累電荷,產(chǎn)生靜電放電而危及設(shè)備和人身安全。如電腦機箱的接地。二是當設(shè)備的絕緣損壞而機殼帶電時,促使電源的保護動作而切斷電源,以便保護工作人員的安全。三是可以屏蔽設(shè)備巨大的電場,起到保護作用。
2、防雷接地:當電子設(shè)備被雷擊時,不論是直接雷擊還是感應雷擊,如果缺乏相應的保護,設(shè)備都有可能受到很大損害甚至報廢。為防止雷擊,我們一般在高處設(shè)置避雷針與大地相連,以防雷擊時危及設(shè)備和人員安全。
3、工作接地:它是為電路正常工作而提供的一個基準電位。這個基準電位一般設(shè)定為零。該基準電位可以設(shè)為電路系統(tǒng)中的某一點、某一段等。當該基準電位不與大地連接時,視為相對的零電位。但這種相對的零電位是不穩(wěn)定的,它會隨著外界電磁場的變化而變化,使系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化,從而導致電路系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。當該基準電位與大地連接時,基準電位視為大地的零電位,而不會隨著外界電磁場的變化而變化。
4、屏蔽接地:屏蔽與接地應當配合使用,才能起到良好的屏蔽效果。當用完整的金屬屏蔽體將帶電導體包圍起來時,在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應出與帶電導體等量異種的電荷,外側(cè)出現(xiàn)與帶電導體等量的同種電荷,因此外側(cè)仍有電荷存在。如將金屬屏蔽體接地,外側(cè)電荷將流入大地,金屬外殼將不會存在電場。
系統(tǒng)設(shè)計者在開始設(shè)計時就要確定一些目標:必須提供電源系統(tǒng)參考電壓;必須使人免受電擊;進入到設(shè)備的錯誤能量必須在引起損壞之前就要消除;通過設(shè)置到地的低阻抗通路和避免地環(huán)路來達到減小電噪聲的目的;任一種電路都需要接地點等。對于通信系統(tǒng),不存在一種技術(shù)能解決這些不同需求,并達到最佳EMC設(shè)計。
在通信中,解決EMC問題會涉及到耦合路徑和接地系統(tǒng)的重要功能。許多可變因素會影響噪聲與電路的耦合。鑒于這些變化沒有一種標準的解決方法,在許多條件下,就必須應用折中方案——也就是說為了阻止來自更嚴重噪聲源的耦合,設(shè)計者可允許存在某些可忽略的噪聲。
對于一個電路,必須只有一個參考地。因為兩個不同點不可能具有完全相同的電位,這樣兩個參考地就會導致噪聲。但是如果考慮兩個不同的電路并分別研究時,可以有兩個不同的參考地。不過,當分析包含兩個電路組成的整個電路時,就必須只有唯一的參考(物理)接地系統(tǒng)。
在低頻應用時,電路可被視為一個包括一些常用元件(如電阻、電容、電感)的等效電網(wǎng)絡(luò)。此種條件下,簡單的計算就可滿足要求。然而,當電路尺寸比波長小時,電路的輻射特性就不能忽視。
當考慮一個電路的兩個導體(源/負載和線返同導體)時,兩種電流的流向是不同的。首先,差模涉及有用信號,即電流通過一個導體從源流向負載,并通過另一個導體返回。在共模條件下,電流在兩個導體上以相同的方向流動,并通過第三個導體(實際上為地)返回。很明顯,共模電流是許多接地系統(tǒng)產(chǎn)生干擾問題的原因。
在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,一個設(shè)計良好的接地系統(tǒng)對獲得EMC 是至關(guān)重要的。對于一個給定的復雜的現(xiàn)代通信系統(tǒng)和所涉及的設(shè)備范圍,通過一個簡單的技術(shù)方法并不能獲得可靠的保護。如上所述,一個有效的干擾控制計劃應系統(tǒng)地注意到關(guān)鍵的敏感性以及與整個通信系統(tǒng)有關(guān)的一些可變的設(shè)計參數(shù)。