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工业电磁兼容性的分析与实际设计
2017-07-06       suixiang    浏览:558    0  

引言

由于工业上电子技术的广泛应用,并且各种干扰设备的辐射很复杂,要真正完全消除电磁干扰是不可能完成的任务。但是可以根据电磁兼容性的基本原理来采取许多措施最大限度地减小电磁干扰使之控制在系统可容纳的范围之内,从而保证系统或设备良好的电磁兼容性。

1、简介

随着当前电子技术的飞速发展,现代工业的电子设备已经越来越多地应用于人类生活的各个方面。随着人类社会的持续进步和发展,电子设备的发展过程仍以日益增长的速度持续着。电子设备的广泛应用和发展,必然导致它们在其周围空间中产生的电磁场电平的不断增加。电子设备不可避免地在日益恶化的电磁环境(eme)中工作。因此,必须改善电子设备在电磁环境中的适应能力以使其更好地工作。也就是对相应的电磁兼容性设计提出更可靠的解决方案,从而最大限度地抑制和消除空间中的电磁干扰,使电子设备或系统与其他设备联系在一起工作时,整个系统任何部分的工作性能都不会出现恶化或者较大幅度的降低。

当前比较普遍使用的电磁兼容设计技术包括屏蔽、滤波、合理接地及合理布局等方法,并在工程实践中被广泛采用。但是随着电子系统的集成化、综合化,以上措施的应用往往会与产品或者系统的成本、质量、功能要求产生矛盾,因此必须权衡利弊研究出最合理的措施来满足电磁兼容性要求。随着新的导电和屏蔽材料以及工艺方法的出现,电磁兼容性的设计技术又有了新的措施。无论如何,电磁干扰的抑制技术始终都是电磁兼容科学中最活跃的研究课题。

2、电磁干扰的来源和传播途径

2.1 电磁干扰的来源

工业上各种形式的电磁干扰是影响电子设备电磁兼容性的主要因素,因此,了解其来源是电磁兼容设计的先决条件之一。一般的来源分为内部和外部两种。

(1) 内部干扰—电子设备内部各元部件之间的相互干扰

·工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电而造成的干扰;

·信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合,或导线之间的互感造成的干扰;

·设备或系统内部某些元件发热,影响元件本身或其他元件的稳定性造成的干扰;

·大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其它部件造成的干扰。

(2) 外部干扰—电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的干扰

·外部的高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统;

·外部大功率的设备在空间产生很强的磁场,通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统;

·空间电磁对电子线路或系统产生的干扰;

·工作环境温度不稳定,引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰;

·由工业电网供电的设备和由电网电压通过电源变压器所产生的干扰。

2.2 电磁干扰的传播途径

(1)当干扰源的频率较高、干扰信号的波长又比被干扰的对象结构尺寸小,或者干扰源与倍感绕者之间的距离r》》λ/2π时,则干扰信号可以认为是辐射场,它以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路

(2) 干扰信号以漏电和耦合形式,通过绝缘支撑物(包括空气)为媒介,经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。

(3) 干扰信号可以通过直接传导方式进入线路、设备或系统。

3、电磁干扰的控制策略分析

电磁兼容学科实在早期单纯的抗干扰方法基础上发展形成的,两者的目标都是为了使设备和系统达到在共存的环境中互不发生干涉并最大限度地发挥其工作效率。但是早期的抗干扰性方法和现代的电磁兼容技术在控制电磁干扰策略思想上有着本质的差别。

单纯的抗干扰性方法在抑制干扰的思想方法上比较简单,或者认识比较肤浅,主要的思路集中在怎样设法抑制干扰的传播上,因此工程技术人员处于被动的地位,哪里有干扰哪里就事论事的给予解决,当然经验丰富的工程师也会采取预防措施,但这仅仅是根据经验局部的应用,解决问题的方法也是单纯的对抗式的措施。

电磁兼容技术在控制干扰的策略上采取了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的方针。电磁兼容性控制是一项系统工程,应该在设备和系统设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都充分给予考虑和实施才可能有效。科学而先进的电磁兼容工程管理是有效控制技术的重要组成部分。

在控制方法,除了采用众所周知的抑制干扰传播的技术,如屏蔽、接地、搭接、合理布线等方法以外,还可以采取回避和疏导的技术处理,如空间方位分离、频率划分与回避、滤波、吸收和旁路等等,有时采用这些简单而巧妙的回避和疏导技术能够代替昂贵且质量、体积都较大的硬件措施,从而取得较好的抑制效果。

在解决电磁干扰问题的时机上,以前往往是设备研制后期暴露出不兼容问题后,再采取挽救修补的措施进行被动的emc控制,这种情况在电子设备发展精度日益增高的今天应当极力避免,因此必须在设备设计的初始阶段就开展预测分析和设计,预先进行详细的论证和检验计算,并尽可能全面地规划实施细则和步骤,把涉及到相关系统的电磁兼容性设计和可靠性设计,产品的维护性与产品的基本功能结构设计和软硬件设计综合考虑并同步进行,只有这样才有可能最大限度地减小电磁干扰,实现更高层次上的电磁兼容设计策略。总之,电磁兼容技术是现代并行工程的组成部分之一。

4、电磁兼容的实际设计方法

4.1 接地

不管在任何系统中,电子设备的接地都是该设备电磁兼容设计的一个很重要的问题。一般的实际系统中接地情况如图1所示,其作用如下:


(1) 接地有一个公共的参考零电位

接地可以使整个电路系统的所有单元电路都有一个公共的参考零电位,保证电路系统能稳定地工作。

(2) 防止外界电磁场的干扰

机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放,否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外对于电路的屏蔽体,若选择合适的接地,也可获得良好的屏蔽效果。

(3) 保证安全工作

当发生直接雷电的电磁感应时,可避免电子设备的损坏;当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其他原因直接与机壳相通时,可避免操作人员的触电事故发生。此外,很多医疗设备都与病人的人体直接相连,当机壳带有110v或者220v电压时,将可能发生致命危险。

总之,接地是抑制噪声并防止干扰的主要方法之一。一般的接地可以理解为一个等电位点或等电位面,属于电路或系统的基准电位,但不一定为大地电位。为了防止雷击或其他高电压可能造成的损坏或者工作人员的人身安全,电子设备的机壳和己方的金属构件等必须与大地相连界,而且接地电阻一般很小,不能超过规定值。

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