合理解決弱電系統中的電磁干擾

2021-06-25 13:02:10 字數 4430 閱讀 3980



弱電系統是實現資訊的傳送的系統,在傳送資訊的過程中要求能夠實現資訊的保真度、速度、廣度和可靠性。目前,隨著電子學、計算機、雷射、光纖維通訊和各種遙控遙感技術的發展,社會已進入高度資訊化的時代,越來越多的高精度、高可靠性、高靈敏度、高密度(小型化、整合化)、大功率、小訊號運用的電子裝置是支援弱電系統執行的基礎,而電子裝置之間的電磁干擾已成為系統和裝置正常工作的突出障礙。

看看這些關於電磁干擾的例子:變頻器、調光開關等節能器件等是以閘流體或類似電子器件為核心的裝置,它們工作時會在電網上產生高次諧波干擾;數位電路裝置(包括電腦、程式控制交換機、裝置自動控制系統的現場控制器等)、高頻振盪電路(包括發射機、接收機及時鐘本振等振盪電路的基頻及其諧波)、氣體放電燈、螢光燈的整流器、啟動器等,它們都會對電網及周圍空間產生電磁干擾;家用電器、辦公用電器,其中串激電機的換向器、電子控制器、定時器等均會對電網及周圍空間產生電磁干擾(電磁干擾頻譜從幾萬赫到幾百兆赫);還有一些工、科、醫射頻裝置,是指醫院、科技展覽廳中那些可能對150千赫--400吉赫頻段內的無線電造成電磁干擾的裝置。

一、電磁干擾的定義

「干擾」這個詞的本意就是指,對某個正處於穩定工作狀態的系統產生不良的影響。「電磁干擾」是電子噪音對正處於正常工作狀態的系統、電子裝置產生不良影響的電磁現象,即任何伴隨著電壓、電流的變化而產生會降低某個裝置、裝置或者系統的效能,或可能產生不良影響的電磁現象就是電磁干擾。這樣看來,恆定的電壓、電流或電磁場對系統或電子裝置是不會造成很大干擾的。對電路或電器裝置造成嚴重干擾的,主要是不斷變化著的電場或磁場。

因此,簡單地說,任何不希望的電壓和電流的波動對裝置效能的影響就稱為電磁干擾。產生這些電壓、電流的源頭即為電磁干擾源。這些電壓和電流會通過傳導或電磁輻射傳到受害的系統和裝置。

二、電磁干擾的分類

通常,在分析電磁干擾時,系統指人們對之進行設計和管理控制的電工裝置或電子裝置整體。

1、根據干擾方式的不同,電磁干擾可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是電子裝置產生的干擾訊號通過導電介質或公共電源線互相產生干擾。輻射干擾是指電子裝置產生的干擾訊號通過空間耦合把干擾訊號傳給另乙個電網路或電子裝置。

2、根據干擾**的不同,電磁干擾可以來自系統內部,也可以來自系統外部,前者稱為系統內部的干擾,後者稱為系統之間的干擾。

3、根據產生干擾的原因不同,電磁干擾分為自然和人工兩種。自然干擾源主要是雷電、太陽輻射或宇宙輻射等;人為干擾源有輸電線路、電動機、開關、繼電器、氖燈、螢光燈、電鈴、電熱器、電弧焊接機、閘流體逆變器、氣體整流器、高速邏輯電路、閘電路、資料處理機、電流的突變、電弧放電、電暈放電,以及核**產生的核電磁脈衝等。

三、電磁干擾的傳輸

電磁干擾的途徑分為傳導耦合方式和輻射耦合方式兩種方式。

1、傳導是指電壓或電流通過干擾源和被干擾物件之間的公共阻抗進入被干擾物件。其中的公共阻抗通常是干擾頻率的函式。有時干擾經過金屬線路的傳輸,包括集總元件如電容器、變壓器等直接傳導到電路。

2、輻射則用來表徵非傳導性的傳輸,其傳輸機理可能是天線的「近場」或感應場,而不是輻射場。在干擾電磁場中,磁場通過電感性耦合,電場通過電容性耦合而進入電路中。

四、解決弱電系統中電磁干擾問題的方法

解決方法就是怎樣使得在同一電磁環境下工作的電子裝置、電子系統都能互不干擾地正常工作,能夠達到相容狀態,這就涉及到弱電系統中的電磁相容效能。

電磁相容性(emc)是指「一種器件、裝置或系統的效能,它可以使其在自身環境下正常工作並且同時不會對此環境中任何其他裝置產生強烈電磁干擾(ieeec63.12-1987)。」

弱電系統中的電磁相容性主要研究內容就是電磁干擾和抗干擾問題。電磁干擾問題上面我們已經**過了,下面我們來說說抗干擾的問題。

電子系統或電工裝置以規定的安全逾度,在指定的電磁環境中按照設計要求工作的能力,是反映電子系統效能的重要指標之一。系統、電子裝置能電磁相容就意味著無論是在系統內部,還是對其所處的環境,系統都能如預期的那樣正常的工作,即具有很好的抗干擾能力。

弱電系統的主體裝置是採用了資訊科技中的各種電子裝置,所以要提高弱電系統的抗干擾性能只有採用多方面的綜合抑制措施才能獲得滿意效果。對於弱電系統應從電子裝置、訊號傳輸線路、電源迴路的內部結構等幾個方面來考慮抗干擾的方法。

1、抗干擾的電源裝置方法

電源裝置是弱電電子裝置、電子系統正常工作的動力源。電源的穩定、可靠、安全與否對弱電系統的正常執行影響極大。據資料顯示,大約有30%—50%的電子系統、電子裝置的故障是發生在電源部分。電源的干擾主要有切斷時造成的欠電壓或大容量感性負載投入、巨大的雷電衝擊電流、電網中的高次諧波的干擾等。解決這些問題可以裝設電磁干擾濾波器,它是一種用於抑制電磁干擾,特別是電源線路中噪音的電子線路裝置,是消除對電源環節造成影響的高頻干擾和共模干擾的有效辦法。因為有害的電磁干擾的頻率要比正常訊號頻率高得多,所以電磁干擾濾波器是通過選擇性地阻攔或分流有害的高頻來發揮作用的。基本上電磁干擾濾波器的感應部分被設計作為乙個低通器件使交流線路頻率通過,同時它還是乙個高頻截止器件,電磁干擾濾波器的其他部分使用電容來分路或分流有害的高頻雜訊,使這些有害的高頻雜訊不能到達敏感電路。這樣電磁干擾濾波器顯著降低或衰減了所有要進入或離開受保護電子器件的有害雜訊訊號。

2、抗干擾的傳輸訊號線路方法

a、終端匹配法。在動態波形要求不嚴格的條件下,在終端並上乙個較大(大於特性阻抗)的電阻,一方面可改善因反射引起的動態波形畸變,另一方面又兼顧了高電平降低得不很嚴重。匹配電阻一般阻值都很低,在終端用電阻匹配的方法,功耗較大。

b、始端的匹配方法。適當的選擇串聯電阻,改善波形,消除反射。r的阻值一般取傳輸線的特性阻抗減去輸出門的輸出內阻。

c、在數碼訊號的傳輸中,盡可能避免懸空端。

d、在單線傳輸的情況下,如其旁邊有遮蔽線可將單線圍繞在遮蔽線周圍,或者使單線緊貼在接地的金屬地板上走線,這樣都可使接地線對地的阻抗變低,線間的分布電容減少,提高傳輸線抗干擾的效能。

e、在雙向傳輸中,應注意讓往返的兩種訊號線分開。兩訊號線之間接一根地線作為遮蔽。另外採用有遮蔽層的傳輸電纜也是減少電磁干擾的一項基本措施。

3、抗干擾弱的電裝置內部結構方法

只有如金屬和鐵之類導磁率高的材料才能在極低頻率下達到較高遮蔽效率。這些材料的導磁率會隨著頻率增加而降低,另外如果初始磁場較強也會使導磁率降低,還有就是採用機械方法將遮蔽罩作成規定形狀同樣會降低導磁率。

在高頻電場下,採用薄層金屬作為外殼或內襯材料可達到良好的遮蔽效果,但條件是遮蔽必須連續,並將敏感部分完全遮蓋住,沒有缺口或縫隙(形成乙個法拉第籠)。然而在實際中要製造乙個無接縫及缺口的遮蔽罩是不可能的,由於遮蔽罩要分成多個部分進行製作,因此就會有縫隙需要接合,另外通常還得在遮蔽罩上打孔以便安裝與插卡或裝配元件的連線。

設計遮蔽罩的困難在於製造過程中不可避免會產生孔隙,而且裝置執行過程中還會需要用到這些孔隙。製造、面板連線、通風口、外部監測視窗以及面板安裝元件等都需要在遮蔽罩上打孔,從而大大降低了遮蔽效能。儘管溝槽和縫隙不可避免,但在遮蔽設計中對與電路工作頻率波長有關的溝槽長度作仔細考慮是很有好處的。弱電電子裝置外殼的通風孔、進出線孔、連線縫隙等要足夠小。由於接縫會導致遮蔽罩導通率下降,因此遮蔽效率也會降低。要注意低於截止頻率的輻射其衰減只取決於縫隙的長度直徑比,例如長度直徑比為3時可獲得100db的衰減。在需要穿孔時,可利用厚遮蔽罩上面小孔的波導特性;另一種實現較高長度直徑比的方法是附加乙個小型金屬遮蔽物,如乙個大小合適的襯墊。所有襯墊都有乙個有效工作最小接觸電阻,可以加大對襯墊的壓縮力度以降低多個襯墊的接觸電阻,當然這將增加密封強度,會使遮蔽罩變得更為彎曲。大多數襯墊在壓縮到原來厚度的30%至70%時效果比較好。因此在建議的最小接觸面範圍內,兩個相向凹點之間的壓力應足以確保襯墊和墊片之間具有良好的導電性。除此,在多縫情況下,推廣構成多孔遮蔽罩也是可行的。機箱的接縫處可使用導電襯墊,通風窗可使用波導管,面板顯示窗可使用遮蔽玻璃材料。可用於切斷通過空間輻射傳播的電磁干擾。所以電子裝置一般都需要進行遮蔽,這是因為結構本身存在一些槽和縫隙。所需遮蔽可通過一些基本原則確定,但是理論與現實之間還是有差別。例如在計算某個頻率下襯墊的大小和間距時還必須考慮訊號的強度,如同在乙個裝置中使用了多個處理器時的情形。

表面處理及墊片設計是保持長期遮蔽以實現電磁相容效能的關鍵因素。

除了解決裝置本身的問題,弱電電子裝置的輸入、輸出端介面電路設計中還應設定消除雷電影響的抗電湧抑制器、高低頻濾波器、光電耦合器等電路,並盡量設法採用平衡傳輸制式,可有效抑制地環路干擾。盡可能減小電路板中的相互電磁干擾。可採用多層電路板以減少引線;佈線盡量短粗以減小環路電阻;佈線轉角處要圓滑,以利於阻抗匹配;不同型別的電路單元要分路接地等等。

總之,弱電系統主要考慮的問題是資訊傳送的效果問題,其系統的執行是依賴於各種電子裝置,因此要提高弱電系統的抗電磁干擾效能必須使得在同一電磁環境下工作的各種電子裝置、電子系統都能互不干擾地正常工作,達到相容狀態。抑制電磁干擾應從電源、傳輸、負載等環節著手,採用綜合治理方法,從全系統的立場上來全面考慮電磁相容問題。電磁相容技術是乙個正在發展的領域,這是由於現代的計算、通訊、控制系統中,電氣和電子線路的密度以及它們之間的相關功能日益增加。對弱電裝置的選型、弱電系統的組成配置、電纜管線的布置、系統調校時分析干擾性質及**等全過程採取有效的措施,以確保整個弱電系統的電磁相容性滿足要求。

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