电磁兼容第5章

36第五章无源的消干扰组件本章主要介绍的消干扰组件包括：滤波器；过电压保护器；光耦合器和光导线；隔离变压器。电磁屏蔽同样是无源的消干扰组件，因为它的作用大，将在下一章专门讨论。5.1滤波器·无源滤波器是电路里使用得十分普遍的一种消干扰组件。·它主要由电容、电感或电容、电感的组合构成。·把它们放在电源和负载之间，利用它们对不同频率表现出不同的阻抗的特性，使有用信号能顺利通过，使干扰信号得到衰减或消除。·实际上滤波器相当于一个分压器，它对不同频率的电压有不同的分压比，对有用信号，其分压比接近于1；对干扰信号，其分压比越大越好（输出电压越小）。滤波器的消干扰效果（1.3.3节）用滤波阻尼aF表示，21lg20UUaF；U1滤波器前的干扰电压；U2滤波器后的干扰电压。aF不仅与滤波器本身的参数有关，还与电源和负载的阻抗有关。例如，仅有一个电容器的滤波器。假定U1的频率比U0的频率高得多。选择适当的C，忽略C对U0的衰减，ECECECECQFZZZZZZZZZalg20如果C选得太大，则传到负载的U0也会有所下降。又例如在电路里串联一个电感L，也可以起到滤波的作用。U1U0ZQZECU2+U0滤波器CjZC1U2U1ZQCZELZQZEU2U1U1U0ZEU2LZQ37如果电源的阻抗ZQ太小，就不能起分压的作用，那么可以串联适当的电感。ECECECECLQFZZZZZZZZZZalg20▲这里需要提醒的是：aF是频率的函数；aF不仅决定于滤波器的参数（L，C），还决定于电源和负载的阻抗（ZQ，ZE）。▲有些工厂开发了一些常用的滤波器，例如电源滤波器。在其产品说明上不可能提供不同电源和负载阻抗下的aF，常常提供“插入衰减”。它是这样确定的：选择一个系统（匹配系统），其中，EQZZZ（50，60，75Ω等）。测出10221UU，然后插入滤波器（代替电源），测出U2。▲定义：)()(lg20202UUaF为该滤波器的“插入衰减”。212022lg20)()(lg20UUUUaF“插入衰减”对评价同类滤波器时，有其实际价值。但当接入实际使用时，并不能表示真正的衰减效果。5.1.1抑制共模干扰和差模干扰的滤波器在1.4节里，我们说明了共模干扰和差模干扰的含义。U2ZEU1U0ZQLCU2LZQZEU1CZZQU1ZEU20U1ZQ滤波器ZEU238共模干扰：出行在单根信号线和中性线（或地线）之间，uic不形成与有用信号u0串联的干扰电压。差模干扰：出现在电流回路的来和去引线之间，uid与有用信号u0串联。在一定条件下（例如频率增高，杂散阻抗显示作用），共模电压会部分或全部转化为差模电压，共模/差模－转换因子为GGKF。因此在对一个电路设置滤波器抑制干扰的时候，不仅要注意到抑制差模干扰，还要注意到抑制共模干扰。在考虑抑制共模干扰时，不仅要注意一根信号线，还应该注意到二根信号线。根据以上两条，对一个电路可看成：（只画出干扰源，不画出有用信号源）如果用电容器进行滤波，那么不仅要在工作电流回路的往返导线之间（即L1和N之间）设电容CX（抑制差模干扰），而且还要在工作电流回路的导线与保护接地（即L1、N与PE）之间设电容CY（抑制共模干扰）。如果左侧的源阻抗太大（则将要求极大的C，也会抑制有用信号），而需要加设串联电感来提高源阻抗，是衰减增强。那么在工作电流回路往返两根导线上都应串联电感，既抑制差模干扰又抑制共模干扰。滤波器元件（L，C等）的参数如何选择？一定根据具体电路的源阻抗、负载阻抗、滤波衰减要求，干扰信号频率等因素来确定。对此我们不具体展开。下面以常用的电源滤波器为例，介绍一些除以上因素以外，还应注意的问题。（1）通过强电流的滤波器，其所用的滤波电容区别为X（级）电容器－接在工作电流回路的往返导线之间（CX），Y（级）电容器－接在工作电流回路导线与保护接地之间（CY）。（2）Y电容器的电容CY不能太大。正常工作时，仪器外壳接地，这时左侧CY两端有电压220V，有电流流过CY，这个电流不是工作电流，而是泄漏电流，这IidUicU0ZIidZIic(=0)UicU0Iic(=0)Uic(2)PEUic(1)UidCXCYCYNL1aCXCYCY380/220VbcNPE39个CY相当于和仪器的绝缘并联。如果仪器的外壳和接地端断开，这时外壳将带电（如果两个CY相同，则外壳电压为110V）。这时，如果站在地面上的人触及外壳，则通过CY的电流将通过人体进入大地，形成触电。人体电阻≈2kΩ，如CY＝1µF，在50Hz时，XC≈3.2kΩ，mAi582.3222022，人体流过10mA以上的电流可能致命。CY太大了。如果取CY＝0.01µF，则i可限制到0.58mA，所以CY上限为数千～数万pF。如果这个CY不足以抑制共模干扰，则应附加串联电感。（3）为了抑制共模干扰，有时需要较大的串联电感，而串联电感过大又不利于有用信号的传递。这时可采用“电流补偿型扼流圈”（即我们在3.1.2节中说的中和变压器）。对工作电流，磁通抵消，对共模干扰电流，表现出电感。5.1.2滤波器的谐振有几种谐振的可能，（1）滤波器本身有电容、电感等组成，在一定频率下会出现谐振。出现（接近）谐振时，出现负的滤波阻尼aF，即非但不能使干扰衰减，反而形成“插入增益”。（2）插入滤波器后，和发射机阻抗。接收机阻抗一起引起谐振。（3）单个电容或电感元件也可以产生谐振，改变参数的特性。示波器电源滤波器a380/220VbcNiR人CYf容性LZL理想线圈感性固有频率ZL杂散电容ZC引线,极板的杂散电感CZC1容性感性理想电容器40解决的办法：☆采用多级滤波器☆通过电阻、有损介质、磁芯等把谐振衰减掉☆采用杂散电容小的电感线圈（如蜂房式绕组等）和杂散电感小的电容器。5.1.3电力系统中抑制谐波的滤波器在第一章里提到过，由整流电路只产生基波的谐波。1np次。例如，三相六脉冲整流电路产生的谐波为5、7、11、13次。为抑制这些谐波，采用的滤波器如下：左边四个为单调谐滤波器，分别调谐到5次、7次、11次、13次谐波频率。分别抑制各单次谐波。右边是一个高通滤波器，用来抑制17次及以上的各次谐波。单调谐滤波器的阻抗特性CLjRz1高通滤波器的阻抗特性R：该次谐波下计及C和L损耗的回路总临界频率CRf210电阻ff0的频率范围称为通频带5.2过电压保护器其作用是限制过电压，在工作电压范围内，具有极大的电阻（实际上等于不存在）；在出现过电压时，其电阻变得极小，吸收能量，抑制过电压。它和源阻抗构成非线性分压比的分压器。过电压保护器基本上分为三类：变阻器（主要是ZnO），硅雪崩二极管，火花间隙。ZRf临界频率ZRf谐振频率415.2.1变阻器（ZnO）kUI动作时间：ns级。非线性系数α与材料有关。K取决于阀片的面积和厚度。流过的电流越大，需要的面积越大（单次负荷下允许的电流100A～70kA）。电压越高，需要的厚度越大（最小的电压可达5Vdc）。变阻器的选择与避雷器相似，要根据工作电压，最大脉冲电流、消耗的能量和持续负荷的大小等选用变阻器。书p76有详细介绍。在高频情况下使用时，要计及其电容。C在100pF～数万pF。5.2.3硅雪崩二极管（电阻时间ns级）把这种二极管反向接在电路里，正常工作电压作用下处于截止状态，表现出高电阻。当出现过电压，即超过其截止电压（PN结的）时，允许有大的反向电流通过，表现出低电阻。只要反向电流不太大，不会损坏PN结。如果把两个二极管反极性串联，可得到对称的特性曲线。硅雪崩二极管的选用类似于变阻器，根据工作要求和厂家提供的特性参数选择。与变阻器一样，它也有比较大的电容（可大15000pF）。所以在高频系统里不宜直接使用。5.2.3火花间隙（硬性限幅器hardlimiter）在工作范围内间隙有很大的绝缘电阻，（1010Ω）并且有很小的电容（10pF）当出现过电压时间隙击穿，其电阻大大下降。如果电源内阻足够小，则击穿后形成电弧。电弧压降为20～25V。如果电源内阻较大，则击穿后形成辉光放电，其压降70～130V。其动作电压和动作时间与过电压上升时间有关。火花间隙有其固有的伏－秒特性。上升速度越快，动作电压越高。伏－秒特性曲线CC越大阀片越薄（工作电压低）阀片越大（电流大）在100V/s的电压上升率下测出的动态动作电压静态动作电压tv静态动作时间42由厂家提供，它与间隙结构、所充气体、电极材料、触发方式（放射性等）有关。其优点是绝缘电阻高（1010Ω），电容小（10pF）。充惰性气体的火花间隙是长途电信网络中过电压保护的主要承担者。（书p78）其缺点是过电压的陡度（du/dt）大时，在动作前已经出现了相当高的电压，被保护对象可能不能承受。另外间隙击穿后维持电弧或辉光放电电压要求不高，有可能不能熄弧。将由工作电压维持，从而造成热损坏。5.2.4混合限幅线路把上述几种保护器组合使用，以取长补短。串联，并联，级配组合5.3光耦合器和光导线（光缆）光耦合器提供很高的共模抑制。常常用于与接地回线分开。单片光耦合器最高只能隔离电压约10kV。而光导线可隔离电压达MV级。5.4隔离变压器其功能是使交流电路的回路不发生电的直接接触。常用来隔开接地回线，降低共模电压。为消除绕组之间杂散电容的影响，经常采用屏蔽技术。补充：工频放电测量控制台调压器分压器保护电阻C1C2C20pF隔离变电源500Va500V10Vb二次分压短路，不接地，无干扰100MHzOsc.43b点波形干扰大