电子组装工艺与设备(大二下学期)第三节接地技术2012

第三节接地技术接地的目的•接地技术是电磁兼容设计中的一项重要技术。它不仅是保护设施和人身安全的必要手段，也是抑制电磁干扰，保障设备电磁兼容性的的重要技术措施。•“地”的含义：1）是指“大地”（安全地）陆地使用的电子设备通常以地球的电位作为基准，并以大地作为零电位；2）是指电路或系统中的“电位基准点”（信号地）设该点电位为设备的相对零电位，即设备内部的“地”电位，但它不一定与大地电位相同。•接地的含义：1）为电路或系统提供一个零电位基准点或面。2）在系统与某个电位基准面之间建立低阻抗的导电通路。•接地的目的：1）使整个系统有一个公共的零电位基准面，并给高频干扰电压提供低阻抗通路2）使系统的屏蔽接地取得良好的电磁屏蔽效果，抑制电磁干扰。3）防止雷击危及设备和人体，防止电荷积累引起火花放电，防止高电压与外壳相接引起危险。接地的分类接地安全接地信号接地设备安全接地接零保护接地防雷接地单点接地多点接地混合接地悬浮接地串联并联安全接地•定义：是指采用低阻抗的导体将用电设备的外壳连接到大地上，使操作人员不致因设备外壳漏电或静电放电而发生触电危险。也包括建筑物、输电线导线、高压电力设备的接地，其目的是为了防止雷电放电造成设施破坏和人身伤亡。•设备安全接地将高压电气设备、电子产品的机壳、底座与大地连接，其目的：1）防止机壳上积累电荷，产生放电而危及人身安全。2）当设备的绝缘损坏而机壳带电时，促使电源的保护动作而切断电源，以保护人员安全。如左图：若不接地，即Z2Z1，则U2≈U1。如果U1足够大，人触及机壳时就会有危险。若接地，即Z2→0，则大部分电流会经接地端流入地。U1Z1Z2U2机壳杂散阻抗（a）机壳通过杂散阻抗带电机壳保险丝220V绝缘击穿（b）机壳通过绝缘击穿带电21212ZZZUU如右图：若不接地，人员触及机壳，电流将直接经人体进入地端。若接地，会因接地而使电路中有大量电流流动而烧掉保险丝，使机壳不再带电，而不会有电击的危险。流经人体安全电流值：交流电流为15～20mA，直流电流为50mA。当电流高达100mA时，就可能导致死亡发生。我国规定的人体安全电压为36V和12V。一般家用电器的安全电压为36V，以保证触电对流经人体的电流值小于40mA。为了保证人体安全，应该将机壳接地。这样，当人体触及带电机壳时，人体电阻与接地导线的阻抗并联，人体电阻远大于接地导线的阻抗，大部分漏电电流经接地导线旁路流如入大地。通常规定接地电阻值为5～10Ω，所以流经人体的电流值将减小为原先的1/200～1/100。•接零保护接地用电设备采用220V（单相）或380V（三相）电源提供电力，设备的金属外壳除了正常接地之外，还应与电网零线相连接，称之为接零保护。当设备外壳接地后，发生人体与机壳接触时，人体与接地电阻并联，因接地电阻远小于人体电阻，使漏电电流大部分从接地线中流过。但是，接地电阻与电网中性点接地的接触电阻相比，在数量上相当，故接地线上的电压降几乎为相电压220V的一半。它超过了人体能够承受的安全电压，使人体流过的电流超过安全限度，导致触电危险。所以即使外壳良好接地也不一定能够保证安全。为此，应该把金属设备外壳接到供电电网的零线（中线）上，才能保证安全用电。信号接地•定义：是指为设备或系统内部各种电路设置基准电位点，并给信号电流提供流回信号源的低阻抗路径。信号接地的主要目的是为了抑制电磁干扰，因此必须以电磁兼容性为目标选择接地方式。•接地方式：1）单点接地是为许多接在一起的电路提供共同参考点的方法。即只有一个接地点，所有单元电路的接地线都连到一个点上，该点作为基准电位点。并联单点接地：优点：各设备或支路的地电位仅与各自地电流和地线电阻有关，不受其他电路影响。适合电路频率较低、连接导线较短的情况。缺点：不适用于高频电路；当并列设备或支路较多时，需要多根连接地线，结构笨重。串联单点接地：优点：结构简单，各电路的接地线较短。缺点：因共用一条地线，故易引起公共地线干扰，噪声通过公共地线互相耦合。2）多点接地系统是指设备中各单元电路直接连接到接地平面上，有多个接地点。优点：结构简单，接地线短，地线阻抗小，适用于高频电路。缺点：设备内部地线回路对低电平电路造成不良影响，不适用于低频电路。3）混合接地系统有些设备中既有高频部分又有低频部分，此时应采用单点接地和多点接地结合使用的混合接地系统。即低频电路采用单点接地，高频电路采用多点接地。3）悬浮接地系统悬浮接地就是将电路或设备的信号接地系统与安全接地系统、结构地或其他导电物体相隔离。采用悬浮接地，可以避免地中存在的干扰电流耦合到信号线路。但在一些大系统中很难做到理想悬浮，悬浮地容易引起静电积累和静电放电。地线中的干扰和抑制•地线阻抗干扰在电路工作时，各频率的电流都可能流经地线某段而产生电压降，这些交流电压降加在电路中，就形成了电路单元的互相干扰，该干扰称为地线阻抗干扰。EZ2Z3iaZ1ABCibicicib+icib+ic+ia•地线阻抗干扰的抑制1）增大导线的截面积和截面周长，以减小电阻。由于高频电流的集肤效应，导线中的高频电流总是沿表面流过的，所以要减小导线的电阻，不仅其截面积要大而且截面周长也要长。2）为了减小地线和馈线的阻抗，可将地线与馈线尽可能靠近敷设。故地线与馈线靠近敷设可使回路电感变小，而线间分布电容增大，由于馈线和地线的特性阻抗，减小L增大C，可使Z变小，即可减小地线和馈线的阻抗。L/CZ•地线环路的干扰电源馈线接入电路后，电路接地，电源馈线和地线就构成一个环路。当交变磁场穿过这些环路网孔时，在环路中就产生感生电势eg。由于环路存在，交变磁场在环路中感生电势eg会经过电源线（或信号线）对各电路单元造成干扰。这种干扰称为地线环路干扰。电路1电路2eseg•地线环路干扰的抑制1）隔离变压器如图，电路1的输出信号经变压器耦合到电路2，而干扰电压的回路被变压器所阻隔，这样就削弱了地环路干扰。但由于变压器初、次级绕组之间存在分布电容C，因此所产生的eg仍会对电路形成干扰，故可在绕组间加屏蔽层，有效地减小分布电容C，以阻隔地环路干扰。电路1电路2eseg2）纵向扼流圈纵向扼流圈由两个绕向与匝数都相同的绕组构成。信号电流在两个绕组流过时方向相反，称为异模电流，产生的磁场相互抵消，呈现低阻抗，所以扼流圈对信号并未起扼流作用。当地线中的干扰电流流经两个绕组时方向相同，称为共模电流，产生的磁场同向相加，扼流圈对干扰电流呈现高阻抗，因而起到了阻隔地环流抑制地环路干扰的作用。扼流圈有一个截止频率，它的大小取决于绕组的电阻和电感，ω=R/L，即R越小，L越大，截止频率就越小，扼流圈的抑制干扰作用就越强。故扼流圈对地线中较高频率的干扰有较强的抑制能力。电路1电路2信号电流纵向干扰电流纵向干扰电流3）同轴线在电路单元间采用同轴线传输信号，也可以阻隔地环路干扰。由于高频时的集肤效应，使信号电流沿内导体的外表面和外导体的内表面流过，而干扰地电流沿地线表面和外导体的外表面流过。因此，同轴线内信号的电磁场不会向外泄漏，而干扰地电流也不会串入同轴线内。同轴线既可防止信号电流于扰其他电路，也抑制了地环路的干扰。电路1电路2eg4）光耦合器光耦合器主要由发光二极管和光电晶体管两部分构成。如图，发光二极管发光的强弱随电路输出信号电流的变化而变化。强弱变化的光使光电晶体管产生相应变化的电流，作为电路2的输入信号。光耦合完全切断了两个电路单元间的地环流，所以能很好地抑制地线干扰。电路1电路2光耦合器工作接地设计要点•设备地线不能布置成封闭的环状，一定要留有开口。•采用光电耦合器、隔离变压器、纵向扼流圈等隔离措施，切断设备或电路间的地环路，抑制地环路干扰。•设备内的各种电路如模拟电路、数字电路、功率电路和噪声电路等，都应设置各自独立的地线，最后汇总到一个总的接地点。•低频电路（f＜1MHz）一般采用单点接地方式，较长的地线应尽量减小其阻抗。•高频电路（f＞lMHz）一般采用多点接地方式。•悬浮接地方式仅适用小规模设备（电路对机壳的分布电容较小）和工作速度较低的电路（频率较低）。•在机柜内同时装有多个电气设备（或电路单元）的情况下，工作地线、保护地线和屏蔽地线一般都接至机柜的中心接地点（接地排），然后接大地。作业：•请对电场屏蔽进行分析，说明为什么电场屏蔽的屏蔽体必须良好接地。•简述低频磁场屏蔽与高频磁场屏蔽的区别。•简述孔缝屏蔽的主要方法。•简述四种接地方式的类型和各自特点。•试分析地线中存在干扰的类型及抑制方法。