搜索EMC原理 傳導(dǎo)(共模 差模) 輻射(近場(chǎng) 遠(yuǎn)場(chǎng)) 詳解
2017-07-01 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
第一章、EMC概念介紹
EMC(electromagnetic compatibility)作為產(chǎn)品的一個(gè)特性,譯為電磁兼容性;如果作為一門學(xué)科,則譯為電磁兼容。它包括兩個(gè)概念:EMI和EMS。EMI(electromagneticinterference)
電磁干擾,指自身干擾其它電器產(chǎn)品的電磁干擾量。EMS (electromagneticsusceptibility)電磁敏感性,也有稱為電磁抗擾度,是指能忍受其它電器產(chǎn)品的電磁干擾的程度。因此,電磁兼容性EMC一方面要濾除從電源線上引入的外部電磁干擾(輻射+傳導(dǎo)),另一方面還能避免本身設(shè)備向外部發(fā)出噪聲干擾,以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。EMC濾波器主要是用來(lái)濾除傳導(dǎo)干擾,抑制和衰減外界所產(chǎn)生的噪聲信號(hào)干擾和影響受到保護(hù)的設(shè)備,同時(shí)抑制和衰減設(shè)備對(duì)外界產(chǎn)生干擾。而輻射干擾主要通過屏蔽的手段加以濾除。
從濾波器的功能來(lái)看,它的作用是允許某一部分頻率的信號(hào)順利的通過,而另外一部分無(wú)用頻率的信號(hào)則受到較大的抑制,它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路。而我們常見的低通濾波器功能是允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過,抑制高頻分量或干擾噪聲。
電源噪聲干擾在日常生活中很常見。比如你正在使用電腦的時(shí)候,當(dāng)手機(jī)信號(hào)出現(xiàn)時(shí),電腦音響會(huì)有雜音。比如電話或手機(jī)通話時(shí)有嗞嗞的雜聲。又比如使用電吹風(fēng)燙頭發(fā)時(shí),電視機(jī)不但會(huì)產(chǎn)生噪音,而且屏幕會(huì)出現(xiàn)很大的雪花般的條紋。這都是一些常見的噪聲信號(hào)干擾,但實(shí)際上有些干擾日?？床坏?一但受到影響就有可能措手不及,甚至找不到根源。這些噪聲信號(hào)如果出現(xiàn)在自動(dòng)化儀器,醫(yī)療儀器有可能帶來(lái)極大的損失甚至生命安全。比如,會(huì)造成自動(dòng)化儀器誤動(dòng)作,造成醫(yī)療儀器失控等等。
我們常說的噪聲干擾,是指對(duì)有用信號(hào)以外的一切電子信號(hào)的一個(gè)總稱,也可以理解為電磁干擾。最初,人們把造成收音機(jī)之音響設(shè)備所發(fā)出噪聲的那些電子信號(hào),稱為噪聲。但是,一些非有用電子信號(hào)對(duì)電子電路造成的后果并非都和聲音有關(guān),因此,后來(lái)人們逐步擴(kuò)大了噪聲概念。如:某一頻率的無(wú)線電波信號(hào),對(duì)需要接收這種信號(hào)的接收機(jī)來(lái)講,它是正常的有用信號(hào),而對(duì)于另一頻率的接收機(jī)它就是一種無(wú)用信號(hào),即是噪聲。
噪聲按傳播路徑來(lái)分可分為傳導(dǎo)噪聲干擾和空間噪聲干擾。其傳導(dǎo)干擾主要通過導(dǎo)體傳播,通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò),其頻譜主要為30MHz以下。而空間噪聲干擾源通過空間把其信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò),其頻率范圍比傳導(dǎo)噪聲頻率寬很多,30Hz-30GHz。傳導(dǎo)噪聲干擾可以通過設(shè)計(jì)濾波電路或追加濾波器的方法來(lái)進(jìn)行抑制和衰減,而空間輻射干擾主要通過主要應(yīng)用密封屏蔽技術(shù),在結(jié)構(gòu)上實(shí)行電磁封閉。目前為減少重量大都采用鋁合金外殼,但鋁合金導(dǎo)磁性能差,因而外殼需要鍍一層鎳或噴涂導(dǎo)電漆,內(nèi)壁貼覆高導(dǎo)磁率的屏蔽材料。
上面我們提到傳導(dǎo)噪聲干擾,又分為差模干擾與共模干擾兩種。差模干擾是兩條電源線之間(簡(jiǎn)稱線對(duì)線)的噪聲,主要通過選擇合適的電容(X電容),差模線圈來(lái)進(jìn)行抑制和衰減。共模干擾則是兩條電源線對(duì)大地(簡(jiǎn)稱線對(duì)地)的噪聲,主要通過選擇合適的電容(Y電容),和共模線圈來(lái)進(jìn)行抑制和衰減。我們常見的低通濾波器一般同時(shí)具有抑制共模和差模干擾的功能。
第二章、感應(yīng)干擾(近場(chǎng))
常見的電場(chǎng) 如兩個(gè)金屬板兩端加電壓。
常見的磁場(chǎng) 如兩個(gè)磁鐵之間的磁場(chǎng)
電磁波的速度在空氣中接近于光速。 波長(zhǎng)=c/f=3x108/f = 300/F(MHz)如,F=10MHz 波長(zhǎng)=30米 r =波長(zhǎng)/2*3.14=4.77米。
頻率為10MHz的電磁波發(fā)射源,在離發(fā)射源大于4,77米時(shí),為遠(yuǎn)場(chǎng),小于4,77米時(shí),為近場(chǎng)。
第三章、輻射干擾(遠(yuǎn)場(chǎng))
3.1.原理及產(chǎn)生原因
根據(jù)麥克斯韋方程,變化電場(chǎng)產(chǎn)生變化磁場(chǎng),變化磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。
設(shè)備內(nèi)每個(gè)電路都可能是天線,外殼和電纜都可能是天線的一部分。
我的理解是靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)只對(duì)近距離的設(shè)備產(chǎn)生干擾。
交變的電場(chǎng)和交變的磁場(chǎng)不光對(duì)近距離設(shè)備產(chǎn)生干擾,還對(duì)很遠(yuǎn)處的設(shè)備產(chǎn)生干擾。
不論是電場(chǎng)干擾還是磁場(chǎng)干擾遠(yuǎn)距離傳播以后,都是以交變的電磁場(chǎng)形式傳播。
電磁場(chǎng)解釋
電磁場(chǎng)有內(nèi)在聯(lián)系、相互依存的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的統(tǒng)一體和總稱。隨時(shí)間變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng),隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng),兩者互為因果,形成電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)可由變速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子引起,也可由強(qiáng)弱變化的電流引起,不論原因如何,電磁場(chǎng)總是以光速向四周傳播,形成電磁波。電磁場(chǎng)是電磁作用的媒遞物,具有能量和動(dòng)量,是物質(zhì)存在的一種形式。電磁場(chǎng)的性質(zhì)、特征及其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律由麥克斯韋方程組確定。
3.2.如何影響設(shè)備
敏感設(shè)備受空間干擾
其中f為頻率B為磁感應(yīng)強(qiáng)度A為面積E為電場(chǎng)強(qiáng)度
3.3.如何濾除輻射干擾
如在源及敏感設(shè)備外圍加屏蔽,隔斷輻射路徑;以及在敏感設(shè)備各端口增加濾波電路,阻止已耦合到端口上噪聲進(jìn)入設(shè)備內(nèi)。
3.4.如何減少輻射干擾
方法1:采用同軸電纜雙絞線絞合電纜。
如MR6;IDM11的電纜線就是絞合電纜
方法2:應(yīng)盡量減小有用信號(hào)的高次諧波成分(頻率越高,輻射越強(qiáng))
方法3:采取屏蔽方法
通氣口,盡量用小圓孔,避免用長(zhǎng)條形通氣孔。
普通濾波器原理圖
如圖1,3為差模電容,2為共模電感,4為共模電容。
一般濾波器不單獨(dú)使用差模線圈,因?yàn)楣材ｋ姼袃蛇吚@線不一致等原因,電感必定不會(huì)相同,因此能起到一定的差模電感的作用。如果差模干擾比較嚴(yán)重,就要追加差模線圈。
第四章、差模干擾
4.1 差模干擾:簡(jiǎn)單的說就是線對(duì)線的干擾。
如圖,我們可以看到差模的原理圖。UDM就是差模電壓,IDM就是差模電流。IDM大小相同,方向相反。
4.2 差模干擾產(chǎn)生的原因
差模干擾中的干擾是起源在同一電源線路之中(直接注入).如同一線路中工作的電機(jī),開關(guān)電源,可控硅等,他們?cè)陔娫淳€上所產(chǎn)生的干擾就是差模干擾。
4.3如何影響設(shè)備。
差模干擾直接作用在設(shè)備兩端的,直接影響設(shè)備工作,甚至破壞設(shè)備。(表現(xiàn)為尖峰電壓,電壓跌落及中斷.)
4.4.如何濾除差模干擾
主要采用差模電感和差模電容。
4.4-1差模電感工作原理:
可以看到,當(dāng)電流流過差模線圈之后,線圈里面的磁通是增強(qiáng)的,相當(dāng)于兩個(gè)磁通之和。
線圈特性低頻率低阻抗高頻率高阻抗決定了在高頻時(shí)利用它的高阻抗衰減差模信號(hào)。(如圖下圖所示):
當(dāng)頻率為50Hz時(shí),線圈阻抗接近于0,相當(dāng)于一根導(dǎo)線,不起任何衰減作用。
當(dāng)頻率為500kHz時(shí),阻抗達(dá)到5k歐,而理想狀態(tài)下,此時(shí)負(fù)載阻抗一般考慮為50歐,
根據(jù)上面公式,此時(shí)差模線圈分得了99%的差模干擾電壓,而負(fù)載只分得了1%的差模干擾電壓。
同時(shí),電流也有很大衰減。(可以算出此時(shí)線圈的差模插入損耗)
4.4-2差模電容工作原理。
可以看到,電容特性低頻率高阻抗高頻率低阻抗。濾波器利用電容在高頻時(shí)它的低阻抗短路掉差模干擾。(如圖下圖所示:)
當(dāng)頻率為50Hz時(shí),電容阻抗趨近于無(wú)窮大,相當(dāng)于短路,不起任何衰減作用。
當(dāng)頻率為500kHz時(shí),電容阻抗很小,根據(jù)上式可以看到差模負(fù)載的電流衰減為趨近于0
如當(dāng)頻率為500kHz時(shí)負(fù)載50歐容抗0.05歐
此時(shí)電容分得了99.9%的差模干擾電流,而負(fù)載只分得了0.1%的差模干擾電流。
也就是說500kHz時(shí),電容使得差模干擾下降了30dB.
第五章、共模干擾
5.1.共模就是共同對(duì)地的干擾:
如圖,我們可以看到共模的原理圖。UPQ就是共模電壓,ICM1ICM2就是共模電流。
ICM1ICM2大小不一定相同,方向相同。
5.2.共模干擾產(chǎn)生的原因很多。
主要原因有以下幾點(diǎn)。
1.電網(wǎng)串入共模干擾電壓
2.輻射干擾(如雷電,設(shè)備電弧,附近電臺(tái),大功率輻射源)在信號(hào)線上感應(yīng)出共模干擾。
(原理是交變的磁場(chǎng)產(chǎn)生交變的電流,由于地線-零線回路面積與地線-火線回路面積不相同,兩個(gè)回路阻抗不同等原因造成電流大小不同)
3.接地電壓不一樣。也就是說地電位差異引入共模干擾。
4.也包括設(shè)備內(nèi)部電線對(duì)電源線的影響。
5.3.如何影響設(shè)備。
共模電壓有時(shí)較大,特別是采用隔離性能差的配電供電室,變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高,有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過不對(duì)稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓,直接影響測(cè)控信號(hào),造成元器件損壞,這種共模干擾可為直流、亦可為交流。
如圖
5.4.如何濾除共模干擾(共模線圈共模電容)
5.4-1共模線圈
共模線圈和差模線圈原理比較類似,都是利用線圈高頻時(shí)的高阻抗來(lái)衰減干擾信號(hào)。共模線圈和差模線圈繞線方法剛好相反(如圖)。
因?yàn)椴钅＞€圈在濾除干擾的同時(shí),還會(huì)一定程度的增加阻抗,而共模線圈對(duì)方向相反的電流基本不起作用,所以我們?cè)谀軌驖M足特性的前提下,一般很少使用差模線圈。
文獻(xiàn)一:這樣,當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí),電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)而相互抵消,此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼);當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí),由于共模電流的同向性,會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場(chǎng)而增大線圈的感抗,使線圈表現(xiàn)為高阻抗,產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果,以此衰減共模電流,達(dá)到濾波的目的。
文獻(xiàn)二:我們了解電流定律,也知道電流產(chǎn)生磁通后,而且知道相同大小,相同圈數(shù),不同方向的電流產(chǎn)生的磁通是會(huì)互相抵消,導(dǎo)致整個(gè)共模線圈對(duì)不同方向的電流不起作用,而僅僅讓其通過;但對(duì)相同方向的電流所產(chǎn)生的磁通,因?yàn)榇磐ǚ较蛳嗤?磁通沒有抵消,故些共模線圈起著阻抗器的作用,壓制了同方向的雜訊電流,達(dá)成抗電磁干擾的目的。
5.4-2共模電容工作原理
共模電容的工作原理和差模電容的工作原理是一致的,
都是利用電容的高頻低阻抗,使高頻干擾信號(hào)短路,而低頻時(shí)電路不受任何影響。
只是差模電容是兩極之間短路。
而共模電容是線對(duì)地短路。3300pF1.6mm引腳共模電容諧振頻率點(diǎn)為19.3MHz
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