合理解決弱電系統中的電磁幹擾

中心議題：

• 電磁幹擾的定義、分類及傳輸

• 解決弱電系統中電磁幹擾問題的方法

解決方案：

• 抗幹擾的電源裝置方法

• 抗幹擾的傳輸信号線路方法

• 抗幹擾弱的電設備内部結構方法

弱電系統是實現信息的傳送的系統，在傳送信息的過(guò)程中要求能(néng)夠實現信息的保真度、速度、廣度和可靠性。目前，随著(zhe)電子學(xué)、計算機、激光、光纖維通訊和各種(zhǒng)遙控遙感技術的發(fā)展，社會(huì)已進(jìn)入高度信息化的時(shí)代，越來越多的高精度、高可靠性、高靈敏度、高密度（小型化、集成(chéng)化）、大功率、小信号運用的電子設備是支持弱電系統運行的基礎，而電子設備之間的電磁幹擾已成(chéng)爲系統和設備正常工作的突出障礙。

看看這(zhè)些關于電磁幹擾的例子：變頻器、調光開(kāi)關等節能(néng)器件等是以晶閘管或類似電子器件爲核心的設備，它們工作時(shí)會(huì)在電網上産生高次諧波幹擾；數字電路裝置（包括電腦、程控交換機、設備自動控制系統的現場控制器等）、高頻振蕩電路（包括發(fā)射機、接收機及時(shí)鍾本振等振蕩電路的基頻及其諧波）、氣體放電燈、熒光燈的整流器、啓動器等，它們都(dōu)會(huì)對(duì)電網及周圍空間産生電磁幹擾；家用電器、辦公用電器，其中串激電機的換向(xiàng)器、電子控制器、定時(shí)器等均會(huì)對(duì)電網及周圍空間産生電磁幹擾（電磁幹擾頻譜從幾萬赫到幾百兆赫）；還(hái)有一些工、科、醫射頻設備，是指醫院、科技展覽廳中那些可能(néng)對(duì)150千赫--400吉赫頻段内的無線電造成(chéng)電磁幹擾的設備。

一、電磁幹擾的定義
“幹擾”這(zhè)個詞的本意就(jiù)是指，對(duì)某個正處于穩定工作狀态的系統産生不良的影響。“電磁幹擾”是電子噪音對(duì)正處于正常工作狀态的系統、電子設備産生不良影響的電磁現象，即任何伴随著(zhe)電壓、電流的變化而産生會(huì)降低某個裝置、設備或者系統的性能(néng)，或可能(néng)産生不良影響的電磁現象就(jiù)是電磁幹擾。這(zhè)樣看來，恒定的電壓、電流或電磁場對(duì)系統或電子設備是不會(huì)造成(chéng)很大幹擾的。對(duì)電路或電器設備造成(chéng)嚴重幹擾的，主要是不斷變化著(zhe)的電場或磁場。

因此，簡單地說(shuō)，任何不希望的電壓和電流的波動對(duì)設備性能(néng)的影響就(jiù)稱爲電磁幹擾。産生這(zhè)些電壓、電流的源頭即爲電磁幹擾源。這(zhè)些電壓和電流會(huì)通過(guò)傳導或電磁輻射傳到受害的系統和設備。

二、電磁幹擾的分類
通常，在分析電磁幹擾時(shí)，系統指人們對(duì)之進(jìn)行設計和管理控制的電工設備或電子設備整體。

1、根據幹擾方式的不同，電磁幹擾可分爲傳導幹擾和輻射幹擾兩(liǎng)種(zhǒng)。傳導幹擾是電子設備産生的幹擾信号通過(guò)導電介質或公共電源線互相産生幹擾。輻射幹擾是指電子設備産生的幹擾信号通過(guò)空間耦合把幹擾信号傳給另一個電網絡或電子設備。

2、根據幹擾來源的不同，電磁幹擾可以來自系統内部，也可以來自系統外部，前者稱爲系統内部的幹擾，後(hòu)者稱爲系統之間的幹擾。

3、根據産生幹擾的原因不同，電磁幹擾分爲自然和人工兩(liǎng)種(zhǒng)。自然幹擾源主要是雷電、太陽輻射或宇宙輻射等；人爲幹擾源有輸電線路、電動機、開(kāi)關、繼電器、氖燈、熒光燈、電鈴、電熱器、電弧焊接機、晶閘管逆變器、氣體整流器、高速邏輯電路、門電路、數據處理機、電流的突變、電弧放電、電暈放電，以及核爆炸産生的核電磁脈沖等。

三、電磁幹擾的傳輸
電磁幹擾的途徑分爲傳導耦合方式和輻射耦合方式兩(liǎng)種(zhǒng)方式。

1、傳導是指電壓或電流通過(guò)幹擾源和被幹擾對(duì)象之間的公共阻抗進(jìn)入被幹擾對(duì)象。其中的公共阻抗通常是幹擾頻率的函數。有時(shí)幹擾經(jīng)過(guò)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、輻射則用來表征非傳導性的傳輸，其傳輸機理可能(néng)是天線的“近場”或感應場，而不是輻射場。在幹擾電磁場中,磁場通過(guò)電感性耦合,電場通過(guò)電容性耦合而進(jìn)入電路中。

四、解決弱電系統中電磁幹擾問題的方法

解決方法就(jiù)是怎樣使得在同一電磁環境下工作的電子設備、電子系統都(dōu)能(néng)互不幹擾地正常工作，能(néng)夠達到兼容狀态，這(zhè)就(jiù)涉及到弱電系統中的電磁兼容性能(néng)。

電磁兼容性(EMC)是指“一種(zhǒng)器件、設備或系統的性能(néng)，它可以使其在自身環境下正常工作并且同時(shí)不會(huì)對(duì)此環境中任何其他設備産生強烈電磁幹擾(IEEEC63.12-1987)。”

弱電系統中的電磁兼容性主要研究内容就(jiù)是電磁幹擾和抗幹擾問題。電磁幹擾問題上面(miàn)我們已經(jīng)探讨過(guò)了，下面(miàn)我們來說(shuō)說(shuō)抗幹擾的問題。

電子系統或電工設備以規定的安全逾度，在指定的電磁環境中按照設計要求工作的能(néng)力，是反映電子系統性能(néng)的重要指标之一。系統、電子設備能(néng)電磁兼容就(jiù)意味著(zhe)無論是在系統内部，還(hái)是對(duì)其所處的環境，系統都(dōu)能(néng)如預期的那樣正常的工作，即具有很好(hǎo)的抗幹擾能(néng)力。

弱電系統的主體設備是采用了信息技術中的各種(zhǒng)電子設備，所以要提高弱電系統的抗幹擾性能(néng)隻有采用多方面(miàn)的綜合抑制措施才能(néng)獲得滿意效果。對(duì)于弱電系統應從電子設備、信号傳輸線路、電源回路的内部結構等幾個方面(miàn)來考慮抗幹擾的方法。

1、抗幹擾的電源裝置方法
電源裝置是弱電電子設備、電子系統正常工作的動力源。電源的穩定、可靠、安全與否對(duì)弱電系統的正常運行影響極大。據資料顯示，大約有30%—50%的電子系統、電子設備的故障是發(fā)生在電源部分。電源的幹擾主要有切斷時(shí)造成(chéng)的欠電壓或大容量感性負載投入、巨大的雷電沖擊電流、電網中的高次諧波的幹擾等。解決這(zhè)些問題可以裝設電磁幹擾濾波器，它是一種(zhǒng)用于抑制電磁幹擾，特别是電源線路中噪音的電子線路設備，是消除對(duì)電源環節造成(chéng)影響的高頻幹擾和共模幹擾的有效辦法。因爲有害的電磁幹擾的頻率要比正常信号頻率高得多，所以電磁幹擾濾波器是通過(guò)選擇性地阻攔或分流有害的高頻來發(fā)揮作用的。基本上電磁幹擾濾波器的感應部分被設計作爲一個低通器件使交流線路頻率通過(guò)，同時(shí)它還(hái)是一個高頻截止器件，電磁幹擾濾波器的其他部分使用電容來分路或分流有害的高頻噪聲，使這(zhè)些有害的高頻噪聲不能(néng)到達敏感電路。這(zhè)樣電磁幹擾濾波器顯著降低或衰減了所有要進(jìn)入或離開(kāi)受保護電子器件的有害噪聲信号。

2、抗幹擾的傳輸信号線路方法
a、終端匹配法。在動态波形要求不嚴格的條件下，在終端并上一個較大（大于特性阻抗）的電阻，一方面(miàn)可改善因反射引起(qǐ)的動态波形畸變，另一方面(miàn)又兼顧了高電平降低得不很嚴重。匹配電阻一般阻值都(dōu)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。适當的選擇串聯電阻，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内阻。

c、在數字信号的傳輸中，盡可能(néng)避免懸空端。

d、在單線傳輸的情況下，如其旁邊有屏蔽線可將(jiāng)單線圍繞在屏蔽線周圍，或者使單線緊貼在接地的金屬地闆上走線，這(zhè)樣都(dōu)可使接地線對(duì)地的阻抗變低，線間的分布電容減少，提高傳輸線抗幹擾的性能(néng)。

e、在雙向(xiàng)傳輸中，應注意讓往返的兩(liǎng)種(zhǒng)信号線分開(kāi)。兩(liǎng)信号線之間接一根地線作爲屏蔽。另外采用有屏蔽層的傳輸電纜也是減少電磁幹擾的一項基本措施。

3、抗幹擾弱的電設備内部結構方法
隻有如金屬和鐵之類導磁率高的材料才能(néng)在極低頻率下達到較高屏蔽效率。這(zhè)些材料的導磁率會(huì)随著(zhe)頻率增加而降低，另外如果初始磁場較強也會(huì)使導磁率降低，還(hái)有就(jiù)是采用機械方法將(jiāng)屏蔽罩作成(chéng)規定形狀同樣會(huì)降低導磁率。

在高頻電場下，采用薄層金屬作爲外殼或内襯材料可達到良好(hǎo)的屏蔽效果，但條件是屏蔽必須連續，并將(jiāng)敏感部分完全遮蓋住，沒(méi)有缺口或縫隙(形成(chéng)一個法拉第籠)。然而在實際中要制造一個無接縫及缺口的屏蔽罩是不可能(néng)的，由于屏蔽罩要分成(chéng)多個部分進(jìn)行制作，因此就(jiù)會(huì)有縫隙需要接合，另外通常還(hái)得在屏蔽罩上打孔以便安裝與插卡或裝配組件的連線。

設計屏蔽罩的困難在于制造過(guò)程中不可避免會(huì)産生孔隙，而且設備運行過(guò)程中還(hái)會(huì)需要用到這(zhè)些孔隙。制造、面(miàn)闆連線、通風口、外部監測窗口以及面(miàn)闆安裝組件等都(dōu)需要在屏蔽罩上打孔，從而大大降低了屏蔽性能(néng)。盡管溝槽和縫隙不可避免，但在屏蔽設計中對(duì)與電路工作頻率波長(cháng)有關的溝槽長(cháng)度作仔細考慮是很有好(hǎo)處的。弱電電子設備外殼的通風孔、進(jìn)出線孔、連接縫隙等要足夠小。由于接縫會(huì)導緻屏蔽罩導通率下降，因此屏蔽效率也會(huì)降低。要注意低于截止頻率的輻射其衰減隻取決于縫隙的長(cháng)度直徑比，例如長(cháng)度直徑比爲3時(shí)可獲得100dB的衰減。在需要穿孔時(shí)，可利用厚屏蔽罩上面(miàn)小孔的波導特性；另一種(zhǒng)實現較高長(cháng)度直徑比的方法是附加一個小型金屬屏蔽物，如一個大小合适的襯墊。所有襯墊都(dōu)有一個有效工作最小接觸電阻，可以加大對(duì)襯墊的壓縮力度以降低多個襯墊的接觸電阻，當然這(zhè)將(jiāng)增加密封強度，會(huì)使屏蔽罩變得更爲彎曲。大多數襯墊在壓縮到原來厚度的30%至70%時(shí)效果比較好(hǎo)。因此在建議的最小接觸面(miàn)範圍内，兩(liǎng)個相向(xiàng)凹點之間的壓力應足以确保襯墊和墊片之間具有良好(hǎo)的導電性。除此，在多縫情況下，推廣構成(chéng)多孔屏蔽罩也是可行的。機箱的接縫處可使用導電襯墊，通風窗可使用波導管，面(miàn)闆顯示窗可使用屏蔽玻璃材料。可用于切斷通過(guò)空間輻射傳播的電磁幹擾。所以電子設備一般都(dōu)需要進(jìn)行屏蔽，這(zhè)是因爲結構本身存在一些槽和縫隙。所需屏蔽可通過(guò)一些基本原則确定，但是理論與現實之間還(hái)是有差别。例如在計算某個頻率下襯墊的大小和間距時(shí)還(hái)必須考慮信号的強度，如同在一個設備中使用了多個處理器時(shí)的情形。

表面(miàn)處理及墊片設計是保持長(cháng)期屏蔽以實現電磁兼容性能(néng)的關鍵因素。

除了解決設備本身的問題，弱電電子設備的輸入、輸出端接口電路設計中還(hái)應設置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，并盡量設法采用平衡傳輸制式，可有效抑制地環路幹擾。盡可能(néng)減小電路闆中的相互電磁幹擾。可采用多層電路闆以減少引線；布線盡量短粗以減小環路電阻；布線轉角處要圓滑，以利于阻抗匹配；不同類型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信息傳送的效果問題，其系統的運行是依賴于各種(zhǒng)電子設備，因此要提高弱電系統的抗電磁幹擾性能(néng)必須使得在同一電磁環境下工作的各種(zhǒng)電子設備、電子系統都(dōu)能(néng)互不幹擾地正常工作，達到兼容狀态。抑制電磁幹擾應從電源、傳輸、負載等環節著(zhe)手，采用綜合治理方法，從全系統的立場上來全面(miàn)考慮電磁兼容問題。電磁兼容技術是一個正在發(fā)展的領域，這(zhè)是由于現代的計算、通信、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(néng)日益增加。對(duì)弱電設備的選型、弱電系統的組成(chéng)配置、電纜管線的布置、系統調校時(shí)分析幹擾性質及來源等全過(guò)程采取有效的措施，以确保整個弱電系統的電磁兼容性滿足要求。