地環路干擾是一種較常見的干擾現象,常常發生在通過較長電纜連接的相距較遠的設備之間。其產生的內在原因是設備之間的地線電位差。地線電壓導致了地環路電流,由于電路的非平衡性,地環路電流導致對電路造成影響的差模干擾電壓。由于地環路干擾是由地環路電流導致的,因此在實踐中,有時會發現,當將一個設備的地線斷開時,干擾現象消失,這是因為地線斷開時,切斷了地環路。這種現象往往發生在干擾頻率較低的場合,當干擾頻率高時,短開地線與否關系不大。地環路干擾形成的原因1:兩個設備的地電位不同,形成地電壓,在這個電壓的驅動下,“設備1-互聯電纜-設備2- 地”形成的環路之間有電流流動。由于電路的不平衡性,每根導線上的電流不同,因此會產生差模電壓,對電路造成干擾。地線上的電壓是由于其他功率較大的設備也用這段地線,在地線中引起較強電流,而地線又有較大阻抗產生的。地環路干擾形成的原因2:由于互聯設備處在較強的電磁場中,電磁場在“設備1 - 互聯電纜 - 設備2 - 地”形成的環路中感應出環路電流,與原因1的過程一樣導致干擾。解決地環路干擾的方法:解決地環路干擾的基本思路有三個:一個是減小地線的阻抗,從而減小干擾電壓,但是這對第二種原因導致的地環路沒有效果。另一個是增加地環路的阻抗,從而減小地環路電流。當阻抗無限大時,實際是將地環路切斷,即消除了地環路。例如將一端的設備浮地、或將線路板與機箱斷開等是直接的方法。但出于靜電防護或安全的考慮,這種直接的方法在實踐中往往是不允許的。更實用的方法是使用隔離變壓器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡電路等方法。第三個方法是改變接地結構,將一個機箱的地線連接到另一個機箱上,通過另一個機箱接地,這就是單點接地的概念。
A. 將一端的設備浮地如果將一端電路浮地,就切斷了地環路,因此可以消除地環路電流。但有兩個問題需要注意,一個是出于安全的考慮,往往不允許電路浮地。這時可以考慮將設備通過一個電感接地。這樣對于50Hz的交流電流設備接地阻抗很小,而對于頻率較高的干擾信號,設備接地阻抗較大,減小了地環路電流。但這樣做只能減小高頻干擾的地環路干擾。另一個問題是,盡管設備浮地,但設備與地之間還是有寄生電容,這個電容在頻率較高時會提供較低的阻抗,因此并不能有效地減小高頻地環路電流。
B. 使用變壓器實現設備之間的連接利用磁路將兩個設備連接起來,可以切斷地環路電流。但要注意,變壓器初次級之間的寄生電容仍然能夠為頻率較高的地環路電流提供通路,因此變壓器隔離的方法對高頻地環路電流的抑制效果較差。提高變壓器高頻隔離效果的一個辦法是在變壓器的初次級之間設置屏蔽層。但一定要注意隔離變壓器屏蔽層的接地端必須在接受電路一端。否則,不僅不能改善高頻隔離效果,還可能使高頻耦合更加嚴重。因此,變壓器要安裝在信號接收設備的一側。經過良好屏蔽的變壓器可以在1MHz以下的頻率提供有效的隔離。
C. 使用光隔離器另一個切斷地環路的方法是用光實現信號的傳輸。這可以說是解決地環路干擾問題的最理想方法。用光連接有兩種方法,一種是光耦器件,另一種是用光纖連接。光耦的寄生電容一般為2pf,能夠在很高的頻率提供良好的隔離。光纖幾乎沒有寄生電容,但安裝、維護、成本等方面都不如光耦器件。
D. 使用共模扼流圈在連接電纜上使用共模扼流圈相當于增加了地環路的阻抗,這樣在一定的地線電壓作用下,地環路電流會減小。但要注意控制共模扼流圈的寄生電容,否則對高頻干擾的隔離效果很差。共模扼流圈的匝數越多,則寄生電容越大,高頻隔離的效果越差。
E.消除公共阻抗耦合 消除公共阻抗耦合的途徑有兩個,一個是減小公共地線部分的阻抗,這樣公共地線上的電壓也隨之減小,從而控制公共阻抗耦合。另一個方法是通過適當的接地方式避免容易相互干擾的電路共用地線,一般要避免強電電路和弱電電路共用地線,數字電路和模擬電路共用地線。如前所述,減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感。這包括使用扁平導體做地線,用多條相距較遠的并聯導體作接地線。對于印刷線路板,在雙層板上布地線網格能夠有效地減小地線阻抗,在多層板中專門用一層做地線雖然具有很小的阻抗,但這會增加線路板的成本。通過適當接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯單點接地,例如,可以將電路按照強信號,弱信號,模擬信號,數字信號等分類,然后在同類電路內部用串聯單點接地,不同類型的電路采用并聯單點接地。
F.小結 地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗,當電流流過地線時,會在地線上產生電壓,這就是地線噪聲。在這個電壓的驅動下,會產生地線環路電流,形成地環路干擾。當兩個電路共用一段地線時,會形成公共阻抗耦合。解決地環路干擾的方法有切斷地環路,增加地環路的阻抗,使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗,或采用并聯單點接地,徹底消除公共阻抗。
地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗,當電流流過地線時,會在地線上產生電壓,這就是地線噪聲。在這個電壓的驅動下,會產生地線環路電流,形成地環路干擾。當兩個電路共用一段地線時,會形成公共阻抗耦合。
解決地環路干擾的方法有切斷地環路,增加地環路的阻抗,使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗,或采用并聯單點接地,徹底消除公共阻抗。