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欢迎各位同学回到电磁兼容的课堂

下面我们接着讲第9讲

接地方式

我们看这样一个符号是什么

这就是一个接地的标志

那地是什么呢

地是导电性的土壤

具有等电位

且任意点的定位都可以看作是零定位

其次是导电体

如土壤和舰船的外壳

作为电路的返回通道或零电位的参考点

在电路中相对于地的

具有零定位点的位置或者部位

都是地的代表

接地那是一个动词

是将电气设备与大地的连接

电路或者电子设备与它的信号参考地的连接

都属于接地

接地是为了设备的安全

安全地是指电气设备与大地的连接

这样当它的绝缘破坏

或者是短路时就能够起到保护的作用

另外静电作用时也能够释放静电

雷电作用时也能起到保护作用

这个图给出了

电气设备短路时形成的地表电位

如果有人在地上面走

就会有跨步电压

如果人接触接地的物体就会有接触电压

接触电压和跨步电压如果过高的话

就会危害人身安全

另外设备的屏蔽体要接地

这是为了电磁干扰防护的目的

设备的接地可以起到保护作用

当设备的外壳接地时

可以保证设备故障和人身的安全

另外设备的接地

也能起到防雷的作用

设备的安全接地

可以满足如下的目标

可以确保人身安全

防止静电干扰

防止设备漏电

防止设备感应带电而造成电击

可以检测接地故障

确保雷击时的安全

如图所示

当人接触在设备的外壳的时候

如果设备的绝缘破坏了

当设备没有接地时

就有很大的电流流过人体

而危害人身安全

如果设备外壳接地

流过人体的电流就很小

一般人体能够感受到刺激的电流大约是1mA

但人体通过5~20mA时

肌肉就收缩

人体不能自离电线

通过人体的电流达到数十毫安时

就可以导致死亡

接地体的性能用接地电阻来衡量

对于一个半球的接地体

它的接地电阻

可以用这个公式来计算

它是与电阻力成正比

与半球的直径成反比

我们可以利用恒流场与静电场的相似性

根据电容的计算公式

来推导连接电阻的计算公式

我们可以得到垂接地体的

接地电阻的计算公式

也可以得到水平接地体的

接地电阻的计算公式

那接地电阻的实质是什么

接地电阻的实质

就是接地体附近的土壤散流电阻

因为电流是要通过土壤散流

在散流过程中遇到的阻力就是接地电阻

电力系统或者通讯

都会对接地电阻有要求

对于电力系统来说

它要求入地的短路电流乘上接地电阻

应该是小于2000V

因为2000V是二次电缆的一个绝缘耐压值

现在新的接地规程把这个值扩大了

可以放大到5000V

而对于电信来说

它要求接地电阻是小于1Ω的

接地体在冲击电流下

会发生冲击效应

当电场超过了土壤的击穿场强

接地体周围就会发生火花放电

我们称之为电离现象

这样的话

在接地体周围就形成了一个很大的

放电的火花区

放电的土壤它的电阻率很低

相当于把接地体的直径增大了

在冲击电流作用下

它的接地电阻为冲击接地电阻

它实际上是一个时变电阻

我们一般将冲击电压的幅值与

冲击电流的幅值之比定义为冲击接地电阻

实际这两个幅值不是在同一个时刻到达的

因此它本身并没有确切的物理意义

另外还有冲击系数

是冲击的接地电阻与高频接地电阻的比值

单个接地体很长的时候

雷电流过它

会存在这种锥形的放电现象

超过一定的长度

电流没法到达它的末端的

原因就是由于在高频的雷电流作用下

它的感抗阻碍了电流向远端的流出

因此接地体在雷电流作用下存在有效长度

信号地

信号地是指信号或者功率

传输电路的参考点或者基准面

我们一般要确保

信号电流流回信号源的低阻抗路径

一般是设计电路时的一个假设或者愿景

实际地线的各个电位都是不相同的

另外信号地要保证接地回路很低的公共阻抗

这样电流通过时产生的传导骚扰就会很小

而高频电流过时

要保证信号地较低的共模电压

使信号地产生的辐射噪声最低

还要保证地线与信号线的构成的电流回路

具有最小的面积

减小外界电磁场

穿过这个面积形成的电磁干扰

这是一个信号接地方式图

包括了单点接地

多点接地和混合接地

单点接地又分为串联单点接地和并联单联接地

我们先来看看单点接地的情况

这个图给出的是串联单点接地

每一个设备都就近接地到一个公共的接地排上面

串联单点接地它的优点是简单

它的缺点是会形成公共阻抗的耦合

这个图给出的是并联单点接地

所有的设备的接地线都在一点接入到大地

它的优点是没有公共阻抗耦合

缺点是接地线过多

导致了系统的复杂

对于一个系统来说

是应该靠近低电平端接地呢

还是高电平端接地呢

假设电路1是低电平端

电路3是高电平端

我们来看看这种情况

当靠近高电平端接地的时候

在低电平端产生的电压是这个公式

而靠近低电平端接地时

在低电平端产生的电压是这样一个公式

显然我们可以看出

接地点靠近高电平端接地时

它产生的干扰是很大的

因此接地点应该选择在低电平端

对于一个系统

我们可以采用4套地线的混合接地的方式

它的电源 小信号

大信号

骚扰源

内部串联单点接地

然后最后面4种地线并联单点接地

对于一个系统来说

我们可以把它的模拟电路

数字电路 马达 继电系统

分别来用串联的单点接地

然后最终并联单点接地接到一点

这个图给出了

一个设备的串联单点接地

和并联单联接地的混合接地方式

也是内部串联的单点接地

最后形成一个并联的单点接地

在一个线路板的布置来说

我们一般要将噪声源远离它IO接口

那是为什么

因为噪声源远离IO接口后

噪声源经过地线

它就会衰减

这样的话噪声就不能经lO接口传到外面

另外功率相差很大

或者电平相差很大的电路

不要共用地线来防止共模干扰

第二种方式是多点接地

多点接地是指设备

就近接到地上面

高频为什么要采用多点接地

在高频时

你即使单点接地

但由于杂散电容的存在

也是相当于多点接地

所以在这种情况下

还不如多点接地

可以尽快的将流过导体的一些骚扰电流入地

来防止高频电流形成的空间辐射

一般来说小于1MHz采用单点接地

大于10MHz采用多点接地

在1~10MHz之间

如果最长的接地线不超过波长的1/20

采用单点接地

否则要多点接地

由于高频时的趋肤效应

应尽量限制地线的长度

并增加地线表面的导电率

对于一个电路板

我们可以采用地平面和地栅的系统

印刷电路板

两面制作互相垂直的地线

交叉点用导线穿板相连形成一个地栅的结构

一般栅格的距离可控制在1.3cm

最好不要超过5cm

主要的地线

用粗栅条流过电流中的主要的电流

其它栅网可以用细线

地栅网与单点接地信号相比

地噪声电压可以降低一个数量级

第三种方式是混合接地

如图所示

不同的设备

采用串联单点接地的方式与地相连

同时每一个设备的地线

通过一个电容入地

这样的话在低频的时候

就是一个串联单点接地的方式

在高频时电容相当于短路

就形成了多点接地

最后是信号的浮地系统

浮地系统是指电气设备的接地

在电气上与建筑物接大地系统相绝缘

建筑物的接地系统上的电磁干扰

又不会传达到设备的内部

一般它的电路单元采用悬浮地

信号的地线与设备的机箱绝缘

防止机箱上的干扰

耦合到信号电路

这是单元电路的接地方式

这种电路会在放大器的输入端

产生一个很强的噪声

为了消除这种噪声

我们应该把这三个接地点

作为一点接地

这样的话就可以消除噪声

最后我们总结一下

接地按功能分

分为安全地和信号地的两种

低频电路应该采用单点接地

高频和数字电路应该是采用多点的接地

这一讲内容就讲到这里

谢谢各位同学