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地线干扰与设计 　　由于地环路干扰是由地环路电流导致的,因此在实践中,有时会发现,当将一个设备的地线断开时,干扰现象消失,这是因为地线断开时,切断了地环路。这种现象往往发生在干扰频率较低的场合,当干扰频率高时,短开地线与否关系不大。　　1 什么是地线？　　地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线,后者是为了保证电路正确工作所设置的地线。造成电路干扰现象的主要是信号地,因此这里仅讨论信号地的问题。信号地的一般定义是：电路的电位参考点。　　更恰当地说,这个定义是我们设计电路时的一个假设。从这个定义是无法分析和理解一些地线干扰问题的。从现在开始,我们在分析电磁兼容问题时,使用下面的定义。　　地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。　　既然地线是电流的一个路径,那么根据欧姆定律,地线上是有电压的;既然地线上有电压,说明地线不是一个等电位体。这样,我们在设计电路时,关于地线电位一定的假设就不再成立,因此电路会出现各种错误。这就是地线干扰的实质。2 地线的阻抗有多大？　　一个难以理解的问题是,我们在设计地线时,都使地线的电阻很小,那么地线上的电位差怎么会大到导致电路出错的程度。理解这个问题,要理解地线阻抗的组成。　　地线的阻抗Z由电阻部分和感抗部分两部分组成,即：Z = RAC + jωL。　　电阻成分：导体的电阻分为直流电阻RDC和交流电阻RAC。对于交流电流,由于趋肤效应,电流集中在导体的表面,导致实际电流截面减小,电阻增加,直流电阻和交流电阻的关系如下： 　　RAC= 0.076rf1/2RDC式中：r=导线的半径,单位cm,f=流过导线的电流频率,单位Hz, RDC= 导线的直流电阻,单位Ω。　　电感成分：任何导体都有内电感（这区别于通常讲的外电感,外电感是导体所包围的面积的函数）,内电感与导体所包围的面积无关。对于圆截面导体如下：　　L=0.2S[ln(4.5/d) -1] （μH）式中S=导体长度(m),d=导体直径(m) 　　表1说明了直流电阻与交流阻抗的巨大差异。频率很低时的阻抗可以认为是导体的电阻,从表中可以看出,随着频率升高,阻抗增加很快,当频率达到100MHz以上时,直径6.5mm长度仅为10cm的导线也有数十欧姆的阻抗。 频率 d=0.65cm d=0.27cm d=0.06cm d=0.04cm 10cm 1m 10cm 1m 10cm 1m 10cm 1m 10Hz 51.4μΩ 517μΩ 327μΩ 3.28mΩ 5.29mΩ 52.9mΩ 13.3mΩ 133mΩ 1kHz 429μΩ 7.14mΩ 632μΩ 8.91mΩ 5.34mΩ 53.9mΩ 14mΩ 144mΩ 100kHz 42.6mΩ 712mΩ 54mΩ 828mΩ 71.6mΩ 1.0Ω 90.3mΩ 1.07Ω 1MHz 426mΩ 7.12Ω 540mΩ 8.28Ω 714mΩ 10Ω 783mΩ 10.6Ω 5MHz 2.13Ω 35.5Ω 2.7Ω 41.3Ω 3.57Ω 50Ω 3.86Ω 53Ω 10MHz 4.26Ω 71.2Ω 5.4Ω 82.8Ω 7.14Ω 100Ω 7.7Ω 106Ω 50MHz 21.3Ω 356Ω 27Ω 414Ω 35.7Ω 500Ω 38.5Ω 530Ω 100MHz 42.6Ω ? 54Ω ? 71.4Ω ? 77Ω ? 150MHz 63.9Ω ? 81Ω ? 107Ω ? 115Ω ? 3 地环路干扰及对策　　地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。其产生的内在原因是设备之间的地线电位差。地线电压导致了地环路电流,由于电路的非平衡性,地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压（图1）。地环路干扰形成的原因1：两个设备的地电位不同,形成地电压,在这个电压的驱动下,“设备1-互联电缆-设备2- 地”形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成干扰。地线上的电压是由于其他功率较大的设备也用这段地线,在地线中引起较强电流,而地线又有较大阻抗产生的。　　地环路干扰形成的原因2：由于互联设备处在较强的电磁场中,电磁地环路干扰形成的原因2：由于互联设备处在较强的电磁场中,电磁场在“设备1 - 互联电缆 - 设备2 - 地”形成的环路中感应出环路电流,与原因1的过程一样导致干扰。　　解决地环路干扰的方法：解决地环路干扰的基本思路有三个：一个是减小地线的阻抗,从而减小干扰电压,但是这对第二种原因导致的地环路没有效果。另一个是增加地环路的阻抗,从而减小地环路电流。