地线回路干扰的产生和减小地线干扰的技术措施

刘 瑞

（天津机电职业技术学院，天津 300350）



地线回路干扰的产生和减小地线干扰的技术措施

刘 瑞

（天津机电职业技术学院，天津 300350）

摘 要：良好的接地不仅能抑制干扰带来的影响，而且能抑制设备的向外辐射干扰；当接地出现故障和错误时，则会引入严重干扰，导致电子设备在工作中出现异常。文章介绍地环路干扰和接地公共阻抗干扰的产生，分析地线中的等效干扰电势，并提出相应的抑制措施。

关键词：接地公共阻抗 地环路 干扰 等效干扰电势

引言

地线是指电子产品中各种电路单元基准电位的连接导线，即信号地线或电源地线。在理想状态下，地线是一个阻抗值为零、电位值为零的物理实体。在各种电路中，地线是信号电平的参考点，且有电流通过时也不会产生电压降。但是，实际情况下，理想地线是不存在的。它既有电阻又有电抗。当电流通过地线时，其上必定会产生电压降。此外，地线与电路之间还可能构成环路，当变化的磁场与环路交连时，地线中就有感应电势产生。在电子设备中，不论是地线中电流产生的电压降，还是地环路引起的感应电势，都会造成与公共地线连接的各电路单元产生相互干扰。

1 地线回路干扰的产生

1.1 接地公共阻抗产生的干扰

某些情况下，接地公共阻抗带来的干扰无法避免，尤其是电子设备。两个不同位置的接地点之间存在一定的电位差，称为地电压。任何电路中两个不同点之间总是存在电阻和电抗。当有电流流过地线时，就会在接地公共阻抗两端产生地电压。当地电压加到电路两端，就会形成共模干扰电压。

图1 公共接地阻抗产生的电磁干扰

如图1所示，在接地回路中，频率较高的信号源或者直流电源电流流过地面形成闭合回路。由于地线与地面的接触公共阻抗很小，所以在电子电路的性能设计时可以忽略。当电路进行电磁干扰分析时，接地面阻抗的大小是要考虑的。

1.2 地环路干扰

在电子设备中，地环路干扰是一种较常见的干扰现象。通常，电子设备中的地线分布在设备内部的各级电路单元，由于设备之间的地线存在电位差，这样就难免与其他线路构成环路。

当地线阻抗两端有地线电压时，地线中就有电流流过，即地环路电流。地环路电流和电路的非平衡性对电路产生影响，就形成了差模干扰电压。当功率较强的电气设备启动时，用电设备的接地线中会有较强电流通过，导致电气设备间的连接电缆中有电流通过。环路电流的产生由连接电缆与接地线造成，因此称为地环路干扰。当一变化的磁场与环路交连时，感应电动势与传输信号形成叠加，于是产生干扰。

图2 级连的两电路单元

如图2所示，地线环路中的感应电势ei与前级电路的传输信号电平串联，并输送到后级电路的输入端，形成了地线环路干扰。为降低地环路对电路的干扰，要相应缩小地环路面积。实际操作中，为了尽量避免线路设计和布局时形成地环路以达到抑制干扰的目的，通常采用树叉状地线来实现。

1.3 地线中的等效干扰电势

从以上对地阻抗干扰和地环路干扰的论述中可以看出，从电磁兼容的角度出发，地线不能看成等电位。假设某一段地线的电阻为Rg、电感为Lg、通过的电流为Ig，则在这段地线上产生的压降为Ug。

假设这段地线与电源正极馈线（或信号线）构成的环路面积为S，则在这段地线上产生的总干扰电势为：

可见，接地线的存在导致电路出现干扰，分析时要在地线中加一等效干扰电势eg，如图3所示。

图3 地线中的等效干扰电势

2 减小地线回路干扰的技术措施

2.1 变压器耦合

由于变压器具有“隔直流、通交流”的作用，因此可用以阻隔地线形成回路，起到抑制地回路的干扰。如图4所示，变压器把电路1的信号由原边耦合至副边的电路2，从而对地线干扰电压UG的回路起到阻断作用。这里，我们仅考虑变压器阻隔地环路的能力。由叠加原理可见，可以不考虑信号电压US，即将信号电压短路。

图4 采用变压器阻隔地环路干扰

总之，变压器对直流信号起阻断作用，也不适用于低频率信号的传输。也就是讲，当地线中低频率信号通过变压器时被阻断，从而对干扰起到良好的抑制能力。由于设备电路中电平信号的电流只从变压器绕组连接导线中通过，对其他电路的电磁干扰也相应得到避免。

2.2 纵向扼流圈

当传输信号中存在大量的直流成分或较低的频率成分时，不能用变压器耦合传输信号，而纵向扼流圈可以使直流信号或低频信号通过，如图5所示。当地回路共模干扰电流通过纵向扼流圈时，对其呈现出相当高的阻抗从而受到抑制。

纵向扼流圈由两个绕行方向相同、匝数相等的绕组组成，通常称为双线并绕。通过两个绕组的信号电流此时正好方向相反，形成差模电流。由信号电流产生的磁场互相抵消、阻抗较低，使流过纵向扼流圈的信号电流不被扼流，且不切断直流回路。而通过两个绕组的地线干扰电流此时正好方向相同，形成差模电流。由地线干扰电流产生的磁场同向相加，对地线干扰电流呈现高阻抗，地回路干扰得到有效抑制。

图5 采用纵向扼流圈阻隔地环路

2.3 光电耦合器

作为一种耦合器件，光电耦合器是把两电路单元之间的地线回路切断。光电耦合器工作原如图6所示。当通过电路1输出信号电流的大小发生改变时，发光二极管发光的强弱随流变化。发光二极管实现发光信号的变化取决于信号电流的变化，而光电晶体管会把发光信号再转化为信号电流输出。

图6 用于断开地环路的光耦合器

把发光二极管和光电晶体管封装在一起，就构成一个光耦合器。当光耦合器连接在两电路单元之间，就可对地线干扰起到抑制作用。模拟信号在光耦合器传输过程中易出现非线性失真，因此模拟电路中一般不采用。但在数字信号传输中，光耦合器非常实用。使用光耦合器时，电路单元间必须分别馈电，以防止电源馈线在同一电源变压器中构成新的干扰耦合途径。

2.4 同轴电缆传输信号

当两电路单元间的信号传输采用同轴电缆时，也能有效抑制地环路干扰，图7即是同轴电缆传输信号的示意图。

图7 电路间采用同轴电缆传输信号

从电磁场的角度来讲，由于高频时的集肤效应，信号电流只沿同轴电缆内导体的外表面和外导体的内表面形成电路流过，理想同轴电缆在传输电磁信号时不会出现能量泄漏。而实际上，同轴电缆屏蔽层存在电气上的不连续，不可避免地会有少量能量泄露，外界干扰同样可能有部分串入同轴电缆内部。从总体上看，同轴电缆在传输信号时，既不易干扰其他电路，又抑制了地线干扰和外界电磁干扰传输信号的影响。通常，单层屏蔽同轴电缆的截止频率在0.6～2kHz范围内，双层屏蔽同轴电缆的截止频率在0.5～0.7KkHz，屏蔽效能通常小于60dB。

3 结束语

随着电子技术的广泛应用，高能量、高频率的发射源不断增多，促使干扰信号的强度增加，干扰设备中存在多种电磁辐射。然而，目前现有技术只能使电磁干扰得到一定范围的控制。在自动化控制系统中，由于多种控制装置分布在设备的几个不同地方，导致装置的接地系统形成非常复杂的接地网络。良好的接地可保障电子设备的系统正常工作，防止电路以外电磁干扰的侵袭，保证控制装置稳定可靠运行，有效控制向外界环境施放电磁污染。在设计和分析电路时，应把接地系统考虑进来。从系统工程的层面来看，要给予设备的接地问题足够的重视，以期得到很好的经济效益和社会效益。

参考文献

［1］周志敏，纪爱华.电磁兼容技术：屏蔽·滤波·接地·浪涌·工程应用［M］.北京：电子工业出版社，2007.

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［6］高玲，曹春雷，马力.综述电子电气设备中的实用接地技术［J］.电脑知识与技术，2010，（15）.

Technical Measures for the Generation of Interference of Ground Circuit and the Interference of Ground Wire

LIU Rui
（Tianjin Electromechanical Vocational College， T ianjin 300350）

Abstract:Good grounding can not only restrain the influence caused by interference， and can s uppress the equipment of outward radiation interference； when grounding faul t and error， int roduce serious interference， lead to abnormal electronic equipment at work. This paper introduces the interference and grounding of com mon impedance interference， the interference analysis of equivalent ground potential， and put forward the corresponding control measures.

Key words:public grounding impedance， loop， interference，equivalent interference potential