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电线电缆在电磁兼容方面的设计要点|欧宝体育官网

本文摘要:从电磁兼容技术的基础任务和研究偏向出发,举行归纳整理了电线电缆在电磁兼容方面的研究偏向,包罗差别屏蔽形式,传输模型,电线电缆接地及试验等。讨论了与电线电缆相关的屏蔽、滤波、接地抑制电磁滋扰的三大技术,最后指出三大技术也是相互增补和相互关联的,没有应有尽有的统一方法,很是有须要从差别方面举行研究。1 引言电磁兼容技术起源于人们对电磁滋扰现象的认识和研究,并在控制、反抗电磁滋扰的历程中逐步生长。 电磁兼容技术已经生长成为一门新兴的、独立的综合性学科。

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从电磁兼容技术的基础任务和研究偏向出发,举行归纳整理了电线电缆在电磁兼容方面的研究偏向,包罗差别屏蔽形式,传输模型,电线电缆接地及试验等。讨论了与电线电缆相关的屏蔽、滤波、接地抑制电磁滋扰的三大技术,最后指出三大技术也是相互增补和相互关联的,没有应有尽有的统一方法,很是有须要从差别方面举行研究。1 引言电磁兼容技术起源于人们对电磁滋扰现象的认识和研究,并在控制、反抗电磁滋扰的历程中逐步生长。

电磁兼容技术已经生长成为一门新兴的、独立的综合性学科。作为一门独立的学科,它有自己独立的理论体系;可是,作为一门新兴学科,它的形成又还处于生长和完善的历程中,其理论体系尚不够严密、系统和成熟。

这就决议了电磁兼容学科具有一些有别于其它学科的特点。1)大量引用无线电技术的感念和术语。

例如,用电设备对滋扰信号的影响应称为“敏感”和“接受”;导线和导线相互之间的耦合,有时被称为“串扰或串音”,交流电磁场使导线发生的感应电势称为“电场激励”把相互垂直的两个电场分量的矢量随时间变化的形态称为“极化”等。2)理论体系主要以电磁场理论和电路理论为基础组成。

3)主要以分贝(dB)作为怀抱单元。4)电磁兼容性已经成为产物可靠性指标的重要组成部门。2 基础任务和研究偏向2.1 电磁兼容技术的基础任务和研究偏向电磁兼容技术的基础任务是使处于同一电磁情况中的种种电气、电子设备或系统能够互不滋扰正常事情,到达所谓的“兼容”状态。电磁兼容技术的研究则是精密围绕形成电磁滋扰的三要素而举行的,即研究滋扰的机理、滋扰源的发射特性以及如何抑制滋扰的发射;研究滋扰以何种方式、通过什么途径流传,以及如何切断这些流传通道;研究滋扰吸收器对滋扰发生何种响应,以及如何降低其滋扰敏感度,增强抗滋扰能力。

基于此,可以举行如下研究偏向:电磁滋扰三要素特性的分析;电磁兼容性分析预测技术;电磁兼容设计技术;电磁滋扰抑制(也是电磁兼容控制)技术;电磁兼容性丈量和试验技术;电磁脉冲滋扰及其防护技术;信息设备电磁泄漏及其防护技术;电磁兼容尺度、规范的研究制定与工程治理。2.2 电线电缆在电磁兼容方面的研究偏向电缆屏蔽结构的研究,包罗各种电缆屏蔽质料、形式或组合结构,大致包罗:金属管状结构;金属丝编织(差别编织密度)结构;金属丝缠绕(差别密度)结构;金属薄膜压边缠绕(或纵包)结构;钢带铠装结构;金属镀层(包罗物理或化学镀层)结构;半导电屏蔽质料的屏蔽作用;导电漆膜结构;以上组合结构。1)差别电缆屏蔽结构在差别频段或差别场源情况下的屏蔽效果的数学模型及工程盘算方法;电线电缆的差别传输形式,包罗:对绞;对绞屏蔽;星绞;星绞屏蔽;同轴结构;双同轴对称射频结构(分屏蔽后加总屏蔽)三同轴结构;漏泄电缆的耦合(使用电磁耦合);2)差别电缆传输形式下如何接地及接地效果;3)电磁兼容类试验,包罗:电磁滋扰测试、电磁敏感度测试、屏蔽效能测试。3 屏蔽技术3.1 屏蔽的目的和作用原理屏蔽有两个目的,一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出内部区域,二是防止外来的辐射滋扰进入某一区域。

屏蔽作用是通过一个将上述区域关闭起来的壳体实现的。这个壳体可以做成实心板式,网状眼孔式以及金属编织式,结构形状可以是平面体状,圆柱体,球壳形或几种组合形状。其所有质料可以是导电的,导磁的,介质的,也可以是带有非金属吸收填料的。关于作用原理可以有两种解释。

第一种解释是:由场源引起的一次场作用下,屏蔽体外貌感应而发生电荷,屏蔽体内壁发生电流和磁极化。这些电荷、电流和极化作用发生二次场,二次场与一次场叠加形成合成场,在被防护区域的合成场一定弱于一次场。

第二种解释是:使用屏蔽体反射,衰减并引导场源所发生的电磁能流使它不被进入防护区。第一种解释比力简朴,但它的不足之处是叙述某些物理观点历程方面有缺陷。第二种解释看法比力易于接受,其不足之处是这种观点不适于静态场。

两种解释形式差别,但其本质是相同的,因为金属结构对于电磁能流的反射和引导作用的机理自己,与这些结构外貌上和内壁的电荷、电流和磁极化的发生有着不行支解的联系。3.2 屏蔽的分类凭据屏蔽的工具差别,可以把屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽。

主动屏蔽的工具是滋扰源,限制由滋扰源发生的有害电磁能量向外扩散。被动屏蔽的工具是敏感体,以防止外部电磁滋扰对它发生有害影响。凭据屏蔽的作用原理,可以分为静电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽。

静电屏蔽的屏蔽体用良导体制作,并有良好的接地。这样就把电场终止于导体外貌,并通过地线中和导体外貌上感应电荷,从而防止由静电耦合发生的相互滋扰。磁屏蔽主要用于低频下,屏蔽体用于高导磁率质料组成低磁阻通路,把磁力线关闭在屏蔽体内,从而阻挡内部磁场向外扩散或外界磁场滋扰进入,有效防止低频磁场的滋扰。电磁屏蔽主要用于高频下,使用电磁波在导体外貌上的反射和导体中流传的急剧衰减来隔离时变电磁场的相互耦合,从而防止高频电磁场的滋扰。

实际上我们不必把这三种类型的屏蔽举行对比,正如静电场和静磁场是电磁场的特殊情况一样,静电屏蔽和静磁屏蔽是电磁屏蔽的一种特殊类型。3.3 电线电缆关于屏蔽效能的指标电线电缆行业中表现抗电磁滋扰的指标许多,最重要的是屏蔽衰减的分贝指标。

因先容的资料较多,本文不深入先容,可以参看相关文献。指标形貌主要包罗:屏蔽衰减;屏蔽系数;反射系数;转移阻抗;串音衰减;串音防卫度。4 滤波技术4.1 滤波器概述及界说滤波技术的基本用途是选择信号和抑制滋扰;以实现这两种差别功效为目的而设计的网络划分称为信号选择滤波器和电磁滋扰滤波器。

实践讲明,纵然一个经由很好设计而且具有合适的屏蔽与接地措施的系统,也仍然会有传导滋扰发射或有传导滋扰进入此系统。滤波是压缩信号回路滋扰频谱的一种方法,当滋扰频谱成为差别于有用信号的频带时,就可以用滤波器将无用的滋扰过滤减小到一定水平,使传出系统的滋扰不至于超出给定的规范,使传入系统的滋扰不至于引起系统误行动。滤波器将有用信号和滋扰频谱隔离得越充实,它对减小有用信号回路内滋扰得效果就越好。

因此,恰当地设计选择和正确地使用滤波器对抑制传导滋扰是极为重要地。滤波器的主要特性参数有额定电压、额定电流、输入输出阻抗、插入损耗、功率损耗、相位延迟、重量巨细、可靠性、事情温度和其他情况条件等。其中最重要、最有意义的是作为频率函数的插入损耗。

4.2 滤波器分类插入损耗的巨细是随事情频率的差别而变化的,通常把插入损耗随频率的变化曲线称为滤波器的频率特性。按频率特性,可把滤波器大要分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器4种类型,如图1所示。图1 四种滤波器的频率特性固然,滤波器也可以按其他原则分类。

例如:按滤波机理分,分为反射型滤波器和吸收型滤波器,其中反射型滤波器按结构形式又可分为T型、π型、C型、L型等;按频率动态响应特性分,可分为巴特沃斯滤波器、贝塞尔滤波器、巴特沃斯-汤普森滤波器和椭圆响应滤波器;按滤波器应用目的分,可分为电源滤波器和信号滤波器等。反射式滤波器存在一个缺点:当它和信号源不匹配时,一部门有用信号将被反射回信号源,从而导致滋扰电平的增加,而不是减小。在这种情况下,可接纳吸收式滤波器来抑制不需要的频率分量,将这部门能量以热损耗形式被消耗掉,而仅让有用频率分量通过。

吸收式滤波器也叫损耗滤波器或穿心滤波器,这种滤波器通常接纳铁氧体质料或其它质料做成介质传输线形式。例如,一种吸收式滤波器是在铁氧体管的内外涂以导电质料做成的。铁氧体在交变磁场的作用下,会发生涡流损耗、磁滞损耗和剩磁损耗,这些损耗随着磁场频率的升高而增大。

正是使用铁氧体的这一特,使吸收式滤波器可以消耗掉无用的信号分量。这种滤波器在电力系统以及某些需要消耗掉滋扰而不是反射滋扰的应用中很是有用。4.3 滤波器结构及应用电缆滤波器将铁氧体质料直接填充在电缆里,就可以制成电缆滤波器,其典型结构如图2(a)所示。电缆滤波器的特点是体积小,可以获得理想的高频衰减特性,只要较短的一段电缆就可以起到预期的低通滤波效果。

滤波毗连器是将铁氧体直接装到电缆毗连器内而制成的,其结构如图2(b)所示,它在100MHz~10GHz的很宽规模内可以获得60dB以上的衰减。磁环扼流圈是一种铁氧体制成的圆形磁环,结构极其简朴,如图2(c)所示。这种磁环套在信号线上,由于导线穿过磁环后,在磁环四周的一段导线具有单匝扼流圈的特性,其阻抗将随着导线屏蔽的升高而增大,所以对导线中的高频分量具有抑制和衰减作用。这是一种简朴而经济的损耗式滤波器方法,通常它广泛用于电源线上滤波,在数字信号线中有时也接纳。

穿心电容器通常是由金属薄膜卷绕而成,如图2(d)所示,其中一个端片和中心导电杆焊在一起,另一端片与电容器外壳焊接在一起作为接地端。这是一种短引线电容,它的特殊结构使其自谐振频率达1GHz以上,因此可以用于高频滤波。

它通常安装在用电设备的外壳上,并将其外壳与设备的接地金属外壳毗连,而将其导电杆串接在导线上,使电容器形成对滋扰信号的旁路作用。穿心电容器价钱低廉,安装利便,在电磁兼容中常用作电源中共模滋扰的高频滤波。实际使用中常把穿心电容与磁环联合起来使用,组成高频滤波电路,用于抑制电源中的共模高频滋扰。

有时将吸收式滤波器与反射式滤波器串联起来组合应用,可以获得更好的多滤波效果。按这种方法组成的滤波器,既有陡峭的频率特性,又有很高的阻带衰减。大大改善了阻带的衰减性能,使总的特性更趋理想。

图2 四种吸收滤波器的结构进入20世纪90年月以来,研究开发宽频带全方位抗EMI新型质料及相应器件已经成为海内外电磁兼容领域的热点之一。其主要研究偏向,是使用软磁质料的阻抗及损耗随频率变化的特性,开发出种种无源EMI滤波器。作为抗EMI的软磁性质料,必须具有以下特点:1) 导磁体μi较高,一般μi应为100~1500;而在用于滤除频率较低的EMI信号或在电源滤波器中使用时,要求μi更高,在5000以上。2) 具有某一特定的损耗——频率响应特性。

在需要衰减EMI信号的频段内损耗较大,足以把EMI衰减到最低允许电平;而在需要传输信号的频段内损耗很小,使信号能顺利通过。3) 额定温度、饱和磁通密度和电阻率值高,以便在高温、直流偏置下能正常事情。现在,主要的抗EMI软磁性质料有两类;铁氧体软磁质料和非晶态纳米晶软磁质料。

5 接地与搭接技术接地与搭接技术是防止电磁滋扰、增加电子设备电磁兼容能力的重要方法之一。如果接地方法使用恰当,搭接可靠,既可淘汰设备发生的对外滋扰,又可使设备免受外来滋扰。搭接和接地的基本原则是实现低阻抗毗连,最好是零阻抗毗连(固然,实际不行能)。下面简朴分析电缆屏蔽层的接地,其它相关内容可以查阅有关文献资料。

电缆屏蔽层接地正确与否关系到屏蔽作用地优劣。不正确的接地会使屏蔽效果变差,甚至无屏蔽效果,最坏的另有可能比不屏蔽时还要糟糕。屏蔽电缆一般分为低频电缆和高频电缆,对于低频信号电缆屏蔽层通常应单点接地;对于高频信号电缆和电力电缆的屏蔽层至少应在电缆两头接地,最很多多少点接地。

低频电路接地时,关键应思量如何制止接地环路。而在高频时,由于趋肤效应使信号电路在屏蔽层上分层流动,因此同轴电缆屏蔽层与地面组成接地环路时,对信号影响不大,造成滋扰较小。下面列出低频情况下,接纳差别电缆形式(对绞、屏蔽对绞、同轴),差别接地方式(单端、双端、线芯是否接地)的抗滋扰水平,见图3。图右方的数字是相对基准电压的dB值,实际应为负值。

图3 电线电缆的接地A、B、F图为同轴电缆,C、G图为非屏蔽双绞线,D、E、H、I、J图为屏蔽双绞线。A图为“单线——大地”回路系统,假设这种接法的地环路滋扰电压作为基准值(相比其它接法,电压值最大)。B图为同轴回路接法,外导体双端接地。

F图与B图基本类似,但仅单端接地,抗滋扰能力相当强。C图为双绞线而且双端接地。

G图为单端接地,抗滋扰能力提高。D、E、H、I、J图均为屏蔽双绞线,接地方式差别,抗滋扰能力也差别,J图的测试效果最好,但一般电气人员选用H图的接地方式。6 结论屏蔽、滤波、接地是抑制电磁滋扰的三大技术,这是电子设备和系统在举行电磁兼容性设计历程中通用的三种主要的电磁滋扰抑制方法。

虽然每一种方法在电路和系统设计中都有其奇特的作用,但它们有时也是相互关联的。譬如,设备接地良好,可以降低设备对屏蔽的要求;而良好的屏蔽,也可以对滤波的要求低些。电磁兼容设计所涉及的内容极其广泛,而且差别的系统在设计方法上也可能完全纷歧样。

因此,现在并没有经典的,应有尽有的设计方法可循。我国的电磁兼容研究起步比力晚,与外洋蓬勃国家相比有一定的差距,海内产物电磁兼容性能的整体技术水平另有待进一步提高。电磁兼容的技术特点决议了产物的电磁兼容技术庞大和质量控制的一致性要求高,企业应引起足够的重视,从设计开发到生产历程适时加以控制。

电线电缆企业应抓住时机,与时俱进,加速科技创新,开发出适应市场需求的电磁兼容类电线电缆产物。(编自《电气技术》,作者为张立伟。)。


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