地环路的概念

原创 EMC标准 2024-06-10 11:54


 什么是地环路?是不是地线自成环路?


01


地回路



    在布置设备的地线时我们一般不希望把地线布置成封闭的环状,一定要留有开口。因为封闭环在外界电磁场影响下会产生感应电动势,从而产生电流,电流在地线阻抗上有电压降,于是地线上各点电位都不相同,容易导致共阻抗干扰。但是这里的地环路不是指这种由地线本身构成的环路,而是指电路多点接地并且电路间有信号联系时构成的地环路。

(a)单根信导线的地环路 (b)双信导线的地环路


    上图(a)中电路1在A点接地,电路2在B点接地,有一根信号线连接两电路,于是信号线和地之间就构成了地环路ABCD如果A点和B点的地电位不同,存在一定电位差Uab,或者由于外界电磁场比较强,在地环路ABCD中产生感应电动势Uab,Uab将叠加在有用信号Es上一起加到负载上,从而产生干扰,这种干扰是差模干扰。如果电路间的信号传输用二根导线,如上图(b)所示则Uab将加到二根导线上,由于这二根导线对地的阻抗不对称,所以Uab在二根线上产生的共模电流大小不等,最后在负载Z1两端产生差模电压,影响电路2的正常工作,这是共模干扰,在机电一体化系统中地环路引起的干扰是必须考虑的严重问题,因为一般用来监测设备工作状态的传感器距高控制设备都比较远,两处的地电位可能差别较大,而且传感器往往装在工业现场,周围由强电设备产生的电磁噪声较强,很容易产生地环路干扰。



02


抑制方法


抑制地环路干扰的方法是切断地环路,常用的措施有以下几种:


  1. 隔离变压器

    在电路1和2之间插入隔离变压器,如下图(a)所示。电路1的有用信号可以通过变压器的磁场耦合传输到电路2去,而地环路产生的共模电流由于方向相同在变压器初级绕组中互相抵消,起到了隔离作用。


(a)隔离变压器(b)等效电路(c)隔离层结构

    但是一般变压器并非理想的,初级绕组和次级绕组间存在着分布电容,所以共模电流可能通过这些分布电容从初级流到次级去,并进一步流向负载。为了减小分布电容,提高变压器的隔离效果,应该在初、次级间加一层金属屏蔽层其结构是用一层铜箔绕一匝,但在交接处必须垫上绝缘层,不能让其变成短路环,否则差模电流也被隔离了,见上图(b)。

    该铜箔起到了初级与次级间的电场屏蔽作用,即减小了两者间的分布电容。该铜箔应接地,而且要接在负载端,否则不起作用,这可用上图(c)解释。屏蔽体如接在A端的地上则共模噪声仍可以通过C,耦合到负载上去,所以必须在B端接地。隔离变压器的缺点是不能传输直流信号和频率很低的信号。



2. 共模扼流圈

共模扼沈圈切断地环路

    在电路1与电路2之间插入共模扼流圈,如上图所示。共模扼流圈可以传输差模信号,直流和频率很低的差模信号都可以通过,但对于高频共模噪声则呈现很大阻抗,所以共模扼流圈可以用来抑制地环路干扰。此外用铁氧体磁环套在两根导线上也可以同样起到共模扼流圈的作用。



3. 光电耦合器

光电耦合器切断地环路


    在电路1与电路2之间插入光电耦合器,如上图所示。光电耦合器是把电信号变成光信号,然后再把光信号还原成电信号的器件。光电耦合器由发光二极管和光敏晶体管封装在一起组成。发光二极管中有差模信号电流通过时就输出与信号电流强度相对应的光通量,当光照到光敏晶体管上时光敏晶体管根据光通量的大小转换成相应的电流。光电耦合器只能传输差模信号,不能传输共模信号,所以完全切断了两个电路之间的地环路。

    光电辆合器可以传输直流和低频信号,响应速度快,输人输出端的分布参数小,而且体积小,重量轻,便于安装,目前已广泛应用在数字电路中,频率高达10MHz。数字电路只有二种状态: 有信号和无信号即有光和无光,所以使用很方便。光电耦合器在模拟电路中使用时应注意解决信号电流和光通量转换时的非线性问题,采用光反馈技术可大大提高转换精度,从而使光电耦合器在模拟电路中的运用得到进一步的推广。




消除地回路

EMC领域中的地线GND与接地技术

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