【正文】 1 第 5章 電磁干擾濾波器 劉 洋 應(yīng)用物理教研室 2 濾波器的特性 ? 濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種重要方法 ? 采用濾波器的目的是分離信號(hào)、抑制干擾。 ? 濾波器是由集中參數(shù)或分布參數(shù)的電阻、電感和電容構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)。 3 電磁兼容濾波器設(shè)計(jì)是電磁兼容設(shè)計(jì)工程中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。有時(shí)候設(shè)計(jì)的濾波器性能如何會(huì)決定整個(gè)電器設(shè)備是否能夠正常工作。但因?yàn)殡姶偶嫒轂V波器的 設(shè)計(jì)涉及的知識(shí)面非常廣 ，設(shè)計(jì)出一個(gè)性能較好的濾波器并不是一件容易的事情。 干擾的分類 按噪聲產(chǎn)生的原因分類 ?放電噪聲 主要是因?yàn)槔纂?、靜電、電動(dòng)機(jī)的電刷跳動(dòng)、大功率開關(guān)觸點(diǎn)斷開等放電產(chǎn)生的噪聲。 4 ?高頻振蕩噪聲 主要是中頻電弧爐、感應(yīng)電爐、開關(guān)電源、直流 —交流變換器等產(chǎn)生高頻振蕩時(shí)形成的噪聲。 ?浪涌噪聲 主要是交流系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流、電爐合閘電流、開關(guān)調(diào)節(jié)器的導(dǎo)通電流以及晶閘管變流器等設(shè)備產(chǎn)生涌流引起的噪聲。 這些干擾對(duì)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)都有嚴(yán)重影響，必須認(rèn)真對(duì)待，而其中尤以 各類開關(guān)通、斷電 時(shí)所產(chǎn)生的干擾最難以抑制或消除。 5 按噪聲傳導(dǎo)模式分類 對(duì)于傳導(dǎo)噪聲，按其傳導(dǎo)模式分為 差模噪聲和共模噪聲。 ?差模噪聲 又稱線間感應(yīng)噪聲或 對(duì)稱噪聲 。有些書中也稱其為串模噪聲或常模噪聲、橫向噪聲等。如下圖所示，噪聲往返于兩條線路間， N為噪聲源， R為受擾設(shè)備， UN為噪聲電壓，噪聲電流 IN和信號(hào)電流IS的路徑在往返兩條線上是一致的。 6 差模干擾電流是由 外界電磁場(chǎng)在信號(hào)線和信號(hào)地線構(gòu)成的回路中感應(yīng)出的 。由于電纜中的信號(hào)線與其地線靠得很近，因此形成的環(huán)路面積很小，所以外界電磁場(chǎng)感應(yīng)的差模電流一般不會(huì)很大。 在電源線中，差模干擾電流往往是由電網(wǎng)上其他電器的電源發(fā)射出的 (特別是開關(guān)電源 )和感性負(fù) 7 載通斷時(shí)產(chǎn)生的 (其幅度往往很大 )。差模干擾電流都會(huì)直接影響設(shè)備的工作，并且，這種噪聲難以除掉。 ?共模噪聲 又叫地感應(yīng)噪聲、縱向噪聲或 不對(duì)稱噪聲 。如下圖所示，噪聲侵入線路和地線間。噪聲電流在兩條線上各流過一部分， 以地為公共回路 ，而信號(hào)電流只在往返兩條線路中流過。形成這種干擾電流的原因有 3個(gè)，一個(gè)是外界電磁場(chǎng)在電纜中的所有導(dǎo)線上 感應(yīng)出來電壓 (這個(gè)電壓相對(duì)于大地是等幅同相的 )，這個(gè)電壓產(chǎn)生電流；另一個(gè)原因是由于電纜兩端的設(shè)備所接的 地電位 不同所致， 8 在這個(gè)地電壓的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生電流；第三個(gè)原因是設(shè)備上的 電纜與大地之間有電位差 ，這樣電纜上會(huì)有共模電流。 9 從定義容易理解：共模電流本身并不會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響，只有當(dāng)共模電流轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅ｋ娏?(電壓 )時(shí)，才會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響，這種情況發(fā)生在 電路不平衡 的情況下。 另外，如果設(shè)備在其電纜上產(chǎn)生共模電流，則電纜會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，造成設(shè)備不能滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)輻射發(fā)射的限制要求，或?qū)ζ渌O(shè)備造成干擾。 ?共模噪聲轉(zhuǎn)化成差模噪聲 從本質(zhì)上講，共模噪聲是可以除掉的。但是由于線路的不平衡狀態(tài) ，共模噪聲會(huì)轉(zhuǎn)化成差模噪聲?？捎孟聢D來說明共模噪聲轉(zhuǎn)化成差模噪聲的原理。 10 在上圖中， N為噪聲源， L為負(fù)載， Z1和 Z2是導(dǎo)線 1和導(dǎo)線 2的對(duì)地阻抗。如果 Z1 = Z2，則噪聲電壓 11 VN1和噪聲電壓 VN2相等，從而噪聲電流 IN1 和 IN2相等，即噪聲電流不流過負(fù)載。然而當(dāng) Z1 ≠Z2 時(shí)，則 VN1 ≠ VN2，從而 IN1≠IN2，于是 VN1 VN2= VN，VN /ZL＝ IN (ZL為負(fù)載阻抗 )，這是常模噪聲。 因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)常模噪聲時(shí)，首先考慮它是否由于線路不平衡狀態(tài)而從共模噪聲轉(zhuǎn)化來的。通常，輸入輸出線與大地或機(jī)殼之間發(fā)生的噪聲都是共模噪聲 ，信號(hào)線受到靜電感應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲也多為共模噪聲。抑制共模噪聲的方法很多，如 屏蔽、接地和隔離等 ?？垢蓴_技術(shù)在很多方面都是圍繞共模噪聲來研究其有效的抑制措施。 12 按噪聲波形及性質(zhì)分類 ?持續(xù)正弦波 持續(xù)正弦波多以頻率、幅值等特征值表示，是一種典型的周期噪聲。最常見的該類噪聲就是 50Hz的工頻噪聲。這種噪聲出現(xiàn)在直流電源上表現(xiàn)為紋波 ，出現(xiàn)在聲音信號(hào)中，表現(xiàn)為惹人煩的 交流聲 ，出現(xiàn)在視頻影像信號(hào)中，為 橫條干擾 。 ?偶發(fā)脈沖電壓波形 這種噪聲多以最高幅值、前沿上升陡度、脈沖寬度以及能量等特征值表示。例如雷擊波、接點(diǎn)分?jǐn)嚯妷贺?fù)載和靜電放電等波形。該類噪聲周期性不明顯， 在通信信號(hào)中，容易引起突發(fā)誤碼 。 13 ?脈沖列 脈沖列 多以最高幅值、前沿上升陡度、單個(gè)脈沖寬度、脈沖序列持續(xù)時(shí)間等特征值表示，如接點(diǎn)分?jǐn)嚯姼胸?fù)載和接電反復(fù)重燃過電壓等。該類噪聲呈現(xiàn)一定的周期性，能量較大，一般較難消除。 噪聲中的主要能量是由干擾引起的。 ? 消除有用信號(hào)中的噪聲，從根本上來說，就是要消除或降低干擾對(duì)電路的影響。我們可以針對(duì)不同的噪聲類型，設(shè)計(jì)或選用不同的 防干擾濾波器 。 14 15 電磁干擾濾波器 電磁干擾濾波器的 工作原理 電磁干擾濾波器的工作原理與普通濾波器一樣，它能 允許有用信號(hào)的頻率分量通過 ，同時(shí)又 阻止其他干擾頻率分量通過 。其方式有兩種：一種是不讓無(wú)用信號(hào)通過，并把它們 反射 回信號(hào)源；另一種是把無(wú)用信號(hào)在濾波器里 消耗 掉。 電磁干擾濾波器的特殊性 由于電磁干擾濾波器的作用是抑制干擾信號(hào)的通過，所以它與常規(guī)濾波器有很大的不同。 (1) 電磁干擾濾波器應(yīng)該有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、安裝方便、工作可靠、重量輕、尺寸小及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 16 (2) 電磁干擾濾波器對(duì)電磁干擾抑制的同時(shí)，能在大電流和電壓下長(zhǎng)期工作，對(duì)有用信號(hào)消耗要小，以保證 最大傳輸效率 。 (3) 由于電磁干擾的頻率是 20Hz到幾十 GHz，故難以用 集總參數(shù)等效電路 來模擬濾波電路。 (4) 要求電磁干擾濾波器在工作頻率范圍內(nèi)有比較高的 衰減性能 。 (5) 干擾源的電平變化幅度大，有可能使電磁干擾濾波器出現(xiàn) 飽和效應(yīng) 。 (6) 電源系統(tǒng)的阻抗值與干擾源的阻抗值變化范圍大，很難得到使用穩(wěn)定的恒定值，所以電磁干擾濾波器很難工作在 阻抗匹配 的條件下。 17 濾波器的主要特性 濾波器最主要的特性參數(shù)有額定電壓、額定電流、頻率特性、輸入輸出阻抗、插入損耗以及傳輸頻率特性等。 ?額定電壓 指輸入濾波器的最高允許電壓值。若輸入濾波器的電壓過高，會(huì)使內(nèi)部電容損壞。 ?額定電流 指在額定電壓和規(guī)定環(huán)境溫度條件下，濾波器所允許的最大連續(xù)工作電流。一般使用溫度越高其允許的工作電流越小。同時(shí)，工作電流還與頻率有關(guān)：工作頻率越高，其允許電流越小。 18 ?頻率特性 濾波器的頻率特性是描述其抑制干擾能力的參數(shù)，通常用中心頻率、截止頻率以及上升和下降斜率表示。 ?輸入輸出阻抗 從信號(hào)源到濾波器輸入的阻抗稱為輸入阻抗，濾波器輸出到接收電路的阻抗稱為輸出阻抗。選擇濾波器需要考慮阻抗匹配，以防止信號(hào)衰減。 ?插入損耗 描述濾波器性能的最主要參量是插入損耗，插入損耗的大小隨工作頻率不同而改變。插入損耗的定義是 : 19 式中： V1信號(hào)源通過濾波器在負(fù)載阻抗上