【正文】 1 第 5章 電磁干擾濾波器 劉 洋 應用物理教研室 2 濾波器的特性 ? 濾波是抑制傳導干擾的一種重要方法 ? 采用濾波器的目的是分離信號、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。 3 電磁兼容濾波器設計是電磁兼容設計工程中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。有時候設計的濾波器性能如何會決定整個電器設備是否能夠正常工作。但因為電磁兼容濾波器的 設計涉及的知識面非常廣 ，設計出一個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 主要是因為雷電、靜電、電動機的電刷跳動、大功率開關觸點斷開等放電產(chǎn)生的噪聲。 4 ?高頻振蕩噪聲 主要是中頻電弧爐、感應電爐、開關電源、直流 —交流變換器等產(chǎn)生高頻振蕩時形成的噪聲。 ?浪涌噪聲 主要是交流系統(tǒng)中電動機啟動電流、電爐合閘電流、開關調(diào)節(jié)器的導通電流以及晶閘管變流器等設備產(chǎn)生涌流引起的噪聲。 這些干擾對微機測控系統(tǒng)都有嚴重影響，必須認真對待，而其中尤以 各類開關通、斷電 時所產(chǎn)生的干擾最難以抑制或消除。 5 按噪聲傳導模式分類 對于傳導噪聲，按其傳導模式分為 差模噪聲和共模噪聲。 ?差模噪聲 又稱線間感應噪聲或 對稱噪聲 。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為受擾設備， UN為噪聲電壓，噪聲電流 IN和信號電流IS的路徑在往返兩條線上是一致的。 6 差模干擾電流是由 外界電磁場在信號線和信號地線構(gòu)成的回路中感應出的 。由于電纜中的信號線與其地線靠得很近，因此形成的環(huán)路面積很小，所以外界電磁場感應的差模電流一般不會很大。 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 (特別是開關電源 )和感性負 7 載通斷時產(chǎn)生的 (其幅度往往很大 )。差模干擾電流都會直接影響設備的工作，并且，這種噪聲難以除掉。 ?共模噪聲 又叫地感應噪聲、縱向噪聲或 不對稱噪聲 。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，一個是外界電磁場在電纜中的所有導線上 感應出來電壓 (這個電壓相對于大地是等幅同相的 )，這個電壓產(chǎn)生電流；另一個原因是由于電纜兩端的設備所接的 地電位 不同所致， 8 在這個地電壓的驅(qū)動下產(chǎn)生電流；第三個原因是設備上的 電纜與大地之間有電位差 ，這樣電纜上會有共模電流。 9 從定義容易理解：共模電流本身并不會對電路產(chǎn)生影響，只有當共模電流轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅ｋ娏?(電壓 )時，才會對電路產(chǎn)生影響，這種情況發(fā)生在 電路不平衡 的情況下。 另外，如果設備在其電纜上產(chǎn)生共模電流，則電纜會產(chǎn)生強烈的電磁輻射，造成設備不能滿足電磁兼容標準中對輻射發(fā)射的限制要求，或?qū)ζ渌O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為負載， Z1和 Z2是導線 1和導線 2的對地阻抗。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載。然而當 Z1 ≠Z2 時，則 VN1 ≠ VN2，從而 IN1≠IN2，于是 VN1 VN2= VN，VN /ZL＝ IN (ZL為負載阻抗 )，這是常模噪聲。 因此，當發(fā)現(xiàn)常模噪聲時，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殼之間發(fā)生的噪聲都是共模噪聲 ，信號線受到靜電感應時產(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)在聲音信號中，表現(xiàn)為惹人煩的 交流聲 ，出現(xiàn)在視頻影像信號中，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、接點分斷電壓負載和靜電放電等波形。該類噪聲周期性不明顯， 在通信信號中，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、單個脈沖寬度、脈沖序列持續(xù)時間等特征值表示，如接點分斷電感負載和接電反復重燃過電壓等。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。 ? 消除有用信號中的噪聲，從根本上來說，就是要消除或降低干擾對電路的影響。我們可以針對不同的噪聲類型，設計或選用不同的 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 允許有用信號的頻率分量通過 ，同時又 阻止其他干擾頻率分量通過 。其方式有兩種：一種是不讓無用信號通過，并把它們 反射 回信號源；另一種是把無用信號在濾波器里 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) 電磁干擾濾波器應該有足夠的機械強度、安裝方便、工作可靠、重量輕、尺寸小及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。 16 (2) 電磁干擾濾波器對電磁干擾抑制的同時，能在大電流和電壓下長期工作，對有用信號消耗要小，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 。 (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，工作電流還與頻率有關：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信號源通過濾波器在負載阻抗上