分享電氣抗幹擾技術

幹擾問題是電氣系統設計和使用過程中必須考慮的重要問題。在電氣系統的工作環境中，如圖1所示，存在大量的電磁信號，如電網的波動、強電設備的起停、高壓設備和開關的電磁輻射等，當它們在系統中產生電磁感應和幹擾衝擊時，往往會擾亂系統的正常運行，輕者造成系統的不穩定，重者會引起控制系統死機或誤動作造成設備損壞或人身傷亡。

圖 1

一、幹擾的基本知識

1.幹擾的來源

（1）外部幹擾來自系統的外部，如電網的波動、大型用電設備的起停、電磁輻射等。

（2）內部幹擾來自系統的內部，如系統的軟體幹擾、分布電容、多點接地等。

2.幹擾的作用途徑

（1）傳導耦合幹擾從導線進人電路。

（2）靜電耦合幹擾信號通過分布電容進行傳遞。

（3）電磁耦合在空間磁場中電路之間的互感耦合。

（4）公共阻抗耦合多個電路的電流流經同一公共阻抗時所產生的相互影響。

3.幹擾的作用形式

（1）共模幹擾在電路輸人端相對公共接地點同時出現的幹擾。

（2）串模幹擾串聯疊加在工作信號上的幹擾。

4.電磁幹擾的種類

（1）靜電幹擾大量物體表面都存在有靜電電荷，特別是含有電氣控制的相關設備。靜電電荷會在系統中形成靜電電場，靜電電場會引起電路的電位發生變化，會通過電容耦合產生幹擾。

（2）磁場耦合幹擾磁場耦合幹擾是指大電流周圍磁場對電氣設備迴路耦合形成的幹擾。動力線、電動機、發電機、電源變壓器和繼電器等都會產生這種磁場。

（3）漏電耦合幹擾漏電耦合幹擾是因絕緣電阻降低而由漏電流引起的幹擾，多發生於工作條件比較惡劣的環境或器件性能退化、本身老化等情況下。

（4）共阻抗幹擾共阻抗幹擾是指電路各部分公共導線阻抗、地阻抗和電源內阻壓降相互耦合形成的幹擾。

（5）電磁輻射幹擾由各種大功率高頻、中頻發生裝置，各種電火花以及電臺、電視臺等產生的高頻電磁波向周圍空間輻射，形成電磁輻射幹擾。雷電和宇宙空間也會有電磁波幹擾信號。

二、抑制幹擾的措施

提高抗幹擾能力的措施中，最理想的方法是抑制幹擾源，使其不向外產生幹擾或將其幹擾影響限制在允許的範圍之內。在產品開發和應用中，除了對一些重要的幹擾源，主要是對被直接控制的對象上的一些幹擾源進行抑制外，更多的則是在產品內設法抑制外來幹擾的影響，以保證系統可靠地工作。抑制幹擾的措施很多，主要包括屏蔽、隔離、濾波、接地和軟體濾波等方法。

1.屏蔽

屏蔽是指利用導電或導磁材料製成的盒狀或殼狀屏蔽體，將幹擾源或幹擾對象包圍起來，從而割斷或削弱幹擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。按照需要屏蔽的幹擾場的性質不同，可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

（1）電場屏蔽電場屏蔽是抑制噪聲源和敏感設備之間由於存在電場耦合而產生的幹擾。通常用銅和鋁等導電性能良好的金屬材料作為屏蔽體。屏蔽體的結構應儘量完整、嚴密並保持良好的接地。良好接地是金屬板產生電場屏蔽的先決條件，如不接地或接地不良，則可能產生比沒有金屬板時更嚴重的幹擾。

（2）磁場屏蔽為了消除或抑制由於磁場耦合引起的幹擾，對靜磁場及低頻交變磁場，可用高磁導率的材料作為屏蔽體，並保證磁路暢通；對高頻交變磁場，主要靠屏蔽體殼體上感生渦流所產生的反磁場起排斥原磁場的作用。屏蔽體選用的材料是良導體，如鋼、鋁等。變壓器的磁場屏蔽如圖2所示。

圖 2

在變壓器繞組線包的外面包一層銅皮作為漏磁短路環。當漏磁通穿過短路環時，在銅環中感生渦流，因此會產生反磁通以抵消部分漏磁通，使變壓器外的磁通減弱。屏蔽的效果與屏蔽層的數量和每層的厚度有關。

（3）電磁場屏蔽電磁場屏蔽用於抑制噪聲源和敏感設備距離較遠時通過電磁場耦合產生的幹擾。電磁場屏蔽必須同時屏蔽電場和磁場，通常採用電阻率小的良導體材料。空間電磁波在入射到金屬體表面時會產生反射和吸收，電磁能量被大大衰減，從而起到屏蔽作用。

在如圖3所示的同軸電纜中（1-芯線，2-絕緣體，3-外層導線，4-絕緣外皮），為防止信號在傳輸過程中受到電磁幹擾，在電纜線中設置了屏蔽層。芯線電流產生的磁場被局限在外層導體和芯線之間的空間中，不會傳播到同軸電纜以外的空間。而電纜外的磁場幹擾信號在同軸電纜的芯線和外層導體中產生的幹擾電勢方向相同，使電流一個增大一個減小而相互抵消，總的電流增量為零。許多通信電纜還在外面包裹層導體薄膜以提高屏蔽外界電磁幹擾的作用。

圖 3

2.隔離

隔離是指把幹擾源與接收系統隔離開來，使有用信號正常傳輸，而幹擾耦合通道被切斯，以達到抑制幹擾的目的。常見的隔離方法有光電隔離、變壓器隔離和繼電器隔離等。

（1）光電隔離光電隔離是以光作為媒介在隔離的兩端之間進行信號傳輸的，所用的器件是光耦合器。由於光耦合器在傳輸信息時，不是將其輸人和輸出的電信號進行直接耦合，而是藉助於光作為媒介物進行耦合的，因而具有較強的隔離和抗幹擾能力，如圖4所示。

圖 4

（2）變壓器隔離隔離變壓器的類型有簡單的隔離變壓器、帶屏蔽層的隔離變壓器、超級隔離變壓器，如圖5所示。（圖中：a-簡單隔離變壓器，b-帶屏蔽層隔離變壓器，c-超級隔離變壓器）

圖 5

對於交流信號的傳輸，一般使用變壓器隔離幹擾信號的辦法，如圖6所示。

隔離變壓器也是常用的隔離部件，用來阻斷交流信號中的直流幹擾和抑制低頻幹擾信號的強度。隔離變壓器把各種模擬負載和數位訊號源隔離開來，也就是把模擬地和數字地斷開。傳輸信號通過變壓器獲得通路，而共模幹擾由於不形成迴路而被抑制。

（3）繼電器隔離繼電器線圈和觸點僅有機械上的聯繫，而沒有直接的電的聯繫，因此可利用繼電器線圈接收電信號，而利用其觸點控制和傳輸電信號，從而可實現強電和弱電的隔離，如圖7所示。由於繼電器觸點較多，且其觸點能承受較大的負載電流，因此應用非常廣泛。

圖 7

實際使用中，繼電器隔離只適合於開關量信號的傳輸。系統控制中，常用弱電開關信號控制繼電器線圈，使繼電器觸點閉合或斷開，而對應於線圈的觸點則用於傳遞強電迴路的某些信號。隔離用的繼電器主要是一般小型電磁繼電器或幹簧繼電器。

3. 濾波

濾波技術用來抑制沿導線傳輸的傳導幹擾，主要用於電源幹擾和信號線幹擾抑制。濾波器是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構成的頻率選擇性網絡，可以插人傳輸線中，抑制不需要的頻率進行傳播。

（1）電源幹擾抑制

1）採用電源濾波器抑制電源線傳輸電磁幹擾。電源濾波器的作用是雙向的，它不僅可以阻止電網中的噪聲進人設備，也可以抑制設備產生的噪聲汙染電網。典型的電源線濾波器如圖8所示。

圖 8

電感L1和電感L2同時繞在一個磁心上，這兩個電感在電流的通過上是互補的，用來衰減共模幹擾；電容Cx 被用來衰減差模幹擾；電容Cy被用來衰減共模幹擾。

2）採用吸收型濾波器抑制電源線中的快速瞬變脈衝串幹擾。用於電磁噪聲抑制的鐵氧體是一種磁性材料，由鐵、鎳、鋅氧化物混合而成，鐵氧體般做成中空形，導線穿過其中，當導線中的電流穿過鐵氧體時低頻電流幾乎可無衰減地通過，但高頻電流卻會受到很大的損耗，轉變成熱量散發，所以鐵氧體和穿過其中的導線即成為吸收型低通濾波器，能有效抑制快速瞬變脈衝串幹擾。根據不同的使用場合，鐵氧體濾波器可以做成多種形式，圖9列出了常用的10種形式。（圖中：a-線磁珠，b-表面安裝磁珠，c-多線磁珠，d-圓磁環，e-柱形磁環，f-矩形磁環，g-DIP接口磁板，h-分裂式圓電纜磁環，i-分裂式扁平磁環，j-穿孔磁環）。

圖 9

（2）感性負載加吸收電路抑制瞬態噪聲

系統中的感性負載如繼電器、接觸器、電磁閥、電機等在關斷時會產生強烈的脈衝噪聲，影響其他電路的正常工作，必須在感性負載處加吸收電路抑制瞬態噪聲，其吸收電路的接線方法如圖10所示。（圖中：a-直流繼電器線圈並聯二極體，b-交流繼電器、電磁閥等線圈並聯RC滅弧器）

圖 10

根據不同要求，感性負載兩端也可並聯電阻、壓敏電阻、穩壓二極體等吸收回路，但RC吸收回路具有很好的抑制作用，推薦採用RC (滅弧器)進行吸收，滅弧器應儘量靠近感性負載進行安裝。

4.接地

將電路、設備機殼等與作為零電位的一個公共參考點(大地)實現低阻抗的連接，稱之為接地。

（1）安全接地為了保護人身和設備的安全，免遭雷擊、漏電、靜電等危害，把電氣設備的機殼、機座等與大地相接，當設備中漏電時，不致影響人身安全，這種接地稱為安全接地。安全接地有「TT」、「IN-S」和「TN-C」接地型式。

（2）工作接地為了保證設備的正常工作，如直流電源常需要有一極接地，作為參考零電位，其他極與之比較，例如±15V、±5V、±24V 等。信號傳輸也常需要有一根線接地，作為基準電位或為了抑制幹擾( 如屏蔽接地)這種接地稱為工作接地。

工作接地方式有浮地、單點接地和多點接地形式。

5.軟體濾波

用軟體來識別有用心號和幹擾信號並濾除幹擾信號的方法稱為軟體濾波。

（1）軟體「陷阱」從軟體的運行來看，瞬時電磁幹擾可能會使CPU偏離預定的程序指針，進人未使用的RAM區和ROM區，引起一此莫名其妙的現象，其中死循環和程序「飛掉」是常見的。為了有效地排除這種幹擾故障，常採用軟體「陷阱」法。這種方法的基本指導思想是，把系統存儲器(RAM和ROM)中沒有使用的單元用某一種重新啟動的代碼指令填滿，作為軟體「陷阱」，以捕獲「飛掉」的程序。般當 CPU 執行該條指令時，程序就自動轉到某起始地址， 使系統重新投人正常運行。

（圖片來源網絡）

（2）軟體「看門狗」「看門狗」 (Watchdog) 就是用硬體(或軟體)的辦法使用監控定時器定時檢查某段程序或接口，當超過一定時間系統沒有檢在這段程序或接口時，可以認定系統運行出錯(幹擾發生)，可通過軟體進行系統復位或按事先預定的方式運行。「看門狗」是工業控制機普遍採用的一種軟體抗幹擾措施。當侵人的尖峰電磁幹擾使電腦程式「飛掉」時，「看門狗」能夠幫助系統自動恢復正常運行。

三、消除幹擾的方法

1.合理選擇接地

許多產品，從設計思想到具體電路原理都是比較完美的，但在工作現場卻經常無法正常工作，暴露出許多由於工藝安裝不合理帶來的問題，從而使系統容易受到幹擾。對此必須引起足夠的重視，如在選擇正確的接地方式方面要考慮交流接地點與直流接地點的分離，保證邏輯地浮空(是指控制裝置的邏輯地和大地之間不用導體連接)保證機身、機櫃的安全地的接地質量，其至分離模擬電路的接地和數字電路的接地等等。

2.合理選擇電源

合理選擇電源對系統的抗幹擾能力也是至關重要的。電源是引進外部幹擾的重要因素。實踐證明，通過電源引入的幹擾噪聲是多途徑的，如控制裝置中各類開關的頻繁閉合或斷開，各類電感線圈(包括電機、繼電器、接觸器以及電磁閥等)的瞬時通斷，品閘管電源及高頻、中頻電源等系統中開關器件的導通和截止等都會引起幹擾，這些幹擾幅值可達瞬時千伏級，而且古有很寬的頻率。顯而易見，要思完全抑制如此寬頻帶範圍的幹擾，必須對交流電源和直流電源同時採取措施。

大量實踐表明，採用壓敏電阻和低通濾波器可使額率範圍在20kHz-100MHz之間的幹擾大大衰減；採用隔離變壓器和電源變壓器的屏蔽層可以消除20kHz以下的幹擾；而為了消除交流電網電壓緩慢變化對控制系統造成的影響，可採取交流穩壓等措施。

3.合理布局

對設備及系統的各個部分進行合理的布局，能有效地防止電磁幹擾的危害。合理布局的基本原則是使幹擾源與幹擾對象儘可能遠離，輸人和輸出埠妥善分離，高電平電纜及脈衝引線與低電平電纜分別敷設等。

在企業環境的各設備之間也存在合理布局的問題。不同設備對環境的幹擾類型、幹擾強度不同，抗幹擾能力和精度也不同，因此，在設備位置布置上要考慮設備分類和環境處理。如精密檢測儀器應放置在恆溫環境並遠離有機械衝擊的場所，弱電儀器應考率工作環境的電磁幹擾強度等。

一般來說，除了上述方案以外，還應在安裝、布線等方面採取嚴格的工藝措施，如布線上注意整個系統導線的分類布置、接插件的可靠安裝與良好接觸，注意焊接質量等。