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陶老師ESD、EMI、EMC講座(2)——EMC與EMI解析
發(fā)布時間:2010-07-26 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng)
下面講電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)和EMI,EMI就是電磁干擾。電磁干擾分電場干擾和磁場干擾,電場和磁場是兩種不同性質(zhì)的物質(zhì),現(xiàn)在我們很多人沒有了解它,大家都說是一種暗物質(zhì),就是不知道它是什么樣的東西,叫做暗物質(zhì)。很多人把它分成一派的概念進行解釋?,F(xiàn)在我們只知道它是能夠攜帶能量的介質(zhì),它充滿整個宇宙空間,電場和磁場,只要你了解兩者之間可以互相轉(zhuǎn)換,當(dāng)某種電場或磁場的位能產(chǎn)生變化,什么是位能?比如某個帶電體帶的電壓是100V,一下就變成200V的,這就是位能改變了。或者是原來磁場強度,如果電流是1安培,一下變成2安培了,磁場也是在改變。位能的改變會影響整個空間電磁場的分布,這種分布是光的速度進行傳播,就是30萬公里/秒。電磁場干擾無處不在,你想抵擋都擋不住。產(chǎn)生電磁層感染就是帶電物體的電荷出現(xiàn)分布,對分布電容不斷地充放電,任何一個帶電體都可以把它看成一個電容,也就是說叫做分布電容。產(chǎn)生磁場干擾的基本原因是流過導(dǎo)體的電流的大小和方向發(fā)生改變,即分布電感產(chǎn)生的磁通大小和方向在不斷變化。這兩句話很重要,電流改變了,只有改變才會對整個空間重新分布,而且分布的速度按照30萬公里/秒進行傳播。
現(xiàn)在我們具體解釋一下電磁感應(yīng)和干擾的原理。剛才已經(jīng)講了電場和雷電產(chǎn)生的原理一樣,這邊是帶電體,你也可以把它看成一個地球,帶電體的旁邊如果有一個物體,這個物體不管是金屬的還是絕緣體都會產(chǎn)生極化帶電,不管是否導(dǎo)電都會導(dǎo)致極化帶電,比如說這是一根金屬棒或者是一根木棒都會產(chǎn)生感應(yīng)。產(chǎn)生感應(yīng)帶電,這邊帶的是負(fù)電,這邊帶的是正電。但是整個物體的電中性還是保持著。那么,這兩端產(chǎn)生的電位差就是電位梯度,就是電場強度。知道了電場強度以后就可以算出這兩端的感應(yīng)電壓,感應(yīng)電壓等于電場強度×距離。
電磁干擾的原理是帶電體電磨和位能不斷的改變,會對感應(yīng)體產(chǎn)生位移電流,當(dāng)這邊是正的時候,電流的方向往這邊流,當(dāng)是負(fù)的時候電流往另外一邊流。位移電流和一般電工學(xué)里面的位移電流不一樣,位移電流不需要回路,在任何一個導(dǎo)體里面都會產(chǎn)生位移電流,并且位移電流的大小在這個導(dǎo)體里面的每個地方都不一樣,不管這個怎么變化,中間位移電流等于零,只在兩端位移電流是最的大,中間那個地方等于零。如果你不好理解,你把這個當(dāng)成一根天線就理解了,天線發(fā)射電磁波的時候也是沒有回路的,就是靠不斷的對它進行充放電,這個原理是一樣的。還有一種情況,當(dāng)兩個變換的速度和來回移動的方向、距離正好是半個波長的時候它會產(chǎn)生諧振,這個在天線理論里面可以學(xué)到。因為位移電流是有速度的,不能說速度等于無窮大,我這邊變你也變,如果移動有速度就會產(chǎn)生疊加和抵消的作用,就會產(chǎn)生諧振。
我們給大家介紹一個很重要的概念,就是電容。這個電容和我們現(xiàn)在電路里面用的電容是兩個概念,大家不要混淆。任何帶電體我們都可以把它看成一個電容,電容的大小跟它帶的電壓和電荷的多少有關(guān),如果帶的電荷越多,電壓越高它的電流就越大。電容的概念其實與電荷的概念也是互相對應(yīng)的,我們把這個電容器看成是兩個電容進行串聯(lián),也就是說帶電體帶正電,帶正電是對于無限遠(yuǎn)的地方來說的,為什么呢?因為這個帶電以后電場分布是發(fā)散性的,中間這一點是最強,離的越遠(yuǎn)的時候電感強度就越來越低,當(dāng)無限遠(yuǎn)的時候就等于零,你不能拿它來參考地球,參考地球的話相當(dāng)于范圍太小,本身地球也可以看成電容,所以分析電容的時候最好用無限遠(yuǎn)的地方作為參考點。也就是說我們計算電容的時候以無限遠(yuǎn)的地方考慮,計算電容也是以無限遠(yuǎn)的地方考慮。把這兩個電容靠在一起的時候就變成了電容器,你就可以利用這兩個電容的電位梯度和電容器來分析。任何一個帶電體都可以看成一個電容,一個孤立球?qū)w的電容等于表面積除以半徑,再乘以電容系數(shù)。地球的容量算出來就是7×10-4(F),把兩個孤立電容進行推導(dǎo),算出來就是這樣,電容器正好等于上面儲存的電容量除以電位差。明白電容的概念以后,也要分析電路的電磁感應(yīng)方面,要有量的概念。有了量的概念我們可以對電磁干擾進行分析,比如說這邊是一個干擾電壓,通過這條電路進行供電,旁邊也有一個電路,這個電路就會受到干擾,干擾怎么計算?它的導(dǎo)向電路是什么?我們可以把兩個導(dǎo)線看成一個電容器,就是有一個耦合電容。等效電路相當(dāng)于這邊,你要減少兩個回路互相干擾的程度就必須要減少上面的Cm電容,把兩條線隔得越遠(yuǎn)越好,而且越短越好,只要面積越小電容器越小,離得越遠(yuǎn)電容器也越小。
下面講磁場感應(yīng)與干擾。磁場只要有電容從導(dǎo)體里面流過就會產(chǎn)生磁場,磁場這個東西因為我們摸不到,所以現(xiàn)在我們都是用磁力線表示,我們可以判別它。這個磁場如果穿過周邊的電路,或者是其他電感線圈就會產(chǎn)生電子感應(yīng),這就相當(dāng)于一個有電流流過的電感線圈,會產(chǎn)生磁場,這個磁場對另外一個線圈也會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。線圈對應(yīng)里面任何一個線路也會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。所以電磁感應(yīng)就是因為磁力線穿過閉合回路而產(chǎn)生的,你要減少電壓的大小,就要減少干擾的大小,一個就是減少它的磁通量,感應(yīng)電壓與磁通量有關(guān),減少磁通量只能減少面積,減少圈圈的面積,或者減少磁場強度,磁場強度一般很難改變,你只能改變面積。另外,剛才說的干擾是位能改變才會干擾,如果只是一個通到位能不變,它不會干擾,永遠(yuǎn)是一個1安培,位能不變不會干擾。干擾是位能不斷改變,一下子變成1安培,一下子變成2安培,一下子變成3安培,一下子又變成負(fù)的安培。
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陶老師ESD、EMI、EMC講座(1)——靜電的產(chǎn)生
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電磁干擾我們關(guān)心的有兩種,一種是傳導(dǎo)干擾,一種叫做輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是通過導(dǎo)線,就是電源線或者里面的信號線進行傳導(dǎo)、傳輸?shù)?,這叫做傳導(dǎo)干擾。另外一種是輻射干擾,輻射干擾是通過空間的,這兩種相對來說后面這種輻射更加難。傳導(dǎo)干擾還分共模干擾和差模干擾,輻射干擾一般是通過空間互相連接,只要兩個設(shè)備靠在一起就會產(chǎn)生干擾。輻射干擾也分電場干擾和磁場干擾,就是電場輻射和磁場輻射,但是根據(jù)麥格思維方程,電場輻射和磁場輻射都是互相聯(lián)系在一起,只要你在任何一個空間里面有交電電場,它在旁邊也會產(chǎn)生對應(yīng)的磁場,并且兩個可以互相轉(zhuǎn)換。
傳導(dǎo)干擾測量原理。這里面?zhèn)鲗?dǎo)干擾有兩個干擾,一個是共模,一個是差模,這樣一個回路是流進入又流出來的,這叫做差模。這兩個同時進去從另外一邊流出來叫共模,共模干擾很簡單,就是以大地為一端,另外一端是以上面的線路、設(shè)備,不管什么線為一端測到的電壓,這叫做共模干擾。因為測量的時候必須要與一根電路連接,先測三個電壓,這是測這個與大地之間的電壓,這是測兩條線之間的電壓,然后得出結(jié)算公式。V1=CI-DI,就是共模干擾減去差模干擾。V2=CI+DI,V3=DI,R1、R2、R3、R4為接地電阻,C1為分布電容,如果到檢測所去測之前自己一定要先進行摸底測試,用一塊墊板或金屬板放在下面接地,等于說分布是固定的,利用標(biāo)準(zhǔn)一塊板與機器造成分布電容,一般是一個平方米等等,是由他們定的,你可以做試驗,測多大都沒有關(guān)系,但它是固定的,測電視機是什么樣,測手機是什么樣,這是不一樣的。傳導(dǎo)干擾測量方法。分布電容在這一塊金屬板,與它之間產(chǎn)生分布電容,當(dāng)然用這個板帶分布電容,測出來的結(jié)果數(shù)字越大,這只是用來做對比,以此為基礎(chǔ)。我們做摸底可以用大一點測,容易測得到,但你測得不算數(shù)。
傳導(dǎo)干擾詳解。我們講一講幾個干擾原理,不管是傳導(dǎo)干擾還是輻射干擾,在電路里面占的成分最大就是開關(guān)電容,大概占了輻射干擾的70%以上,如果可以把開關(guān)電容、輻射和傳導(dǎo)干擾基本上壓制住了,其他就很容易了。在電容一進去以后可以構(gòu)成回路,這里也構(gòu)成回路,這里也是構(gòu)成回路,這幾個回路在上面互相之間都會產(chǎn)生電流回路法,之間會互相干擾。這里是對地的分布電容,每個回路里面對地都有分布電容構(gòu)成一個回路。上面幾個會產(chǎn)生差模干擾,這幾個屬于共模干擾,共模干擾是與大地相關(guān)的,就是以地為一端,是測試端或者是電壓的一個值。這些回路你都可以看成是一個變壓器的線圈,相當(dāng)于一個感應(yīng)線圈,只要里面有磁力線穿過都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,都會通過并合這些線往那邊傳。
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這個更加具體,有電力穿過的時候會產(chǎn)生電力線,電力線會產(chǎn)生共模干擾,這幾個都是共模干擾,那些都是差模干擾。這些干擾主要是如何產(chǎn)生的?本身線路里面只有電流流過,構(gòu)成一個線圈或?qū)Ь€都會產(chǎn)生干擾,最大的是變壓器漏感,這是其他回路的好幾十倍。所以變壓器漏感最好進行屏蔽?怎么屏蔽呢?在線圈的外邊用一層金屬,鋁片也好,銅片也好,一般用銅片包起來,包起來應(yīng)該讓它短路,就是用焊絲焊起來,漏感在上面也會產(chǎn)生渦流,一產(chǎn)生渦流就會產(chǎn)生抵消干擾的磁場,就相當(dāng)于把漏感抵消掉。
減少線路中的干擾,就是信號線或傳輸線,兩根線靠得越近,一個電流往這邊流,一個電流往那邊流,兩個電磁場會抵消掉。也就是說在回路里面產(chǎn)生的感應(yīng)面積相對越小越好。
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電磁輻射干擾原理。主要也是有兩種,一種是電場輻射,電場輻射最典型的就是半波陣子,如果上面這根天線的波程是半個波程,電場是最大的,現(xiàn)在一般都很少有半波程,有一段接大地,有一端作為發(fā)射天線,像中波天線就是這樣,電信天線就是半波陣子。還有一個是磁場天線,磁場天線相當(dāng)于變壓器的回路,不過這個天線有參數(shù),或者半波陣子波程最好是半個波程,根據(jù)這個波程發(fā)射,不是隨便的,長的短的效果是不一樣的。電磁輻射產(chǎn)生這兩個陣子還會充放電,一下子到正,一下子到負(fù),相當(dāng)于電容。充放電在這里會產(chǎn)生磁場,這個磁場又產(chǎn)生電阻,這就是麥格思維,不斷、不斷的傳下去,在這里面的旋度等于面積的強度,這就是麥格思維方程。電磁波傳播是這樣的,輻射原理主要是這個原理。
各種干擾脈沖波形的頻譜。輻射和干擾的頻率有關(guān),頻率一般都是指正弦波,這樣比較好理解,對于方波或正弦波的波形,一般我們都可以把它看成是無窮多個上升率不同的波形進行疊加,也就是用基數(shù)展開,這是數(shù)學(xué)表達方式,比較正確是用不同的上升率,不同的波形進行疊加,但上升率不好理解,一般都是用正旋波表示。這里面波種不同的波形,它產(chǎn)生的干擾不一樣。這種的頻譜是最寬的,這種是高新的,接近于正弦波。120dB的時候是1v,126dB就是2v,大家知道dB是什么嗎?它一般用來表示放大倍數(shù),就是輸出電壓與輸入電壓之比,取數(shù)值大于20。為什么用這個倍數(shù)來比?用倍數(shù)比相當(dāng)于把視角范圍縮小,讓你好看,如果從線性來看,一個毫伏一直到兩伏就沖到天上去了,不好看。用對數(shù)坐標(biāo)表示,越往下越壓縮,前面是壓縮比較小,這邊也是。這里變成10,變成了100,變成1000,這是在電工里面用量表示,用倍數(shù)表示,每6dB就差1倍,大家記住。這里是60÷20=3,是3個據(jù)波,這里是1000微伏,120是正極,1V+6dB=2v。到測試所去測試給一個曲線,很多人問我dB是什么意思?dB就是一個坐標(biāo),后面會加一個單位,一個毫伏0dB就是一個毫伏。功率不是20倍表示了,而是用10倍表示,每3dB差一倍功率,電壓就是每6個dB差一倍。
另外對于輻射干擾,我們最注意的就是共模干擾,差模干擾相對來說比共模干擾小很多,我們做過一個試驗,在同一個導(dǎo)線里面流過的電容,相差的共模干擾是2500倍。上面就是對輻射進行測試,剛才是共模干擾,其他都是傳導(dǎo)測試,其實就是輻射干擾測試,一般就是用天線來測,天線的測試原理就是這樣的,量天線和大地之間的電壓,這個設(shè)備與大地之間有分布電容,前面已經(jīng)說過了,放這個在上面,與板接地產(chǎn)生分布電容。天線也有分布電容,分布電容不是跟設(shè)備大小和距離有關(guān),所以測試的時候都有一個標(biāo)準(zhǔn),固定設(shè)備中間距離有多遠(yuǎn),天線面積用多大,還有一套天線,很多天線,不只是一個,計最大的那個,就是測試電壓最大的那個,天線對輻射會產(chǎn)生諧振。
這就是標(biāo)準(zhǔn)的測試,這里面裝了一個寬帶天線,專門吸收電磁波,這里面都是塑料和導(dǎo)電橡膠,變成電流波在里面來回輻射,然后吸收掉。測試費用很高,一般都要幾萬元,如果沒有把握好測幾次,費用就受不了,最好測試之前自己先測一下。最簡單的,就是用一塊雙面硬紙板,這邊做一個正極天線,那邊做一個磁電線,一邊是接收電場的,一邊是接收磁場,一圈、一圈相當(dāng)于變壓器的線圈,兩根連起來相當(dāng)于正極,長長短短可以把頻率范圍加寬。最好做成半波,但是半波對干擾來說很難定義范圍,不過半波實際上也接收得到,只是幅度變小,就做得寬一些,多裝幾組以后進行測試。你在進行重力測試之前自己先測試,或者他測以后你再測一次,對比哪個頻率超標(biāo)或不合格了,自己再摸底,能夠在那邊插兩個dB,你自己測了之后能插六個dB,那還不合格嗎?它只是一個相對數(shù)據(jù),因為這種方式也不是絕對科學(xué)的東西,而且每個試驗室內(nèi)都有一套標(biāo)準(zhǔn)的東西,只能在我這里測,不能在別的地方測,不管合不合理只能到我這里測,在同等條件下對比,你測試了以后,與他就可以對比差別出來。你在這里比,頻率比也有相差,把它壓下來就可以了。這個你可以用示波器,這也是常用的,相對來說也不貴,就可以使用,如果沒有就用電視機高頻頭裝一個簡單的來調(diào)也可以,調(diào)到后面用一個表進行指示,像調(diào)電視臺一樣,慢慢描出一個曲線出來都可以。
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什么是EMC?其實對于用戶來說,他最關(guān)心的是EMC,但對于產(chǎn)品生產(chǎn)者來說EMI又是最關(guān)鍵的。因為EMI是電磁干擾,電磁干擾你生產(chǎn)出來的設(shè)備會干擾別人的設(shè)備,比如說電視機干擾別人的收音機,或者會干擾人家的手機,這就不行了,因為就把頻率變成有償資源,政府要賣錢的,賣給使用者以后,使用者就有權(quán)利要求你賣給我的頻率一定能用,所以大家定了一個法則,法則定得太高不行,定得太低也不行,雙方要有一個協(xié)議,定出來就是電磁兼容。電磁兼容是使用方和設(shè)備生產(chǎn)方兩方協(xié)商的,一般執(zhí)行都是權(quán)力部門,不是生產(chǎn)方來定。我們國家在1996年以前不管這樣的東西的,為了監(jiān)管,1996年以后我們引入EMC,就是電子兼容的概念,現(xiàn)在我們出口的產(chǎn)品都要經(jīng)過EMC的認(rèn)定,你沒有經(jīng)過EMC認(rèn)定就不行。EMC認(rèn)定一般有6個方面,以前只有3個方面,現(xiàn)在有6個方面,除了電磁場干擾以外還有安全性,安全現(xiàn)在也放到EMC里頭去了。安全在每個國家都不一樣,美國的法規(guī)放得比較松,相對來說沒有歐洲那么嚴(yán),但消費者要認(rèn)這個東西,不管法律。比如uL認(rèn)證,美國法律就沒有規(guī)定,沒有說產(chǎn)品一定要經(jīng)過UL認(rèn)證,但消費者認(rèn)這個東西,你經(jīng)過了認(rèn)證我就認(rèn)你,不經(jīng)過我就不認(rèn)你,歐洲都是有法律制定的。
我們后面再講很具體的電路問題。很多人對地的概念不是很清楚,也不了解,現(xiàn)在很多人都把電路里面的公共關(guān)說成地,具體是不是?我們先介紹幾個概念。一般按照道理,最早地就是大地,后來地慢慢習(xí)慣用到設(shè)備里面,包括外殼、輸入線,比如說示波器或者信號線,與大地連在一起,有的不連,現(xiàn)在就變成了一個很模糊的概念,我們就把熱地、冷地、浮地、接地幾個概念簡單介紹一下。這個符號是比較標(biāo)準(zhǔn)的接地符號,就是接大地的,不管哪個設(shè)備接地都是這個符號。熱地國家還沒有標(biāo)準(zhǔn),大部分都習(xí)慣用這個箭頭作為熱地。冷地國家也沒有標(biāo)準(zhǔn),大家都接受是這樣的,這三個地基本上電工里面都有明確定義的,這個地就是接大地,熱地就是里面整流出來電源的某一端是公共端,人去摸它會帶電,會電死人,和前面的火線會產(chǎn)生回路電流,會電到人,所以這個叫做熱地。還有一個通過電子耦合以后沒有電的關(guān)聯(lián),只有磁場關(guān)聯(lián),你去量根本沒有回路,叫做冷地,手是可以摸的。但是你不要以為它是冷地就不帶電,實際上它還是帶電,為什么帶電?大家可能一下子不是很清楚,它帶的是靜電,相當(dāng)于極化帶電,就是線圈通過感應(yīng)以后,一頭帶負(fù)的,一頭帶正的。電容機也是,有一頭帶電,有一頭不帶電,這一點還是帶負(fù)電,不帶電的沒有跟電路連接,定位與大地一樣,所以叫做浮地。對應(yīng)的不是與大地相等,但沒有與大地連接,拿電表來量這一點與大地沒有電壓。浮地的信號現(xiàn)在還沒有,如果大家參考的話可以參加這個符號來用,這個地方電位等于零,當(dāng)兩邊發(fā)生變化就用這個來表,對電路分析有好處,特別是嚴(yán)重干擾的時候一定要把浮地找到,因為電位越高的地方電容越容易干擾,電位等于零,也就是浮地和電位是越低的地方干擾就越小。
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為了降低傳導(dǎo)干擾,現(xiàn)在一般在輸入電路里面都要加濾波器,這邊是設(shè)備產(chǎn)生的干擾,通過這幾個濾波以后就會把幾個電壓降低,這兩個電容是共模的濾波電容,這幾個有共模電感,也有差模電感,因為共模電感的體積比較大,成本比較高,所以大家都沒有用,都在用共模電感代替。因為共模電感本身有漏感,漏感對差模來說也有抑制作用,所以相對來說用共模電感代替差模電感,成本可以大大降低。這兩個電容很關(guān)鍵,在安全里面兩個的和不能超過470b,為什么?安全測試的時候在安全設(shè)備上加2500v交流電來測與地的漏電,如果超過2.5毫安就算不合格。這樣算的話50就是2500v電壓,算出來的電壓不能超過470b。按照共模預(yù)計,這兩個做得更大一點,最大不能超過4700v。這是差模電容,差模電容沒有要求,用的越大越好。但是用得越大也有一個問題,把電容線拔掉的時候上面帶電不能超過,所以這里必須加一個放電電阻,這邊大的以后也可以加一個放電電阻,充電拔掉以后,下面人不能摸,會電到人,所以用放電電阻把它放掉。
這是網(wǎng)友發(fā)給我的,他說測試很多次都不能過關(guān),怎么處理?這是很簡單的開關(guān)電容,我們拿這個來分析一下。這是變壓器的幾個腿,開關(guān)管接在這個地方,也就是說開關(guān)管的漏值或極電值接在這里,這是電源的輸入,這是濾波電源,測出來的曲線在這里,以這條線為標(biāo)準(zhǔn),以下就合格,超過不算合格,要求它降下來。傳導(dǎo)干擾基本上是勉強通過的,如果接上負(fù)載以后脈寬不斷地調(diào)整,相對來說測得比較低。不是說一直過不了,我們分析原因,它認(rèn)為干擾變壓器這一點干擾幅度是最高的,就是變壓器輸入這一段,如果能夠降低干擾,不一定能夠是電流回路越小越好,導(dǎo)線越短越好,面積越小越好,他知道這個干擾最厲害。但是又聰明過頭,認(rèn)為干擾越大越厲害,通過電容把電壓接到地上,不是好了嗎?這就是把干擾幅度很高的地方用電容接地,讓它降低干擾不是很好嗎?這個想法好像很聰明,實際上這是不對的,因為這里沒有地,導(dǎo)電模上都沒有接大地,把這個連起來以后,通過電容連起來,整個這邊這一片都變成輻射天線了,面積增大了,電場感應(yīng)的感應(yīng)強度和面積有關(guān),就是分布電容大小,分布電容大小就是導(dǎo)體的表面積。連起來就變成無線天線,這是不科學(xué)的,把電容去掉就好了。
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陶老師ESD、EMI、EMC講座(1)——靜電的產(chǎn)生
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電磁干擾的原理是帶電體電磨和位能不斷的改變,會對感應(yīng)體產(chǎn)生位移電流,當(dāng)這邊是正的時候,電流的方向往這邊流,當(dāng)是負(fù)的時候電流往另外一邊流。位移電流和一般電工學(xué)里面的位移電流不一樣,位移電流不需要回路,在任何一個導(dǎo)體里面都會產(chǎn)生位移電流,并且位移電流的大小在這個導(dǎo)體里面的每個地方都不一樣,不管這個怎么變化,中間位移電流等于零,只在兩端位移電流是最的大,中間那個地方等于零。如果你不好理解,你把這個當(dāng)成一根天線就理解了,天線發(fā)射電磁波的時候也是沒有回路的,就是靠不斷的對它進行充放電,這個原理是一樣的。還有一種情況,當(dāng)兩個變換的速度和來回移動的方向、距離正好是半個波長的時候它會產(chǎn)生諧振,這個在天線理論里面可以學(xué)到。因為位移電流是有速度的,不能說速度等于無窮大,我這邊變你也變,如果移動有速度就會產(chǎn)生疊加和抵消的作用,就會產(chǎn)生諧振。
我們給大家介紹一個很重要的概念,就是電容。這個電容和我們現(xiàn)在電路里面用的電容是兩個概念,大家不要混淆。任何帶電體我們都可以把它看成一個電容,電容的大小跟它帶的電壓和電荷的多少有關(guān),如果帶的電荷越多,電壓越高它的電流就越大。電容的概念其實與電荷的概念也是互相對應(yīng)的,我們把這個電容器看成是兩個電容進行串聯(lián),也就是說帶電體帶正電,帶正電是對于無限遠(yuǎn)的地方來說的,為什么呢?因為這個帶電以后電場分布是發(fā)散性的,中間這一點是最強,離的越遠(yuǎn)的時候電感強度就越來越低,當(dāng)無限遠(yuǎn)的時候就等于零,你不能拿它來參考地球,參考地球的話相當(dāng)于范圍太小,本身地球也可以看成電容,所以分析電容的時候最好用無限遠(yuǎn)的地方作為參考點。也就是說我們計算電容的時候以無限遠(yuǎn)的地方考慮,計算電容也是以無限遠(yuǎn)的地方考慮。把這兩個電容靠在一起的時候就變成了電容器,你就可以利用這兩個電容的電位梯度和電容器來分析。任何一個帶電體都可以看成一個電容,一個孤立球?qū)w的電容等于表面積除以半徑,再乘以電容系數(shù)。地球的容量算出來就是7×10-4(F),把兩個孤立電容進行推導(dǎo),算出來就是這樣,電容器正好等于上面儲存的電容量除以電位差。明白電容的概念以后,也要分析電路的電磁感應(yīng)方面,要有量的概念。有了量的概念我們可以對電磁干擾進行分析,比如說這邊是一個干擾電壓,通過這條電路進行供電,旁邊也有一個電路,這個電路就會受到干擾,干擾怎么計算?它的導(dǎo)向電路是什么?我們可以把兩個導(dǎo)線看成一個電容器,就是有一個耦合電容。等效電路相當(dāng)于這邊,你要減少兩個回路互相干擾的程度就必須要減少上面的Cm電容,把兩條線隔得越遠(yuǎn)越好,而且越短越好,只要面積越小電容器越小,離得越遠(yuǎn)電容器也越小。
下面講磁場感應(yīng)與干擾。磁場只要有電容從導(dǎo)體里面流過就會產(chǎn)生磁場,磁場這個東西因為我們摸不到,所以現(xiàn)在我們都是用磁力線表示,我們可以判別它。這個磁場如果穿過周邊的電路,或者是其他電感線圈就會產(chǎn)生電子感應(yīng),這就相當(dāng)于一個有電流流過的電感線圈,會產(chǎn)生磁場,這個磁場對另外一個線圈也會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。線圈對應(yīng)里面任何一個線路也會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。所以電磁感應(yīng)就是因為磁力線穿過閉合回路而產(chǎn)生的,你要減少電壓的大小,就要減少干擾的大小,一個就是減少它的磁通量,感應(yīng)電壓與磁通量有關(guān),減少磁通量只能減少面積,減少圈圈的面積,或者減少磁場強度,磁場強度一般很難改變,你只能改變面積。另外,剛才說的干擾是位能改變才會干擾,如果只是一個通到位能不變,它不會干擾,永遠(yuǎn)是一個1安培,位能不變不會干擾。干擾是位能不斷改變,一下子變成1安培,一下子變成2安培,一下子變成3安培,一下子又變成負(fù)的安培。
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陶老師ESD、EMI、EMC講座(1)——靜電的產(chǎn)生
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電磁干擾我們關(guān)心的有兩種,一種是傳導(dǎo)干擾,一種叫做輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是通過導(dǎo)線,就是電源線或者里面的信號線進行傳導(dǎo)、傳輸?shù)?,這叫做傳導(dǎo)干擾。另外一種是輻射干擾,輻射干擾是通過空間的,這兩種相對來說后面這種輻射更加難。傳導(dǎo)干擾還分共模干擾和差模干擾,輻射干擾一般是通過空間互相連接,只要兩個設(shè)備靠在一起就會產(chǎn)生干擾。輻射干擾也分電場干擾和磁場干擾,就是電場輻射和磁場輻射,但是根據(jù)麥格思維方程,電場輻射和磁場輻射都是互相聯(lián)系在一起,只要你在任何一個空間里面有交電電場,它在旁邊也會產(chǎn)生對應(yīng)的磁場,并且兩個可以互相轉(zhuǎn)換。
傳導(dǎo)干擾測量原理。這里面?zhèn)鲗?dǎo)干擾有兩個干擾,一個是共模,一個是差模,這樣一個回路是流進入又流出來的,這叫做差模。這兩個同時進去從另外一邊流出來叫共模,共模干擾很簡單,就是以大地為一端,另外一端是以上面的線路、設(shè)備,不管什么線為一端測到的電壓,這叫做共模干擾。因為測量的時候必須要與一根電路連接,先測三個電壓,這是測這個與大地之間的電壓,這是測兩條線之間的電壓,然后得出結(jié)算公式。V1=CI-DI,就是共模干擾減去差模干擾。V2=CI+DI,V3=DI,R1、R2、R3、R4為接地電阻,C1為分布電容,如果到檢測所去測之前自己一定要先進行摸底測試,用一塊墊板或金屬板放在下面接地,等于說分布是固定的,利用標(biāo)準(zhǔn)一塊板與機器造成分布電容,一般是一個平方米等等,是由他們定的,你可以做試驗,測多大都沒有關(guān)系,但它是固定的,測電視機是什么樣,測手機是什么樣,這是不一樣的。傳導(dǎo)干擾測量方法。分布電容在這一塊金屬板,與它之間產(chǎn)生分布電容,當(dāng)然用這個板帶分布電容,測出來的結(jié)果數(shù)字越大,這只是用來做對比,以此為基礎(chǔ)。我們做摸底可以用大一點測,容易測得到,但你測得不算數(shù)。
傳導(dǎo)干擾詳解。我們講一講幾個干擾原理,不管是傳導(dǎo)干擾還是輻射干擾,在電路里面占的成分最大就是開關(guān)電容,大概占了輻射干擾的70%以上,如果可以把開關(guān)電容、輻射和傳導(dǎo)干擾基本上壓制住了,其他就很容易了。在電容一進去以后可以構(gòu)成回路,這里也構(gòu)成回路,這里也是構(gòu)成回路,這幾個回路在上面互相之間都會產(chǎn)生電流回路法,之間會互相干擾。這里是對地的分布電容,每個回路里面對地都有分布電容構(gòu)成一個回路。上面幾個會產(chǎn)生差模干擾,這幾個屬于共模干擾,共模干擾是與大地相關(guān)的,就是以地為一端,是測試端或者是電壓的一個值。這些回路你都可以看成是一個變壓器的線圈,相當(dāng)于一個感應(yīng)線圈,只要里面有磁力線穿過都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,都會通過并合這些線往那邊傳。
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這個更加具體,有電力穿過的時候會產(chǎn)生電力線,電力線會產(chǎn)生共模干擾,這幾個都是共模干擾,那些都是差模干擾。這些干擾主要是如何產(chǎn)生的?本身線路里面只有電流流過,構(gòu)成一個線圈或?qū)Ь€都會產(chǎn)生干擾,最大的是變壓器漏感,這是其他回路的好幾十倍。所以變壓器漏感最好進行屏蔽?怎么屏蔽呢?在線圈的外邊用一層金屬,鋁片也好,銅片也好,一般用銅片包起來,包起來應(yīng)該讓它短路,就是用焊絲焊起來,漏感在上面也會產(chǎn)生渦流,一產(chǎn)生渦流就會產(chǎn)生抵消干擾的磁場,就相當(dāng)于把漏感抵消掉。
減少線路中的干擾,就是信號線或傳輸線,兩根線靠得越近,一個電流往這邊流,一個電流往那邊流,兩個電磁場會抵消掉。也就是說在回路里面產(chǎn)生的感應(yīng)面積相對越小越好。
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電磁輻射干擾原理。主要也是有兩種,一種是電場輻射,電場輻射最典型的就是半波陣子,如果上面這根天線的波程是半個波程,電場是最大的,現(xiàn)在一般都很少有半波程,有一段接大地,有一端作為發(fā)射天線,像中波天線就是這樣,電信天線就是半波陣子。還有一個是磁場天線,磁場天線相當(dāng)于變壓器的回路,不過這個天線有參數(shù),或者半波陣子波程最好是半個波程,根據(jù)這個波程發(fā)射,不是隨便的,長的短的效果是不一樣的。電磁輻射產(chǎn)生這兩個陣子還會充放電,一下子到正,一下子到負(fù),相當(dāng)于電容。充放電在這里會產(chǎn)生磁場,這個磁場又產(chǎn)生電阻,這就是麥格思維,不斷、不斷的傳下去,在這里面的旋度等于面積的強度,這就是麥格思維方程。電磁波傳播是這樣的,輻射原理主要是這個原理。
各種干擾脈沖波形的頻譜。輻射和干擾的頻率有關(guān),頻率一般都是指正弦波,這樣比較好理解,對于方波或正弦波的波形,一般我們都可以把它看成是無窮多個上升率不同的波形進行疊加,也就是用基數(shù)展開,這是數(shù)學(xué)表達方式,比較正確是用不同的上升率,不同的波形進行疊加,但上升率不好理解,一般都是用正旋波表示。這里面波種不同的波形,它產(chǎn)生的干擾不一樣。這種的頻譜是最寬的,這種是高新的,接近于正弦波。120dB的時候是1v,126dB就是2v,大家知道dB是什么嗎?它一般用來表示放大倍數(shù),就是輸出電壓與輸入電壓之比,取數(shù)值大于20。為什么用這個倍數(shù)來比?用倍數(shù)比相當(dāng)于把視角范圍縮小,讓你好看,如果從線性來看,一個毫伏一直到兩伏就沖到天上去了,不好看。用對數(shù)坐標(biāo)表示,越往下越壓縮,前面是壓縮比較小,這邊也是。這里變成10,變成了100,變成1000,這是在電工里面用量表示,用倍數(shù)表示,每6dB就差1倍,大家記住。這里是60÷20=3,是3個據(jù)波,這里是1000微伏,120是正極,1V+6dB=2v。到測試所去測試給一個曲線,很多人問我dB是什么意思?dB就是一個坐標(biāo),后面會加一個單位,一個毫伏0dB就是一個毫伏。功率不是20倍表示了,而是用10倍表示,每3dB差一倍功率,電壓就是每6個dB差一倍。
另外對于輻射干擾,我們最注意的就是共模干擾,差模干擾相對來說比共模干擾小很多,我們做過一個試驗,在同一個導(dǎo)線里面流過的電容,相差的共模干擾是2500倍。上面就是對輻射進行測試,剛才是共模干擾,其他都是傳導(dǎo)測試,其實就是輻射干擾測試,一般就是用天線來測,天線的測試原理就是這樣的,量天線和大地之間的電壓,這個設(shè)備與大地之間有分布電容,前面已經(jīng)說過了,放這個在上面,與板接地產(chǎn)生分布電容。天線也有分布電容,分布電容不是跟設(shè)備大小和距離有關(guān),所以測試的時候都有一個標(biāo)準(zhǔn),固定設(shè)備中間距離有多遠(yuǎn),天線面積用多大,還有一套天線,很多天線,不只是一個,計最大的那個,就是測試電壓最大的那個,天線對輻射會產(chǎn)生諧振。
這就是標(biāo)準(zhǔn)的測試,這里面裝了一個寬帶天線,專門吸收電磁波,這里面都是塑料和導(dǎo)電橡膠,變成電流波在里面來回輻射,然后吸收掉。測試費用很高,一般都要幾萬元,如果沒有把握好測幾次,費用就受不了,最好測試之前自己先測一下。最簡單的,就是用一塊雙面硬紙板,這邊做一個正極天線,那邊做一個磁電線,一邊是接收電場的,一邊是接收磁場,一圈、一圈相當(dāng)于變壓器的線圈,兩根連起來相當(dāng)于正極,長長短短可以把頻率范圍加寬。最好做成半波,但是半波對干擾來說很難定義范圍,不過半波實際上也接收得到,只是幅度變小,就做得寬一些,多裝幾組以后進行測試。你在進行重力測試之前自己先測試,或者他測以后你再測一次,對比哪個頻率超標(biāo)或不合格了,自己再摸底,能夠在那邊插兩個dB,你自己測了之后能插六個dB,那還不合格嗎?它只是一個相對數(shù)據(jù),因為這種方式也不是絕對科學(xué)的東西,而且每個試驗室內(nèi)都有一套標(biāo)準(zhǔn)的東西,只能在我這里測,不能在別的地方測,不管合不合理只能到我這里測,在同等條件下對比,你測試了以后,與他就可以對比差別出來。你在這里比,頻率比也有相差,把它壓下來就可以了。這個你可以用示波器,這也是常用的,相對來說也不貴,就可以使用,如果沒有就用電視機高頻頭裝一個簡單的來調(diào)也可以,調(diào)到后面用一個表進行指示,像調(diào)電視臺一樣,慢慢描出一個曲線出來都可以。
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什么是EMC?其實對于用戶來說,他最關(guān)心的是EMC,但對于產(chǎn)品生產(chǎn)者來說EMI又是最關(guān)鍵的。因為EMI是電磁干擾,電磁干擾你生產(chǎn)出來的設(shè)備會干擾別人的設(shè)備,比如說電視機干擾別人的收音機,或者會干擾人家的手機,這就不行了,因為就把頻率變成有償資源,政府要賣錢的,賣給使用者以后,使用者就有權(quán)利要求你賣給我的頻率一定能用,所以大家定了一個法則,法則定得太高不行,定得太低也不行,雙方要有一個協(xié)議,定出來就是電磁兼容。電磁兼容是使用方和設(shè)備生產(chǎn)方兩方協(xié)商的,一般執(zhí)行都是權(quán)力部門,不是生產(chǎn)方來定。我們國家在1996年以前不管這樣的東西的,為了監(jiān)管,1996年以后我們引入EMC,就是電子兼容的概念,現(xiàn)在我們出口的產(chǎn)品都要經(jīng)過EMC的認(rèn)定,你沒有經(jīng)過EMC認(rèn)定就不行。EMC認(rèn)定一般有6個方面,以前只有3個方面,現(xiàn)在有6個方面,除了電磁場干擾以外還有安全性,安全現(xiàn)在也放到EMC里頭去了。安全在每個國家都不一樣,美國的法規(guī)放得比較松,相對來說沒有歐洲那么嚴(yán),但消費者要認(rèn)這個東西,不管法律。比如uL認(rèn)證,美國法律就沒有規(guī)定,沒有說產(chǎn)品一定要經(jīng)過UL認(rèn)證,但消費者認(rèn)這個東西,你經(jīng)過了認(rèn)證我就認(rèn)你,不經(jīng)過我就不認(rèn)你,歐洲都是有法律制定的。
我們后面再講很具體的電路問題。很多人對地的概念不是很清楚,也不了解,現(xiàn)在很多人都把電路里面的公共關(guān)說成地,具體是不是?我們先介紹幾個概念。一般按照道理,最早地就是大地,后來地慢慢習(xí)慣用到設(shè)備里面,包括外殼、輸入線,比如說示波器或者信號線,與大地連在一起,有的不連,現(xiàn)在就變成了一個很模糊的概念,我們就把熱地、冷地、浮地、接地幾個概念簡單介紹一下。這個符號是比較標(biāo)準(zhǔn)的接地符號,就是接大地的,不管哪個設(shè)備接地都是這個符號。熱地國家還沒有標(biāo)準(zhǔn),大部分都習(xí)慣用這個箭頭作為熱地。冷地國家也沒有標(biāo)準(zhǔn),大家都接受是這樣的,這三個地基本上電工里面都有明確定義的,這個地就是接大地,熱地就是里面整流出來電源的某一端是公共端,人去摸它會帶電,會電死人,和前面的火線會產(chǎn)生回路電流,會電到人,所以這個叫做熱地。還有一個通過電子耦合以后沒有電的關(guān)聯(lián),只有磁場關(guān)聯(lián),你去量根本沒有回路,叫做冷地,手是可以摸的。但是你不要以為它是冷地就不帶電,實際上它還是帶電,為什么帶電?大家可能一下子不是很清楚,它帶的是靜電,相當(dāng)于極化帶電,就是線圈通過感應(yīng)以后,一頭帶負(fù)的,一頭帶正的。電容機也是,有一頭帶電,有一頭不帶電,這一點還是帶負(fù)電,不帶電的沒有跟電路連接,定位與大地一樣,所以叫做浮地。對應(yīng)的不是與大地相等,但沒有與大地連接,拿電表來量這一點與大地沒有電壓。浮地的信號現(xiàn)在還沒有,如果大家參考的話可以參加這個符號來用,這個地方電位等于零,當(dāng)兩邊發(fā)生變化就用這個來表,對電路分析有好處,特別是嚴(yán)重干擾的時候一定要把浮地找到,因為電位越高的地方電容越容易干擾,電位等于零,也就是浮地和電位是越低的地方干擾就越小。
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為了降低傳導(dǎo)干擾,現(xiàn)在一般在輸入電路里面都要加濾波器,這邊是設(shè)備產(chǎn)生的干擾,通過這幾個濾波以后就會把幾個電壓降低,這兩個電容是共模的濾波電容,這幾個有共模電感,也有差模電感,因為共模電感的體積比較大,成本比較高,所以大家都沒有用,都在用共模電感代替。因為共模電感本身有漏感,漏感對差模來說也有抑制作用,所以相對來說用共模電感代替差模電感,成本可以大大降低。這兩個電容很關(guān)鍵,在安全里面兩個的和不能超過470b,為什么?安全測試的時候在安全設(shè)備上加2500v交流電來測與地的漏電,如果超過2.5毫安就算不合格。這樣算的話50就是2500v電壓,算出來的電壓不能超過470b。按照共模預(yù)計,這兩個做得更大一點,最大不能超過4700v。這是差模電容,差模電容沒有要求,用的越大越好。但是用得越大也有一個問題,把電容線拔掉的時候上面帶電不能超過,所以這里必須加一個放電電阻,這邊大的以后也可以加一個放電電阻,充電拔掉以后,下面人不能摸,會電到人,所以用放電電阻把它放掉。
這是網(wǎng)友發(fā)給我的,他說測試很多次都不能過關(guān),怎么處理?這是很簡單的開關(guān)電容,我們拿這個來分析一下。這是變壓器的幾個腿,開關(guān)管接在這個地方,也就是說開關(guān)管的漏值或極電值接在這里,這是電源的輸入,這是濾波電源,測出來的曲線在這里,以這條線為標(biāo)準(zhǔn),以下就合格,超過不算合格,要求它降下來。傳導(dǎo)干擾基本上是勉強通過的,如果接上負(fù)載以后脈寬不斷地調(diào)整,相對來說測得比較低。不是說一直過不了,我們分析原因,它認(rèn)為干擾變壓器這一點干擾幅度是最高的,就是變壓器輸入這一段,如果能夠降低干擾,不一定能夠是電流回路越小越好,導(dǎo)線越短越好,面積越小越好,他知道這個干擾最厲害。但是又聰明過頭,認(rèn)為干擾越大越厲害,通過電容把電壓接到地上,不是好了嗎?這就是把干擾幅度很高的地方用電容接地,讓它降低干擾不是很好嗎?這個想法好像很聰明,實際上這是不對的,因為這里沒有地,導(dǎo)電模上都沒有接大地,把這個連起來以后,通過電容連起來,整個這邊這一片都變成輻射天線了,面積增大了,電場感應(yīng)的感應(yīng)強度和面積有關(guān),就是分布電容大小,分布電容大小就是導(dǎo)體的表面積。連起來就變成無線天線,這是不科學(xué)的,把電容去掉就好了。
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