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動態:電纜對低頻磁場的抑制

時間:2022-08-25 15:59:44    來源:沈儒電線電纜

低頻磁場干擾在實際中是很常見的,例如電源線的附近、馬達或變壓器的附近等。當電纜穿過這種磁場時,電纜所連接的電路中就會產生干擾。這種干擾是由于導體回路面積所包圍的磁通量發生變化所致。根據電磁感應定律,導體上感應的電壓幅度與它所包圍的磁通變化率成正比。如果回路面積所含的磁通量為j,則:VN=(dj/dt)  如果假設回路面積A中所包圍的磁場是均勻的,也即,回路中各點的磁通密度B是相等的,則j=AB,則:VN=A(dB/dt)  如果磁場按正弦規律變化,且表示成:B=B0e-jwt則:VN=jwAB  從公式中,可以看出,感應電壓與磁場的頻率、磁通密度、回路面積等成正比。由于外界干擾場的頻率是不受控的,因此為了減小感應電壓,應盡量減小回路中所包圍的磁通密度和回路的面積。減小磁通密度只能通過增加電纜與磁場輻射源之間的距離來實現。減小回路面積可以通過使用適當的電纜和接地方式來實現。克服磁場的干擾有效方法是減小回路的面積,也就是使信號線與其回線盡量靠近。雙絞線和同軸線在減小磁場干擾方面有很好的效果。


(相關資料圖)

雙絞線:雙絞線能夠有效地抑制磁場干擾,這不僅是因為雙絞線的兩根線之間具有很小的回路面積,而且因為雙絞線的每兩個相鄰的回路上感應出的電流具有相反的方向,因此相互抵銷。雙絞線的絞節越密,則效果越明顯。但是,如果電路的兩端接地,則不再具有上述特征。因為這時每根導線與地平面之間構成了一個面積很大的回路,在這個回路中會產生感應電流。由于兩根導線是不平衡的,因此會產生差模電壓。

同軸電纜:當同軸電纜適當連接時,對磁場干擾的抑制效果是十分理想的。因為同軸電纜上信號電流與回流可以等效為在幾何上重合,其面積為0。為了保持同軸電纜的這個特性,在電纜的兩端,非同軸部分,要保持面積盡量小。即屏蔽層的聯線盡量短。實際的同軸電纜,由于芯線與外層不一定是完全同心,因此會有一定的等效面積,影響其抑制效果。與雙絞線的情況相似,同軸線的兩端也不能接地,否則在芯線與大地的回路中和外層與大地的回路中都會產生電流,由于電路非平衡性,會產生差模噪聲。由于天線的對稱原理,上述結構的電纜如果接收效率低,則它們的輻射效率也低,因此,雙絞線電纜和同軸電纜的輻射也較小。利用這個特點,可以減小電纜的磁場輻射。屏蔽電纜的效果與屏蔽層和電路的接地密切相關。特別是當外界干擾為磁場時,不同的連接方法效果大不相同。這組數據是在磁場中針對不同的接地結構試驗獲得的:  結構A: 在信號線上套一個非磁性材料的屏蔽套,并且單點接地。對于磁場而言,當非磁性材料的屏蔽層單點接地時,信號回路中的磁場沒有變化,因此磁場感應是相同的,即這種結構沒有屏蔽效果。這種情況屏蔽效果定義為0dB,作為參考點。  結構B:將A中的屏蔽層兩端接地。這時就能夠提供一定的屏蔽效能了。因為由屏蔽層與地平面構成的環路中也感應了電流,這個電流產生了一個與原磁場相反的磁場,使信號回路中的磁場減弱,感應噪聲減小。  結構C:雙絞線本應提供較好的屏蔽效果(由于相鄰絞節中感應的電流方向相反,相互抵消),但由于電路兩端接地,實際的感應回路并不小,因此效果較差。  結構D:在雙絞線上加了一個單端接地的屏蔽層,由于單端接地的屏蔽層對磁場沒有屏蔽效果,因此并沒有改善雙絞線的屏蔽效能。  結構E:將屏蔽層兩端接地后,同B一樣,屏蔽層中的電流產生的反磁場削弱了原磁場,屏蔽效能有所提高。說明:結構C是一種常見的錯誤,在實踐中要避免。  結構F:電路只在單點接地,利用電纜的屏蔽層作為回流路徑,大大減小了感應回路的面積,因此屏蔽效能大幅度提高。理想的同軸電纜回路面積為0,不會感應上任何噪聲電壓。實際同軸電纜的屏蔽效果取決于芯線與外層軸心的偏差。  結構G:雙絞線由于具有很小的感應回路,并且相鄰絞節中的感應電流對消,因此表現出較高的磁場屏蔽效果。實際的抑制效果比55更高,因為這里有些電場感應了進來。這從結構H可以看出。在結構H中,單端接地的屏蔽層抑制了電場感應,是屏蔽效果提高到70。  結構H:在G的基礎上增加一個單端接地的屏蔽層,消除了(實驗裝置產生的附加)電場的影響。這里的屏蔽效果沒有F高,是因為雙絞線的回路面積沒有同軸電纜的小。增加絞節密度可以進一步提高抑制效果。  結構I:將H中的屏蔽層兩端接地后,導致屏蔽效能下降。這是因為屏蔽層兩端接地后,在屏蔽層上產生了感應電流,這個電流在雙絞線上感應出電流,由于電路不是平衡的,導致產生差模電壓。  結構J:將H中的屏蔽層非接地的一端接到電路公共端,進一步提高了屏蔽效能,但沒有達到F的水平,因為F中的電纜是同軸電纜,具有很小的感應回路。問題:結構H的屏蔽效能比結構G提高了一些,這是因為單端接地的屏蔽層消除了實驗裝置產生的附加額外的電場,為什么結構D的屏蔽效能沒有比結構C的屏蔽效能提高?

平衡電路:

平衡電路中的兩個導體及與其連接的所有電路對地或其它導體有相同的阻抗。  平衡電路對電磁場的響應:平衡電路中的兩個導體幾何尺寸相同,并且靠得很近,因此可以認為是處于同一個場強。由于它們相對于任何參照物體的阻抗都相等,因此它們上面感應的電流是相同的,在導體兩端相對于參考點的電壓也是相同的。因此兩根導體之間的電壓為0V。  若這兩個導體連接在電路的輸入端,為電路提供輸入信號電壓,由于它們之間沒有噪聲電壓,因此外界電磁場對電路的輸入沒有影響。理想的平衡電路能夠抵抗任何強度的電磁場干擾。  平衡電路性能的評估:平衡電路的平衡程度用共模抑制比來描述。共模抑制比定義為共模電壓與它所產生的差模電壓之比,常用分貝來表示。  CMRR=20lg(VC/VD)dB  例如,如果電路的共模抑制比為60dB,則1000V的共模電壓在電路的輸入端只能產生1V的差模電壓。該電路的抗雷電等產生的共模干擾的性能很好。  設計良好的電路,其共模抑制比可以達到60-80dB。但在高頻時,由于寄生參數的影響,電路的平衡性很難作得很好。所以,平衡電路對高頻的共模干擾也沒有很好的抑制效果。

注意1:

在使用平衡電路時,不僅要選用平衡電路,而且,在布線時也要保證兩根線的對稱性,這樣才能保證高頻的平衡性。

注意2:

雙絞線是一種平衡結構雙絞線是一種平衡結構,因此在平衡系統中經常使用雙絞線。同軸電纜則不是平衡結構,在平衡系統中使用時要注意連接方法。同軸電纜只能做一根導體使用,其外層作為屏蔽層使用。  平衡電路對空間和地線的電磁干擾具有很好的抑制作用,因此在通信電纜上得到廣泛的應用。當平衡電路的共模抑制比不能滿足要求時,可以用屏蔽、共模扼流圈等方法來進行改善。但屏蔽的方法僅適合于空間電磁場造成共模干擾的場合。共模扼流圈的方法可以適合于任何共模干擾的場合,如地線電位差造成的共模干擾。

屏蔽:將電路的輸入電纜屏蔽起來,屏蔽層按照規范進行連接,可以起到屏蔽電磁場的作用,它的抑制效果與電路平衡性對空間電磁場的共模干擾的抑制效果是相加的。例如,屏蔽提供的共模抑制效果是30dB,平衡電路的共模抑制比是60dB,則總的共模抑制效果是90dB。電纜屏蔽層的屏蔽效果在很大程度上決定于屏蔽層的端接方式,端接不好的話(不是360度搭接方式),高頻的屏蔽效能會下降。

共模扼流圈:共模扼流圈的特殊繞制方法決定了它僅對共模電流有抑制作用,而對電路工作所需要的差模電流沒有影響。因此,共模扼流圈是解決共模干擾的理想器件。理想的共模扼流圈低頻的共模抑制作用小,而隨著頻率的升高,抑制效果增加。這與平衡電路低頻的共模抑制比高,隨著頻率升高,平衡性變差,共模抑制比降低的特性正好相反,因此具有互補性。所以,在平衡電路中使用了共模扼流圈后,電路在較寬的頻率范圍內能保持較高的共模抑制比。

說明1:實際共模扼流圈的頻率特性與磁芯的材料,線圈的繞法等因素有關,在實際使用時,要根據具體情況進行參數的調整。

說明2:共模扼流圈的特性與許多共模抑制器件的特性都有互補性,例如,隔離變壓器,由于初次級之間寄生電容的影響,對于高頻共模干擾抑制效果很差,與共模扼流圈一起使用后,就改善了這個缺陷。共模扼流圈的另一個好處是,不需要接地。這為設計提供了很大方便。

關鍵詞: 平衡電路 同軸電纜 屏蔽效能 共模抑制比 磁通密度

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