電子電氣設(shè)備的接地

1概述

接地是提高電子電氣設(shè)備電磁兼容性有效的重要手段之一。正確的接地既能抑制外部電磁干擾的影響，又能防止電子電氣設(shè)備向外部發(fā)射電磁波；而錯誤的接地常常會引入非常嚴(yán)重的干擾，甚至?xí)闺娮与姎庠O(shè)備無法正常工作。尤其是成套控制設(shè)備和自動化控制系統(tǒng)，因?yàn)橛卸喾N控制裝置分散布置在許多地方，所以它們各自的接地往往會形成十分復(fù)雜的接地網(wǎng)絡(luò)，不僅需要在系統(tǒng)設(shè)計時周密考慮，而且在安裝調(diào)試時也要仔細(xì)檢查和做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

“地線”是對接地的實(shí)施，即按一定的要求，用必要的金屬導(dǎo)體或?qū)Ь€把電路中的某些“地”電位點(diǎn)連接起來，或是將電子電氣設(shè)備的某一部位（如：外殼）和大地連接起來。狹義上講，“接地”——即與地球保持“同電位”；廣義上講，“接地”——是電路系統(tǒng)中的“等電位點(diǎn)或等電位面”，它是電路系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。

2電氣設(shè)備接地的作用及分類

2?1電子電氣設(shè)備接地的作用

電子電氣設(shè)備接地的目的有二，一是處于安全的考慮，二是為了抑制外部的干擾。

（1）安全的考慮

以確保人員和設(shè)備的安全為目的的接地稱為“保護(hù)接地”，它們必須可靠地接在大地電位上。一般地說，電子電氣設(shè)備的金屬外殼、底盤、機(jī)座都要可靠接地。

（2）抑制外部干擾的考慮

電子電氣設(shè)備的某些部位與大地相連可以起到抑制外部干擾的作用，例如靜電屏蔽層接地可以抑制變化的電場的干擾，電磁屏蔽用的導(dǎo)線原則上可以不接地，但不接地的屏蔽導(dǎo)線時常會帶來靜電耦合而產(chǎn)生所謂的“靜電屏蔽”效應(yīng)，所以仍需要接地為宜。

2?2電子電氣設(shè)備接地的分類

一般地說，電子電氣設(shè)備有許多需要接地的部位，由于電路的性質(zhì)和接地的目的不同，必須加以嚴(yán)格區(qū)分，需要分成若干獨(dú)立的子系統(tǒng)，然后連接在一起進(jìn)行總接地。從接地的性質(zhì)看，把接地分為三大類：

（1）保護(hù)接地

電子電氣設(shè)備的金屬外殼、底盤、機(jī)座用良好的導(dǎo)體與大地連接成等電位，稱為保護(hù)接地，它對電子電氣設(shè)備的安全運(yùn)行和維護(hù)人員的生命安全起到十分重要的作用。

（2）屏蔽接地

為了抑制變化的電磁場的干擾而采用的多種屏蔽層、屏蔽體，都必須良好地接地，才能起到良好的屏蔽作用。

（3）系統(tǒng)接地

圖1單相三線制接線圖

圖2三相四線制接線圖

要使電子電氣設(shè)備能正常地運(yùn)行和穩(wěn)定可靠地工作，也必須處理好等電位點(diǎn)的接地問題，這類接地稱之為系統(tǒng)接地。對于系統(tǒng)接地來說，由于其工作性質(zhì)和用途的不同，又可分為：信號地、模擬地、數(shù)字地、電源地、計算機(jī)地、負(fù)荷地、外設(shè)地等。

3接地的方式

地線設(shè)計是一項(xiàng)重要的設(shè)計，也是難度較大的一項(xiàng)設(shè)計。在EMC設(shè)計的初期就進(jìn)行地線設(shè)計是解決EMC問題的最有效、最廉價的方法。下面對三大類接地方式分別進(jìn)行詳盡討論。

3?1保護(hù)接地

接地作為一種措施，起源于強(qiáng)電技術(shù)，由于強(qiáng)電電壓高、容量大，容易危及人身和設(shè)備的安全。因此，從安全的角度考慮，電氣設(shè)備的金屬外殼、底盤、機(jī)座都應(yīng)與大地良好地連接成等電位，從而在故障狀態(tài)下保證人身和設(shè)備的安全。電氣設(shè)備的保護(hù)接地有兩種方式：

（1）保護(hù)接零

三相四線制供電系統(tǒng)中的中性線即為保護(hù)接零線，它是電路環(huán)路的重要組成部分。

（2）保護(hù)接地

除零線以外，另外配備一根保護(hù)接地線，它與電子電氣設(shè)備的金屬外殼、底盤、機(jī)座等金屬部件相連，一般情況下，保護(hù)接地線是沒有電流流動的，即使有有電流流動也是非常小量的漏電流，所以說，在一般情況下，保護(hù)接地線上是沒有電壓降的，與之相連的電子電氣設(shè)備的金屬外殼都呈現(xiàn)地電位，保證了人身和設(shè)備的安全。

出于上述目的，各國都對保護(hù)接地作了必要的規(guī)定。例如美國國家電氣委員會在電氣法中規(guī)定了交流電源的輸配電標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了室內(nèi)115V交流配線為三線制，如圖1所示。火線上串有熔絲，負(fù)載電流經(jīng)火線至負(fù)載，再由中線返回。另備有一根保護(hù)接地線，該線與設(shè)備的金屬外殼、底盤等金屬部件相連，當(dāng)發(fā)生故障時，例如負(fù)載的絕緣被擊穿損壞，保護(hù)接地線上瞬間將有大電流流過，電路中的熔絲或斷路器由于大電流流過將很快把電路切斷，從而保證了人身和設(shè)備的安全。我國的三相四線制配電系統(tǒng)與美國的類似，如圖2所示，只是電壓不同而已。

3?2系統(tǒng)接地

除了上面介紹的從安全角度出發(fā)而考慮的保護(hù)接地外，為了保證電子電氣設(shè)備正常、穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行，還必須處理好設(shè)備內(nèi)部系統(tǒng)中各個電路工作的參考電位，這類基準(zhǔn)參考電位的連接線稱為“系統(tǒng)接地”。在電子電氣設(shè)備控制系統(tǒng)中遇到的大量和經(jīng)常需要解決的主要接地問題是系統(tǒng)接地。

系統(tǒng)接地線既是各電路中的靜態(tài)動態(tài)電流通道，又是各級電路通過共同的接地阻抗而相互耦合的途徑，從而形成電路間相互干擾的薄弱環(huán)節(jié)?？梢钥隙ǖ刂v，電子電氣設(shè)備中的一切抗干擾措施，幾乎都無一例外的與接地有關(guān)。因此，正確的接地是抑制噪聲和防止干擾的主要途徑，它不僅能保證電子電氣設(shè)備正常、穩(wěn)定和可靠地工作，而且能提高電路的工作精度。反之，不正確的接地，會降低電路的工作精度，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致電子電路無法正常工作，陷入系統(tǒng)癱瘓的境地。

電子電氣設(shè)備中的系統(tǒng)接地是否要接大地和如何接大地，與系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性有著極其密切的關(guān)系，這是電子電氣設(shè)備接地系統(tǒng)技術(shù)中的重要議題。電子電氣設(shè)備的系統(tǒng)接地方式有三種：

（1）浮空地

“浮空”就是不接大地，任其懸浮的一種方式，它的實(shí)質(zhì)是使電路的某一部分與“大地線”完全隔離，從而抑制來自接地線的干擾。由于沒有電氣上的聯(lián)系，因而也就不可能形成地環(huán)路電流而產(chǎn)生地阻抗的耦合干擾。圖3及圖4是兩種浮空地。浮空地方式具有這一主要優(yōu)點(diǎn)，但也有其不足之處：

圖3設(shè)備懸浮地

圖4單元懸浮地

圖5浮地電位波動產(chǎn)生干擾

研究成果表明，一個較大的電子電氣控制設(shè)備，由于存在較大的對地分布電容，它的基準(zhǔn)電位將會受電磁場的干擾（通過分布電容），使得電路產(chǎn)生位移電流，而難以正常工作。在電子電氣控制設(shè)備的工作速度提高、感應(yīng)增大、輸入輸出增多或加長的情況下，其對地分布電容就會增大，繼而加大位移干擾電流。另外，由于分布電容的存在，容易產(chǎn)生靜電積累和靜電放電，在雷電情況下，還會在機(jī)箱和單元之間產(chǎn)生飛弧，甚至使操作人員遭到電擊。所以對于比較復(fù)雜的電磁環(huán)境，“浮地方式”是不太適宜的。圖5所示電路中分布電容C，在外界干擾的作用下會產(chǎn)生干擾電勢e。

（2）系統(tǒng)地直接接大地

這種接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)恰好與“浮空地”方式相反，當(dāng)電子電氣控制設(shè)備的分布電容較大時，宜采用直接接大地方式，但要注意選擇接地點(diǎn)的位置及其接地點(diǎn)的多少，只要合理選擇，便能把干擾降低到最低程度。

（3）電容接地方式

經(jīng)電容把系統(tǒng)地與大地連接起來，接地電容多為高頻電容，它提供對“系統(tǒng)地”至“大地”高頻干擾分量的通路，相當(dāng)于一個高通濾波器，從而抑制了由對地分布電容所造成的影響。這種接地方式只適合于低頻系統(tǒng)，所用電容應(yīng)具有良好的高頻特性和足夠的耐壓值，電容量一般2μF～10μF。

4系統(tǒng)地接地的原則

4?1低頻電路的接地原則

低頻電路的接地，應(yīng)堅持一點(diǎn)接地的原則，而在一點(diǎn)接地的原則中，又有串聯(lián)和并聯(lián)之區(qū)別。如圖6所示。

單點(diǎn)接地是為許多接在一起的電路提供共同參考點(diǎn)的方法，并聯(lián)單點(diǎn)接地最為簡單而實(shí)用，它沒有公共阻抗耦合和低頻地環(huán)路的問題。每一個電路模塊都接到一個單點(diǎn)地上，每一個子單元在同一點(diǎn)與參考點(diǎn)相連。地線上其它部分的電流不會耦合進(jìn)電路。這種接地方式在1MHz以下的工作頻率下能工作得很好。但是，雖著頻率的升高，接地阻抗隨之增大，電路上會產(chǎn)生較大的共模電壓。所以，單點(diǎn)接地不適合于高頻電路。

4?2高頻電路的接地原則

對于工作頻率較高的電路和數(shù)字電路，由于各元器件的引線和電路的布局本身的電感都將增加接地線的阻抗，因而在低頻電路中廣泛采用的一點(diǎn)接地的方法，若用在高頻電路容易增加接地線的阻抗，而且地線間的雜散電感和分布電容也會造成電路間的相互耦合，從而使電路工作不穩(wěn)定。

為了降低接地線阻抗及其減少地線間的雜散電感和分布電容造成電路間的相互耦合，高頻電路采用就近接地——即“多點(diǎn)接地”的原則，把各電路的系統(tǒng)地線就近接至低阻抗地線上，如圖7所示。

一般來說，當(dāng)電路的工作頻率高于10MHZ時，應(yīng)采用多點(diǎn)接地的方式。由于高頻電路的接地關(guān)鍵是盡量減少接地線的雜散電感和分布電容，所以在接地的實(shí)施方法上與低頻電路有很大的區(qū)別。

圖6一點(diǎn)接地

(a)串聯(lián)接地(b)并聯(lián)接地

圖7多點(diǎn)接地系統(tǒng)

(a)設(shè)備多點(diǎn)接地(b)單元多點(diǎn)接地

圖8電子電氣設(shè)備的混合接地

4?3整機(jī)系統(tǒng)的混合接地原則

混合接地既包含了單點(diǎn)接地的特性，又包含了多點(diǎn)接地的特性。例如，系統(tǒng)內(nèi)的低頻部分需要單點(diǎn)接地，而高頻部分需要多點(diǎn)接地。圖8是某一電子電氣設(shè)備的混合接地，把設(shè)備的地線分成三大類：電源地、信號地、屏蔽地。所有的電源地線都接到電源總地線上，所有的信號地線都接到信號總地線上，所有的屏蔽地線都接到屏蔽總地線上，三根總地線最后匯總到公共的參考地。

5結(jié)語

接地問題是一個貌似簡單，實(shí)質(zhì)上卻是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程。良好的接地系統(tǒng)設(shè)計，不僅可以有效地抑制外來電磁干擾的侵襲，使電子電氣設(shè)備安全穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行，而且保證較少地向外界大自然環(huán)境施放噪聲和電磁污染；反之，不僅不能有效地抑制來自外界空間的電磁干擾，使電子電氣設(shè)備的系統(tǒng)工作紊亂，同時還會向外界大自然環(huán)境施放噪聲和電磁污染，危害大自然環(huán)境。所以，對于接地系統(tǒng)的問題必須給予足夠的重視，從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，去研究解決電子電氣設(shè)備的接地問題，一定會收到良好的經(jīng)濟(jì)效果和社會效果。