電氣設(shè)備內(nèi)部干擾的抑制

1干擾的產(chǎn)生和傳遞

1?1干擾的產(chǎn)生

電氣設(shè)備在工作過(guò)程中，除了要受到來(lái)自外部的干擾之外，還要受到來(lái)自內(nèi)部的各種干擾。因此，對(duì)于電氣設(shè)備的抗干擾來(lái)說(shuō)，既要抑制外部干擾，又要盡可能的減小內(nèi)部干擾對(duì)設(shè)備造成的不良影響。內(nèi)部干擾可分為兩大類，一種是內(nèi)部噪聲，另一種是內(nèi)部的電磁和靜電干擾。

1?2內(nèi)部噪聲

電氣設(shè)備的內(nèi)部噪聲是由于內(nèi)部的各種元器件所產(chǎn)生的“熱噪聲”、“散粒噪聲”和“接觸噪聲”。

（1）熱噪聲熱噪聲也稱為電子噪聲，它是設(shè)備內(nèi)部中的電子元器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量所造成的溫度波動(dòng)，以及環(huán)境溫度的變化而引起的元器件參數(shù)的變化造成的，因?yàn)檫@一噪聲是由于電子的熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的，因此被稱為熱噪聲，這種噪聲會(huì)隨著溫度的升高而增大。對(duì)這類噪聲的抑制主要從降低設(shè)備內(nèi)部的溫度著手。

（2）散粒噪聲散粒噪聲是由電子（或空穴）的隨機(jī)發(fā)射而引起的，主要存在于電子管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、晶閘管等半導(dǎo)體器件中。由于半導(dǎo)體中的載流子都是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的，所以在各個(gè)短暫的瞬間，它們都是不連續(xù)和不規(guī)則的。這種不規(guī)則性所產(chǎn)生的電性能的變化，就成為頻譜范圍很寬的噪聲。

（3）接觸噪聲接觸噪聲是由于兩種材料之間的不完全接觸而形成的電導(dǎo)率起伏變化所產(chǎn)生的。它們包括開(kāi)關(guān)組件、接插件、繼電器、接觸器等觸點(diǎn)的接觸不良所產(chǎn)生的噪聲，晶體管內(nèi)部的動(dòng)態(tài)噪聲，元器件質(zhì)量或特性不良產(chǎn)生的噪聲，以及不同金屬接觸面所形成的電化噪聲、接點(diǎn)噪聲或松動(dòng)引起的噪聲等等。由于接觸噪聲多發(fā)生在低頻段，所以是低頻電路中最主要的噪聲源。

1?3內(nèi)部的電磁和靜電干擾

內(nèi)部的電磁和靜電干擾是由于內(nèi)部的各種元器件的相互排列而引起的電場(chǎng)感應(yīng)、磁場(chǎng)感應(yīng)所產(chǎn)生的干擾。

（1）電場(chǎng)感應(yīng)電場(chǎng)感應(yīng)是由電場(chǎng)耦合而產(chǎn)生的一種干擾，也稱為電容性耦合干擾，它是由于兩單元電路間存在的分布電容所引起的，是兩電路間電場(chǎng)相互作用的結(jié)果。由于實(shí)際電路中雜散電容的存在，這就勢(shì)必使一個(gè)電路中電荷的變化影響到另一個(gè)電路，形成兩電路間的相互影響。在頻率極高的射頻段，電場(chǎng)耦合干擾極為嚴(yán)重，在低頻段如果電路的工作電平不高，即使在音頻范圍內(nèi)，電場(chǎng)耦合的干擾也是不容忽視的。

（2）磁場(chǎng)感應(yīng)磁場(chǎng)感應(yīng)是由磁場(chǎng)耦合而產(chǎn)生的一種干擾，也稱為電感性耦合干擾，它是由于兩電路間（或回路間）存在的磁感應(yīng)耦合而引起的，是磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果，亦稱為互感耦合，當(dāng)兩電路（回路）之間存在互感時(shí)，一個(gè)電路中電流的變化，必將通過(guò)磁場(chǎng)交鏈的形式耦合到另一電路。

圖1電場(chǎng)屏蔽

2內(nèi)部噪聲的抑制

2?1熱噪聲的抑制

電氣設(shè)備內(nèi)部的元器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量而使設(shè)備內(nèi)部溫度升高，反過(guò)來(lái)環(huán)境溫度的升高促使元器件產(chǎn)生更大的噪聲電壓。產(chǎn)生噪聲電壓的元器件有電阻器、所有的半導(dǎo)體器件、變壓器、電感線圈、發(fā)光器件等。針對(duì)熱噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，我們可以采取如下幾種措施：

（1）熱屏蔽

熱屏蔽就是把發(fā)熱點(diǎn)用一種特殊的導(dǎo)熱性能良好的材料做成的屏蔽罩“包圍”（就像電磁屏蔽一樣）起來(lái)，使其所產(chǎn)生的熱量和散發(fā)的熱量達(dá)到平衡使溫度場(chǎng)恒定，從而達(dá)到減小（或沒(méi)有）溫度的變化，以抑制因溫度的變化所帶來(lái)的噪聲干擾。

（2）熱隔離

熱隔離就是把那些易產(chǎn)生熱量的元器件與那些對(duì)溫度變化比較敏感的元器件用絕熱性能好的材料隔離開(kāi)。例如，若在同一控制箱內(nèi)具有較大發(fā)熱量的元器件和對(duì)溫度較敏感的元器件的情況下，可在這二者之間加裝隔熱板，降低熱輻射及熱傳導(dǎo)，以達(dá)到抑制因溫度升高而引起的噪聲干擾。

（3）強(qiáng)制散熱

強(qiáng)制散熱就是采用人工的方法，強(qiáng)制降低電氣設(shè)備內(nèi)部及其大功率器件的溫度。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于功率半導(dǎo)體器件應(yīng)加裝散熱器，對(duì)于發(fā)熱較大的電氣設(shè)備應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，以達(dá)到降低溫度從而起到抑制熱噪聲的作用。

2?2散粒噪聲的抑制

散粒噪聲是由元器件的固有性能所決定的，對(duì)于電氣設(shè)備的研制者來(lái)說(shuō)，是一個(gè)客觀存在，設(shè)計(jì)人員只有更多地掌握元器件信息，不斷地反復(fù)試驗(yàn)，在實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，選擇性價(jià)比最高的元器件，以取得最佳的抑制噪聲的效果。

2?3接觸噪聲的抑制

接觸噪聲的抑制仍然是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的問(wèn)題，只有不斷地實(shí)踐摸索，才能夠總結(jié)出抑制接觸噪聲的經(jīng)驗(yàn)，才能夠把接觸噪聲降到最低點(diǎn)。

3內(nèi)部的電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾的抑制

3?1電場(chǎng)感應(yīng)的抑制

電場(chǎng)感應(yīng)是由電場(chǎng)耦合而產(chǎn)生的一種干擾，當(dāng)兩個(gè)相互絕緣的導(dǎo)體相對(duì)放置時(shí)，一方的電荷變化，必將通過(guò)電場(chǎng)耦合而影響到另一方，這就是電容耦合。在電路板的布線中，電路之間的雜散電容、分布電容是產(chǎn)生電場(chǎng)耦合的通道。要抑制電場(chǎng)耦合帶來(lái)的干擾，必須采取相應(yīng)的措施，盡可能地降低雜散電容和分布電容，就可以降低電場(chǎng)耦合帶來(lái)的干擾，具體措施如下：

（1）電場(chǎng)屏蔽

電場(chǎng)屏蔽是針對(duì)電場(chǎng)耦合所形成的干擾而采取的一種屏蔽措施。它是通過(guò)屏蔽體把干擾源（或需要保護(hù)的電路）封閉起來(lái)，切斷電力線的通道，且必須把屏蔽體可靠接地。加裝屏蔽體實(shí)質(zhì)上是降低了干擾源與被保護(hù)電路之間的耦合電容。在圖1（a)中，未采取屏蔽措施，A和B之間存在耦合電容CAB；在圖1(b)中，雖然采取了屏蔽措施，但是屏蔽體卻未接地，它們之間仍然存在耦合電容CCB；在圖1(c)中，既采取了屏蔽措施，而且把屏蔽體接地，它們之間的耦合電容消失了。實(shí)踐中電場(chǎng)屏蔽的方法有兩種，第一種是用接地的屏蔽體包圍干擾源，它可以有效地切斷電力線的延伸，從而避免對(duì)其它電路形成的干擾；第二種是用接地的屏蔽體包圍需要保護(hù)的電路，形成一個(gè)有效的“潔凈”空間，從而避免了來(lái)自外界的電場(chǎng)耦合干擾。圖1從（a)到(c)的演示過(guò)程說(shuō)明“屏蔽罩”和“接地”之間的密切關(guān)系。只加“屏蔽罩”，而不“接地”是毫無(wú)意義的。

（2）布線和布局

合理的布線和布局是抗干擾措施中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。前面講過(guò)，電場(chǎng)耦合就是電容耦合，而要減小電容耦合所帶來(lái)的干擾，其實(shí)質(zhì)就是要降低干擾源與被干擾電路之間的分布電容。在布局上，增大干擾源與對(duì)電場(chǎng)噪聲敏感的電路之間的距離（增大距離就等于降低了耦合電容），在實(shí)踐中不失為一種良策。在布線上，縮短布線長(zhǎng)度，增加布線間的距離，都能夠很好地抑制電容耦合噪聲所帶來(lái)的干擾。另外要強(qiáng)調(diào)的是，一定要把高壓信號(hào)電路與低壓信號(hào)電路隔離開(kāi)來(lái)，如果不采取措施，那么低壓信號(hào)電路，尤其是邏輯電路將不能正常工作。

圖2磁場(chǎng)屏蔽

(a)屏蔽板(b)屏蔽體

圖3屏蔽層作信號(hào)回線減少干擾

3?2磁場(chǎng)感應(yīng)的抑制

磁場(chǎng)屏蔽是針對(duì)磁場(chǎng)耦合所形成的干擾而采取的一種屏蔽措施。磁場(chǎng)屏蔽與電場(chǎng)屏蔽之間存在著很大的差異，如果仍然采用“屏蔽體”加“接地”的辦法，那么可能是得不償失，收效甚微。因?yàn)椤按帕€”與“電力線”不同，它能夠穿出任何物體，“屏蔽體”可以隔斷“電力線”，但卻無(wú)法隔斷“磁力線”。鑒于磁場(chǎng)的這種特殊性，對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽可以采取如下幾方面的措施：

（1）采用高導(dǎo)磁材料制做屏蔽體

圖2（a)是在干擾磁場(chǎng)和被保護(hù)的電路之間放置一塊由高導(dǎo)磁材料制做的“屏蔽板”，那么磁力線將從“屏蔽板”通過(guò)，該電路所在的空間中所通過(guò)的磁力線將大大減少，從而起到屏蔽的作用。圖2(b)是在干擾磁場(chǎng)中用具有一定厚度的高導(dǎo)磁材料制成的密封“屏蔽體”，在這個(gè)“屏蔽體”的內(nèi)部，形成了一個(gè)沒(méi)有磁力線通過(guò)的“潔凈區(qū)”。之所以這個(gè)密封的“屏蔽體”內(nèi)不會(huì)有磁力線通過(guò)，是因?yàn)楦邔?dǎo)磁材料的磁阻非常小，因而磁力線被它旁路掉，從而形成了有效的磁場(chǎng)屏蔽。被保護(hù)的電路處于這個(gè)密封的“屏蔽體”內(nèi)，就不會(huì)受到干擾磁場(chǎng)的侵害。大多數(shù)電氣設(shè)備局部及整體絕大多數(shù)都用鋼板密封正是基于這個(gè)原理。

（2）減少被保護(hù)電路的環(huán)路面積

由電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電勢(shì)與環(huán)路的截面積成正比。因此減少被保護(hù)電路的環(huán)路面積，不失為一種有效的方法，可以收到明顯的抑制干擾的效果。而設(shè)計(jì)者往往在電路布線設(shè)計(jì)時(shí)不太注意電流的返回路徑，因此環(huán)路面積就不能被有效地減小，致使磁場(chǎng)感應(yīng)的干擾電勢(shì)也就不能得到有效的抑制。

（3）屏蔽磁場(chǎng)干擾源

磁場(chǎng)屏蔽與電場(chǎng)屏蔽有著本質(zhì)的區(qū)別。電場(chǎng)屏蔽體能切斷電力線，從而達(dá)到抑制噪聲的作用。磁場(chǎng)屏蔽體卻不能切斷磁力線，但是我們可以利用相反原理來(lái)抵消磁場(chǎng)所產(chǎn)生的噪聲，從而達(dá)到磁場(chǎng)屏蔽的目的。在某些場(chǎng)合，這種方法是十分有效的。如圖3所示，在一個(gè)通有電流的導(dǎo)線周圍施加一屏蔽層，并讓屏蔽層流過(guò)一個(gè)和中心導(dǎo)線電流大小相等、方向相反的電流（即把屏蔽層用作信號(hào)返回線），則屏蔽層的電流將產(chǎn)生一個(gè)與中心電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小相等、方向相反的外部磁場(chǎng)，用于抵消由中心導(dǎo)線在屏蔽層所形成的磁場(chǎng)，消除了磁場(chǎng)所產(chǎn)生的噪聲干擾。