電氣設備內部干擾的抑制

1干擾的產生和傳遞

1?1干擾的產生

電氣設備在工作過程中，除了要受到來自外部的干擾之外，還要受到來自內部的各種干擾。因此，對于電氣設備的抗干擾來說，既要抑制外部干擾，又要盡可能的減小內部干擾對設備造成的不良影響。內部干擾可分為兩大類，一種是內部噪聲，另一種是內部的電磁和靜電干擾。

1?2內部噪聲

電氣設備的內部噪聲是由于內部的各種元器件所產生的“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，它是設備內部中的電子元器件工作時產生的熱量所造成的溫度波動，以及環境溫度的變化而引起的元器件參數的變化造成的，因為這一噪聲是由于電子的熱運動所產生的，因此被稱為熱噪聲，這種噪聲會隨著溫度的升高而增大。對這類噪聲的抑制主要從降低設備內部的溫度著手。

（2）散粒噪聲散粒噪聲是由電子（或空穴）的隨機發射而引起的，主要存在于電子管、晶體管、場效應管、晶閘管等半導體器件中。由于半導體中的載流子都是一個個獨立的，所以在各個短暫的瞬間，它們都是不連續和不規則的。這種不規則性所產生的電性能的變化，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率起伏變化所產生的。它們包括開關組件、接插件、繼電器、接觸器等觸點的接觸不良所產生的噪聲，晶體管內部的動態噪聲，元器件質量或特性不良產生的噪聲，以及不同金屬接觸面所形成的電化噪聲、接點噪聲或松動引起的噪聲等等。由于接觸噪聲多發生在低頻段，所以是低頻電路中最主要的噪聲源。

1?3內部的電磁和靜電干擾

內部的電磁和靜電干擾是由于內部的各種元器件的相互排列而引起的電場感應、磁場感應所產生的干擾。

（1）電場感應電場感應是由電場耦合而產生的一種干擾，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，是兩電路間電場相互作用的結果。由于實際電路中雜散電容的存在，這就勢必使一個電路中電荷的變化影響到另一個電路，形成兩電路間的相互影響。在頻率極高的射頻段，電場耦合干擾極為嚴重，在低頻段如果電路的工作電平不高，即使在音頻范圍內，電場耦合的干擾也是不容忽視的。

（2）磁場感應磁場感應是由磁場耦合而產生的一種干擾，也稱為電感性耦合干擾，它是由于兩電路間（或回路間）存在的磁感應耦合而引起的，是磁場相互作用的結果，亦稱為互感耦合，當兩電路（回路）之間存在互感時，一個電路中電流的變化，必將通過磁場交鏈的形式耦合到另一電路。

圖1電場屏蔽

2內部噪聲的抑制

2?1熱噪聲的抑制

電氣設備內部的元器件在工作時會產生熱量而使設備內部溫度升高，反過來環境溫度的升高促使元器件產生更大的噪聲電壓。產生噪聲電壓的元器件有電阻器、所有的半導體器件、變壓器、電感線圈、發光器件等。針對熱噪聲的產生機理，我們可以采取如下幾種措施：

（1）熱屏蔽

熱屏蔽就是把發熱點用一種特殊的導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，使其所產生的熱量和散發的熱量達到平衡使溫度場恒定，從而達到減小（或沒有）溫度的變化，以抑制因溫度的變化所帶來的噪聲干擾。

（2）熱隔離

熱隔離就是把那些易產生熱量的元器件與那些對溫度變化比較敏感的元器件用絕熱性能好的材料隔離開。例如，若在同一控制箱內具有較大發熱量的元器件和對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，以達到抑制因溫度升高而引起的噪聲干擾。

（3）強制散熱

強制散熱就是采用人工的方法，強制降低電氣設備內部及其大功率器件的溫度。一般來說，對于功率半導體器件應加裝散熱器，對于發熱較大的電氣設備應進行強制通風，以達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，對于電氣設備的研制者來說，是一個客觀存在，設計人員只有更多地掌握元器件信息，不斷地反復試驗，在實踐中總結經驗，選擇性價比最高的元器件，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實踐性很強的問題，只有不斷地實踐摸索，才能夠總結出抑制接觸噪聲的經驗，才能夠把接觸噪聲降到最低點。

3內部的電場和磁場干擾的抑制

3?1電場感應的抑制

電場感應是由電場耦合而產生的一種干擾，當兩個相互絕緣的導體相對放置時，一方的電荷變化，必將通過電場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、分布電容是產生電場耦合的通道。要抑制電場耦合帶來的干擾，必須采取相應的措施，盡可能地降低雜散電容和分布電容，就可以降低電場耦合帶來的干擾，具體措施如下：

（1）電場屏蔽

電場屏蔽是針對電場耦合所形成的干擾而采取的一種屏蔽措施。它是通過屏蔽體把干擾源（或需要保護的電路）封閉起來，切斷電力線的通道，且必須把屏蔽體可靠接地。加裝屏蔽體實質上是降低了干擾源與被保護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。實踐中電場屏蔽的方法有兩種，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的電路，形成一個有效的“潔凈”空間，從而避免了來自外界的電場耦合干擾。圖1從（a)到(c)的演示過程說明“屏蔽罩”和“接地”之間的密切關系。只加“屏蔽罩”，而不“接地”是毫無意義的。

（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環節。前面講過，電場耦合就是電容耦合，而要減小電容耦合所帶來的干擾，其實質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，增大干擾源與對電場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），在實踐中不失為一種良策。在布線上，縮短布線長度，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的干擾。另外要強調的是，一定要把高壓信號電路與低壓信號電路隔離開來，如果不采取措施，那么低壓信號電路，尤其是邏輯電路將不能正常工作。

圖2磁場屏蔽

(a)屏蔽板(b)屏蔽體

圖3屏蔽層作信號回線減少干擾

3?2磁場感應的抑制

磁場屏蔽是針對磁場耦合所形成的干擾而采取的一種屏蔽措施。磁場屏蔽與電場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。因為“磁力線”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”，但卻無法隔斷“磁力線”。鑒于磁場的這種特殊性，對磁場的屏蔽可以采取如下幾方面的措施：

（1）采用高導磁材料制做屏蔽體

圖2（a)是在干擾磁場和被保護的電路之間放置一塊由高導磁材料制做的“屏蔽板”，那么磁力線將從“屏蔽板”通過，該電路所在的空間中所通過的磁力線將大大減少，從而起到屏蔽的作用。圖2(b)是在干擾磁場中用具有一定厚度的高導磁材料制成的密封“屏蔽體”，在這個“屏蔽體”的內部，形成了一個沒有磁力線通過的“潔凈區”。之所以這個密封的“屏蔽體”內不會有磁力線通過，是因為高導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屏蔽。被保護的電路處于這個密封的“屏蔽體”內，就不會受到干擾磁場的侵害。大多數電氣設備局部及整體絕大多數都用鋼板密封正是基于這個原理。

（2）減少被保護電路的環路面積

由電磁感應定律可知，感應電勢與環路的截面積成正比。因此減少被保護電路的環路面積，不失為一種有效的方法，可以收到明顯的抑制干擾的效果。而設計者往往在電路布線設計時不太注意電流的返回路徑，因此環路面積就不能被有效地減小，致使磁場感應的干擾電勢也就不能得到有效的抑制。

（3）屏蔽磁場干擾源

磁場屏蔽與電場屏蔽有著本質的區別。電場屏蔽體能切斷電力線，從而達到抑制噪聲的作用。磁場屏蔽體卻不能切斷磁力線，但是我們可以利用相反原理來抵消磁場所產生的噪聲，從而達到磁場屏蔽的目的。在某些場合，這種方法是十分有效的。如圖3所示，在一個通有電流的導線周圍施加一屏蔽層，并讓屏蔽層流過一個和中心導線電流大小相等、方向相反的電流（即把屏蔽層用作信號返回線），則屏蔽層的電流將產生一個與中心電流所產生的磁場大小相等、方向相反的外部磁場，用于抵消由中心導線在屏蔽層所形成的磁場，消除了磁場所產生的噪聲干擾。