EMI/EMC原理與應(yīng)對(duì)詳解

一、電磁干擾無(wú)處不在

1、一個(gè)讓人膽戰(zhàn)心驚的星球

電磁干擾對(duì)人類危害最大的，實(shí)際上還是我們居住的地球，其中雷電干擾對(duì)人類的生活危害最大。雷電不但對(duì)人類的生存造成很大的威脅，對(duì)樹(shù)木、森林、房屋、建筑，以及電器設(shè)備都會(huì)造成很大的損害和破壞。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球每一秒鐘就有100多次閃電，每次閃電產(chǎn)生的能量可供一個(gè)100瓦的燈泡點(diǎn)亮3個(gè)月;在雨季，平均每6分鐘就有一個(gè)人被雷電擊中;每年有成千上萬(wàn)的人因雷電擊中而喪傷，還有大片的森林因雷電擊中而起火燒毀，雷電還經(jīng)常使高壓電網(wǎng)、以及通信出現(xiàn)故障，使城市供電和通信中斷，引起城市交通失控出現(xiàn)混亂;連英國(guó)的白金漢宮也曾遭受過(guò)雷電嚴(yán)重破壞，上個(gè)世紀(jì)50年代，白金漢宮就是因一塊窗簾布被雷電擊中而起火燃燒;上海電視臺(tái)平均每年要遭受33次大的雷擊，每次雷擊都會(huì)使電子設(shè)備遭受不同程度的損壞;1992年6月22日，北京國(guó)家氣象中心多臺(tái)計(jì)算機(jī)接口因感應(yīng)雷擊被毀，損失二仟多萬(wàn)元;1992年8月23日，贛州市60%的有線電視和50%閉路電視遭受過(guò)雷擊，其中91臺(tái)電視機(jī)因感應(yīng)雷擊而毀于一旦;2006年6月9日，南韓一架大型客機(jī)在空中遭受雷擊，頭部解體脫落，幸好沒(méi)有人員傷亡。

很多人都不清楚，地球也是一個(gè)帶電體。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在地球表面存在一個(gè)垂直向下的穩(wěn)定電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度E約為100伏/米，場(chǎng)強(qiáng)的大小隨高度的增加而減弱。另外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在地面附近大氣的電導(dǎo)率σ0約為3×10-14西蒙/米，且隨高度的增加而增加。由此可知地球表面的電流密度j的方向指向地心，大小為：

這里說(shuō)的帶電，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是帶電體相對(duì)于無(wú)限遠(yuǎn)處的電位差，或物體的電位中性而言。人們?cè)谶M(jìn)行理論分析的時(shí)候，都是把無(wú)限遠(yuǎn)處定義為零電位，但在實(shí)際應(yīng)用中，人們已習(xí)慣于把地球當(dāng)成零電位，這對(duì)于一般的實(shí)際應(yīng)用，并不會(huì)造成很大的影響，但這種假設(shè)有時(shí)也會(huì)阻礙我們的視野。

任何帶電物體都可以看成是一個(gè)電容，電容量C = Q/U，Q為帶電物體的電荷量，U為帶電物體的電位，即指帶電物體到無(wú)限遠(yuǎn)處的電位差。因此，地球也可以看成是一個(gè)大容量的電容，其電容量正好為1法拉。

這里說(shuō)的電容與電容器是有區(qū)別的，電容器一般都由兩塊中間以介質(zhì)絕緣的極板組成，當(dāng)電容器被充電的時(shí)候，兩塊極板帶的電荷量相等，但符號(hào)相反，在電容器兩極板所帶的電荷不改變的條件下，兩塊極板之間的電壓，可因電容器兩極板之間的距離改變而改變，其電容量的大小也會(huì)跟著兩極板之間的距離改變而改變，這是因?yàn)閮蓸O板之間電場(chǎng)互相作用的緣故。

而這里所指的電容，其電容量是不會(huì)因帶電物體的位置改變而改變的。因此，這里說(shuō)的電容是相對(duì)于一個(gè)孤立帶電物體而言，不受其它電場(chǎng)所影響，而電容器則是相對(duì)于兩個(gè)或兩個(gè)以上帶電物體而言，電容大小要受兩個(gè)或兩個(gè)以上極板產(chǎn)生的電場(chǎng)互相影響。另外，電容充放電是不需要回路的，兩個(gè)帶電體互相接觸，誰(shuí)的電位高，誰(shuí)就要放電，誰(shuí)的電位低，誰(shuí)就會(huì)被充電，而電容器充放電必須要有一個(gè)閉合回路。

實(shí)際上，地球不但是個(gè)電容(相對(duì)于無(wú)限遠(yuǎn)處)，并且地球還相當(dāng)于電容器的一個(gè)電極，電容器的另一個(gè)電極是電離層，而大氣層就是電介質(zhì)。如圖1所示。

地球帶電的原因，一個(gè)是由于地球作為一個(gè)冷星球長(zhǎng)年都在接收大量帶電宇宙射線微粒子的輻射，另一個(gè)是外層空間紫外線對(duì)空氣照射產(chǎn)生電離層，并對(duì)地球表面產(chǎn)生感應(yīng)，以及熱氣流互相摩擦帶電而產(chǎn)生感應(yīng)等等。

根據(jù)基爾克夫定理：流過(guò)任何導(dǎo)體電流的代數(shù)和都等于零，即：

根據(jù)(5)式結(jié)果，地球不但有電流流入，而且也應(yīng)該有電流流出，那么流出地球的電流到哪里去了呢?

前面已經(jīng)指出，地球平均每一秒鐘有100多次閃電，而閃電也是一個(gè)放電過(guò)程，由此可知，原來(lái)每秒中流進(jìn)地球1.4×103安培的電流就是用來(lái)打雷放電的。如果地球不經(jīng)常打雷放電，試想，地球電位正好是每秒要增加1.4×103伏特，一小時(shí)后地球電位就可以增加到500多萬(wàn)伏，一天之后地球電位又會(huì)增加到12000多萬(wàn)伏，這是一個(gè)多么巨大的數(shù)字，在此電場(chǎng)強(qiáng)度之下，任何東西都可能會(huì)被擊穿。所以，地球時(shí)時(shí)刻刻都在放電才應(yīng)該是正常的。

防止雷電的最有效方法就是靜電屏蔽，例如，高壓電網(wǎng)為了避免雷擊，除了電線塔的高度要求比高壓電網(wǎng)線的高度高之外，在高壓電網(wǎng)線的最上面還要設(shè)置一根屏蔽線，這根屏蔽線通過(guò)電線塔與大地連接。當(dāng)遇到打雷時(shí)，屏蔽線首先與雷電接觸，把產(chǎn)生雷電物體(云)的電荷通過(guò)屏蔽線，再經(jīng)電線塔傳入大地而被釋放掉。避雷針也是這個(gè)道理，在物體的高處安裝針狀導(dǎo)體，并把它連接到大地，把空中帶電物體(云)的電荷通過(guò)避雷針?lè)烹娨氪蟮?，以降低帶電物體(云)對(duì)其它物體或人體感應(yīng)產(chǎn)生放電的機(jī)會(huì)。還有，在高速公路兩旁安裝電線竿也是一種保護(hù)人類免遭雷擊的有效方法。

除了屏蔽可以防止雷擊以外，很多貴重電器設(shè)備還需要對(duì)雷電感應(yīng)進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)?，?dāng)雷電擊中某個(gè)建筑物的機(jī)房，或某個(gè)供電設(shè)備的時(shí)候，瞬間幾十萬(wàn)安培以上的電流通過(guò)這些建筑物或設(shè)備，也會(huì)對(duì)周?chē)鷰资追秶鷥?nèi)的電器設(shè)備產(chǎn)生電磁感應(yīng)，使周?chē)碾娋€或設(shè)備，不管是否與雷擊物體直接接觸或不接觸，都會(huì)通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生高壓脈沖，很容易把電器設(shè)備中的電子器件擊穿損壞。因此，對(duì)那些與長(zhǎng)電纜線連接的設(shè)備，如：電話機(jī)、傳真機(jī)、電視機(jī)等，對(duì)它們進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)還是必要的。目前，避免電器設(shè)備遭受雷擊或雷電感應(yīng)產(chǎn)生高壓脈沖擊穿損壞的最有效的方法，還是用放電管和壓敏電阻。

對(duì)于交流供電系統(tǒng)設(shè)備的防雷，一般都是用壓敏電阻跨接于電源線與地線之間，用于對(duì)雷電感應(yīng)高壓電脈沖進(jìn)行放電，避免設(shè)備被高壓電脈沖擊穿損壞;而小電器設(shè)備或器件防雷電擊穿損壞，可選用放電管或壓敏二極管，也可以選用壓敏電阻等跨接于輸入線與大地之間，例如，一般家中的電話插座以及有線電視插座內(nèi)部都應(yīng)該連接一個(gè)或兩個(gè)放電管到大地。放電管的工作原理是在玻璃管或陶瓷管中注入惰性氣體，惰性氣體平時(shí)不導(dǎo)電，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)到一定的時(shí)候，惰性氣體開(kāi)始電離導(dǎo)電;壓敏二極管和壓敏電阻的工作原理與穩(wěn)壓管的工作原理很接近，平時(shí)也不導(dǎo)電，當(dāng)電壓超過(guò)一定值后，壓敏二極管或壓敏電阻就擊穿導(dǎo)通，不過(guò)這種擊穿是可以恢復(fù)的。

圖2是電視機(jī)防雷擊電路，圖中防雷擊電路是在PCB電路板上直接制作放電間隙(6mm)裝置，在外接天線端口就近與電網(wǎng)輸入引線之間加接這種放電間隙裝置。由于電視機(jī)本身沒(méi)有金屬機(jī)殼或機(jī)殼接地電氣連接點(diǎn)，所以防雷放電間隙可直接利用電網(wǎng)輸入電源引線代替地線使用。

另外，電視機(jī)的安全標(biāo)準(zhǔn)要求冷熱地之間的耐壓強(qiáng)度大于AC2000V，而絕緣距離要求大于6mm，選用其它放電器件反而難以符合安全要求，并且會(huì)提高成本。因?yàn)樵谡鈮合?，?萬(wàn)伏的正常放電距離正好是10mm，因此，2000伏的正常放電距離是2mm，而取3倍安全系數(shù)后正好就是6mm。圖2中，電視機(jī)防雷擊電路制作成鋸齒狀的原因，是讓高壓放電更容易發(fā)生，因?yàn)殡姌O的尖端處電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，當(dāng)尖端放電產(chǎn)生后，周?chē)諝鈱⒆兂蓪?dǎo)體，使放電更容易進(jìn)行，這樣，在很短時(shí)間內(nèi)就可以把電放完。