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电磁兼容
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我们知道,从地球表面到人造卫星活动的近千千米空间内处处存在着电磁波,电和磁无时无刻不在影响着人们的生活及生产,电磁能的广泛应用,使工业技术的发展日新月异。电磁能在为人类创造巨大财富的同时,也带来一定的危害,被称为电磁污染,研究电磁污染是环境保护中的重要分支。以往人们把无线电通讯装置受到的干扰,称为电磁干扰,表明装置受到外部干扰侵入的危害,其实它本身也对外部其他装置造成危害,即成为干扰源。因此必须同时研究装置的干扰和被干扰,对装置内部的组织和装置之间要注意其相容性。随着科学技术的发展,日益广泛采用的微电子技术和电气化的逐步实现,形成了复杂的电磁环境。不断研究和解决电磁环境中设备之间以及系统间相互关系的问题,促进了电磁兼容技术的迅速发展。
一、什么是电磁兼容
顾名思义,“兼容”即“兼顾”/容忍”,但电磁兼容(patibility,简写为Emc)并非指电与磁之间的兼容,电与磁是不可分割,相互共存的一种物理现象、物理环境。国际电工委员会(IEC)对EMC的定义是:指在不损害信号所含信息的条件下,信号和干扰能够共存。研究电磁兼容的目的是为了保证电器组件或装置在电磁环境中能够具有正常工作的能力,以及研究电磁波对社会生产活动和人体健康造成危害的机理和预防措施。
随着信息技术、自动化控制技术,通信导航技术和电视、广播、移动电话、电脑及微波炉、电视机等家用电器的广泛应用,电磁兼容成为世界“工业技术的热点问题。电工,电子产品在方便人们的同时,对社会生产活动和人体健康也带来了一系列的不利影响。首先,电子元件几乎在所有的设备中都存在,而它们越来越趋于在极微弱的信号下工作,且信号工作频率越来越高,动作时间越来越短。因而更容易受外界电磁场的干扰或干扰别人;另一方面,高能量、高频率的发射源的增多,也意味着干扰信号的增强。同时,电磁辐射污染也已被世界卫生组织列为必须严加控制的现代公害之一,据调查,长期接受高频电磁辐射,会对眼睛、神经系统、生殖系统、心血管系统、消化系统及骨组织造成严重的不良影响,甚至危及生命。因此,清洁电磁环境,保证电工、电子产品正常工作已受到世界范围的普遍关注。
电磁污染的来源包括雷电(包括核爆等强电磁脉冲),静电及所有电气的动作(包括正常及非正常的)过程。如卫星通信,飞机航行的智能化;高层建筑、通信无线塔、超高压输电线路、油库群、港口建筑、森林、古迹的防雷;工厂自动化生产线、电气牵引馈电系统的谐波,大型医疗设备。物理仪器,家用仪器,电动工具、移动电话、遥控仪表、集成模块,印刷电路板等,凡有电磁现象存在的地方都有EMC问题,绝缘物体的相对摩擦也会产生可怕的静电效应。例如高速飞行器与大气的相对运动、合成材料的缠绕、流体(石油、天然气等)的高速传输、化纤织物与人体的摩擦等,由于静电积聚的隐蔽性和释放过程的突发性,造成的危害程度不亚于谐波和强电磁脉冲。
近年来,电磁污染对人体健康的影响日益引起、人们的重视,图1为ANSI/IEEE()公布的最大允许曝露值。日本、瑞典、美国的学者均提出了人们生活环境下最低的磁场强度允许值。国际上,对电工、电子产品或系统使用的电磁环境分为A、B两类,分别规定了电磁发射的限值电平,详见图2和图3。A类环境即工业环境,指有工、科、医射频设备的环境;频繁切断大感性负载、大容性负载的环境;大电流并有强磁场环境等。B类环境即居民区、商业区及轻工业环境,指居民群楼、商业零售网点。商业大楼、公共娱乐场所、户外场所(如加油站、停车场、游乐场、公园、体育场等)。图2、图3中电压电平是电压与固定的基值U0(U比值的对数,其单位为分贝(dB)。
二、防治电磁兼容措施
抑制电磁污染的首要措施是找出污染源;其次是判断污染侵入的路途,主要有传导和辐射两种方式,工作重点是确定干扰量。解决电磁兼容问题应从产品的开发阶段开始,并贯穿于整个产品或系统的开发,生产全过程。国内外大量的经验表明,在产品或系统的研制生产过程中越早注意解决电磁兼容问题,越可以节约人力与物力。
电磁兼容设计的关键技术是对电磁干扰源的研究,从电磁干扰源处控制其电磁发射是治本的方法。控制干扰源的发射,除了从电磁干扰源产生的机理着手降低其产生电磁噪声的电平外,还需广泛地应用屏蔽(包括隔离)、滤波和接地技术。
屏蔽主要运用各种导电材料,制造成各种壳体并与大地连接,以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径,隔离主要运用继电器、隔离变压器或光电隔离器等器件来切断电磁噪声以传导形式的传播途径,其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来,切断通过阻抗进行耦合的可能。
滤波是在频域上处理电磁噪声的技术,为电磁噪声提供一低阻抗的通路,以达到抑制电磁干扰的目的。例如,电源滤波器对50Hz的电源频率呈现高