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接地技术在现代电子领域得到了广泛而深入的应用。电子设备的“地”通常有两层含义:一是“地”(安全地),二是“系统参考地”(信号地)。接地是指在系统和某个电位参考面之间建立一个低电阻的导电通路。“接地”是指以地电位为基准,以大地为零电位,将电子设备的金属外壳和电路基准点连接起来。因为大地的电容很大,所以一般认为大地的电位为零。最初,接地技术主要用于电力系统,后来,接地技术扩展到弱电系统。弱电系统的接地一般不是指真正意义上的与大地相连的接地。对于电力电子设备, 接地线直接接地或连接到导体作为参考电位。当有电流通过参考电位时,接地点是电路中的一个公共参考点,该点的电压为0 V,电路中其他点的电压都以该参考点为准。一般电路图中标注的各点的电压数据都是相对于接地端子的大小,可以大大方便维修时的电压测量。相同接地点之间的连接称为接地线。将接地层与大地连接起来往往是基于以下考虑:提高设备电路系统的稳定性,释放静电,为工作人员提供安全保障。接地的目的:安全考虑,即保护接地。它提供了一个稳定的零电位参考点(信号地或系统地) 用于信号电压屏蔽保护。
一、接地的种类和作用不同的电路有不同的接地方式。电子电力设备中常见的接地方法如下:
1.安全接地
安全接地是将高压设备的外壳与大地连接起来。一是防止机箱上积累的电荷和静电放电危及设备和人身安全,比如电脑机箱接地,加油机尾部拖在地上,都是为了释放积累的电荷,防止事故发生;二是设备绝缘损坏,外壳带电时,切断电源,保护工作人员的安全,如冰箱、电饭煲的外壳。第三,可以屏蔽设备的巨大电场,起到保护作用,比如民用变压器的防护栏。
2.防雷和接地
当电力电子设备遭受雷击时,无论是直接雷击还是感应雷击,如果缺乏相应的防护,电力电子设备都会受到很大的损坏,甚至报废。为了防止雷击,我们通常在高处(如屋顶、烟囱)设置避雷针与大地连接,防止设备和人员的安全受到雷击的危害。安全接地和防雷接地都是为了给电子电力设备或人员提供安全保护措施,保护设备和人员的安全。
3.工作接地
工作接地是为电路正常工作提供的参考电位。该参考电势通常被设置为零。参考电位可以设置在电路系统中的某一点、某一段或某一块。参考电位不接地时,视为相对零电位。但这种相对零电势是不稳定的,它会随着外界电磁场的变化而变化,从而改变系统的参数,导致电路系统运行不稳定。当参考电位与大地相连时,参考电位被视为大地的零电位,不会随着外界电磁场的变化而变化。但是不合理的工作接地会增加电路的干扰。举个例子, 接地点不正确造成的干扰和电子设备公共端子连接不正确造成的干扰。为了有效控制电路中的各种干扰,使其符合电磁兼容原则。我们在设计电路时,根据电路的性质,工作接地可以分为不同的类型,如DC接地、交流接地、数字接地、模拟接地、信号接地、电源接地、电源接地等等。不同的接地应分开设置。不要把它们混在一个电路里,比如数字地和模拟地不能共用一根地线,否则两个电路会有非常强的干扰,使电路瘫痪!
4.信号
信号地是各种物理量信号源零电位的共同参考地。因为信号一般比较弱,容易受到干扰,不合理的接地会对电路造成干扰,所以对信号接地的要求比较高。
5.同时地
模拟地是模拟电路零电位的公共参考地。模拟电路中有小信号放大电路、多级放大电路、整流电路、稳压电路等等。接地不当会造成干扰,影响电路的正常工作。模拟电路中的接地对整个电路来说意义重大,是整个电路正常工作的基础之一。因此,模拟电路中的合理接地对整个电路来说是不可忽视的。
6.数字地
数字地是数字电路零电位的公共参考地。因为数字电路工作在脉冲状态,特别是脉冲的前后沿比较陡或者频率比较高的时候,大量的电磁波会对电路产生干扰。如果接地不合理,会加剧干扰,所以数字地接地点的选择和接地线的敷设也要充分考虑。
7.电源接地
电源地是电源零电位的公共参考地。由于电源往往同时向系统中的所有单元供电,而每个单元所需的电源性质和参数可能有很大差异,因此需要保证电源和其他单元的稳定可靠运行。电源地一般是电源的负极。
8.电源地线
电源地是负载电路或电源驱动电路的零电位的公共参考地。由于负载电路或功率驱动电路的电流强,电压高,如果接地线的接地电阻大,就会产生显著的压降,造成很大的干扰,所以对功率接地线的干扰大。因此,电源地必须与其他弱电地分开设置,以保证整个系统的稳定可靠运行。
屏蔽和接地要配合使用,才能达到良好的屏蔽效果。主要是考虑电磁兼容性,典型的两种屏蔽是静电屏蔽和交变电场屏蔽,分别介绍如下:
静电屏蔽:当带电导体被完整的金属屏蔽包围时,屏蔽的内侧会感应出与带电导体相同的电荷,外侧也会出现相同的电荷,所以外侧仍然有电场。如果金属屏蔽层接地,外部电荷就会流入大地,金属外壳外就没有电场,相当于被屏蔽的外壳内带电体的电场。