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1、36第五章 无源的消干扰组件本章主要介绍的消干扰组件包括： 滤波器；过电压保护器；光耦合器和光导线；隔离变压器。电磁屏蔽同样是无源的消干扰组件，因为它的作用大，将在下一章专门讨论。5.1 滤波器无源滤波器是电路里使用得十分普遍的一种消干扰组件。它主要由电容、电感或电容、电感的组合构成。把它们放在电源和负载之间，利用它们对不同频率表现出不同的阻抗的特性，使有用信号能顺利通过，使干扰信号得到衰减或消除。实际上滤波器相当于一个分压器，它对不同频率的电压有不同的分压比，对有用信号，其分压比接近于 1；对干扰信号，其分压比越大越好（输出电压越小） 。滤波器的消干扰效果（1.3.3 节）用滤波阻尼 aF
2、表示，； U1 滤波器前的干扰电压；U 2 滤波器后的干扰电压。2lg0aFaF 不仅与滤波器本身的参数有关，还与电源和负载的阻抗有关。例如，仅有一个电容器的滤波器。假定 U1 的频率比 U0 的频率高得多。选择适当的 C，忽略 C 对 U0 的衰减， ECEQFZalg20如果 C 选得太大，则传到负载的 U0 也会有所下降。又例如在电路里串联一个电感 L，也可以起到滤波的作用。U1U0ZQZECU2+U0滤波器jC1U2U1ZQC ZELZQZE U2U1U1U0ZE U2LZQ37如果电源的阻抗 ZQ 太小，就不能起分压的作用，那么可以串联适当的电感。ECECLQFZalg20这里需要提
3、醒的是： aF是频率的函数； aF不仅决定于滤波器的参数（ L， C） ，还决定于电源和负载的阻抗（ ZQ， ZE） 。有些工厂开发了一些常用的滤波器，例如电源滤波器。在其产品说明上不可能提供不同电源和负载阻抗下的 aF，常常提供“插入衰减” 。它是这样确定的：选择一个系统（匹配系统） ，其中， （50，60，75 等） 。测出 ，然后插入滤波器（代EQZ 102U替电源） ，测出 U2。定义： )(lg02aF为该滤波器的“插入衰减” 。2120lg)(lgUaF“插入衰减”对评价同类滤波器时，有其实际价值。但当接入实际使用时，并不能表示真正的衰减效果。U2ZEU1U0ZQ LCU2LZQZ
4、EU1CZZQU1 ZE U20U1ZQ滤波器ZE U2385.1.1 抑制共模干扰和差模干扰的滤波器在 1.4 节里，我们说明了共模干扰和差模干扰的含义。共模干扰：出行在单根信号线和中性线（或地线）之间，u ic 不形成与有用信号 u0串联的干扰电压。差模干扰：出现在电流回路的来和去引线之间，u id 与有用信号 u0 串联。在一定条件下（例如频率增高，杂散阻抗显示作用） ，共模电压会部分或全部转化为差模电压，共模/差模转换因子为 GGKF。因此在对一个电路设置滤波器抑制干扰的时候，不仅要注意到抑制差模干扰，还要注意到抑制共模干扰。在考虑抑制共模干扰时，不仅要注意一根信号线，还应该注意到二根
5、信号线。根据以上两条，对一个电路可看成：（只画出干扰源，不画出有用信号源）如果用电容器进行滤波，那么不仅要在工作电流回路的往返导线之间（即 L1 和N 之间）设电容 CX（抑制差模干扰） ，而且还要在工作电流回路的导线与保护接地（即 L1、N与 PE）之间设电容 CY（抑制共模干扰） 。如果左侧的源阻抗太大（则将要求极大的 C，也会抑制有用信号） ，而需要加设串联电感来提高源阻抗，是衰减增强。那么在工作电流回路往返两根导线上都应串联电感，既抑制差模干扰又抑制共模干扰。滤波器元件（L，C 等）的参数如何选择？一定根据具体电路的源阻抗、负载阻抗、滤波衰减要求，干扰信号频率等因素来确定。对此我们不具
6、体展开。下面以常用的电源滤波器为例，介绍一些除以上因素以外，还应注意的问题。（1）通过强电流的滤波器，其所用的滤波电容区别为 X（级）电容器接在工作电流回路的往返导线之间（C X） ，Y（级）电容器接在工作电流回路导线与保护接地之间（C Y） 。（2）Y 电容器的电容 CY 不能太大。正常工作时，仪器外壳接地， 这时左侧 CY 两端有电压 220V，有电流流过 CY，这个电流不是IidUicU0ZIidZIic(=0)UicU0Iic(=0)Uic(2)PEUic(1)UidCXCY CYNL1aCXCYCY380/220V bcNPE39工作电流，而是泄漏电流，这个 CY 相当于和仪器的绝缘
7、并联。如果仪器的外壳和接地端断开，这时外壳将带电（如果两个 CY相同，则外壳电压为 110V） 。这时，如果站在地面上的人触及外壳，则通过 CY 的电流将通过人体进入大地，形成触电。人体电阻2k ，如 CY1F，在 50Hz 时， XC3.2k ，mAi 58.30人体流过 10mA 以上的电流可能致命。C Y 太大了。如果取CY0.01F，则 i 可限制到 0.58mA，所以 CY 上限为数千数万 pF。如果这个 CY 不足以抑制共模干扰，则应附加串联电感。（3）为了抑制共模干扰，有时需要较大的串联电感，而串联电感过大又不利于有用信号的传递。这时可采用“电流补偿型扼流圈” （即我们在 3.1
8、.2 节中说的中和变压器） 。对工作电流，磁通抵消，对共模干扰电流，表现出电感。5.1.2 滤波器的谐振有几种谐振的可能， （1）滤波器本身有电容、电感等组成，在一定频率下会出现谐振。出现（接近）谐振时，出现负的滤波阻尼 aF，即非但不能使干扰衰减，反而形成“插入增益” 。 （2）插入滤波器后，和发射机阻抗。接收机阻抗一起引起谐振。 （3）单个电容或电感元件也可以产生谐振，改变参数的特性。示波器 电源滤波器a380/220VbcNiR人CYf容性LZ理想线 圈感性固有频率ZL杂散电容ZC引线,极板的杂散电感CZ1容性 感性理想电容器固有频率 f40解决的办法：采用多级滤波器 通过电阻、有损介质
9、、磁芯等把谐振衰减掉 采用杂散电容小的电感线圈（如蜂房式绕组等）和杂散电感小的电容器。5.1.3 电力系统中抑制谐波的滤波器在第一章里提到过，由整流电路只产生基波的谐波。 次。例如，1np三相六脉冲整流电路产生的谐波为 5、7、11、13 次。为抑制这些谐波，采用的滤波器如下：左边四个为单调谐滤波器，分别调谐到 5 次、7 次、11 次、13 次谐波频率。分别抑制各单次谐波。右边是一个高通滤波器，用来抑制 17 次及以上的各次谐波。单调谐滤波器的阻抗特性 高通滤波器的阻抗特性CLjRz1R：该次谐波下计及 C 和 L 损耗的回路总 临界频率 CRf210电阻 ff0 的频率范围称为通频带5.2
10、 过电压保护器其作用是限制过电压，在工作电压范围内，具有极大的电阻（实际上等于不存在） ；在出现过电压时，其电阻变得极小，吸收能量，抑制过电压。它和源阻ZRf临界频率ZRf谐振频率41抗构成非线性分压比的分压器。过电压保护器基本上分为三类：变阻器（主要是ZnO） ，硅雪崩二极管，火花间隙。5.2.1 变阻器（ ZnO）动作时间：ns 级。非线性系数 与材料有关。 K 取决于阀kUI片的面积和厚度。流过的电流越大，需要的面积越大（单次负荷下允许的电流100A70 kA） 。电压越高，需要的厚度越大（最小的电压可达 5Vdc） 。变阻器的选择与避雷器相似，要根据工作电压，最大脉冲电流、消耗的能量和
11、持续负荷的大小等选用变阻器。书 p76 有详细介绍。在高频情况下使用时，要计及其电容。C 在 100pF数万 pF。5.2.3 硅雪崩二极管（电阻时间 ns 级）把这种二极管反向接在电路里，正常工作电压作用下处于截止状态，表现出高电阻。当出现过电压，即超过其截止电压（PN 结的）时，允许有大的反向电流通过，表现出低电阻。只要反向电流不太大，不会损坏 PN 结。如果把两个二极管反极性串联，可得到对称的特性曲线。硅雪崩二极管的选用类似于变阻器，根据工作要求和厂家提供的特性参数选择。与变阻器一样，它也有比较大的电容（可大 15000pF） 。所以在高频系统里不宜直接使用。5.2.3 火花间隙（硬性限
12、幅器 hard limiter）在工作范围内间隙有很大的绝缘电阻， （10 10）并且有很小的电容（10 10） ，电容小（10pF） 。充惰性气体的火花间隙是长途电信网络中过电压保护的主要承担者。 （书 p78）其缺点是过电压的陡度（du/dt）大时，在动作前已经出现了相当高的电压，被保护对象可能不能承受。另外间隙击穿后维持电弧或辉光放电电压要求不高，有可能不能熄弧。将由工作电压维持，从而造成热损坏。5.2.4 混合限幅线路把上述几种保护器组合使用，以取长补短。串联，并联，级配组合5.3 光耦合器和光导线（光缆） 光耦合器提供很高的共模抑制。常常用于与接地回线分开。单片光耦合器最高只能隔离电压约 10kV。而光导线可隔离电压达 MV 级。5.4 隔离变压器 其功能是使交流电路的回路不发生电的直接接触。常用来隔开接地回线，降低共模电压。为消除绕组之间杂散电容的影响，经常采用屏蔽技术。补充：工频放电测量控制台调压器分压器保护电阻C1C2C20pF隔离变电源500V a 500V10V b二次分压短路，不接地，无干扰100MHz Osc.43b 点波形干扰大
