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2006-07-05 09:39:28
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一年前，我曾在《电子工程专辑》杂志上发表过一篇名为“电子线路与设计”的文章。此文章引起了很多读者的关注，下面文章的内容拟作为前一篇文章的继续或补充，希望再次引起读者的关注和兴趣。 1．一个让人胆战心惊的星球 对人类危害最大的，实际上还是我们居住的地球，其中雷电干扰对人类的生活危害最大。雷电不但对人类的生存造成很大的威胁，对树木、森林、房屋、建筑，以及电器设备都会造成很大的损害和破坏。 根 据统计，地球每一秒钟就有100多次闪电，每次闪电产生的能量可供一个100瓦的灯泡点亮3个月；在雨季，平均每6分钟就有一个人被雷电击中；每年有成千 上万的人因雷电击中而丧伤，还有大片的森林因雷电击中而起火烧毁，雷电还经常使高压电网、以及通信出现故障，使城市供电和通信中断，引起城市交通失控出现 混乱；连英国的白金汉宫也曾遭受过雷电严重破坏，上个世纪50年代，白金汉宫就是因一块窗帘布被雷电击中而起火燃烧；上海电视台平均每年要遭受33次大的 雷击，每次雷击都会使电子设备遭受不同程度的损坏；1992年6月22日，北京国家气象中心多台计算机接口因感应雷击被毁，损失二仟多万元；1992年8 月23日，赣州市60%的有线电视和50%闭路电视遭受过雷击，其中91台电视机因感应雷击而毁于一旦；2006年6月9日，南韩一架大型客机在空中遭受 雷击，头部解体脱落，幸好没有人员伤亡。 很多人都不清楚，地球也是一个带电体。根据实验测试，在地球表面存在一个垂直向下的稳定电场，电场强度E约为100伏/米，场强的大小随高度的增加而减弱。另外，根据实验测试，在地面附近大气的电导率σ0约为3×10-14西蒙/米，且随高度的增加而增加。由此可知地球表面的电流密度j的方向指向地心，大小为： 故从大气流向地球表面的总电流强度I为： R为地球的半径，取64×105米，由此可求出I的值约为1.4×103A。根据： 可求出地球表面的电位约为4×105V。 这里说的带电，严格来说是带电体相对于无限远处的电位差，或物体的电位中性而言。人们在进行理论分析的时候，都是把无限远处定义为零电位，但在实际应用中，人们已习惯于把地球当成零电位，这对于一般的实际应用，并不会造成很大的影响，但这种假设有时也会阻碍我们的视野。 任何带电物体都可以看成是一个电容，电容量C=Q/U，Q为带电物体的电荷量，U为带电物体的电位，即指带电物体到无限远处的电位差。因此，地球也可以看成是一个大容量的电容，其电容量正好为1法拉。 这 里说的电容与电容器是有区别的，电容器一般都由两块中间以介质绝缘的极板组成，当电容器被充电的时候，两块极板带的电荷量相等，但符号相反，在电容器两极 板所带的电荷不改变的条件下，两块极板之间的电压，可因电容器两极板之间的距离改变而改变，其电容量的大小也会跟着两极板之间的距离改变而改变，这是因为 两极板之间电场互相作用的缘故。 而这里所指的电容，其电容量是不会因带电物体的位置改变而改变的。因此，这里说的电容是相对于一个孤立带电 物体而言，不受其它电场所影响，而电容器则是相对于两个或两个以上带电物体而言，电容大小要受两个或两个以上极板产生的电场互相影响。另外，电容充放电是 不需要回路的，两个带电体互相接触，谁的电位高，谁就要放电，谁的电位低，谁就会被充电，而电容器充放电必须要有一个闭合回路。 实际上，地球不但是个电容(相对于无限远处)，并且地球还相当于电容器的一个电极，电容器的另一个电极是电离层，而大气层就是电介质，如图1所示。 地球带电的原因，一个是由于地球作为一个冷星球长年都在接收大量带电宇宙射线微粒子的辐射，另一个是外层空间紫外线对空气照射产生电离层，并对地球表面产生感应，以及热气流互相摩擦带电而产生感应等等。根据基尔克夫定理：流过任何导体电流的代数和都等于零，即： 根据上式结果，地球不但有电流流入，而且也应该有电流流出，那么流出地球的电流到哪里去了呢？ 前 面已经指出，地球平均每一秒钟有100多次闪电，而闪电也是一个放电过程，由此可知，原来每秒中流进地球1.4×103安培的电流就是用来打雷放电的。如 果地球不经常打雷放电，试想，地球电位正好是每秒要增加1.4×103伏特，一小时后地球电位就可以增加到500多万伏，一天之后地球电位又会增加到 12000多万伏，这是一个多么巨大的数字，在此电场强度之下，任何东西都可能会被击穿。所以，地球时时刻刻都在放电才应该是正常的。 防止 雷电的最有效方法就是静电屏蔽，例如，高压电网为了避免雷击，除了电线塔的高度要求比高压电网线的高度高之外，在高压电网线的最上面还要设置一根屏蔽线， 这根屏蔽线通过电线塔与大地连接。当遇到打雷时，屏蔽线首先与雷电接触，把产生雷电物体(云)的电荷通过屏蔽线，再经电线塔传入大地而被释放掉。避雷针也 是这个道理，在物体的高处安装针状导体，并把它连接到大地，把空中带电物体(云)的电荷通过避雷针放电引入大地，以降低带电物体(云)对其它物体或人体感 应产生放电的机会。还有，在高速公路两旁安装电线竿也是一种保护人类免遭雷击的有效方法。 除了屏蔽可以防止雷击以外，很多贵重电器设备还需 要对雷电感应进行保护，因为，当雷电击中某个建筑物的机房，或某个供电设备的时候，瞬间几十万安培以上的电流通过这些建筑物或设备，也会对周围几十米范围 内的电器设备产生电磁感应，使周围的电线或设备，不管是否与雷击物体直接接触或不接触，都会通过电磁感应产生高压脉冲，很容易把电器设备中的电子器件击穿 损坏。因此，对那些与长电缆线连接的设备，如：电话机、传真机、电视机等，对它们进行过压保护还是必要的。目前，避免电器设备遭受雷击或雷电感应产生高压 脉冲击穿损坏的最有效的方法，还是用放电管和压敏电阻。 对于交流供电系统设备的防雷，一般都是用压敏电阻跨接于电源线与地线之间，用于对雷 电感应高压电脉冲进行放电，避免设备被高压电脉冲击穿损坏；而小电器设备或器件防雷电击穿损坏，可选用放电管或压敏二极管，也可以选用压敏电阻等跨接于输 入线与大地之间，例如，一般家中的电话插座以及有线电视插座内部都应该连接一个或两个放电管到大地。放电管的工作原理是在玻璃管或陶瓷管中注入惰性气体， 惰性气体平时不导电，当电场强度强到一定的时候，惰性气体开始电离导电；压敏二极管和压敏电阻的工作原理与稳压管的工作原理很接近，平时也不导电，当电压 超过一定值后，压敏二极管或压敏电阻就击穿导通，不过这种击穿是可以恢复的。 图2是电视机防雷击电路，图中防雷击电路是在PCB电路板上直接制作放电间隙(6mm)装置，在外接天线端口就近与电网输入引线之间加接这种放电间隙装置。由于电视机本身没有金属机壳或机壳接地电气连接点，所以防雷放电间隙可直接利用电网输入电源引线代替地线使用。 另 外，电视机的安全标准要求冷热地之间的耐压强度大于AC2000V，而绝缘距离要求大于6mm，选用其它放电器件反而难以符合安全要求，并且会提高成本。 因为在正常气压下，每1万伏的正常放电距离正好是10mm，因此，2000伏的正常放电距离是2mm，而取3倍安全系数后正好就是6mm。图2中，电视机 防雷击电路制作成锯齿状的原因，是让高压放电更容易发生，因为电极的尖端处电场强度最强，当尖端放电产生后，周围空气将变成导体，使放电更容易进行，这 样，在很短时间内就可以把电放完。 2．物体带电与电场感应 从 原理上说，绝对不带电的物体是不存在的，任何物体都会不知不觉地就会带上电。每种物质都有一个代表自己性质的位能，两种不同性质的物体靠近在一起就会产生 “接点电位差”。当两种不同性质的物体接触在一起时，这两种物质在其体内就要对电荷进行重新分布，使物体保持电中性，例如：P型半导体与N型半导体互相接 触，在两物体的交界处就会产生PN结，在PN结内部会产生一个空间电荷区，这个空间电荷区的产生，必然要进一步使P型半导体和N型半导体——两个物体的内 部都要对电荷进行重新分布。这时，如果再把两个物体分开，两个物体都将会带电，一个带正电，另一个带负电。 物体带电，相当于自身的位能增加或降低了，若带电物体再次与其它不同性质的带电物体接触后又分开，两带电物体又会带上更多的电荷，即：位能在不断增加或降低，静电感应发电机就是根据这个原理制造的。 在 两个用有机玻璃材料做成的轮子上，按等分距离把两种不同性质的条状金属片，分别镶在两个有机玻璃轮子某一则的表面之中，相当于金属片一面绝缘，一面暴露。 然后，把两个镶有条状金属片的有机玻璃轮子的绝缘面互相靠在一起，并按相反方向转动，两个轮子上不同性质金属片将互相感应带电，同时也使两个有机玻璃轮子 局部极化带电，两个有机玻璃轮子上的金属片每对上一次，通过静电感应，一个金属片的电位会继续升高，而另一个却要降低。这样，两边金属片上积累的电荷将越 来越多，最后，可以分别用两个金属毛刷把金属片上积累的电荷收集到莱顿瓶中(用玻璃瓶做成的电容器)，当莱顿瓶中积累的电荷达到一定的数量后，即：电压超 过某个值后，莱顿瓶的两个电极开始放电，并产生火光及响声。 图3是一个让物体产生高压电的原理图，在水龙头的下面安放一个用金属薄片制作的 圆圈(用金属罐头盒改制)，金属圆圈必须要与周围绝缘，然后让水龙头流出的水正好从金属圆圈的中央穿过，金属圆圈很快就会带电，并且电压非常高，一般可达 一万伏以上。用试电笔做试验时，当试电笔离金属圆圈还很远的地方，就可以看到试电笔被点亮，甚至拿一个小荧光灯靠近，也可以看得到荧光灯微亮。这说明电压 非常高，但对人体不存在被触电的危险，因为金属圆圈的电容量很小，存储的能量有限。 冬天人们走在地毯上也经常会发现，当手突然碰到楼梯金属扶手的 时候，会感到手被麻电，这也是因为人体穿的皮鞋与地毯摩擦产生带电，然后传到人的身体上。其实人体带电一般自己是没有感觉的，哪怕人体带上几万伏的电压， 一般人体也没有感觉，只有带电人体与其它物体接触产生放电时才会感觉麻电。例如：在冬天没有灯光的夜里，人们脱尼龙衫或毛线衣的时候，会发现衣服之间有蓝 色火光，并且还伴随着啪、啪、啪的放电声，这证明衣服已经带上非常高的电压。 带电物体是具有能量的，即：电场具有能量。带电体的能量为： 上式中，电容C的单位为法拉，ε为介电常数(在真空中为1)，S为带电物体与参照物体之间电力线互相照射的面积(与电场垂直，单位平方米)，在国际单位制中k=9×109牛顿·平方米/库仑，d为带电物体到参照物的有效距离(单位米)。 实 际上电场干扰，或电场感应，都是通过电容的工作原理进行的，电场对电子设备中其它电路的干扰，不但与电场强度有关，还与被干扰电路参考点的位置有关，以及 带电物体的电容量有关。如果要精确计算某带电体对其它物体产生的电感应，就必须熟练地应用上面两个式子来计算各个物体之间的电容。同一个带电体相对不同的 其它物体，因为相对位置以及电场强度不同，其电容量也不同。知道了电容容量就可以计算电容的充放电过程，从而可以求出电压、电流、功率等各种参数。 图4 是带电物体对其它物体产生感应的原理图。图4中，A是带电物体，其电位为U0，E表示电场强度或电场力线，Q0为其带电量；带电物体A对物体B和物体C均 会产生电场感应，U1和U2分别为物体B和物体C被物体A感应产生的对地电位；Q1和Q2分别为物体B和物体C被物体A感应产生的电荷量。带电物体A的电 荷Q0越多，其电位U0就越高，并且其对物体B或物体C产生感应影响的力度就越大。 因 此，我们可以用电容来定义电荷与感应电压的关系，即用电容表示单位电压感应产生的电量为：C=Q/V其中，电容C的单位为法拉，电荷Q的单位为库仑，电压 V的单位为伏特。设：物体B和物体C没受带电物体A感应之前，所带电荷以及对地电位均为零，则：电荷Q1和Q2，电压U1和U2都是由于带电物体A对物体 B和物体C感应产生的电荷和电压；U0越高，感应产生的U1和U2对地电位就越高，以及电荷Q1和Q2就越多，由此可求得： 上 式中，V1=U0-U1 ，V2=U0-U2 ，C1和C2分别表示带电物体A对物体B和物体C产生电场感应互相影响的力度，电容容量越大，表示两者产生电场感应互相影响力度就越大。因此，这里我们还 可以把上面三式中的电容C定义为电荷感应系数，与磁感应中的互感系数(或磁感应系数)M相互对应。由此可知，电容C不但可以表示一个带电物体存储电荷的多 少，而且可以表示带电物体对其它物体产生影响的力度。 在电子设备中，由于MOS电路的阻抗很大，而其电容非常小，因此，只要带电体产生很小 能量的电荷转移，或静电感应，就能把MOS电路击穿。因此，在生产或调试含MOS电路的电子设备的时候，要注意静电感应和工作人员的身体不能带电。在没有 采取任何措施的情况下，人体一般都带有几十伏甚至数百伏的静电电压，当人手触及还没有接入电路中的IC时，很容易会把IC击穿。对还没有使用的IC保存或 者包装也要注意静电感应，最好把IC保存在金属盒或具有防止静电感应的塑料盒内。防静电感应塑料一般都是在塑料中混入导电物质。 3．电磁感应与干扰 任何导体，只要有电流通过，在它的周围就会产生磁场，磁场又会对周围的导体产生感应，并产生感应电动势，因此导体中的电流同样也会对其它物体产生磁感应干扰。我们知道电感L可以表示为：单位电流产生的磁通，即： 上 式中，L为电感，单位为亨利，为磁通量，单位为韦伯，I为电流，单位为安培。但该式中要直接测量磁通量是非常困难的，在工程应用中一般都通过测量自感电动 势的方法来测量电感量：即：当每秒钟流过电感线圈的电流为1安培，而电感线圈产生的自感电动势为1伏时，则电感线圈的电感量为1亨利。因此，电感量也被称 为自感系数。由此，上式又可以表示为： 式中S是磁通穿过的面积，B为磁感应密度，这里假设磁感应密度为均匀分布，但实际上是不可能的，但这里并不影响我们后面对问题的分析。 一般来说，恒定的电场或磁场对电路或电器设备造成的干扰是不会很大的。“干扰”这个词的本意就是指，对某个正处于稳定工作状态的系统产生不良的影响，因此，对电路或电器设备造成严重干扰的，主要是不断变化着的电场或磁场。即： 式中，i是表示干扰电流，C为电容，或电荷感应系数，dv/dt为电压变化率；e是表示干扰电动势，M为磁互感系数，或磁感应系数，di/dt为电流变化率。 磁 互感系数或磁感应系数M，表示流过某个电感L或导体中的电流所产生的磁场对另一个电感或电路产生影响的力度。如果我们把电感L称为电感器与电容器C进行对 应的话，那么，磁互感系数或磁感应系数M同样也可以与电荷感应系数C进行对应，可惜人们很少把电容器C与电荷感应系数C分别进行理解。 图5 是交变磁场产生互相感应(简称互感)的工作原理图。图5中L0为产生磁力线的电感线圈，即：正在通电的线圈，它产生的磁力线一部分穿过磁感应线圈L1，使 磁感应线圈L1产生感应电动势e1，e1=M1*di/dt；同时，L0产生的另一部分磁力线也在穿越印制板线路L2，使印制板线路L2产生感应电动势 e2，e2=M2*di/dt。显然，感应电动势e1和e2都不是我们进行电路设计时所希望产生的，因此，把它们称为干扰电动势，或称为干扰信号。电子设 备中，大部分干扰信号都是这样产生的。 | ||||||||||||||||||
