瞬态脉冲干扰含有丰富的高频成分,因此,使用低通滤波器可以滤除部分能量,从而减小干扰的幅度。设输入低通滤波器的是一个梯形波(不失一般性),其幅度为VIP,脉宽d,则其频谱的幅度为:
VI(f)= 2VIPd f1/d
设滤波器的插入损耗特性为IL(f),截止频率为 fCO ,则滤波器的输出电压频谱VO(f)为:
VO(f)= VI(f)IL(f)
若用dB表示,则为:VO(f)dBv = VI(f)dBv + IL(f)dBV
设输出波形也是梯形波,其幅度为 VOP ,脉宽为dO, 则截止频率以下部分(插入损耗为0)的频谱的幅度为:
VO(f)= VI(f)= 2VIPd ffCO
瞬态干扰:指时间很短,但幅度较大的电磁干扰。常见的瞬态干扰(设备需要通过试验验证其抗扰度)有三种:电快速脉冲(EFT)、浪涌(SURGE)、静电放电(ESD)。
电快速脉冲:由电路中的感性负载断开时产生。其特点是不是单个脉冲,而是一连串的脉冲,因此,它对电路的影响较大。因为一连串的脉冲可以在电路的输入端产生累计效应,使干扰电平的幅度最终超过电路的噪声门限。从这个机理上看,脉冲串的周期越短,则对电路的影响越大。因为,当脉冲串中的每个脉冲相距很近时,电路的输入电容没有足够的时间放电,就又开始新的充电,容易达到较高的电平。
浪涌:浪涌主要是由雷电在电缆上感应产生的,功率很大的开关也能产生。浪涌的特点是能量很大,室内的浪涌电压幅度可以达到6kV,室外往往会超过10kV。浪涌虽然不象EFT那么普遍,但是一旦发生危害是十分严重的,往往导致电路的损坏。
静电放电:雷电现象实际就是一种静电放电现象,它对设备电缆的影响已经体现在浪涌试验中了。实际环境中的另一类主要现象是人体接触设备时的静电放电。但在一些标准中增加了比人体放电更严酷的装置放电。这些静电放电对设备造成的影响从本质上讲以辐射干扰为主,这在后面详细介绍。
在电气和机电设备中常见的一种瞬态干扰是由继电器、马达、变压器等电感器件产生的。一般这些器件构成系统的一部分,因此干扰往往在系统内部产生。设计人员对此应给予足够的重视。
瞬态干扰产生的机理:在电感负载的电路中,当开关断开时,根据电感的特性,电感上的电流不能突然消失,为了维持这个电流,电感上会产生一个很高的反电动势,根据楞次定律,这个电压为:
E = -L ( di / dt )
L = 电感(H)
I = 电感中的电流(A)
这个反电动势向电感的寄生电容C反向充电。随着充电电压的升高,触点上的电压也升高,当达到一定程度时,将触点击穿,形成导电通路,电容C开始放电,电压开始下降,当电压降到维持触点空气导通的电压以下时,通路断开,又重复上面的过程。这种过程一直重复到由于触点之间的距离增加,电容上的电压不能击穿触点为止。
当电容不能通过击穿触点放电时,就通过电感回路放电,直到电感中的能量耗尽为止。
说明1:随着触点的距离越来越远,击穿触点需要的电压越来越高,因此电容上的电压越来越高。
说明2:随着击穿触点需要的电压越来越高,电容充电的时间越来越长,因此震荡波形的频率越来越低。
说明3:电容C每次击穿触点向电源回路反向放电时,会在电源回路上形成很大的脉冲电流,由于电源阻抗的存在,这些脉冲电流在电源两端形成了脉冲电压,从而对共用这个电源的其它电路造成影响。
在电气和机电设备中常见的一种瞬态干扰是由继电器、马达、变压器等电感器件产生的。一般这些器件构成系统的一部分,因此干扰往往在系统内部产生。设计人员对此应给予足够的重视。
开关触点被击穿导通(可见到蓝光)的机理有两种:辉光放电和弧光放电。
辉光放电:当加在气体上的电场强度较强时,气体中的自由电子或离子会获得足够能量,撞击其它原子或分子,产生更多的自由电子和离子,形成导电气体,这种状态称为气体电离。当触点之间的气体发生电离时,会发生一种能自行维持的辉光放电。
起辉电压:能够造成气体电离的电压称为起辉电压。起辉电压与气体种类、气体压力和触点之间距离有关。标准压力和温度下的空气,当触点间距是0.08mm时,起辉电压大约为320V。触点间距增加或减小时,电压都要增加。
维持电压:气体发生电离以后,只需要较低电压就能维持其电离状态。这个维持电压与触点的距离无关,在空气中大约为300V。另外,为了维持导通,还需要一个最小电流,通常为几个mA。
弧光放电:金属中的电子处于自由状态。有些电子的速度足够高,可以脱离金属表面。通常情况下,它们很快就会被拉回金属表面。但如果有一个外加电场能够克服这个拉回电子的力,则电子就成为空间的自由电子。所需要的电压梯度一般为0.5MV/cm。
在外界电场的作用下,电子从阴极射向阳极,由于局部电流很大,使触点局部温度很高,这可能使金属汽化,形成了一个金属气体桥,这就是弧光放电。一旦形成了金属气体桥,发生了弧光放电,只要外界电压能克服阴极电位,并且有足够的电流使金属汽化,弧光放电就能够保持。维持电压一般为10-30V,维持电流一般为1A。当电压或电流不满足这个条件时,弧光放电就终止了。
气体金属桥上的电流由电路电阻和电源电压决定。