某探测系统的电磁兼容性探讨

1    引言

    电磁兼容是指电气设备在电磁环境中正常工作的能力。电磁干扰是对电气设备工作性能有害的电磁变化现象。电磁干扰不仅影响电气设备的正常工作，甚至造成电气设备中的元器件损坏。因此，对电气设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。既要使电气设备不受周围电磁干扰而能正常工作，又要使电气设备本身不对周围其他设备产生电磁干扰，影响其他设备正常运行。

    某探测系统由前端探测电路，信号处理电路和辅助机电部件组成。其中，前端探测电路主要由传感器和放大器组成，属于敏感器件，易受电磁干扰。而辅助机电部件主要由驱动电源和负载组成，是产生电磁干扰的主要辐射源。驱动电源大多采用脉宽调制式开关逆变正弦交流电源或直流斩波式方波交流电源，负载一般为感性电磁线圈。

    试验中发现：当探测元件无输入信号时，放大器就有较强的输出信号，导致整个探测系统无法正常工作。对此，我们的工作思路是，先对探测系统的电磁干扰信号进行测量，再对测量结果进行分析，找到产生电磁干扰的原因，以便采取有针对性的电磁兼容性措施，保证该探测系统的正常工作。

2    电磁干扰检测

2.1    检测的目的和方法

    检测的目的在于分析产生电磁干扰的原因，以便采取有针对性的电磁兼容性措施，保证整个系统正常工作。

    检测的方法是：启动探测系统，在探测元件无输入信号时，采用数字实时示波器对探测系统的输出信号进行检测。

    驱动电源分别采用脉宽调制式开关逆变正弦交流电源和直流斩波式方波交流电源。

2.2    检测内容

2.2.1    采用脉宽调制式开关逆变正弦交流电源的检测

    采用脉宽调制式开关逆变正弦交流电源驱动辅助部分工作，在探测元件无输入信号时，测量放大器的输出信号。图1为放大器的输出信号示波图，图2为展开示波图。

图1    脉宽调制式开关逆变正弦交流电源驱动时放大器的输出信号示波图

图2    脉宽调制式开关逆变正弦交流电源驱动时放大器的输出信号展开示波图

2.2.2    采用直流斩波式方波交流电源的检测

    采用直流斩波式方波交流电源驱动辅助部分工作，在探测元件无输入信号时，测量放大器的输出信号。图3为放大器的输出信号示波图，图4为展开示波图。

图3    直流斩波式方波交流电源驱动时放大器的输出信号示波图

图4    直流斩波式方波交流电源驱动时放大器的输出信号展开示波图

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2.2.3    空间的电磁场辐射耦合检测

    在探测元件无输入信号时，测量空间的电磁场辐射耦合到放大器的输出信号。图5为放大器的输出信号示波图。

图5    空间电磁场辐射耦合到放大器的输出信号示波图

2.3    检测结果

2.3.1    采用脉宽调制式开关逆变正弦交流电源驱动辅助部分工作

    在探测元件无输入信号时，放大器的输出信号中干扰的特点为：

    1）噪声电压具有随机性质，其峰—峰值<3.0mV；

    2）干扰电压峰—峰值为8.4mV；

    3）干扰电压出现间隔不等，为ms级；

    4）每次干扰电压为几个振荡波形，振荡周期为40ns。

2.3.2    采用直流斩波式方波交流电源驱动辅助部分工作

    在探测元件无输入信号时，放大器的输出信号中干扰的特点为：

    1）噪声电压具有随机性质，其峰—峰值<3.0mV；

    2）干扰电压峰峰值为29.6mV；

    3）干扰电压具有一定规律，出现的间隔为10ms；

    4）每次干扰电压为几个振荡波形，振荡周期为10μs。

2.3.3    空间的电磁场辐射

    在探测元件无输入信号时，空间的电磁场辐射耦合到放大器的输出信号中干扰的特点为：

    1）噪声电压具有随机性质，其峰—峰值<3.0mV；

    2）干扰电压峰—峰值为7.2mV。

3    结果分析及改进措施

    从检测结果可知，在探测元件无输入信号时，三种情况下放大器的输出信号中，干扰电压峰—峰值都远远超过该探测系统在放大器输出端要求的最小探测信号电压，因此，导致整个系统无法正常工作。

3.1    结果分析

3.1.1    脉宽调制式开关逆变正弦交流电源产生的干扰分析

    1）由于脉宽调制式开关逆变正弦交流电源的前级采用整流滤波，只有当输入的交流电压高于滤波电容的电压时，整流器件才可能导通，由此造成工频电流波形的畸变，而产生大量的谐波在电源线上传导发射。

    2）由于采用20kHz以上的脉宽调制式开关逆变正弦交流电源，其运行过程中产生大量的高次谐波在电源线和地线上传导发射。

    当开关器件关断时，由于集电极的高电位通过集电极与地之间的分布电容，地，电源进线，整流管返回集电极而产生共模干扰电流传导发射。

    当开关器件开通时，通过等效负载形成的高频脉冲串电流包含丰富的高次谐波在电源线上产生差模干扰电流传导发射。

3.1.2    直流斩波式方波交流电源产生的干扰分析

    1）由于直流斩波式方波交流电源的前级采用整流滤波，只有当输入的交流电压高于滤波电容的电压时，整流器件才可能导通，由此造成工频电流波形的畸变，而产生大量的谐波在电源线上传导发射。

    2）该探测系统的辅助部分由驱动电源和负载组成，驱动电源采用直流斩波式方波交流电源，驱动负载为感性的电磁线圈。

    对感性的电磁线圈采用直流斩波式方波交流电源供电，在斩波时将产生严重的电磁干扰。因为，感性的电磁线圈中的电流变化必然产生感应电动势，电流变化越快，产生的感应电动势越大。这种感应电动势将会通过各种路径传导耦合到放大器的输出级，而成为严重的电磁干扰。

    该探测系统辅助部分的驱动电源采用直流斩波式方波交流电源，其频率为50Hz，即每隔10ms斩波一次。从图3放大器的输出信号示波图中可以明显看出：电磁干扰信号正是每隔10ms出现一次。

3.1.3    辐射耦合产生的干扰分析

3.1.3.1    电源的电磁场辐射发射

    由于该探测系统的辅助部分驱动电源，采用了脉宽调制式开关逆变交流电源或直流斩波式方波交流电源。这两种电源波形的前后沿均含有一定的高次谐波，形成电磁场辐射发射。

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3.1.3.2    空间的电磁场辐射耦合

    各种通信，广播和电视发射；高压电力线路，各种运行的工业电气设备和家用电器使空间杂散电磁场日益增多，其频谱范围和幅度日益增大。它们通过空间耦合到探测系统中，形成电磁干扰。

3.2    改进措施

3.2.1    对脉宽调制式开关逆变正弦交流电源的电磁兼容性措施

    1）加装功率因数校正环节，抑制由于工频电流波形的畸变而产生大量的谐波在电源线上传导发射。

    2）加装开关电源滤波器，即在供电进线处装设抑制传导干扰的开关电源滤波器。图6为开关电源滤波器的线路图。

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