计算机接地技术|接地技术全面分析

pwm · 发表于 2007-10-30 11:46:15

老伙计，请登录，欢迎回家

您需要登录才可以下载或查看，没有帐号？注册

x

<table cellspacing="0" cellpadding="0" width="545" border="0"><tbody><tr><td width="518" colspan="2" height="896">1、引言    在许多军用、商业和工业安装的计算机及其外围设备可能被瞬时电压或电磁干扰/射频干扰损害或破坏。一旦计算机出错，通常归因于“肮脏”或“有干扰”接地。这样，用户可以利用一些创新方法“打扫干净”接地。这些通常包括如下一种或多种方法：    a.使接地棒通过地面接到计算机；    b.切断安全绿色线电子连接；    c.在金属导管中安装绝缘套管；    d.安装具有浮置次级的隔离变压器；    e.在绝缘体上安装计算机；    f.安装绝缘接地插座。    这些实践大部分是很危险的，也是违反美国国家电气法规（NEC）的。它们中任一种实践不会使工程更好，或使得计算机工作得更好。有时可能暂告成功，但是以后经常会以更严重的方式重新露面。    事实上，这些普通方法没有一个可以使用，因为它们没有涉及到许多与计算机相关的重要问题：瞬间不同接地电压。有时叫接地不齐，就建筑物里一些其它点接地而言，这些是局部接地电位的不同。这些或大或小地发生在全部建筑物内。当这些电压（或合成电流）施加到数据线和控制线，计算机就会出现问题，而引起中断或损害。有许多大型开关负载和单独接地的电源的大型设备问题更特殊。另外，计算机使用在控制或监控的电噪声环境里，因此对通过其数据或控制线的干扰是很敏感的。    在讨论这些问题及其解决办法之前，要研究与电源系统和计算机相关的基础，以及它们为什么要接地。 2、为什么接地？    首先，必须指出，计算机不接地也可以工作。有两种计算机可以验证这一断言。一是笔记本电脑，飞机在35000英尺飞行，它能继续工作（包括通过雷暴）。它没接地到任何物体，但是仍然工作很好。另一个例子是一个安装在家庭办公室的40MHz、386IBM计算机。这个家有30年了，并且配线是标准的二线形式，没有一个接地线（没有绿线）。为连接到计算机三尖头插头（按照NEC建议），用GFI出口代替二线出口，计算机工作得象一个“冠军”一样，但是它没有接地。    这样，如果计算机不用接地就能工作得很好，为什么还有麻烦呢？有二点原因： a. 安全和电气法规要求    当连接电源系统和满足国家、州或城市用电法规时，要提供安。 b.信号参考    为连接计算机和外围设备提供一个公共信号参考。    电池供电的膝上计算机不需要接地；家庭办公计算机是交流电源，但是GFI保证了安全和符合国家电气法规。它经过串行数据电缆连接到打印机，但是打印机交流电缆把接头插入相同GFI出口，因此分享了相同信号参考（但是它不需要接地）。    因为传统和方便，为这两个功能而选择接地。只可惜，为安全而接地和为满足法规而接地均不能保证高质量信号参考地的存在。反之亦然。这两个要求需要用实践接地方法来完成。 3、接地环路和分别接地：    接地原理 3.1<a href="http://www.emchome.net/">安全接地</a>    即使绝缘击穿和设备损坏时，电流流动的返回路径也是需要的，以减少电压和保证人身安全。自从上个世纪引入了第一个电源系统，标准实践使用了接地，作为安全返回路径。这是很普通的，由于大部分的电站、传输线和变电站都固定在大地上。地球电极的使用是方便和便宜的，它起到一个额外非载流导体。在建筑物里，将非载流导体连接电源地电极和电子设备的机箱上变成执行相同功能的标准。    一个低电压建筑物电源系统，就应包括两个或更多的载流导线和一个非载流导体安全接地导线，在相同情况下，一个载流导线可以同样接地。这种接地线通常叫做零线。在美国，全国电气法规对线的尺寸和连接方法、零线和接地导线以及接地技术建立了标准。 安全接地的主要功能是当电源频率电流流动时均衡电压，这就需要低阻抗连接。阻抗的实际值取决于出现的故障电流。低电感是不需要的，由于所包括的频率通常不高于几百赫兹。安全接地的效率可以被定义为在规定的低频电流下的欧姆压降。安全接地效率可以容易地用简单测试仪器测试。 3.2<a>信号参考接地</a>    计算机的内部通信使用了由内部时钟同步的数字电压脉冲序列。这些脉冲通常使用0状态表示0V，1状态表示3到5V。这些电压脉冲对电路板地来说是一种参考，并与直流电源一起，通常连接到计算机机箱。时钟速率变化从几兆赫到约50兆赫。相互通信的电路元件需要一个公共参考地，它能在这些频率上提供一个低阻抗。只要计算机通信在内部，机箱和信号地的真实电压是不相关的（这就是膝上电脑完好的原因），当通过计算机机箱外面的数据线与远距离外围设备或其他计算机通信时，困难可能发生。在这些情况下，由两个位置上接地电压的不同而在数据线上引起高频电噪声和瞬时电噪声。（参见图1）未防护电缆可能易受辐射干扰（电磁干扰/射频干扰）的影响。瞬间噪声或瞬间电压只要1或2V，就可能引起数据中断；在30至50伏的瞬间电压将破坏大部分收发机芯片。可能有两个主要解决办法：    a.把计算机及其外围设备紧密装置在一起并连接到零阻抗参考网格，典型为底层地板上（参见图2）。    b. 使数据或通信线电子隔离，并用通信抑制器限制任何传导数据线的电压升高（参见图3a和图3b）。 </td></tr><tr><td width="230"><img height="40" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd_r1_c1.gif" width="255" border="0" /><img height="38" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd_r2_c1.gif" width="255" border="0" /><img height="36" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd_r3_c1.gif" width="255" border="0" /><img height="35" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd_r4_c1.gif" width="255" border="0" /><img height="32" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd_r5_c1.gif" width="255" border="0" /><img height="32" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd_r6_c1.gif" width="255" border="0" /> </td><td valign="top" width="290"><img height="42" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd2_r1_c1.gif" width="255" border="0" /><img height="44" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd2_r2_c1.gif" width="255" border="0" /><img height="53" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd2_r3_c1.gif" width="255" border="0" /><img height="74" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd2_r4_c1.gif" width="255" border="0" /> </td></tr><tr><td class="text1" width="230">图1 不同接地电压引起的噪声 </td><td class="text1" width="290">图2 零或低阻抗信号参考网格 </td></tr><tr><td width="257"><img height="100" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd3.gif" width="255" border="0" /> </td><td width="263"><img height="84" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd4.gif" width="215" border="0" /> </td></tr><tr><td class="text1" width="258" height="25">图3a 数据线的隔离 </td><td class="text1" width="262" height="25">图3b 数据线的隔离和抑制 </td></tr><tr><td width="258">   为均衡电势，零阻抗参考网格的电感必须与低阻抗一样低。因此，许多短而并联通道（如在一个传统计算机机房地板里）是需要的。隔离接地导体将产生象长天线的作用，可在不同频率上有高或低的阻抗（参见图4）。使用到电源计算机设备的隔离接地插座，甚至按照国家电气法规建议做的时候，可能都不符合在高频时低阻抗的需要，所以通常是无效的。    同样，应用隔离变压器也不能解决低阻抗参考接地问题，尽管这些常被误用。 </td><td valign="top" width="262"><img height="152" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd5.gif" width="180" border="0" /> 图4　仅一端接地的22英尺No4  AWG隔离接地连接器的阻抗 </td></tr></tbody></table><table cellspacing="0" cellpadding="0" width="545" border="0"><tbody><tr><td width="518" colspan="2">3.3 <a href="http://www.emcgarden.net/">信号隔离</a>    为进行远程通信，有些数据通信隔离通常是必需的，这是由于其不可能对不同位置的电势进行均衡。30英尺点间通信时间约为0.1ms。    计算机对数据线干扰的敏感度取决于信号电平以及收发信机和数据线本身之间的隔离度。由于全部数据线导体和机箱间为公共模式信号，所以许多有问题的不同接地电压会出现。公共模式电压所提供的损坏或中断水平较低，所以不会有问题发生。非平衡直接连接的通信线（例如RS－232）对这些问题是敏感的。    平衡通信（例如RS－422）将较少受到影响。平衡隔离系统（例如以太网10Base-T）对噪声问题是抗扰的。表1示出了几个常用通信系统大概的损伤等级和敏感水平。 </td></tr><tr><td width="518" colspan="2" height="118"><div align="center"><center><table width="400" border="0"><tbody><tr><td class="text1" width="33%">数据系统 </td><td class="text1" width="33%">中断电压 </td><td class="text1" width="34%">损坏电压</td></tr><tr><td class="text1" valign="top" width="33%">RS－232 RS－422 以太网　细电缆网 以太网　10BASE－T 调制解调器 光纤 </td><td class="text1" valign="top" width="33%">5 30 50 500 1000 ∞ </td><td class="text1" valign="top" width="34%">30 50 500 3000 4000 ∞ </td></tr></tbody></table></center></div></td></tr><tr><td width="518" colspan="2">表1　损坏和敏感水平 </td></tr><tr><td width="518" colspan="2" height="201">4、噪声和瞬时保护交流：电源系统    用于保护计算机来自交流电源系统干扰的电源线滤波器、电压调节器、隔离变压器和浪涌抑制器的应用已许多年。    一些制造厂在说明书声明，计算机对零线和接地导线之间1或2V的噪声或瞬时电压是敏感的，这些电压会破坏逻辑电路。对公共模式噪声的担忧经常用于证明应用隔离变压器是合理的。浪涌抑制器制造厂主张，为保护现代计算机，最低正常模式瞬时通过电压为300V。    使用ANSI　C62.41－1991标准瞬时的电压波形试验室表明，少数计算机电源系统不能经受任何模式的500V瞬时电压，通过低压直流总线的馈通是较难测试的。新近的数据表明，这种耦合方式是可能的，但是仅仅在很高频率才有意义。进入到设计得很好的交流电源的瞬时现象损伤计算机的逻辑电路，比人们想象要猛烈地多。    一个普通的论点是：“每个人都知道，计算机对瞬时现象很敏感，尤其是零线到地”。然而，发表的数据不支持这一看法。一个主要高档计算机工作站的生产厂最近指出，其计算机能够经受所有模式下4kV的瞬时电压，而不会引起损害或中断。 </td></tr><tr><td width="217">   另外的论据可以容易地说明零线到地敏感神话的谬论。在一些国家的普通实践，以及在美国海军和许多商业船舶上，使用的电源系统为二线导线并没有零线。按美海军习惯，“零线”为60V(rms)，全部标准美国计算机工作得很好。如果仔细分析典型电源的电路设计，那么很清楚，双导线与直流输出是电绝缘的(参见图5)；正常模式或公共模式都不对直流电源形成耦合路径，也就是说不传播噪声或瞬时电压。 </td><td width="303"><img height="191" src="http://www.rite-emc.com.cn/image/jsjjd6.gif" width="298" border="0" /></td></tr><tr><td width="518" colspan="2" height="540">   许多现代计算机电源是相当健壮的，可以经受令人惊讶的高的瞬时电压。正常模式瞬时电压将损害输入滤波器的电容器或整流器的二极管；公共模式瞬时电压将损害输入滤波器或高频变压器。甚至最便宜元件能经受的电压一般都超过500V（1.2×50μs），1kV的也很普通。前面提到的很出名的工作站生产厂指出，经受4kV是“不困难”的。因此，任何著名计算机为工业应用期待设计出能经受最小1kV的电源，也许是3或4kV。ANSI C62.41－1991等级A2　Ringwave(4kV,130A,100kHz)是一个好用的电源耐用性测试的准则。 5、有效的装配实践 5.1 计算机规范    计算机的有效保护必须从规范其自身的部件开始。在没有任何瞬时电压或电磁干扰/射频干扰抗扰性规范时，是不可能调整保护装置的。这些规范及建议的准则是：    a.输入电压和频率的可接受范围（额定值＋20％－30％）；    b.电源维持时间（在全负载时为30ms）    c.无损害或中断时经受交流瞬时电压能力（ANSI　C62.41－1991等级A1或A2：2kV或4kV）；    d.数据或通信端口经受瞬时电压的能力（ANSI　C62.41－1991等级A1或A2）。 5.2 <a href="http://www.studyemc.net/">交流接地</a>和功率调节 5.2.1 安全接地    全部计算机及其外围设备将稳固接地到交流电源地和任何建筑物的钢筋。要做好地线互连，不要过分信赖管道或好出问题的接地连接。 5.2.2 电源调节    每个计算机的交流电源应用全模式浪涌抑制器进行保护，该器件能衰减ANSI　C62.41等级A3瞬时电压比计算机抗扰度低25％到30％的水平。    引入到设备的交流电源应利用有能力衰减ANSI　C62.41等级C3瞬时电压到一个适度低电平（1.5kV或更少）的抑制器或闪电避雷器加以保护。同样，内部瞬时电压不应接近电源（典型为大型电动机）。 5.3 数据线接地和保护 5.3.1 参考接地    使用直接连接的数据媒体（象RS－232线）的计算机必须接地到一个低阻抗参考网格。对于可靠和安全工作来说，在建筑物内分开放置计算机不能作为参考，应由隔离数据线作为参考。这些包括光耦合数据线、调制解调器、使用数据隔离变压器的系统以及光缆。 5.3.2 瞬时的电压保护    长距离金属数据线应在每端用抑制器加以保护，它可把瞬时的过载电压减少到隔离介质所承受电压的25％到30％。应推荐使用屏蔽电缆以及每端屏蔽接地。 6、结论    计算机接地需要理解两不同任务：性能和安全。各种技术必须涉及到这两个重要范围。    正确的接地是在交流电源上使用适当的功率调节装置，以及对任何敏感的数据或控制线的浪涌保护。</td></tr></tbody></table>

maxitsai · 发表于 2011-1-10 13:43:40

the diagram is missing!

		自动登录	找回密码
密码			注册

计算机接地技术|接地技术全面分析

老伙计，请登录，欢迎回家

发表回复

浏览过的版块