王曉東 蔡虎 唐振紅(陜西省醫(yī)療器械檢測中心,陜西西安 710075)

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醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容設(shè)計中接地方法研究

王曉東 蔡虎 唐振紅
(陜西省醫(yī)療器械檢測中心,陜西西安 710075)

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進的發(fā)展,電氣,電子設(shè)備廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域,設(shè)備電磁環(huán)境越來越復(fù)雜,如何在復(fù)雜電磁環(huán)境下有效保證設(shè)備能夠正常運轉(zhuǎn),并不對其他設(shè)備產(chǎn)生影響其性能的電磁干擾的能力,即設(shè)備電磁兼容性,是當(dāng)前重要的研究課題。本文主要研究了醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容設(shè)計中關(guān)于接地的一些常用方法,文中詳細介紹了安全接地,單點接地,多點接地,混合接地的結(jié)構(gòu)以及適用情況,并針對可能出現(xiàn)的干擾給出了有效的整改對策,通過研究希望能夠?qū)嶋H應(yīng)用起到一定的指導(dǎo)和參考作用。

【關(guān)鍵詞】電磁兼容 接地方法 干擾

【Abstract】This paper mainly studied the mommonly used grounding methed in electromagnetic compatibility design of medical electrical equipment.In this paper, safety ground, single-point ground, multi-point ground and mix-ground were introduced in detail, and put forward effective corrective measures to solve the possible interference.By studying, the research result was expected to play a guiding and reference role in practical application.

【Keywords】Electromagnetic Compatibility;Grounding Methed;Interference

1 引言

近年來隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進發(fā)展，電氣，電子設(shè)備廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容性尤其重要，因為設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性直接關(guān)系操作人員和患者的生命安全，所以設(shè)備在設(shè)計的過程中必須考慮電磁兼容的問題。屏蔽，濾波和接地是電氣設(shè)備電磁兼容設(shè)計的三種基本技術(shù)，本文主要針對醫(yī)用設(shè)備電磁兼容設(shè)計中接地方法進行研究。

2 接地的分類

接地通常意義是指設(shè)備或者系統(tǒng)與大地保持良好的電連接，參考點電位保持始終為零。但是從廣義講，接地也包括連接到一個作為電路中各信號的電平參考點或者參考面的導(dǎo)體上[1]。根據(jù)不同的接地功能和不同的接地目的，設(shè)計中會采用不同的接地的方法。根據(jù)功能將接地分為兩大類:一類稱為安全接地，主要為了保證設(shè)備的電器安全；另一類稱為信號接地，主要為保證電路可以正常工作[2]。

圖1 安全接地結(jié)構(gòu)框圖

圖2 浮地結(jié)構(gòu)框圖

圖3 單點接地的結(jié)構(gòu)框圖

2.1 安全接地

安全接地就是利用低阻抗的接地導(dǎo)體將設(shè)備的外殼與大地連接，以此來保證人員和設(shè)備安全。圖1為常用電氣設(shè)備安全接地的框架結(jié)構(gòu)圖，其中Rg代表絕緣電阻，RH代表人體電阻。

設(shè)備在正常使用狀態(tài)下外殼和帶電部分絕緣性良好，此時相當(dāng)于帶電部分和外殼之間有一大電阻Rg，所以即使外殼有較高的感應(yīng)電壓，流過人體RH的電流也很小。但是在實際應(yīng)用中會因為帶電部分絕緣層破損、老化，以及帶電部分與外殼之間的灰塵、潮濕、浸水等原因致使設(shè)備外殼漏電，此時電阻Rg變小，流過人體電阻RH的電流變大，而對人體造成傷害的主要是流經(jīng)人體的電流[3]。所以為了保證電氣安全，將設(shè)備外殼與接地低阻抗良導(dǎo)體連接，當(dāng)外殼發(fā)生漏電時大部分電流會經(jīng)過接地導(dǎo)體流入大地，從而起到保護人身安全的作用。

2.2 信號接地

信號接地就是指設(shè)備內(nèi)部電路中各種電壓信號的電位參考點，即地線電位為系統(tǒng)中的所有電路提供了一個電位基準(zhǔn)，所以在實際設(shè)備的電路中信號地是連在一起的，以此保證內(nèi)部所有電路具有相同的參考電位。信號接地有三種基本方法:浮地、單點接地、和多點接地，以及單點接地和多點接地結(jié)合使用的混合接地方法[4]。上述方法不僅適用于設(shè)備內(nèi)部電路及印制電路板，同樣適用于多臺電氣設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)。

圖4 并聯(lián)單點接地方式結(jié)構(gòu)圖

圖5 串聯(lián)單點接地方式結(jié)構(gòu)圖

圖6 多點接地方式結(jié)構(gòu)框圖

圖7 混合接地方式結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 浮地

浮地就是設(shè)備電路的地與公共地之間無導(dǎo)體連接，如圖2所示為浮地接地方法的結(jié)構(gòu)框圖:

浮地主要應(yīng)用于便攜式設(shè)備，其優(yōu)點就是電路不受大地的電性能影響，抗干擾能力較強，其次通過光耦或者變壓器可實現(xiàn)不同電位的電路相互之間的配合。但是也正是因為其不與大地連接，導(dǎo)致容易產(chǎn)生靜電積累，這也是浮地方法最大的缺點。如果電荷得不到及時的釋放，積累到一定程度，設(shè)備和地之間的電壓就會引起靜電放電，成為破壞性較強的干擾源。在實際應(yīng)用中有效解決這個問題的最好辦法就是在浮地和公共地之間跨接阻值較大的電阻，以此達到及時釋放電荷的目的。

2.2.2 單點接地

單點接地是相對較為簡單的一種接地方式，就是將設(shè)備電路中所有需要接地的點都接到公共地的同一點。如若是由多臺設(shè)備組成的系統(tǒng)，且各設(shè)備都是獨立地線，則將系統(tǒng)組成設(shè)備的接地線連接到系統(tǒng)唯一參考接地點即可。單點接地結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，所以在現(xiàn)實中得到普遍利用。圖3所示為單點接地的結(jié)構(gòu)框圖。

如圖3所示單點接地中所有地線都接到同一點，所以沒有形成地線環(huán)路，也就不存在地線環(huán)路干擾的問題，這是單點接地方法最大的優(yōu)點。當(dāng)然單點接地在使用中也有其局限性，當(dāng)設(shè)備工作頻率較大或者地線長度與波長可比時，地線就會向外輻射電磁波產(chǎn)生電磁干擾，所以單點接地結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于頻率小于1MHz或者地線長度小于λ/20的場合，這樣就實現(xiàn)了在無地線電磁輻射干擾的條件下發(fā)揮單點接地?zé)o地回路干擾的優(yōu)勢[5]。

單點接地結(jié)構(gòu)根據(jù)其連線方式可進一步細分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地方式，圖4所示為并聯(lián)單點接地方式，圖5所示為串聯(lián)單點接地方式。

如4所示并聯(lián)式單點接地方式中設(shè)備內(nèi)部電路或者系統(tǒng)組成單元的地電位只受本部分的接地阻抗和低電流影響，相互之間不會造成干擾。但是這種并聯(lián)式單點接地方式勢必會造成電路中會有很多接地線，這樣不僅使內(nèi)部電路復(fù)雜化，而且各地線之間的電感耦合及分布電容耦合也會在高頻條件下產(chǎn)生較強的干擾，因此在實際應(yīng)用中較少采用這種方式。圖5所示為串聯(lián)單點接地方式結(jié)構(gòu)圖，這種接地方式最大優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單比較容易實現(xiàn)，將所有地線用一根導(dǎo)線串接即可。而恰恰就是因為共用一根地線所以各接地點電壓會受到其他電路單元的影響。如圖中接地點A，B，C的電壓分別為:

由上式可以看出各電路單元的接地點電壓并不相同，存在公共地線阻抗帶來的耦合干擾問題。如果各電路單元功率相差較大，這種相互干擾的影響會非常明顯。所以從抑制干擾的角度考慮，串聯(lián)單點接地方式不如并聯(lián)接地方式。但就是因為其結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)實中還應(yīng)用較為廣泛，為了能夠在一定程度上解決公共阻抗干擾的問題，一般會將高電壓電路單元放在靠近接地點位置，盡量減小對其它電路單元的影響。

圖8 電容混合接地方式

2.2.3 多點接地

多點接地就是將各電路單元的接地點直接連接到最近的公共地線上，因存在多個不同的接地點，所以稱為多點接地方式。圖6所示為多點接地的結(jié)構(gòu)框圖。

由圖6可見相比單點接地方式多點接地的地線相對較短，因而比較適合應(yīng)用于高頻環(huán)境下，實踐中頻率大于10MHz時或當(dāng)頻率大于1MHz小于10MHz而地線長度大于λ/20可采多點接地結(jié)構(gòu)。但多點接地結(jié)構(gòu)會形成各種地線回路，當(dāng)設(shè)備所處環(huán)境中有較強的交變電磁場時，就會在地線回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流從而引入地回路干擾；其次多點接地對地線的要求也比較高，任何接地點上的地線腐蝕或者松動都會導(dǎo)致接地阻抗增大影響接地效果。實際應(yīng)用中為了有效的抑制地回路干擾一方面盡量使地線相互靠近減小環(huán)路面積；另一方面就是使用寬金屬板作為接地導(dǎo)體減小導(dǎo)體電感或者在其表面鍍銀、錫以減小導(dǎo)體電阻從而達到消弱地線回路干擾影響的目的。

2.2.4 混合接地

隨著電子技術(shù)發(fā)展，電器設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，同一大型設(shè)備往往既有模擬電路又有數(shù)字電路，既有產(chǎn)生強電磁輻射的模塊，又有對電磁干擾敏感的模塊，所以應(yīng)該根據(jù)電路的不同性質(zhì)采用不同的接地方式。如圖7所示為混合接地的結(jié)構(gòu)框圖。

由圖可見混合接地根據(jù)實際結(jié)合使用了單點接地和多點接地方式，對高頻電路及接地線較長的電路使用多點接地，其它則使用單點接地。對于寬頻電器系統(tǒng)，電路中同時包含有高頻信號和低頻信號，為了能夠同時利用單點接地和多點接地的優(yōu)勢，電路設(shè)計中往往會利用電容或者電感的頻率特性來實現(xiàn)，如圖8所示在該電路中對于高頻信號電容相當(dāng)于短路，所以采用的是多點接地，而對于低頻信號電容相當(dāng)于開路，即采用的是單點接地[6]。

3 結(jié)語

本文主要對醫(yī)用電器設(shè)備在電路設(shè)計中的接地方式進行了系統(tǒng)的研究，針對不同的實際情況介紹了相應(yīng)的接地形式，并對可能存在的干擾給出了有效的整改對策。文中研究內(nèi)容對電氣設(shè)備的電路設(shè)計具有一定的參考意義。

參考文獻:

[1]侯建國.淺析醫(yī)療設(shè)備的接地問題[J].中國醫(yī)療裝備,2005(6):39-41.

[2]陳立君.電氣安全接地技術(shù)[J].廣西輕工業(yè),2009(6):29-30.

[3]電氣安全接地和安全保護軟件的問題探討,2011(3):114-117.

[4]李凱.淺談醫(yī)用電氣設(shè)備電擊危險的防護[J].儀器儀表與分析監(jiān)測,2002(8):25-26.

[5]張亮.電磁兼容技術(shù)及應(yīng)用實例詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2014.4.

[6]梁振光.電磁兼容原理、技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2007.6.