接地技术介绍

原文来自：风陵渡口话EMC 一、接地技术发展史 1.1、第一阶段：用于雷击保护

接地技术的引入最初是为了防止电力或建筑物等遭雷击而采取的保护性措施。在日常生活中我们常见到在各种建筑物上都装有避雷针，其作用就是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入大地，从而起到保护建筑物的作用。

1.2、第二阶段：人身安全保护        通过实践人们认识到，接地也是保护人身安全的一种有效手段，当某种原因引起相线（如电线绝缘不良，线路老化等）和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生。由于我们在电流回路中采取了合理的保护措施，产生的故障电流使得电源熔丝或空气开关断开，以防止设备外壳继续有危险电压产生，从而起到了保护人身安全的作用。      

1.3、第三阶段：作为基准电位参考       随着电子通信的发展，在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。在通信局中大量通信设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准“地”作为信号参考地。由于电子通信设备的复杂化，信号频率越来越高，在电信系统及通信局站的接地设计中，信号之间的互扰、电磁兼容问题必须给予特别关注。  

1.4、第三阶段：作为回流路径   随着信号工作频率越来越高，信号翻转速度越来越快，设备的信号回流也被列入“地”概念中。特别是现在电子产品体积越来越小，信号类型越来越多，模块电路接地设计直接决定信号之间的互扰、电磁兼容问题。  

二、接地基础知识 2.1、地与接地的概念

电路中的〝地〞，一般定义为电路或系统的零电平参考点。它不一定是实际的大地，它可以是设备的外壳或其它金属板、导线。顾名思义，“接地”就是把某点与电位参考点连接起来，使该点的电位为 0，也就是使该点与地之间的电压为 0。

目前人们都试图给“接地”一个明晰的定义；在众多定义中更认可亨利·奥特的定义：“接地是电流返回其源的低阻抗通道”，电路或系统与“地”之间建立低阻抗通路。

2.2、接地用途的分类

  在地系统中，有时一个接地点既承担保护地，又承担防雷地的作用；或既承担工作地，又承担保护地的作用。而不同功能的地连接，针对电气对象不同，其处理方式和侧重点还会有所差异。

在此我们只针对电磁兼容方面，来谈谈接地的用途分类。根据电磁兼容接地目的不同，可以大致分为：屏蔽接地、滤波接地、基准电位稳定、信号回流路径。 

屏蔽接地：

为了防止电路工作产生的电场、磁场、电磁场向外辐射，或外部电场、磁场、电磁场在内部电路环路产生干扰，必须进行必要的隔离和屏蔽，这些隔离和屏蔽的金属必须接地。

滤波接地：

滤波器中一般都包含信号线或电源线到地的旁路电容，当滤波器不接地时，这些电容就处于悬浮状态，起不到旁路作用。

噪声和干扰抑制：

对内部噪声和外部干扰的抑制需要或系统上的许多点与地相连，从而为干扰信号提供“最低阻抗”通道。

电路参考：

     电路之间信号要正确传输，必须有一个公共电位参考点，这个公共电位参考点就是地，因此所有互相连接的电路必须接地

信号回流：

      信号电流总是从源端流出，到达负载端，经参考平面返回到源端，构成信号电流环路，而参考平面通常会选择低阻抗的地平面。

三、金属搭接介绍

3.1、什么是搭接

   

金属搭接是在两金属之间建立低阻抗通路，目的是为电流提供一均称的结构体以避免干扰回路。电子通信产品进行搭接设计的主要目的有：降低结构件上面的高频电位，防止产生地电流噪声，地环路耦合。防静电，防止结构件上积累静电电荷而造成危害。保护人身安全和设备安全。防止雷电放电的危害，也防止电源偶然接地时发生电击危险。提供故障电流的回流通路，提供信号电流单一、稳定的通路。

3.1.1、影响金属搭接阻抗的因素： 金属与金属搭接的阻抗与金属的种类、金属表面的涂敷层、搭接结构等因素有关。如何减小金属搭接阻抗，可以从以下方面进行：  导体的阻抗与流过电流的截面积密接相关，截面积越大，电阻越小，要减小两块金属之 间的接触电阻，就要尽量增加它们的接触面积。当两块金属相互重叠的面积一定时，实际的基础面积与金属表面的平整性有关，金属表面越平整，实际的接触面积越大，接触电阻越低。  金属之间的接触电阻还与金属的表面氧化层有关。任何金属的表面都会形成氧化膜，不同的金属材料，氧化的程度不同，铁、铝、铜等较活跃的金属更容易形成氧化膜。如果 氧化膜比相互接触的金属软得多，就很容易被刺穿，而形成金属接触。但是，如果氧化膜较硬，就很难形成有效的导电接触。  金属的硬度也会影响搭接电阻。在搭接压力一定的情况下，较软的金属由于会产生更大 的塑性形变，因此会形成更大的接触面积，对应的接触电阻也就更低。当然，搭接面的压力对于搭接电阻也有影响，影响程度与金属硬度有关。金属越硬，压力影响就越明显。

实验表明：金属表面镀锡能够提供很低的阻抗，这是因为锡不仅导电性很很好，而且较软。

3.1.2、金属搭接的主要形式：

金属搭接可以分为永久性的和非永久性的，永久性的搭接指在产品的寿命周期内不会脱开，非永久性搭接是指搭接部位由于检修、维护等原因需要分离，然后再重新搭接的情况，非永久性搭接可以通过螺丝钉、螺母、铆接、压接、或者其它方式实现。

永久性搭接的主要形式有熔焊、钎焊两种。熔焊是永久性搭接的理想方式、熔焊的高温可以蒸发掉氧化层等绝缘物质，形成连续的金属接触。熔焊形成的搭接具有良好的抗腐蚀性。

钎焊是另外一种较好的永久性搭接方式。钎焊是采用比母材熔化温度低的钎料，使其熔化将母材连接起来的焊接技术，钎焊分为硬钎焊与软钎焊。

非永久性搭接通常采用螺钉、铆接、压接来实现。很多场合不适合使用永久性搭接的方式，这时采用螺钉连接是最好的选择，不仅能够满足拆卸的需要，而且能够提供较低的搭接阻抗。螺钉的主要功能是为搭接面提供足够的压力，一般要大于 150kPa-200kPa 的压力，螺钉压紧的搭接面中，螺钉的主要功能是压紧搭接面，电流主要流过搭接面，因此对螺钉 的导电性没有要求。

铆接并不是理想的搭接手段，它既没有焊接的良好电气性能和抗腐蚀性，也没有螺钉紧固的灵活性，唯一的好处是适合于装配。电流流过铆接的搭接面时，铆钉与搭接体之间的缝隙对于搭接阻抗的影响很大。因此，安装铆钉的孔径要合适，使铆钉与搭接体之间具有紧密的接触，并且要避免一切绝缘物质。

3.2、搭接设计： 3.2.1、搭接设计的基本原则： 搭接设计的基本原则是：保证结构件自身、结构与地系统之间良好的电连续性，并提供足够低的阻抗（从直流电阻到高频阻抗），实现结构件的等电位连接。结构件的这种等电位连接对系统安全性和电磁兼容性，甚至产品的正常工作均有十分重要的影响。在产品设计初期，结构设计人员就应该重视搭接设计，保证这种等电位连接。 3.2.2、搭接设计的要求：    

      保证搭接面具有良好的导电性，保证搭接面的清洗干净，保证搭接面可靠接触，保证搭接面有足够的紧固力，保证有足够的接触面积。防止搭接点产生电化学腐蚀。

在产品设计中需要注意搭接电阻（即直流搭接电阻）的应用价值，因为搭接电阻并不能直接反映搭接点的性能，而是搭接点的直流电阻和高频阻抗的综合性能决定搭接的性能。

由于高频阻抗测试存在困难，目前暂时只能提出直流搭接电阻的要求。另外，实际上也不能仅用搭接阻抗来衡量系统接地的性能，因为在实际的地系统中地线的感抗在高频电路中诱发的干扰将远远大于搭接电阻造成的危害，没有必要让搭接阻抗比连接体本身的固有阻抗还小得多。

3.3、搭接的可靠性：

形成低阻抗的连接并不是难事，难的是长期保持搭接点的低阻抗状态。影响金属搭接点阻抗的主要因素是腐蚀。腐蚀就是金属材料与环境之间相互作用，导致金属性质发生变化，其包括盐雾和工业污染物的环境腐蚀性尤为重要，暴露在这些环境中的搭接必须考虑进行保护，防止搭接阻抗变大。

金属在纯净状态下的电位序列，揭示了金属腐蚀的难易程度，处于序列中较高的位置金属更容易腐蚀。为了缓解腐蚀，可以使用保护漆将搭接点保护起来，也可以使用能与搭接金属兼容的第三种金属来减小电解腐蚀。    

原文来自：风陵渡口话EMC

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审核编辑 黄宇