高效抑制传导干扰的低通滤波器技术

滤波技术用来抑制沿导线传输的传导干扰，主要用于抑制电源干扰和信号线干扰。滤波器是由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择性网络，可以插入传输线中，抑制不需要的频率进行传播。

1.电源干扰抑制

（1）采用电源滤波器抑制电源线传输电磁干扰

电源滤波器的作用是双向的，它不仅可以阻止电网中的噪声进入设备，也可以抑制设备产生的噪声污染电网。图7-¹9）9中电电源感线L^滤_1和波电器感的结L2构绕在一个磁芯上，这两个电感在电流通过时是互补的，用来衰减共模干扰；电容C_X被用来衰减差模干扰，电容C_Y被用来衰减共模干扰。

图7-99 典型的电源线滤波器

2）滤波器的实际滤波效果在实际运用中的电源滤波器并非是一个理想的低通滤波器，滤波器的实际频率特性可由图7-100说明。从图中可以看出，普通电源滤波器不能有效抑制快速瞬变脉冲干扰。

3）电源滤波器设计要点

①滤波器一般安装在机柜底部交流电线入口处，不能让输入的交流电源线在机柜内绕行很长距离后再接滤波器，以免该线在机柜内辐射噪声。

②如果电源进线必须经过熔断器和电源开关等器件后才能接到滤波器上，则这段电路应采取屏蔽措施。

图7-100 滤波器的实际特性

③滤波器金属外壳最好直接安装在金属机柜上，而且应与机柜的接地端子靠得越近越好。

④滤波器的输入/输出线要分开布置，不要平行走线，更不应该捆扎在一起，否则输入线中的噪声将不经过滤波器直接耦合到输出线上。

⑤滤波器输出线最好采用双绞线，以加强抗磁场干扰能力。

⑥如果电源中高电压脉冲噪声比较多，则应选用能在更宽的频率上有较大衰减的电源滤波器，或者与铁氧体磁环线滤波器串联使用，以取得好的滤波效果。

⑦流过滤波器的电流不允许超过滤波器最大额定电流，否则由于电感器的磁芯产生饱和而使电感量大大降低，失去抑制作用。

（2）采用吸收式滤波器抑制电源线中的快速瞬变脉冲串干扰

吸收式滤波器由耗能器件构成，将阻带内吸收的噪声转化为热损耗，从而起到滤波的作用。

1）铁氧体吸收型滤波器结构 用于电磁噪声抑制的铁氧体是一种磁性材料，由铁、镍、锌氧化物混合而成。铁氧体一般做成中空型，导线穿过其中，当导线中的电流穿过铁氧体时，低频电流几乎无衰减地通过，但高频电流却会受到很大的损耗，转变成热量散发。所以铁氧体和穿过其中的导线即成为吸收型低通滤波器，能有效抑制快速瞬变脉冲串干扰。根据不同的使用场合，铁氧体滤波器可以做成多种形式。

2）铁氧体磁环构成线噪声滤波器的设计要点

①电缆或导线应尽量与环内径紧密接触，不要留太大的空隙，这样导线上电流产生的磁通可基本上都集中在磁环内，从而增加滤波效果。

②铁氧体磁环套在交流电源线和直流电源线上，用于抑制快速瞬变脉冲串干扰。

③将导线以同样的方向和圈数绕在磁环上，绕的圈数越多，滤波效果越好，一般在强电设备（伺服驱动器、变频器）的输入侧为4～5圈。电线太粗时，可以用两个以上的磁环，如图7-101所示，使总圈数达到4～5圈，但输出侧的圈数必须在4圈以下，如图7-102所示。

图7-101 伺服驱动器或变频器滤波电路

注意：图7-101中电源滤波器只允许用在伺服驱动器（或变频器）的输入侧，而不允许用在输出侧。图中的接地线也可不绕在磁环上，在某些场合，地线不绕在磁环上的滤波效果更佳。

④磁环与电源滤波器串联使用，则构成EMC滤波器，滤波效果更佳。

⑤在用磁环抑制直流电源和信号线共模噪声电流时，最好把正、负电源线对或正、负信号线对都穿过磁环，这样磁环就不易产生饱和，如图7-103所示。

图7-102 使用两磁环串联

图7-103 直流电源滤波电路

a）抑制共模信号 b）抑制差模信号

⑥如果使用磁珠或磁环的线路负载阻抗很高，则磁环很可能起不到作用，因为磁环的阻抗在几百兆赫时也只有几百欧，所以磁环比较适用于低阻抗电路。如果能在磁环后再并联电容组成类似LC滤波器，则会大大降低负载阻抗，从而增加滤波效果，如图7-104所示。

图7-104 典型交流电源瞬变脉冲干扰抑制电路

（3）采用隔离变压器供电，有效抑制电源中的脉冲串、雷击浪涌干扰

隔离变压器是一种采用得相当广泛的电源线抗干扰器件，它最基本的作用是实现电路与电路之间的电气隔离，从而解决地线环路电流带来的设备与设备之间的干扰。同时，隔离变压器对于抗共模干扰也有一定作用，对瞬变脉冲串和雷击浪涌干扰能起到很好的抑制作用。

1）隔离变压器的类型 如图7-105所示，隔离变压器的类型有简单的隔离变压器、带屏蔽层的隔离变压器、多重隔离变压器。

2）隔离变压器设计要点

①一般在数控系统中选用带屏蔽的隔离变压器，特殊场合才选用多重隔离变压器。

②变压器的屏蔽层必须接地，屏蔽层的连接线必须粗、短、直，否则在高频时的共模干扰抑制效果将变差。

③隔离变压器一次侧进线与二次侧出线要分开布置，不能平行走线，更不能捆在一起；二次侧出线最好选用双绞线，加强抗磁场干扰能力。

图7-105 隔离变压器

a）简单的隔离变压器 b）带屏蔽层的隔离变压器 c）多重隔离变压器

④隔离变压器对雷击浪涌高压脉冲具有良好的抑制作用，交流电源变压器加上浪涌抑制器件后就变成防雷变压器，如图7-106所示。(www.xing528.com)

图7-106中的避雷器即气体放电管，浪涌吸收器用压敏电阻，变压器带有屏蔽层，二次侧的电容器可进一步抑制浪涌中的残留共模噪声。

图7-106 防雷变压器

⑤隔离变压器与磁环配合使用，可以有效地抑制快速瞬变脉冲串干扰。

（4）采用交流稳压器

对于电网电压较长时间的欠电压、过电压和电压波动，则需要安装交流稳压器给机床数控系统供电，如图7-107所示。

图7-107 采用交流稳压器供电

（5）感性负载加吸收电路抑制瞬态噪声

系统中的感性负载如继电器、接触器、电磁阀、电动机等在关断时，会产生强烈的脉冲噪声，影响其他电路的正常工作。必须在感性负载处加吸收电路抑制瞬态噪声，其吸收电路的接线法如图7-108所示。

图7-108 感性负载并联吸收器件

a）放大器吸收器件 b）阻容吸收器件 c）三相灭弧器

根据不同要求，感性负载两端也可并联电阻、压敏电阻、稳压管等吸收回路，但阻容（RC）吸收回路具有很好的抑制作用，安装时应尽量靠近感性负载进行安装。

目前，有些交流接触器配备有标准的阻容吸收器件，如图7-109a所示，使用时可直接插入接触器规定的部位，安装方便。图7-109b所示为三相灭弧器，用于三相负载的阻容吸收。

图7-109 阻容保护器件

a）线圈抑制模块 b）三相灭弧器

2.信号线的干扰抑制

在数控系统中，信号线最容易受到干扰，会引起设备工作不正常。信号传输线常采取绝缘隔离、阻抗匹配、平衡传输、屏蔽与接地、合理布线等措施来抑制干扰，而信号传输线采取滤波则是抗干扰的另一重要措施。

图7-110 变频器速度调节

（1）模拟信号线干扰抑制

①模拟信号传输线特别容易受到外部干扰影响，所以配线应尽可能短，并应使用屏蔽线，如图7-110所示。

②伺服驱动器或变频器连接模拟信号输出设备（数控装置）时，有时会由于模拟信号输出设备或由伺服驱动器、变频器产生的干扰引起误动作。发生这种情况时，可在外部模拟信号输出设备连接电容器、铁氧体磁环，如图7-111所示。

图7-111 模拟信号线滤波

③对变化缓慢的模拟信号可以采用RC低通滤波，如图7-112所示。

图7-112 RC低通滤波

④用电流代替电压在传输线上传输，然后通过长线终端的并联电阻变成电压信号，此时传输线一定要屏蔽并“单端接地”，如图7-113所示。

图7-113 模拟信号电流传输

（2）数字信号线干扰抑制

①由于布线不当，信号环路面积较大会引起数字信号波形振荡，可采取串电阻或插入一低通滤波器来抑制，如图7-114所示。

图7-114 抑制数字信号振荡的方法

a）串入阻尼电阻 b）插入低通滤波器

②输入/输出传输线在连接器端口处应加高频去耦电容。通常，输入/输出信号的频率低于时钟频率，高频去耦电容的选择应保证输入/输出信号正常传输，并且能滤除高频时钟频率及其谐波。电容应接在输入/输出线和地线之间。

③在信号线上安装数据线滤波器，能有效抑制高频共模干扰。数据线滤波器由铁氧体磁环或穿心电容构成，例如将铁氧体磁环靠近插头处套住输入电缆，最好的办法是采用直接带滤波器的连接器，这种连接器的插座上每个引脚带有铁氧体磁珠和穿心电容组成的滤波器。

④光电编码器、手摇脉冲发生器、光栅尺等输出信号在接收电路端并联电容，可以有效抑制高频干扰，如图7-115所示。

图7-115 并联电容电路

⑤降低敏感电路的输入阻抗，例如在CMOS电路的入口端对地并联一个电容或一个阻值较低的电阻，可以降低因静电容而引入的干扰；对差动传输的数字信号，在信号输入端并接电阻和电容，能提高干扰抑制能力，如图7-116所示。

图7-116 降低输入阻抗