实用EMI噪讯对策讲座(3)噪讯与电洞(Surge)

在噪讯领域中有所谓「电洞」一词，事实上电洞(surge)是指强大脉冲状的噪讯而言；相对的引发电子组件或是电路暂时性误动作的噪讯一旦消失时，电子组件与电路能够立即恢复功能者统称为「噪讯(noise)」。

狭义的噪讯是指会破坏电子组件与电路强烈物质，称为「电洞(surge) 」或是「雷击」，不过电子组件的耐性各式各样，类似这样的定义并无法具体厘清噪讯与电洞两者的界限，一般而言噪讯与电洞只能作如图1所示概括性区别，有关噪讯与电洞的区别，如果对象是电子机器时，通常以10V的电压为基准，10V以下称为「噪讯」，10V以称为「雷击或是电洞」。

电洞又分为自然发生与人工两种形式，自然界产生的电洞典型代表，例如与雷电有关的雷电放电、诱导雷，以及静电放电等等；至于人工电洞典型代表，例如开闭电洞(switching surge)等等。由于静电放电来自人体的情况相当多，这意味着静电放电涉及到人体，有关静电放电的具体内容后面章节有详细说明，图2是低电压系统的电洞噪讯分类。

图1 电洞与噪讯的区别
　

图2 低电压系统的电洞噪讯分类
　
雷电放电
雷电放电属于自然界发生的电洞，同时也是最强烈的电洞，雷电放电是雷云中发生的静电Δ放电现象，若与一般静电放电比较，它的能量等级与一般静电放电的差异非常大，因此必需与一般静电放电作明确区隔。雷电放电分为两种:
雷云中发生的云放电
落雷

虽然雷云是带电的静电，不过它是大地之间产生的静电放电，相形之下落雷则会对地表上所有物体造成重大伤害，这其中当然包含大部份的电子组件与电路。雷电放电因放电形成的放射变成噪讯源，这点与落雷完全相同。雷云中的电荷起因于雷云中上升气流，与下降冰雹相互之间摩擦电气所造成，因此雷云的带电方式会随着冬天与夏天的雷云产生极大差异(图3)。
　

图3 雷云的电荷分布
　
冬天与夏天云与电荷的高度不同，地表的温度分布也不相同，所以冬天冰雹形成的高度比较低。由于正电荷在云的上方扩散，负电荷则聚集在-20 ~ -30°C的地方，因此冬天的雷云被强风带动形成长条状，夏天雷云会使下方的「负电荷」放电到地表引发落雷，相形之下夏天雷云会使下方的「正电荷」放电到地表，不过某些情况却是负电荷放电。雷电放是一连串的放电现象，动作上首先反复进行数次所谓的「尖端放电」动作，接着引发「复归雷击」的主放电，虽然某些情况复归雷击只发生一次，不过大型雷电的场合，通常间隔40ms反复发生数次，图4是落雷的雷击电流波形。
　

图4 落雷的雷击电流波形

雷击本身非常强烈，物体或是电子机器如果直接遭受雷击，会形成造成重大伤害，因此根本防护对策就是避免直接遭受雷击，避雷针可算是常见而且非常有效的对策之一。避雷针并无法消除雷击，当物体或是电子机器遭受雷击时，它可以将雷击电流传导至大地，所以避雷针必需接地。如图5所示它可以保护从顶端向下延伸形成的一定角度(保护角)范围，一般保护角大约是60°C，不过避雷针属于可燃物，被当作危险物处理对象时，基于安全考虑一般规定保护角必需低于45°C。
　

图5 避雷针的铺设
　
避雷针的实际保护角范围受到各种要因改变无法一概而论，其中一种称为「回转球体方」的计算方法，可以获得接近实际的保护角范围。此处假设从尖端放电的距离为雷击距离rs，避雷针前端的高度为h，图6的关系便可成立。图中超越雷击距离rs的范围为受到保护的范围，由图可知尖端放电的位置越低，保护范围相对变窄，例如尖端放电位置极低的图6(b)，保护角与45°C比较时，它的保护的范围变成非常狭窄。此外，即使在高楼搭建避雷针，屋顶附近的侧壁同样会有遭受落雷的可能，不过表面包覆金属的构造物即使遭受雷击，雷击电流只会在金属表面流动，不会在构造物内部流动。
　

图6 利用回转球体法的保护范围