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一次测电路电容放电试验方法浅析

   2016-04-26 日用电器陈华文40801
本文导读:摘要:本文从标准的内容出发,分析了一次测电路电容放电的原理,阐述了电容放电试验的方法及注意事项。关键词:一次测电路;电容放电;实验方法1 一次电路电容器的放电  标准GB 4943.1-2011《信息技术设备的安全》

摘要:本文从标准的内容出发,分析了一次测电路电容放电的原理,阐述了电容放电试验的方法及注意事项。

关键词:一次测电路;电容放电;实验方法

1 一次电路电容器的放电

  标准GB 4943.1-2011《信息技术设备的安全》第2.1.1.7条规定:设备在设计上应保证在交流电网电源外部断接处,尽量减小因接在设备内的电容器贮存有电荷而产生电击危险。

在标准GB 8898-2011《音频、视频及类似电子设备 安全要求》9.1.6条规定:

对预定采用电源插头与电网电源连接的设备,其设计应保证在插头从电源插座拔出后,当接触插头的插脚或插销时,不得因电容器贮存的电荷而产生电击危险。

从以上内容可以看出,虽然标准不一样,但是不同的标准对同一种潜在的危险均做出了规定:拔出插头后,在插头插脚之间的残余电压不得对人产生电击的危险。

2 电容放电产生的原因

开关电源的设计在电子产品中得到了广泛的应用,而同时,在兼顾电磁兼容的设计中,为了抑制来自电网的干扰和解决EMI问题,在设备的电源输入端通常都会接有滤波线路,而最常见的就是接入滤波电容。因为电容是一种储能元件,通过电容的充放电作用可使输出电压变得平滑,通交流阻直流,从而实现滤波的目的。滤波电容一般分为X电容和Y电容,其中X电容接在输入线L和N两端用来消除差模干扰,Y电容接在输入线和地线G之间用来消除共模干扰,如图1所示。


图1 电容滤波电路图

由于电容滤波电路结构简单,使用方便,故应用较广。电容滤波的效果跟电容的放电时间常数有直接关系,放电时间常数越大,滤波效果越好,故一般电容的取值都较大。而电容接在设备的电源输入端,当设备被供电时就会对这些电容进行充电,也就是说,在一定时间内这些电容是带电的;当设备断电后,贮存的能量不会马上消失,人可能用手接触到电源的输入端,如果此时滤波电容储存的电量足够大,电容贮存的能量通过插头进行放电,人就有可能产生触电危险。

3 标准要求及分析

GB 4943.1-2011《信息技术设备的安全》标准中规定:

如果器具上电容的标称电容量超过0.1μF,则该电容器的放电时间常数不超过对于可插式A类设备1s。

有关放电常数是等效电容量(μF)与等效放电电阻(MΩ)的乘积。
        R  C                (1)

  其中:一次电路电容器的放电时间常数,s。
  R:一次电路跨接于L、N或PE任意两极之间的等效电阻,MΩ。
  C: 一次电路跨接于L、N或PE任意两极之间的等效电容,μF。

虽然公式看起来比较简单,但是我们知道,由于电子线路的设计比较复杂,而同时PCB板的铜箔走线本身也存在有分布电阻和分布电容,所以如果需要把等效电阻与等效电容计算出来是相当困难的。因此我们一般不会采用公式一方法去进行试验。


图2 电容放电的曲线图

图2是一张电容放电的曲线图,我们可以知道放电的方程式为:e2-0所以

                                                  (2)

  其中,: 一次电路电容器的放电时间常数,s。
  t :放电的时间,s。
  U0:一次电路电容器放电的初始电压值,V。
  U: 一次电路电容器放电时刻t的电压值,V。

由公式二可以看出,只需要测量出U0、U和t的值,就可以根据测量值计算出放电时间常数的值,就可以判定测量的结果是否合格。
  时间常数的概念是电容上的电压衰减为初始值的36.8%(≈37%)时所需的时间。所以,GB 4943-2011的注解中也提到:在经过一段等于一个时间常数的时间,电压将衰减到初始值的37%。

同时,GB 8898-2011中规定,拔出插头2s后,插头上的插脚或插销不应变成危险带电。

从以上可以看出,虽然两个标准的具体规定不一样,但要求及原理均基本相似,即:经过一段时间后,一次电路两端插脚或插销的电压降到标准规定的水平。

4 测试方法

目前实验室一般都采用数字存储示波器进行电容放电的测量,在被测器具断电时刻开始记录L极与N极之间、L极与G(如果有)之间和N极与G(如果有)之间的电容放电并存储记忆,然后在示波器上读取电压值加以判定,按照GB 4943.1-2011标准,如果1s后的电压降至初始电压的37%以下;或者按照GB 8898-2011标准,2s后的电压不超过交流35V(峰值)或直流60V,则可以判定本测试样品的此项检测是合格的。测量电路有两种,如图3与图4所示。


图3 测量电路a

图4 测量电路b
 

两种电路得到的输出波形,如图5与图6所示。


图5 测量电路a对应波形

图6 测量电路b对应波形

图5是从220V的交流电开始衰减的波形,接通电源时波形与断电后波形没有明显的分界线,单纯从波形上确定断电的开始时间,较为困难,我们可以把最后一个311V波峰作为断电开始的标志,这样时间上的误差不超过0.02s;相比之下,图6是在无信号的情况下,突然出现一个电压峰值,然后逐渐衰减下来的波形,看来似乎可以把开关切换的瞬间的脉冲峰值作为断电的时刻,但是,由于人为工地操作,开关从电网断开到接通示波器之间的时间间隔远大于0.02s,在这段时间里,电容已经开始了放电过程,也就是波形的第一个波峰实际是断电一段时间后电容两端的电压。所以测量电路a应是比较好的方法。如果转换开关使用了继电器或者其它类似装置,使得转换时间可以缩少至0.02s以内,则测量线路b也是可以使用的。

5 测试注意事项

从测量的方法来看,测试并不复杂,但是测试中示波器的选择、测试细节的把握,均会对测试结果产生影响,甚至有可能做出错误的判定。试验需要注意的事项有:

1)断电时刻的U0值

由于测试实际上是对器具电路的零输入响应的测量,测试结果是与断电时刻的电路状态,如电容两端电压、或电感中的电流等直接相关。当断电时刻电网电压正好处于波峰时,电容两端的电压高,在电路不变的情况下,放电时间也较长;反之,假如断电时刻正好处于电网电压的过零点,则电容不存在放电过程。此外,由于被测试设备的等效负载类型很多,有纯阻型,电容、电阻电感串并混合型等,所以无法准确控制断电时刻的电网瞬间电压,几乎每次断电,我们都可能得到不同的输出波形。

由于输出波形的不确定性,GB 8898-2011中提出:为了找到最不利的情况,试验可重复10次。一般情况下,比较理想的情况是电容从波峰开始放电,这样可以真实地反映放电的时间长短。但是在实际操作中,很难捕捉到从波峰点开始放电的波形,即使是通过10次试验,也不一定能找到最不利的情况。同时GB 494-2011标准中没有提出测试10次的要求,认为原因是GB 4943-2011标准中规定:被测点的电压降到初始电压的37%时所需的时间应小于1s(或10s)。而放电的方程式是恒定的,所以无论初始值是多少,到37%的初始值的时间也是恒定的。但我们在测量中一般为了取得较理想的波形图,认为还是尽可能使初始值为波峰值。

为了使电容可以从波峰开始放电,可以使用“可设定断电相位角”的电源产品给被测设备供电,将交流电断电相位角设定为90°或者270°,这样放电的U0肯定从波峰开始的。这种方法简单方便,与实际相一致。缺点就是这种“可设定断电相位角”的交流电源比较昂贵,一般试验室是没有配备。

2)电压的容差

在进行电容放电测试时,应选用最严酷的测试状态,所以也需要考虑标准内规定的电压容差的问题,如按GB 8898-2011进行测试,额定输入电压为220V~时,在进行电容放电测试,就需要按标准规定的220×10%=242V~进行测试判定。

3)放电负载对测试结果的影响

放电试验需要在最严酷的状态下测试,例如器具在运行的情况下断电测量,此时电容的放电负载可能包括:压敏元件、变压器、负载元件等,这些元件同时并联在电容两端,放电负载基本由其中阻抗最小的元件决定,使得测试结果大大小于实际可能出现的结果。所以,有时候被测器具在待机状态下或者空载状态下进行放电的测试,测量结果会比带载工作条件下更加严酷。

此外,仪器的选择也很重要,例如示波器探头的使用,应尽量选择输入阻抗大的仪器,GB4943-2011中规定:当测量电压衰减时,使用输入阻抗由一个100MΩ±5MΩ电阻和一个输入电容量为20pF±5pF的电容并联组成的仪器得到结果。因为有时只有压敏元件并联在电容两端时,放电负载是兆欧级的,如果只选用输入阻抗几千欧的仪器,则电容主要放电对象为仪器,测试不能得到对器具的客观评价。

参考文献

[1] GB 4943-2011,信息技术设备的安全[S].

[2] GB 4943-2011,音频、视频及类似电子设备 安全要求[S].

 
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