插頭放電測量技術(shù)探討

PANG Cong JIA Chungeng SUN Yanyan

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1 引言

GB 4706.1-2005的22.5要求“通過插頭與電源連接的器具，其結(jié)構(gòu)應(yīng)能使在正常使用中當(dāng)碰觸該插頭的插腳時，不會有電擊危險。通過測量插頭在電源峰值斷電，斷電1s時兩插腳間的殘留電壓是否超過34V來判斷”。為什么要求是34V，以及如何理解GB 4706.1-2005里提到的“額定電容量不大于0.1μF的電容器，不認(rèn)為會引起電擊危險”。本文對上述問題進(jìn)行了分析和討論，并總結(jié)出快速有效測量插頭放電的試驗(yàn)方法。

2 標(biāo)準(zhǔn)理解

如果您對本文內(nèi)容感興趣請聯(lián)系作者龐聰pangcong@cn.panasonic.com

其實(shí)GB 4706.1-2005中關(guān)于觸及帶電部件的條件依據(jù)主要來自GB/T 13870系列“電流對人和家畜的效應(yīng)”研究，主要從電容器的放電量、電容器放電的感知閾和痛覺閾三方面來分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 放電量的計算

根據(jù)GB/T 13870.1-2008描述，就通過人體的一條給定的電流通路而言，人體的危險主要取決于電流值和通電時間。眾所周知，電流值乘以通電時間即為電荷量，Q=IT。對于一個充分充電的電容而言，其放電量就是電容的充電電壓乘以電容容值，Q=UC。再由GB 4706.1-2005的8.1.4提到“對峰值電壓大于42.4V小于等于450V的，其放電量不應(yīng)超過0.1μF”、“對峰值電壓大于450V小于或等于15kV的，其放電量不應(yīng)超過45μC”，可知插頭放電是否危險關(guān)鍵取決于額定電容的放電量是否大于45μC。眾所周知，國際最高電壓是240V，故最惡劣情況，電容兩端最大充電電壓 ，額定電容量C=0.1μF，則Q=UC=33.9μC＜45μC，不存在電擊危險。這正是GB 4706.1-2005中特別注明額定電容量0.1μF不認(rèn)為會引起電擊危險的原因。另外，這里提到的額定電容量應(yīng)該是一個等效電容，而不是特指跨接在L/N線之間的X電容。通常電路可等效視為圖1電路。

按圖1所示，當(dāng)開關(guān)OFF時，額定電容值C=Cx；當(dāng)開關(guān)ON時，額定電容值C=Cx+C’。因此判定22.5所提到的額定電容值需要根據(jù)實(shí)際回路，考慮是否需要算入除Cx電容之外的電容值。

2.2 電容器放電的感知閾和痛覺閾

根據(jù)GB/T 13870.2可知，人體對電容器放電會產(chǎn)生不同程度的痛覺感知，它由電容電壓、電容值燈因素決定的。圖2中“電容器放電的感知閾和痛覺閾”為經(jīng)過研究得出的結(jié)論，其陰影部分為區(qū)域A，屬于疼痛感知閾，曲線A以下為沒有疼痛感覺的區(qū)域，曲線A至曲線B間為通常痛覺閾，曲線B以上為劇烈疼痛閾。當(dāng)電壓≤34V，即使電容值≥0.1μF，手指接觸插腳的人或?qū)⒔?jīng)歷低于感知閾的電擊，即輕微甚至感覺不到電擊的效果，相對安全。

了解了這些內(nèi)容，就能知道為什么GB 4706.1的22.5注解“額定電容值不大于0.1μF的電容器不認(rèn)為會引起電擊危險”，以及要求插頭放電電壓是34V。

3 測量方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于該條款的描述“器具以額定電壓供電，然后將其任何一個開關(guān)置于“斷開”位置，器具在峰值時從電源斷開。在斷開后1s時，用一個不會對測量值產(chǎn)生明顯影響的儀器，測量插頭各插腳間的電壓。”那么，在實(shí)際測試中，我們需注意兩點(diǎn)：

（1）如何實(shí)現(xiàn)器具電源在峰值時斷開；

（2）如何減小測量儀器對測量值產(chǎn)生影響。

基于這兩點(diǎn)考慮，我們基本首先確定是用示波器來觀察電壓波形，不僅可以觀察到是否在峰值斷開，還能精準(zhǔn)捕捉到斷電1s時的電壓值。

3.1 電源峰值斷電的實(shí)現(xiàn)

通常我們通過在電源和器具間接一個雙刀雙擲的開關(guān)，隨機(jī)斷開開關(guān)，通過示波器觀察斷電位置是否在峰值。如果不在峰值斷電獲得的數(shù)據(jù)就是無效的。因此這就需要碰運(yùn)氣，有時候?yàn)闇y得峰值斷電數(shù)據(jù)得花費(fèi)很長時間，或許能達(dá)到幾個小時。好在現(xiàn)在市面上有峰值斷電裝置設(shè)備出售，基本可以滿足各種電壓頻率為50Hz/60Hz的電源需求。該峰值斷電是首先要找到峰值所在的時刻，即波峰或者波谷的位置。由于市電都是50Hz/60Hz的正弦波，在一個周期內(nèi)，每一時刻對應(yīng)的相位是不同的，因此可以利用移相電路來實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)整，從而找到峰值對應(yīng)的時刻。將正弦波整體向后移π/2的相位，這樣，此時正弦波的過零點(diǎn)對應(yīng)的就是原波形峰值對應(yīng)的位置。然后用過零比較模塊就可以得到矩形波，之后利用電壓保持電路在上升沿處得到持續(xù)的高電平，從而控制繼電器的動作。其原理框圖如圖3。

在峰值斷電裝置里還用到移相電路、反相電路、電壓保持電路、過零比較電路和繼電器驅(qū)動電路。另外，該峰值斷電裝置還需要滿足絕緣內(nèi)阻：DC500V＞100MΩ，寄生電容＜25pF。圖4所示為使用峰值斷電裝置的插頭放電波形，圖5所示為使用普通雙擲開關(guān)的插頭放電波形，測量插頭電壓降至34V時所需時間均為270ms，測量結(jié)果一致，說明使用峰值斷電裝置對測量結(jié)果沒有影響。

3.2 測量儀器的選擇和設(shè)置

3.2.1 示波器測量探頭選擇

插頭放電測量過程中，探頭與EUT是并聯(lián)的，那么探頭的阻抗和EUT的阻抗、探頭的寄生電容和EUT的電容都是并聯(lián)關(guān)系。那么根據(jù)并聯(lián)電阻R=R1?R2/(R1+R2)，當(dāng)探頭的內(nèi)阻越大，等效阻值越接近EUT自身的阻值。同樣，并聯(lián)電容C=C1+C2，因此探頭的寄生電容越小，等效容值越接近EUT的容值。再由插頭L/N兩端電壓在斷開電源插頭的電壓：Ut=U(電網(wǎng))e(-t/RC)可知，并聯(lián)入探頭的阻抗和容值，會使得1s時，測量電壓值會偏小，就是說當(dāng)降至電壓34V時，所需要的時間就會減少，那么當(dāng)樣品處于臨界狀態(tài)時易出現(xiàn)誤判。所以，測量探頭的阻抗越大越好，等效電容值越小越好，這也正是CTL-DSH-0716決議明確用于插頭放電測試的探頭阻抗要≥100MΩ、等效電容≤25pF的原因所在。下面就使用普通無源探頭（內(nèi)阻1MΩ，容值）和使用高壓探頭（內(nèi)阻100MΩ，容值25pF）來做比較，同樣EUT插頭放電至34V，普通無源探頭測量時間為260ms（如圖6所示），高壓探頭測量時間為274ms（如圖7所示）。

圖1 等效電路

圖2 電容器放電的感知閾和痛覺閾(摘自GB/T 13870.2的圖19)

圖3 原理框圖

圖4 用峰值斷電裝置斷電

圖6 無源探頭測量

圖8 直流耦合測量

圖5 用雙擲開關(guān)斷電

圖7 高壓探頭測量

圖9 交流耦合測量

3.2.2 示波器耦合方式的選擇

示波器輸入耦合方式有交流耦合和直流耦合兩種，示波器的直流耦合就是直通，交流直流一起過，并不是去除交流分量；交流耦合就是通過隔直電容耦合，去掉了直流分量。也就是說直流耦合方式采集的波形更全面、更真實(shí)，因此測量插頭放電時宜選擇直流耦合方式。圖8和圖9分別是插頭放電過程用直流耦合和交流耦合方式獲取的波形，直流耦合方式會比交流耦合方式測量結(jié)果更嚴(yán)苛，也更真實(shí)。

4 結(jié)論

GB 4706.1的22.5要求插頭放電電壓34V以下以及放電電容額定值0.1uF的主要原因就是考慮到電容器放電的人體電流效應(yīng)以及電流對人的效應(yīng)，都是基于IEC 60479系列的研究數(shù)據(jù)。為了快速測量插頭放電，建議使用合格的峰值斷電裝置。另外直接影響測量結(jié)果的還有測量探頭和示波器的輸入耦合方式，經(jīng)過本文得出結(jié)論，測量探頭的內(nèi)阻越大、等效電容越小，測量值越精準(zhǔn)，通常選擇至少要保證滿足CTL-DSH-0716決議要求：探頭阻抗要≥100MΩ，等效電容≤25pF；示波器的輸入耦合方式必須選擇直流耦合，測量值才真實(shí)可靠。

參考文獻(xiàn)

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