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        插頭放電測(cè)量技術(shù)探討

        2018-05-16 06:04:43PANGCongJIAChungengSUNYanyan
        家電科技 2018年5期
        關(guān)鍵詞:示波器斷電插頭

        PANG Cong JIA Chungeng SUN Yanyan

        松下家電研究開發(fā)(杭州)有限公司 浙江杭州 310018

        Panasonic Home Appliances R&D Center (hangzhou) Co.,Ltd.(PHARADH) Hangzhou 310018

        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(shí),不會(huì)有電擊危險(xiǎn)。通過測(cè)量插頭在電源峰值斷電,斷電1s時(shí)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(huì)引起電擊危險(xiǎn)”。本文對(duì)上述問題進(jìn)行了分析和討論,并總結(jié)出快速有效測(cè)量插頭放電的試驗(yàn)方法。

        2 標(biāo)準(zhǔn)理解

        如果您對(duì)本文內(nèi)容感興趣請(qǐng)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(duì)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(jì)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(xiǎn)主要取決于電流值和通電時(shí)間。眾所周知,電流值乘以通電時(shí)間即為電荷量,Q=IT。對(duì)于一個(gè)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(duì)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(duì)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(xiǎn)關(guān)鍵取決于額定電容的放電量是否大于45μC。眾所周知,國(guó)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(xiǎn)。這正是GB 4706.1-2005中特別注明額定電容量0.1μF不認(rèn)為會(huì)引起電擊危險(xiǎn)的原因。另外,這里提到的額定電容量應(yīng)該是一個(gè)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(shí),額定電容值C=Cx;當(dāng)開關(guān)ON時(shí),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(duì)電容器放電會(huì)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(duì)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(huì)引起電擊危險(xiǎn)”,以及要求插頭放電電壓是34V。

        3 測(cè)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(gè)開關(guān)置于“斷開”位置,器具在峰值時(shí)從電源斷開。在斷開后1s時(shí),用一個(gè)不會(huì)對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生明顯影響的儀器,測(cè)量插頭各插腳間的電壓?!蹦敲矗趯?shí)際測(cè)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(shí)斷開;

        (2)如何減小測(cè)量?jī)x器對(duì)測(cè)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(shí)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(gè)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(shí)候?yàn)闇y(cè)得峰值斷電數(shù)據(jù)得花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間,或許能達(dá)到幾個(gè)小時(shí)。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(shí)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(gè)周期內(nèi),每一時(shí)刻對(duì)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(duì)應(yīng)的時(shí)刻。將正弦波整體向后移π/2的相位,這樣,此時(shí)正弦波的過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的就是原波形峰值對(duì)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(dòng)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(dòng)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(cè)量插頭電壓降至34V時(shí)所需時(shí)間均為270ms,測(cè)量結(jié)果一致,說明使用峰值斷電裝置對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響。

        3.2 測(cè)量?jī)x器的選擇和設(shè)置

        3.2.1 示波器測(cè)量探頭選擇

        插頭放電測(cè)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(huì)使得1s時(shí),測(cè)量電壓值會(huì)偏小,就是說當(dāng)降至電壓34V時(shí),所需要的時(shí)間就會(huì)減少,那么當(dāng)樣品處于臨界狀態(tài)時(shí)易出現(xiàn)誤判。所以,測(cè)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(cè)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(cè)量時(shí)間為260ms(如圖6所示),高壓探頭測(cè)量時(shí)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(cè)量

        圖8 直流耦合測(cè)量

        圖5 用雙擲開關(guān)斷電

        圖7 高壓探頭測(cè)量

        圖9 交流耦合測(cè)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(cè)量插頭放電時(shí)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(huì)比交流耦合方式測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)量結(jié)果的還有測(cè)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(cè)量探頭的內(nèi)阻越大、等效電容越小,測(cè)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(cè)量值才真實(shí)可靠。

        參考文獻(xiàn)

        [1] GB 4706.1-2005 家用和類似用途電器的安全 第1部分:通用要求.

        [2] GB/T 13870.1-2008 電流對(duì)人和家畜的效應(yīng) 第1部分:通用部分.

        [3] GB/T 13870.2-2016 電流對(duì)人和家畜的效應(yīng) 第2部分:特殊情況.

        [4] 馮建軍. GB 8898-2001 拔除電源插頭測(cè)試方法討論.

        [5] 張艷秋, 魏明然, 李紅偉. 峰值斷電裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).

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