摘要：本文從標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容出發(fā)，分析了一次測電路電容放電的原理，闡述了電容放電試驗(yàn)的方法及注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：一次測電路；電容放電；實(shí)驗(yàn)方法

1 一次電路電容器的放電
　　標(biāo)準(zhǔn)GB4943.1-2011《信息技術(shù)設(shè)備的安全》第2.1.1.7條規(guī)定：設(shè)備在設(shè)計(jì)上應(yīng)保證在交流電網(wǎng)電源外部斷接處，盡量減小因接在設(shè)備內(nèi)的電容器貯存有電荷而產(chǎn)生電擊危險(xiǎn)。

在標(biāo)準(zhǔn)GB 8898-2011《音頻、視頻及類似電子設(shè)備 安全要求》9.1.6條規(guī)定：

對預(yù)定采用電源插頭與電網(wǎng)電源連接的設(shè)備，其設(shè)計(jì)應(yīng)保證在插頭從電源插座拔出后，當(dāng)接觸插頭的插腳或插銷時(shí)，不得因電容器貯存的電荷而產(chǎn)生電擊危險(xiǎn)。

從以上內(nèi)容可以看出，雖然標(biāo)準(zhǔn)不一樣，但是不同的標(biāo)準(zhǔn)對同一種潛在的危險(xiǎn)均做出了規(guī)定：拔出插頭后，在插頭插腳之間的殘余電壓不得對人產(chǎn)生電擊的危險(xiǎn)。

2 電容放電產(chǎn)生的原因

開關(guān)電源的設(shè)計(jì)在電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用，而同時(shí)，在兼顧電磁兼容的設(shè)計(jì)中，為了抑制來自電網(wǎng)的干擾和解決EMI問題，在設(shè)備的電源輸入端通常都會接有濾波線路，而Zui常見的就是接入濾波電容。因?yàn)殡娙菔且环N儲能元件，通過電容的充放電作用可使輸出電壓變得平滑，通交流阻直流，從而實(shí)現(xiàn)濾波的目的。濾波電容一般分為X電容和Y電容，其中X電容接在輸入線L和N兩端用來消除差模干擾，Y電容接在輸入線和地線G之間用來消除共模干擾，如圖1所示。

圖1 電容濾波電路圖

由于電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，故應(yīng)用較廣。電容濾波的效果跟電容的放電時(shí)間常數(shù)有直接關(guān)系，放電時(shí)間常數(shù)越大，濾波效果越好，故一般電容的取值都較大。而電容接在設(shè)備的電源輸入端，當(dāng)設(shè)備被供電時(shí)就會對這些電容進(jìn)行充電，也就是說，在一定時(shí)間內(nèi)這些電容是帶電的；當(dāng)設(shè)備斷電后，貯存的能量不會馬上消失，人可能用手接觸到電源的輸入端，如果此時(shí)濾波電容儲存的電量足夠大，電容貯存的能量通過插頭進(jìn)行放電，人就有可能產(chǎn)生觸電危險(xiǎn)。

3 標(biāo)準(zhǔn)要求及分析

GB 4943.1-2011《信息技術(shù)設(shè)備的安全》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：

如果器具上電容的標(biāo)稱電容量超過0.1μF，則該電容器的放電時(shí)間常數(shù)不超過對于可插式A類設(shè)備1s。

有關(guān)放電常數(shù)是等效電容量（μF)與等效放電電阻（MΩ）的乘積。
        R C               （1）
　　其中：一次電路電容器的放電時(shí)間常數(shù)，s。
　　R：一次電路跨接于L、N或PE任意兩極之間的等效電阻，MΩ。
　　C: 一次電路跨接于L、N或PE任意兩極之間的等效電容，μF。

雖然公式看起來比較簡單，但是我們知道，由于電子線路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，而同時(shí)PCB板的銅箔走線本身也存在有分布電阻和分布電容，所以如果需要把等效電阻與等效電容計(jì)算出來是相當(dāng)困難的。因此我們一般不會采用公式一方法去進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 電容放電的曲線圖

圖2是一張電容放電的曲線圖，我們可以知道放電的方程式為：所以

                                                 （2）
　　其中，: 一次電路電容器的放電時(shí)間常數(shù)，s。
　　t ：放電的時(shí)間，s。
　　U0：一次電路電容器放電的初始電壓值，V。
　　U： 一次電路電容器放電時(shí)刻t的電壓值，V。

由公式二可以看出，只需要測量出U0、U和t的值，就可以根據(jù)測量值計(jì)算出放電時(shí)間常數(shù)的值，就可以判定測量的結(jié)果是否合格。
　　時(shí)間常數(shù)的概念是電容上的電壓衰減為初始值的36.8％（≈37％）時(shí)所需的時(shí)間。所以，GB4943-2011的注解中也提到：在經(jīng)過一段等于一個(gè)時(shí)間常數(shù)的時(shí)間，電壓將衰減到初始值的37％。

同時(shí)，GB 8898-2011中規(guī)定，拔出插頭2s后，插頭上的插腳或插銷不應(yīng)變成危險(xiǎn)帶電。

從以上可以看出，雖然兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的具體規(guī)定不一樣，但要求及原理均基本相似，即：經(jīng)過一段時(shí)間后，一次電路兩端插腳或插銷的電壓降到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水平。

4 測試方法

目前實(shí)驗(yàn)室一般都采用數(shù)字存儲示波器進(jìn)行電容放電的測量，在被測器具斷電時(shí)刻開始記錄L極與N極之間、L極與G(如果有)之間和N極與G(如果有)之間的電容放電并存儲記憶，然后在示波器上讀取電壓值加以判定，按照GB4943.1-2011標(biāo)準(zhǔn)，如果1s后的電壓降至初始電壓的37％以下；或者按照GB8898-2011標(biāo)準(zhǔn)，2s后的電壓不超過交流35V(峰值)或直流60V，則可以判定本測試樣品的此項(xiàng)檢測是合格的。測量電路有兩種，如圖3與圖4所示。

圖3 測量電路a

圖4 測量電路b
 

兩種電路得到的輸出波形，如圖5與圖6所示。

圖5 測量電路a對應(yīng)波形

圖6 測量電路b對應(yīng)波形

圖5是從220V的交流電開始衰減的波形，接通電源時(shí)波形與斷電后波形沒有明顯的分界線，單純從波形上確定斷電的開始時(shí)間，較為困難，我們可以把Zui后一個(gè)311V波峰作為斷電開始的標(biāo)志，這樣時(shí)間上的誤差不超過0.02s；相比之下，圖6是在無信號的情況下，突然出現(xiàn)一個(gè)電壓峰值，然后逐漸衰減下來的波形，看來似乎可以把開關(guān)切換的瞬間的脈沖峰值作為斷電的時(shí)刻，但是，由于人為工地操作，開關(guān)從電網(wǎng)斷開到接通示波器之間的時(shí)間間隔遠(yuǎn)大于0.02s，在這段時(shí)間里，電容已經(jīng)開始了放電過程，也就是波形的第一個(gè)波峰實(shí)際是斷電一段時(shí)間后電容兩端的電壓。所以測量電路a應(yīng)是比較好的方法。如果轉(zhuǎn)換開關(guān)使用了繼電器或者其它類似裝置，使得轉(zhuǎn)換時(shí)間可以縮少至0.02s以內(nèi)，則測量線路b也是可以使用的。

5 測試注意事項(xiàng)

從測量的方法來看，測試并不復(fù)雜，但是測試中示波器的選擇、測試細(xì)節(jié)的把握，均會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，甚至有可能做出錯(cuò)誤的判定。試驗(yàn)需要注意的事項(xiàng)有：

1）斷電時(shí)刻的U0值

由于測試實(shí)際上是對器具電路的零輸入響應(yīng)的測量，測試結(jié)果是與斷電時(shí)刻的電路狀態(tài)，如電容兩端電壓、或電感中的電流等直接相關(guān)。當(dāng)斷電時(shí)刻電網(wǎng)電壓正好處于波峰時(shí)，電容兩端的電壓高，在電路不變的情況下，放電時(shí)間也較長；反之，假如斷電時(shí)刻正好處于電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)，則電容不存在放電過程。此外，由于被測試設(shè)備的等效負(fù)載類型很多，有純阻型，電容、電阻電感串并混合型等，所以無法準(zhǔn)確控制斷電時(shí)刻的電網(wǎng)瞬間電壓，幾乎每次斷電，我們都可能得到不同的輸出波形。

由于輸出波形的不確定性，GB8898-2011中提出：為了找到Zui不利的情況，試驗(yàn)可重復(fù)10次。一般情況下，比較理想的情況是電容從波峰開始放電，這樣可以真實(shí)地反映放電的時(shí)間長短。但是在實(shí)際操作中，很難捕捉到從波峰點(diǎn)開始放電的波形，即使是通過10次試驗(yàn)，也不一定能找到Zui不利的情況。同時(shí)GB494-2011標(biāo)準(zhǔn)中沒有提出測試10次的要求，認(rèn)為原因是GB4943-2011標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：被測點(diǎn)的電壓降到初始電壓的37％時(shí)所需的時(shí)間應(yīng)小于1s（或10s）。而放電的方程式是恒定的，所以無論初始值是多少，到37%的初始值的時(shí)間也是恒定的。但我們在測量中一般為了取得較理想的波形圖，認(rèn)為還是盡可能使初始值為波峰值。

為了使電容可以從波峰開始放電，可以使用“可設(shè)定斷電相位角”的電源產(chǎn)品給被測設(shè)備供電，將交流電斷電相位角設(shè)定為90°或者270°，這樣放電的U0肯定從波峰開始的。這種方法簡單方便，與實(shí)際相一致。缺點(diǎn)就是這種“可設(shè)定斷電相位角”的交流電源比較昂貴，一般試驗(yàn)室是沒有配備。

2）電壓的容差

在進(jìn)行電容放電測試時(shí)，應(yīng)選用Zui嚴(yán)酷的測試狀態(tài)，所以也需要考慮標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)規(guī)定的電壓容差的問題，如按GB8898-2011進(jìn)行測試，額定輸入電壓為220V~時(shí)，在進(jìn)行電容放電測試，就需要按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的220×10%＝242V～進(jìn)行測試判定。

3）放電負(fù)載對測試結(jié)果的影響

放電試驗(yàn)需要在Zui嚴(yán)酷的狀態(tài)下測試，例如器具在運(yùn)行的情況下斷電測量，此時(shí)電容的放電負(fù)載可能包括：壓敏元件、變壓器、負(fù)載元件等，這些元件同時(shí)并聯(lián)在電容兩端，放電負(fù)載基本由其中阻抗Zui小的元件決定，使得測試結(jié)果大大小于實(shí)際可能出現(xiàn)的結(jié)果。所以，有時(shí)候被測器具在待機(jī)狀態(tài)下或者空載狀態(tài)下進(jìn)行放電的測試，測量結(jié)果會比帶載工作條件下更加嚴(yán)酷。

此外，儀器的選擇也很重要，例如示波器探頭的使用，應(yīng)盡量選擇輸入阻抗大的儀器，GB4943-2011中規(guī)定：當(dāng)測量電壓衰減時(shí)，使用輸入阻抗由一個(gè)100MΩ±5MΩ電阻和一個(gè)輸入電容量為20pF±5pF的電容并聯(lián)組成的儀器得到結(jié)果。因?yàn)橛袝r(shí)只有壓敏元件并聯(lián)在電容兩端時(shí)，放電負(fù)載是兆歐級的，如果只選用輸入阻抗幾千歐的儀器，則電容主要放電對象為儀器，測試不能得到對器具的客觀評價(jià)。