文/曹 寅 王哲宇

在接到的“12315”客戶投訴電話信息中，常有反映用戶在大商場購買電器產(chǎn)品后，在家庭使用過程中發(fā)現(xiàn)，拔出電源插頭的瞬間有電人的現(xiàn)象，用戶感到這會造成該電器產(chǎn)品使用不安全。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是由于電源的內(nèi)部有X電容，在拔出插頭的瞬間會放電，這時若手碰到插頭，電容的容值足夠大的話，就會對人體產(chǎn)生電擊的危險(xiǎn)。

電擊是由于電流通過人體而造成的，僅毫安（mA）級的電流就可能對人體產(chǎn)生危害，所以本文就插頭放電的防電擊設(shè)計(jì)要求及其檢驗(yàn)方法進(jìn)行分析，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)中符合標(biāo)準(zhǔn)的防電擊要求給予指導(dǎo)。

一、插頭放電線路分析

來自于電網(wǎng)的干擾會影響顯示器、電視機(jī)等電器產(chǎn)品的正常工作，而顯示器、電視機(jī)中電源的開關(guān)脈沖也會給電網(wǎng)帶來干擾影響。為了有效地抑制來自電網(wǎng)的干擾及顯示器、電視機(jī)的開關(guān)脈沖對電網(wǎng)的干擾，大部分開關(guān)電源都在交流（AC）輸入電路串接一個低通EMI（電磁干擾）電源濾波器及并聯(lián)濾波電容器組成，見圖1所示的電源實(shí)物照。

圖1 電源實(shí)物照

圖2給出了電源設(shè)計(jì)中的濾波線路，當(dāng)產(chǎn)品正常工作時，電容器和線圈均貯有能量，將電器產(chǎn)品的電源插頭拔出后，這些貯能并不是馬上消失，而是要持續(xù)一段時間才能釋放殆盡，所以釋放電能時間的長短直接關(guān)系著用戶的人身安全。因此，跨線電容和電阻的選取一定要適當(dāng)，選取過小的C和R起不到有效的濾波作用，選取過大的C和R就必然延長放電時間，這就可能引起拔出電視機(jī)電源插頭后，操作人因觸及插頭而增加觸電的危險(xiǎn)性。

圖2 電源濾波線路圖

二、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對電源插頭防電擊的安全設(shè)計(jì)要求

1.信息技術(shù)設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)

在GB 4943-2001的第2.1.1.7條款中對設(shè)備內(nèi)電容器的放電安全設(shè)計(jì)要求為：設(shè)備在設(shè)計(jì)上應(yīng)保證在電網(wǎng)電源外部斷接處，盡量減小因接在設(shè)備內(nèi)的電容器貯存由電荷而產(chǎn)生的電擊危險(xiǎn)。除非電網(wǎng)電源的標(biāo)稱電壓超過42.4 V交流峰值或60 V直流，否則不需要進(jìn)行電擊危險(xiǎn)的試驗(yàn)。

如果設(shè)備中有任何電容器，其標(biāo)明的或標(biāo)稱的容量超過0.1 μF，而且在與電網(wǎng)電源連接的電路上，該電容器的放電時間常數(shù)不超過下列規(guī)定值，則應(yīng)當(dāng)認(rèn)為該設(shè)備是合格的：

①對A型可插式設(shè)備（該設(shè)備是指預(yù)定要通過非工業(yè)用插頭和插座，或通過非工業(yè)用器具耦合器，或者通過這兩者與建筑物安裝配線連接的設(shè)備），1 s；

②對B型可插式設(shè)備（該設(shè)備是指預(yù)定要通過符合GB/T 11918或類似國家標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)用插頭、插座，或者是通過工業(yè)用器具耦合器、通過這兩者與建筑物安裝配線連接的設(shè)備），10 s。

2.音頻、視頻及類似電子設(shè)備安全要求標(biāo)準(zhǔn)

在GB 8898-2001的第9.1.6條款中對產(chǎn)品拔出電源插頭的安全設(shè)計(jì)要求為：對預(yù)定要用電源插頭與電網(wǎng)電源連接的設(shè)備，其設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)確保當(dāng)插頭從電源插座拔出后，當(dāng)接觸插頭的插腳或插銷時，不得因電容器貯存的電荷而產(chǎn)生電擊危險(xiǎn)。

拔出插頭后2 s，插頭的插腳不得危險(xiǎn)帶電（GB 8898定義的危險(xiǎn)電壓為交流峰值35 V）。

三、電源放電回路設(shè)計(jì)分析

我們先對如何進(jìn)行放電時間常數(shù)的計(jì)算和測量進(jìn)行分析，電容器按放電時間常數(shù)為τ：

放電曲線如圖3所示：

根據(jù)電容器放電原理，其放電過程可用下公式（2）表示：

（2）式中，U0為電容器放電之前電容器兩端的最高電壓；

U1為安全電壓，GB 4943標(biāo)準(zhǔn)中安全電壓的定義為：交流峰值不超過42.4 Vp或直流值不超過60 V的電壓；

τ：為放電時間常數(shù)；

t1：為顯示器的電源插頭拔出后，電容器上貯存能量按τ的放電時間常數(shù)放電并使插頭上的電壓降到安全電壓以下所需的時間。

也就是說若希望在拔出電源插頭2 s（GB 8898就是考慮插頭拔出2s后，插頭上的電壓應(yīng)在安全電壓以下）后，插頭上的電壓從220 V降為安全電壓（42.4 Vp以下），那么τ依據(jù)公式（2）為：

τ=-t/（lnU1/U0）

其中：U0=220×≈311 V

則：τ=-2/（ln42.4/311）=1 s

經(jīng)上述分析，在電源插頭拔出2 s后，插頭上的電壓要降到安全電壓以下，電容器的放電方式所構(gòu)成的時間常數(shù)應(yīng)不大于1 s。這一結(jié)論正與GB 4943標(biāo)準(zhǔn)中2.1.1.7條款（一次電路電容器的放電）的要求完全一致。GB 4943標(biāo)準(zhǔn)中2.1.1.7條款，即：對額定容量超過0.1 μF，而且接在外部電源電路上，該電容器的放電方式所構(gòu)成的時間常數(shù)定為不大于1 s（對A類可插式設(shè)備）。

由于GB 4943標(biāo)準(zhǔn)與GB 8898標(biāo)準(zhǔn)對安全電壓的定義有些小差異（前者為42.4 Vp，后者為35 Vp），但總的原則是一致的：跨線電容及電阻所構(gòu)成的放電時間常數(shù)τ應(yīng)保證電源插頭能在很短的時間內(nèi)（通常要求2 s）從其工作時插在電網(wǎng)電源上的最高峰值電壓降到安全電壓以下。對圖3所示的電器產(chǎn)品電源部分線路圖，跨線電容和電阻應(yīng)滿足：（C901+C904）×R901<1s.

四、插頭放電測試方法分析

1.電器產(chǎn)品依靠自身放電回路進(jìn)行放電后的剩余電壓計(jì)算值

選取電器產(chǎn)品的額定輸入電壓為交流220 V，輸入端X電容的容量為0.47 μF，放電電阻2.2 MΩ。

U0為：U0=220×≈311 V。

若依據(jù)理論上計(jì)算，電路依靠自身放電回路進(jìn)行放電，則τ=R×C=0.47×2.2=1.03 s。根據(jù)公式（2）

U(t)=311e-t/1.03

t=1 s時，被測樣品插頭上的電壓值為117.8 V；t=2 s時，被測樣品插頭上的電壓值為44.6 V。

2.對電器產(chǎn)品進(jìn)行剩余電壓的實(shí)際測試（分別使用探頭阻抗10 MΩ、66.7 MΩ和100 MΩ）的電壓值

①使用示波器探頭阻抗10 MΩ

t=1 s時，被測樣品上的電壓值為95.2 V；

t=2 s時，被測樣品上的電壓值為29.1 V。

②使用示波器探頭阻抗66.7 MΩ

t=1 s時，被測樣品上的電壓值為112.8 V；

t=2 s時，被測樣品上的電壓值為41.3 V。

③使用示波器探頭阻抗100 MΩ

t=1 s時，被測樣品上的電壓值為117.0 V；

t=2 s時，被測樣品上的電壓值為44.5 V。

對上述在使用不同的示波器探頭阻抗、樣品上剩余電壓的理論計(jì)算值及實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行匯總，如表1所示。

表1 樣品上剩余電壓測量數(shù)據(jù)與理論值比較

從表1測試結(jié)果看出，使用10 MΩ阻抗探頭的示波器，樣品上的剩余電壓測試結(jié)果與理論值之間存在很大的誤差，使用這種檢測方法，不能準(zhǔn)確地判斷產(chǎn)品設(shè)計(jì)或使用時的安全性（使用示波器時，使用探頭的阻抗越低，對測試結(jié)果準(zhǔn)確性影響愈大）；同樣，使用100 MΩ阻抗探頭的示波器，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的放電回路中，放電電阻小于2.2 MΩ時，使用100 MΩ的探頭對測試結(jié)果的影響是可以忽略的。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的放電回路中放電電阻大于2.2 MΩ，即使使用100 MΩ阻抗探頭的示波器，也將會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響（回路中放電電阻愈大，對測試結(jié)果的真實(shí)性影響也愈大）。

3.剩余電壓實(shí)測值與理論值存在偏差的原因分析

實(shí)際上，在對被測樣品進(jìn)行剩余電壓測試時，放電電阻不僅僅是產(chǎn)品本身的放電電阻，真正的放電回路放電電阻是產(chǎn)品本身的放電電阻并聯(lián)了示波器探頭的阻抗，下面將計(jì)算出的已考慮示波器探頭阻抗對放電測試回路影響后，被測樣品上的剩余電壓理論值：

①計(jì)算：當(dāng)選用示波器探頭阻抗為10 MΩ進(jìn)行插頭放電試驗(yàn)時，被測樣品上的剩余電壓

C=0.47 μF；R=10×2.2/（10+2.2）≈1.8 MΩ

τ=R×C=0.47×1.8=0.85 s

U(t)=311e-t/0.85

t=1 s時，被測樣品上的電壓值為95.9 V；

t=2 s時，被測樣品上的電壓值為29.6 V。

②計(jì)算：當(dāng)選用示波器探頭阻抗為66.7 MΩ進(jìn)行插頭放電試驗(yàn)時，被測樣品上的剩余電壓：

C=0.47μF；R=66.7×2.2/（66.7+2.2）≈2.1 MΩ

τ=R×C=0.47×2.1=0.89 s

U(t)=311e-t/0.99

t=1 s時，被測樣品上的電壓值為113.3 V；

t=2 s時，被測樣品上的電壓值為41.2 V。

③計(jì)算：當(dāng)選用示波器探頭阻抗為100 MΩ進(jìn)行插頭放電試驗(yàn)時，被測樣品上的剩余電壓

C=0.47μF；R=100x2.2/（100+2.2）≈2.2MΩ

τ=R x C=0.47 x 2.2=1.03 s

U(t)=311e-t/1.03

t=1 s時，被測樣品上的電壓值為117.8 V；

t=2 s時，被測樣品上的電壓值為44.6 V。

將上述考慮了實(shí)際放電回路的放電電阻（考慮示波器探頭阻抗對放電測試回路的影響）后，獲得的產(chǎn)品剩余電壓值插入到表1中，獲得表2的數(shù)據(jù)對照表：

表2 剩余電壓理論值和實(shí)測值比較（在考慮及不考慮示波器探頭阻抗對測試結(jié)果有影響時）

將表2中理論值2（考慮示波器探頭阻抗對放電測試回路的影響）的理論分析值與被測樣品上剩余電壓值的實(shí)測值相比較，兩者存在較小的誤差，也就證實(shí)了被測樣品在實(shí)際進(jìn)行放電過程中，示波器探頭阻抗與產(chǎn)品本身的放電電阻一起參與了放電，所以示波器阻抗的不同，將直接影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.改進(jìn)測試方法實(shí)現(xiàn)高精度測量

為了解決上述由于使用不同示波器探頭阻抗而產(chǎn)生的測量誤差，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們設(shè)計(jì)了具有定時切換功能的定時器參與整個測試過程，實(shí)現(xiàn)示波器探頭在每個標(biāo)準(zhǔn)測試所定義的放電時間后再連接到設(shè)備的測試回路（見圖4），而不是示波器探頭從產(chǎn)品插頭進(jìn)行放電試驗(yàn)的開始時就連接，插頭上的部分電壓也會通過示波器探頭的阻抗進(jìn)行放電，影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

①對樣品進(jìn)行插頭斷接1 s后，其插頭上的電壓值測量

a）我們先將定時器設(shè)置在1 s，當(dāng)將定時器面板上的開關(guān)從“off”設(shè)定到“on”時，定時器開始工作，開關(guān)“K1”從“A”點(diǎn)切換到“E”點(diǎn)連接點(diǎn)，同時開關(guān)“K2”從“B”點(diǎn)連接點(diǎn)切換到“D”點(diǎn)連接點(diǎn)。

b）當(dāng)定時器計(jì)時1 s后，開關(guān)“K1”從“E”點(diǎn)連接點(diǎn)切換到“C”點(diǎn)連接點(diǎn)。在1 s時間內(nèi)的插頭放電過程中，插頭放電是通過設(shè)備自身的放電回路（在設(shè)備中的放電電阻）進(jìn)行放電的。

c）在1 s時顯示在示波器上的測試電壓是非常精確的測試結(jié)果（見圖5及表2），使用了這種測試方法，不論示波器的阻抗為何值，都不會影響測試結(jié)果。

d）同樣，若要觀察在2 s或10 s時被測樣品上的電壓值，只要在定時器上設(shè)定需要的時間，進(jìn)行上述程序即可得到相應(yīng)的測試結(jié)果。

圖4 具有定時切換功能的定時器參與整個測試回路圖

圖5 在1 s時顯示在示波器上的測試電壓是非常精確的測試結(jié)果顯示圖

④高精度測量方法樣品上剩余電壓測量數(shù)據(jù)與理論值比較（見表3）

表3 高精度測量方法樣品上剩余電壓測量數(shù)據(jù)與理論值比較

從表3測試結(jié)果可以看出，使用了定時器進(jìn)行插頭放電電壓的測試，即使使用不同阻抗的示波器探頭，檢測結(jié)果幾乎不受示波器探頭阻抗的影響，且與理論計(jì)算值也非常接近，從而證明使用定時器后的測量方法，即使使用不同阻抗的示波器探頭，也能反映產(chǎn)品實(shí)際使用時插頭上電壓放電的實(shí)際情況，有利于產(chǎn)品制造商及實(shí)驗(yàn)室真實(shí)客觀地評價(jià)產(chǎn)品的安全，提供給用戶安全的電器產(chǎn)品。

五、結(jié)束語

本文通過對電器產(chǎn)品電子線路設(shè)計(jì)及測試方法的分析，給出了進(jìn)行插頭放電合格性測試中會產(chǎn)生較大測量誤差的原因，提出了正確判斷產(chǎn)品安全性的測量方法；通過對音視頻產(chǎn)品及信息技術(shù)設(shè)備在插頭放電的防電擊設(shè)計(jì)要求及檢驗(yàn)其合格性測試方法的分析和研究，給出了要保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的安全性需考慮的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及測試方法，對于在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)中保證產(chǎn)品符合防電擊要求具有重要指導(dǎo)意義。

[1]李蘭芬,王瑩,賈真.GB 4943-2001信息技術(shù)設(shè)備的安全[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

[2]邢衛(wèi)兵,席樹存,羅組蔚.GB 8898-2001音頻、視頻及類似電子設(shè)備安全要求[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.