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：
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].
