何浩銘 范建波 林志雄 羅 兵 李 俊

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著安全體系的完善和消費(fèi)者安全意識的提高，防觸電安全已經(jīng)成為家電產(chǎn)品設(shè)計最為關(guān)注的方向之一。插頭放電測試作為防觸電評估的重要測試項目，一直受到家電產(chǎn)品開發(fā)人員的關(guān)注。

GB 4706.1-2005 《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》[1]中明確規(guī)定產(chǎn)品插頭的殘余電壓不能超過34 V。若插頭放電測試結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)要求的電壓限值，產(chǎn)品將存在人員觸電隱患，且設(shè)計人員在試錯性選型中需多次更換主板硬件，也變相延長了產(chǎn)品開發(fā)周期。

本文通過分析插頭放電測試的影響因素，介紹如何利用Python 語言開發(fā)一款集插頭放電仿真計算、X 電容選型和放電電阻選型功能為一體的計算器，目的在于給產(chǎn)品開發(fā)人員提供選型指導(dǎo)和仿真計算，在提高產(chǎn)品測試效率的同時縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

1 插頭放電測試的影響因素分析

導(dǎo)致插頭放電測試結(jié)果異常的常規(guī)因素包括：示波器探頭選用、X 電容選型、Y 電容選型、放電電阻選型、產(chǎn)品運(yùn)行模式選擇等[3]。下面具體分析各因素的影響。

1.1 示波器探頭對插頭放電的影響

目前插頭放電主要測試設(shè)備為示波器和峰值斷開裝置，測試設(shè)備連接如圖1 所示[2]。產(chǎn)品在額定工作電壓狀態(tài)下通過峰值斷開裝置使產(chǎn)品電源從峰值斷開，然后利用示波器抓取峰值斷開1 s 時的殘余電壓值。

圖1 插頭放電設(shè)備連接示意圖

CTI 決議NO.PSH-0716 規(guī)定，測試插頭放電的示波器探頭應(yīng)滿足內(nèi)阻≥100 MΩ 以及寄生電容≤25 pF的要求。在測試過程中示波器探頭以并聯(lián)的方式接入電路[4]，根據(jù)電阻并聯(lián)公式（1）和電容并聯(lián)公式（2）可知，探頭的內(nèi)阻越大或電容量越小，對測試結(jié)果的影響越小。公式如下：

式中：

R—插頭等效電阻阻值，MΩ；

R0—探頭內(nèi)阻或放電電阻的阻值，MΩ；

R1—產(chǎn)品電路的等效電阻值，MΩ；

C—插頭等效電容量，μF；

C0—探頭寄生電容，μF；

C1—產(chǎn)品電路電容，μF。

由于探頭寄生電容一般為pF 級別，對測試影響非常小，因此式（2）中的插頭電容C 近似等于主板電容C1。

1.2 X 電容對插頭放電的影響

X 電容跨接在開關(guān)電源L-N 之間，用于抑制電源差模干擾。在選型方面，開發(fā)人員通常選擇電容量更大的X 電容以滿足電磁兼容的需求，致使產(chǎn)品插頭L-N 之間的電容量普遍大于0.1μF。根據(jù)RC 放電原理，插頭放電可用以下公式表示：

結(jié)合式（1），得到：

式中：

Ut—t 秒后插頭的殘余電壓，V；

U0—插頭峰值電壓，V；

exp—自然常數(shù)；

t—測量時間，s；

k—修正系數(shù)，默認(rèn)為1，可通過對比實測值和計算值設(shè)定。

由上式可知，當(dāng)其余參數(shù)一定時，X 電容的電容量越大，插頭L-N 之間的殘余電壓越大。

1.3 Y 電容對插頭放電的影響

Y 電容跨接在電源火線L 和地線G 之間以及零線N和地線G 之間，用于抑制電源共模干擾，為了確保Y 電容在擊穿或短路的情況下對人體不產(chǎn)生電擊危險，Y 電容必須在L-G 之間和N-G 之間成對出現(xiàn)，Y 電容的電容量和放電量計算公式如下：

式中：

I—L/N 對地漏電流，mA；

f—產(chǎn)品額定電源頻率，Hz；

CY—Y 電容的電容量，mF；

U—產(chǎn)品額定電壓，V。

內(nèi)銷家電產(chǎn)品最大允許漏電流3.5 mA（電熱器具為5.0 mA）[2]，根據(jù)公式（5）和家電產(chǎn)品電源規(guī)格，可以得出家電產(chǎn)品的Y 電容最大允許電容量為0.07μF＜0.1μF，說明在正常選型的情況下，Y 電容對插頭放電沒有影響。

1.4 放電電阻對插頭放電的影響

如圖2 所示，放電電阻設(shè)置在主板的L-N 之間，與X 電容并聯(lián)，用于主板斷電后釋放X 電容剩余電壓[5]。

圖2 采用RC 并聯(lián)的濾波電路

由式（3）可知，當(dāng)其余參數(shù)一定的條件下，放電電阻阻值越高，插頭L-N 之間的殘余電壓越大，而導(dǎo)致這一現(xiàn)象的根本原因是放電電阻的阻值越大或者X 電容的放電功率越小，放電時間越長，推導(dǎo)公式如下：

綜合上式，得到：

式中：

P—電阻放電功率，w；

Q—電容放電量，μC

T—放電時間常數(shù)，s；

W—X 電容的電功，J。

結(jié)合式（2）和式（8）可知，放電時間T 越短，放電速度越快，則插頭斷電1 s 時的殘余電壓越小。

根據(jù)公式（1），假設(shè)主板L-N 之間的等效電阻為1 MΩ，在增加阻值為0.1 MΩ 的放電電阻后，L-N 之間的阻值可降低至0.09 MΩ。

通過以上分析可知，降低放電電阻的阻值，可降低L-N 之間的等效電阻值，從而加快L-N 之間的放電速度。由于主板一般采用貼片電阻，為了避免單個電阻失效或短路對電路造成不良影響，通常采用橋式電路設(shè)計[1]，如圖3 所示，4 個阻值為330 kΩ 的電阻通過橋式組合在一起，總阻值仍為330 kΩ。

圖3 放電電阻連接方式

1.5 產(chǎn)品運(yùn)行模式對插頭放電的影響

以某分體式空調(diào)為例，如圖4 所示。某分體式空調(diào)通過內(nèi)機(jī)主板繼電器控制外機(jī)的通斷電。在待機(jī)模式下，插頭L-N 之間的電容量和電阻值是內(nèi)機(jī)主板輸入端L-N之間的電容量和電阻值。在制冷模式下，插頭L-N 之間的電容量和電阻值則是內(nèi)機(jī)和外機(jī)主板并聯(lián)的電容量和電阻值，因此待機(jī)和制冷兩種模式下插頭的電容量和電阻值不一致，最終會導(dǎo)致兩個模式下的插頭放電測試結(jié)果存在差異。

圖4 某空調(diào)供電原理

綜上所述，產(chǎn)品在不同工作模式下所接通的電路不同，使得不同模式下主板L-N 之間的等效電容量和等效電阻值不一致，最終會影響插頭放電測試的結(jié)果。

2 插頭放電計算器的設(shè)計

根據(jù)插頭放電測試的主要影響因素，利用Python 語言中的tkinter庫和matplotlib庫開發(fā)一款集插頭放電計算、插頭放電曲線圖繪制、X 電容選型、放電電阻選型等功能為一體的可視化計算器。其中tkinter 用于人機(jī)交互界面設(shè)計，matplotlib 用于放電繪圖功能設(shè)計。計算器設(shè)計過程包括整體功能規(guī)劃、界面設(shè)計以及計算邏輯設(shè)計三個部分。

2.1 計算器整體功能規(guī)劃

計算器應(yīng)具有良好的人機(jī)交互功能，如圖5 所示，計算器應(yīng)能夠?qū)斎?、輸出?nèi)容作出相應(yīng)的判斷和提示，以指導(dǎo)使用人員輸入正確的參數(shù)和選擇使用對應(yīng)的功能。

圖5 計算器功能設(shè)計流程

圖6 插頭放電計算器界面

2.2 界面設(shè)計

根據(jù)公式（1）可知，計算插頭放電測試結(jié)果需要產(chǎn)品的額定工作電壓、示波器探頭阻值、主板電源零火線之間的阻值、主板電源L-N 之間的電容量以及測量時間六個參數(shù)。利用tkinter 庫中的entry 輸入框組件為計算器設(shè)計相應(yīng)的六個輸入窗口，將輸入窗口的參數(shù)作為變量賦值給相應(yīng)的函數(shù)，并設(shè)計四個名為“放電計算”、“放電繪圖”、“X 電容選型”和“電阻選型”的button 組件分別用于輸出插頭放電計算值、插頭放電放電圖、X電容的電容量選型計算和放電電阻的阻值計算。最后利用lambda 表達(dá)式將相應(yīng)功能的函數(shù)分別與四個功能按鍵進(jìn)行綁定。當(dāng)按鍵被按下時，相應(yīng)的函數(shù)被執(zhí)行，最后利用text.insert 組件將產(chǎn)生的計算結(jié)果顯示在文本框中，并利用messagebox 組件設(shè)計相應(yīng)的彈出提示。

放電繪圖功能則通過matplotlib 庫組件實現(xiàn)，界面整體設(shè)計效果如圖（6）所示。

2.3 邏輯設(shè)計

完成計算器界面框架的搭建后，應(yīng)進(jìn)行各項功能計算邏輯的設(shè)計。計算器中的“放電計算”和“放電繪圖”功能可直接使用公式（4）作為計算函數(shù)，而“X 電容選型”和“電阻選型”功能則要先將公式（3）分別轉(zhuǎn)換成主板電容計算公式（9）和主板電阻計算公式（10），公式如下：

當(dāng)主板電阻值確定時，主板X 電容的總電容量應(yīng)小于式（9）中C 的值，而當(dāng)主板X 電容量確定時，主板的總阻值應(yīng)小于式（10）中R1的計算值。由于放電電阻、主板等效電阻和探頭阻值三者為并聯(lián)關(guān)系，因此放電電阻的阻值計算公式轉(zhuǎn)化為式（11）：

式（11）中：

R2—放電電阻的推薦阻值，MΩ，在實際選型中放電電阻的阻值應(yīng)小于R2。

值得注意的是，主板電阻值可通過實際測量或者電路仿真測量得到。使用萬用表測量主板電阻時，由于電解電容等元器件的影響，讀數(shù)可能會持續(xù)上升，此時應(yīng)讀取1 min 后的穩(wěn)定值。

3 效果驗證

在完成軟件功能設(shè)計后，通過對比仿真計算和實測結(jié)果，驗證插頭放電計算、X 電容選型、放電電阻選型功能是否滿足需求。通過表1 可以得知，插頭放電軟件計算值與示波器實測值絕對誤差均不超過2 V，可通過調(diào)整修正系數(shù)以提高計算準(zhǔn)確度。通過表2 和表3 可以得知，軟件的選型功能均能滿足元器件實際選用要求。圖7、圖8、圖9 分別為計算器仿真繪圖、示波器實測波形圖、軟件輸出效果演示圖。

表1 某空調(diào)在不同模式下的插頭放電情況

表2 插頭放電計算值與實測值對比

表3 X 電容計算值與實際值對比

表4 放電電阻計算值與實際值對比

圖7 計算器仿真波形

圖8 示波器實測波形

圖9 軟件輸出效果演示圖

關(guān)鍵代碼演示：

import matplotlib.pyplot as plt

import numpy as np

import tkinter as tk #導(dǎo)入相應(yīng)的庫

txt = tk.Text(win,height=20,width=45,font=(‘楷體’,15))

txt.grid(row=1,column=5,rowspan=20,columnspan=25) #輸出框設(shè)計

a1 = tk.Entry(win, justify=tk.LEFT, width=15 , font=(‘楷體’, 15))

a1.grid(row=1,column=1) #額定電壓輸入框設(shè)計

def discharge(): #定義插頭放電函數(shù)

volt = float(a1.get()) #獲取額定電壓輸入框內(nèi)容

Y = Vmax*np.exp(-(res1+res2)*X/(res1*res2*cap)) #放電計算邏輯

tkinter.messagebox.showinfo(‘插頭放電超標(biāo)風(fēng)險提示’)#放電結(jié)果超標(biāo)提示

BT1 = tk.Button(win, text=’ 放電計算’,justify=tk.CENTER, width=10, font=(‘楷體’,15),command = lambda discharge(),background=’mistyrose’) #利用lambda 表達(dá)式將相應(yīng)功能的函數(shù)進(jìn)行綁定。

4 結(jié)論

通過對插頭放電測試影響因素進(jìn)行分析，影響插頭放電測試的主要因素包括：

1）示波器探頭選用錯誤：探頭內(nèi)阻越小，插頭放電測試準(zhǔn)確度越低。

2）X 電容選型不合理：產(chǎn)品X 電容的容量大于0.1 μF，且電容量越大，插頭的殘余電壓越高；

3）放電電阻選型不合理：放電電阻的阻值越大，放電速度越慢，插頭的殘余電壓越高。

針對以上主要影響因素，利用Python 語言開發(fā)了一款集插頭放電理論計算、X 電容選型指導(dǎo)、放電電阻選型指導(dǎo)功能為一體的計算器，經(jīng)過效果驗證，插頭放電計算器所得到的理論計算值和實測值基本一致，能夠滿足開發(fā)使用需求，并且為插頭放電仿真測試提供新的思路。