探討電子電器產(chǎn)品工作電壓測試中容易忽視的七個關鍵問題

1、探討電子電器產(chǎn)品工作電壓測試中容易忽視的七個關鍵問題威凱檢測技術有限公司 陳永強，陳燦坤廣州 510663摘要：本文探討了電子電器產(chǎn)品工作電壓測量時，電源L/N極性、TN-S供電網(wǎng)絡、示波器接地、示波器探頭、示波器信號耦合方式和信號采集模式、不同波形的電壓有效值與儀器輸入阻抗等容易忽視的七個關鍵問題，解讀電子電器產(chǎn)品標準關于工作電壓的測試要求。關鍵詞：電子電器、工作電壓Explore Key Understandings of Working Voltage Test for Electronic and Electrical Appliances which are easy to be i

2、gnoredAbstrat:This paper discusses the key understandings of working voltage test for electronic and electrical appliances which are easy to be ignored, such as Polarity of supply, TN-S supply network, Oscilloscope grounding, Oscilloscope's probe, Signal coupling mode and acquisition mode of osc

3、illoscope, r.m.s value of different voltage wave and the instrument input impedance. Through this paper, better understanding of the requirements of working voltage measurement concerning the standards of electronic and electrical appliances can be achieved.Key words: Electronic and Electrical Appli

4、ances ； Working Voltage測量電子電器產(chǎn)品初、次級之間工作電壓是電子電器產(chǎn)品合格評定的必要環(huán)節(jié)，但是從近年來國內(nèi)組織的能力驗證結果發(fā)現(xiàn)，參與的實驗室中有接近一半的實驗室對工作電壓的測試方法認識存在缺陷，在工作電壓測試中經(jīng)常忽略了以下幾個關鍵問題：問題1：電源L/N極性間接法的互換對工作電壓測試結果的影響是否需要考慮？問題2：TN-S電源網(wǎng)絡對工作電壓測試結果是否有影響?問題3：工作電壓測量過程中示波器是否需要接地？問題4：示波器探頭對工作電壓測試結果是否有影響？問題5：示波器的信號耦合方式和信號采集模式對工作電壓測試結果是否有影響？問題6：不同波形的工作電壓如何選取有效值與

5、真有效值？問題7：測量電壓儀器輸入阻抗對工作電壓測試結果的影響是否需要考慮？非常有必要深入討論上述7個問題，統(tǒng)一國內(nèi)合格評定實驗室電子電器產(chǎn)品工作電壓的測試方法。一、標準理解由GB4943.1-2011信息技術設備安全第1部分:通用要求標準第2.10.2.2條（有效值工作電壓）可知產(chǎn)品的最小爬電距離取決于有效值工作電壓。工作電壓的有效值包括任何直流分量，對所有的波形都應當使用測得的有效值。由GB4943.1-2011標準信息技術設備安全第1部分:通用要求第2.10.2.3條（峰值工作電壓）可知產(chǎn)品的最小電氣間隙和抗電強度的測試電壓取決于工作電壓的峰值參數(shù)。工作電壓的峰值參數(shù)包含了所有直流成份和

6、重復性脈沖峰值電壓，對所有的波形都應當使用測得的峰值。GB8898-2011 音頻、視頻及類似電子設備安全要求、GB4706.1-2005 家用和類似用途電器的安全要求第1部分：通用要求關于“工作電壓”的術語和要求與GB4943.1-2011內(nèi)容一致。不難發(fā)現(xiàn)電子電器產(chǎn)品的最小爬電距離、最小電氣間隙和抗電強度試驗電壓都跟工作電壓的測量值有關，如何準確測量電子電器產(chǎn)品的工作電壓已經(jīng)成為衡量實驗室檢測能力的一項重要指標。根據(jù)GB4943.1-2011信息技術設備安全第1部分:通用要求標準第1.2.9.6條工作電壓的定義和第2.10.2條工作電壓的測量要求可知，測試工作電壓過程中，第一個測試要點是讓

7、被測樣品的工作狀態(tài)處于“正常使用的工作條件下”。第二個測試要點是：“考慮絕緣或元器件所承受到的最高電壓”，即各種正常使用的工作條件下測量到的“最高”電壓。但是從各類能力驗證結果發(fā)現(xiàn)，有接近一半的實驗室或多或少對工作電壓的測試方法及定義存在不足，在工作電壓測試中經(jīng)常忽略了幾個關鍵性的問題，非常有必要進行詳細分析并統(tǒng)一思想。二、工作電壓測試中經(jīng)常忽略的七個關鍵性問題問題1：電源L/N極性間接法的互換對工作電壓測試結果的影響是否需要考慮？如圖1所示，一個II類的電源適配器在國內(nèi)銷售，使用如圖2所示的單相兩極不可拆線插頭與對應的插座配套，在日常使用中就存在正接和反接的現(xiàn)象（不同的使用者將插頭插入插座的

8、方向不同），都可以讓電源適配器處于正常工作狀態(tài)。然而采用不同接法的電源適配器，在其初、次級之間測試到工作電壓值卻截然不同。 圖1：II類的電源適配器 圖2：單相兩極不可拆線插頭從圖3、圖4變壓器工作原理圖，可以理論分析出電源L/N極性間接法的互換對電源適配器產(chǎn)品工作電壓測試結果的影響。圖3：插頭正接表1：插頭正接的理論結果插頭狀態(tài)極性狀態(tài)共地點測試點理論值（V）插頭正接A= LB+DAB220AC208AD220B=NBC12BD0CD12圖4：插頭反接表2：插頭反接的理論結果插頭狀態(tài)極性狀態(tài)共地點測試點理論值（V）插頭反接A=NA+DAB220AC12AD0B=LBC233BD220CD12

9、結論：電源L/N極性間接法的互換對工作電壓測試結果存在較大影響，因此在工作電壓測試過程中，應該要考慮插頭正接或反接兩種狀態(tài)對測試結果的影響，建議選取兩種狀態(tài)下測得的“最大工作電壓值”作為最終的測試結果。問題2：TN-S電源網(wǎng)絡對工作電壓測試結果是否有影響?首先需要明確配電系統(tǒng)代碼的含義：第一個字母配電系統(tǒng)與地的關系第二個字母設備的接地后續(xù)字母中線和保護導線的配置T表示一極直接連接到地T表示設備直接電氣連接到地，而與配電系統(tǒng)的任何一點接地無關S表示保護接地功能是由中線分出的導線或由接地的相線（或交流配電系統(tǒng)中的接地相線）分出的導線來提供I表示系統(tǒng)與地隔離或某一點通過阻抗連接到地N表示設備直接電氣

10、連接到配電系統(tǒng)的接地點（在交流系統(tǒng)中，配電系統(tǒng)的接地點通常是中性點，或如果無中性點，則接地點通常應當時某一根相線）C表示中線功能和保護功能合并在一根單獨的導線上（PEN導線）TN-S配電系統(tǒng)是直接接地的系統(tǒng)，設備上需要接地的零部件通過保護接地導體連接，在整個系統(tǒng)中使用一根獨立的保護導體。TN-C-S配電系統(tǒng)是直接接地的系統(tǒng)，設備上需要接地的零部件通過保護接地導體連接，在系統(tǒng)某一部分中，中線功能和保護功能合并在一根單獨的導線上。表3：配電系統(tǒng)代碼含義如何判定實驗室的供電系統(tǒng)是否屬于TN-S網(wǎng)絡？（1） TN-S系統(tǒng)的中性線（N）與保護線（PE）是分開的；（2） 當電氣設備電壓輸入相線與外殼相碰時

11、，將導致直接短路，可采用過電流保護器切斷電源；（3） 將N線強制斷開，如果三項負載不平衡，將導致中性點的點位快速升高，設備外殼無電位，保護線PE也無電位；（4） TN-S系統(tǒng)中保護線（PE）必須重復接地，以防止保護線（PE）斷路造成的危害。如何在工作電壓測試中實現(xiàn)TN-S網(wǎng)絡供電？如圖3所示，在接線過程中，將穩(wěn)壓電源輸出端連接自耦變壓器供電樣品，并且將自耦變壓器的N端與G端相連，保證在測量過程中樣品B端、D端與電源G端，N端相連，以獲得隔離變壓器初級、次級兩端“共地”參考電位。否則，由于隔離變壓器“感應”測得的初級B與次級D之間電壓是“浮地”的振蕩電壓。有意地斷開TN-S網(wǎng)絡的G與N線之間的短

12、接線，用數(shù)字萬用表會測得一組正弦波，幅值為0-10伏間波動，相位在不斷發(fā)生變化。結論：TN-S電源網(wǎng)絡對工作電壓測試結果是有影響的，特別是供電設備與檢測樣品間是否共地連接不能馬虎。問題3：工作電壓測量過程中示波器是否需要接地？將示波器正確接地對于測試人員的自身安全和示波器儀器的安全，以及精確測量來說，都是非常重要的。在電子電器產(chǎn)品工作電壓的測量中最有代表性的是對開關電源的測量。開關電源的結構具有以下幾個特點：開關變壓器一次和二次電路間具有良好的隔離性是不共地的，開關電源工作電壓的頻率含有大量高頻成分，且工作電壓的幅值較高、電壓波形變化較大。某代表性開關電源產(chǎn)品的工作電壓波形如圖5。圖5：某代表

13、性開關電源產(chǎn)品的工作電壓波形根據(jù)以上特點，采用數(shù)字存儲示波器測量開關電源的工作電壓是合最佳的解決方案。但是，示波器正常使用時其保護地是連接到市電的保護地，探頭的接地端也接到市電保護地。而開關電源的功率器件是不與保護地連接，且一次和二次是不共地的，測量工作電壓時，示波器探頭的接地端會與功率器件的電壓形成一個回路，將會把被測樣品或示波器探頭燒壞（俗稱“炸機”）。部分實驗室的錯誤做法是：把示波器的交流主電源線中的地線斷開，并將探頭地線接到測試點上。這個做法將使得儀器底盤（不再接地）的電壓與探頭地線相連的測試點電壓相同。誤觸摸儀器外殼就會形成最短路徑的導通電流路徑。如圖6所示：圖6：示波器主電源不接地

14、，探頭地線接到測試點的示意圖而且把示波器的保護地斷開后獲得的測量結果也存在較大誤差。交流供電設備在地面浮動時會受到一個大的寄生電容干擾，測量結果將受到振蕩破壞。波形如下圖7所示：圖7：受到振蕩破壞影響的工作電壓測試波形結論：工作電壓測量過程中示波器必須接地。問題4：示波器探頭對工作電壓測試結果是否有影響？示波器的探頭分為無源探頭和有源探頭，下面分別分析這兩種探頭的優(yōu)缺點和適用范圍。無源探頭又分為兩種，一種是低阻分壓探頭，價格便宜，阻抗450或950，負載效應明顯，帶寬可達6GHz以上，但由于低阻分壓探頭與被測樣品構成了分壓電路，影響被測電路電壓，不適合精確幅度測量，在此不做詳細討論。另一種高阻

15、無源探頭也稱為衰減探頭，特點是價格便宜、耐用，測量電壓范圍廣，阻抗>=1M，典型帶寬可從100MHz延伸到500MHz，具有較高的動態(tài)范圍，衰減倍數(shù)常為1X和10X。由于探頭中沒有有源器件（晶體管或放大器），因此無需為探頭供電。典型的高阻無源探頭的電路如圖8所示，高阻無源探頭的一個重要特性就是帶寬隨電壓等級提高而降低（見圖9所示）。圖8：典型的高阻高阻無源探頭電路圖9：高阻無源探頭的帶寬隨電壓等級提高而降低有源探頭的工作原理見圖10所示，是阻性負載和容性負載的最佳組合，又分為有源單端和差分探頭，特點是容性負載小。有源電壓探頭包含有源器件，通常是一只場效應晶體管，場效應管輸入的優(yōu)點是提供一

16、個很低（典型值小于1pf）的輸入電容。低電容意味著高的輸入阻抗，所以有源探頭一般具有從500MHz直到4GHz的帶寬。有源探頭的優(yōu)異特性是由其前端的放大器帶來的，但是這個高帶寬的放大器又要放在探頭前端有限的空間內(nèi)，因此實現(xiàn)成本較高。圖10：有源探頭的工作原理圖有源探頭里還有一個分支是差分有源探頭，如下圖11所示。其前端使用的是差分放大器。差分探頭優(yōu)點：1)、抗干擾能力強；2)、能有效抑制EMI；3)、時序定位精準。差分探頭可直接測試高速的差分信號，同時其共模抑制比高，對共模噪聲的抑制能力也較好。.圖11：差分探頭的工作原理圖在分析完無源和有源探頭后，還有一個值得關注的問題：探頭負載阻抗對被測信

17、號的影響和阻抗匹配。如圖12所示，由于探頭負載的影響，信號源輸出電壓為負載阻抗與電壓源阻抗之比的函數(shù)。探頭負載阻抗越大，輸出電壓越高。越高的阻抗輸入，可將負載影響減至越小，測量工作電壓的精準度也就越高。信號源輸出功率為探頭阻抗與信號源阻抗之比的函數(shù)。當兩個電阻越接近，輸出功率越大。因此應當保證工作電壓的測量系統(tǒng)中全部輸入/輸出/電纜和負載具有較近的電阻阻抗，才能使得工作電壓的精準度越高。圖12：探頭負載阻抗對被測信號的影響和阻抗匹配工作電壓測試過程中還有一個很關鍵的就是如何調(diào)節(jié)示波器探頭的補償電容？對于示波器探頭來說，輸入阻抗盡量高，同時還要求在整個測試通頻帶中，探頭的分壓衰減盡量不變。要滿足

18、這個要求，不能僅僅使用簡單的分壓電阻，還需要結合使用分布電容。但是使用了分布電容就會造成高頻信號嚴重衰減，即示波器顯示出的高頻信號失真（最典型的就是脈沖上升時間變慢)。為此示波器探頭都會強調(diào)采用高頻阻容補償分壓器。如圖13所示。圖13中R1、R。為分壓電阻(R。包括下一級的輸入電阻)，C。為下一級的輸入電容和分布電容，C1為補償電容。圖13：探頭阻容補償分壓器其中 式1 式2則分壓比為 式3當調(diào)整探頭電路中的可變電容元件c ，使R。×C。=R1×C1。則式3 中的比值為定值，即達到對探頭分壓比均勻不變的要求。探頭接入示波器應該做的第一件事就是調(diào)整探頭補償以及屏幕分辨率。否則

19、將導致測量誤差，而在實驗中，出現(xiàn)波形不平滑，而且線條很粗，此時調(diào)整補償電容C1，使式3中值達到定值時即調(diào)成標準的正弦波。圖14依次為過補償、欠補償及最合適的補償?shù)膱D形。圖14：過補償、欠補償及最合適的補償?shù)膱D形結合問題3和問題4不難得出結論：采用示波器不接地+普通無源探頭的測試方案會帶來人身安全危險、損害樣品的危險以及測量結果的不準確等問題，是錯誤的示波器使用方法。上述情況有兩種解決方案：1、采用專用的浮動測量示波器，比如泰克的TPS2024B浮動測量專用示波器。由于精確性較差，不適合電子產(chǎn)品工作電壓的精確測試。2、為了獲得精確的數(shù)值，確保示波器和正在測試的電路共用同一個地。測試中將示波器的地

20、端與TN-S電路中的地端相連接，確保工作電壓的準確性。因此在進行工作電壓測量時，如圖15所示為了保證測量的準確性，最理想的測試方法是：采用差分探頭，使接地示波器可以進行浮動測量，探頭系統(tǒng)作為一個整體與示波器的機殼接地端隔離。為了提高測量的準確度要注意以下幾點:1)探頭之間的環(huán)路減小到最低程度。2)為了避免空間輻射噪聲，示波器探頭應該遠離輻射源、磁場、信號發(fā)射源等干擾源，測試線纜不要纏繞。3)使用差分探頭過程中，將正負極線纜耦合并接，以消除共模噪聲干擾。圖15：采用差分探頭和示波器接地的工作電壓測試網(wǎng)絡問題5：示波器的信號耦合方式和信號采集模式對工作電壓測試結果是否有影響？耦合控制可以有兩種設置

21、方式，即DC耦合和AC耦合。表4：示波器的耦合方式耦合控制方式特點DC耦合為信號提供直接連接的通路，因此信號的所有分量（AC和 DC）都會影響示波器的波形顯示。AC耦合在BNC端和衰減器之間串聯(lián)一個電容。信號的DC分量就被阻斷，而信號的低頻AC分量也將受阻或大為衰減。使用示波器的AC耦合方式對信號進行測量時，在信號剛接入示波器的瞬間，往往能觀察到信號的DC分量，經(jīng)過一段穩(wěn)定時間之后得到的才是純AC的測試結果，這種現(xiàn)象是示波器電路的零狀態(tài)響應造成的。示波器內(nèi)部用一個串聯(lián)在信號通路上的隔直電容實現(xiàn)AC耦合功能，由信號、示波器組成的電路，其簡化的等效形式如圖16：圖16：示波器耦合電路簡化圖其中，U

22、dc是被測信號的直流成分，可等效為一個理想電壓源；C是隔直電容，它上面的電壓降用Uc表示；R是后級負載的簡化，它上面的電壓降用U表示，也就是測量值的DC分量。圖中的S為開關，S的通斷代表信號是否接入示波器。假設信號在t=0時接入示波器電路，則t<0，S是斷開的；t0時，S是閉合的。由于t<0時，電壓源Udc尚未接入電路，電路中無源元件的電壓、電流狀態(tài)均為0，該問題可使用零狀態(tài)響應的方法進行分析。利用基爾霍夫定理，回路中的電壓和為零，可以得到：根據(jù)(6)，U的值不可能一上來就是零，而是一個呈指數(shù)衰減的過程，衰減的時間常數(shù)為RC，也就是說，隔直電容和后級負載的等效阻抗值，決定了U的收斂

23、速度。從直觀上理解，電容是一個儲能元件，它上面的電壓不可能發(fā)生瞬變。在進行工作電壓測量時，為了保證測試的準確性，需要同時考慮直流分量和交流分量，因此工作電壓測試中建議采用的耦合方式是DC耦合。在示波器的信號采集模式里有取樣、峰值檢波、包絡、平均值四種采集模式表5：示波器的信號采集模式采集模式取樣峰值檢波包絡平均值特點用于常規(guī)采集檢測毛刺并減少假波現(xiàn)象的可能性捕獲一定時間間隔內(nèi)的信號偏差。減少信號顯示中的隨機或不相關的噪聲。用途取樣采集模式用于以任何秒/格設置進行最快采集。用于限制假波現(xiàn)象的可能性。還可以用于毛刺檢測，可看到窄到1ns的毛刺用于在指定個數(shù)的采集值中捕獲一個信號的最大和最小極值。當

24、每次N個采集完成后，包絡波形采集會清除，然后重新開始?？蓽p少要顯示信號中的隨機噪聲或不相關噪聲。平均波形是指定數(shù)目采集值得動態(tài)平均。優(yōu)缺點取樣模式是默認模式僅在125MS/s以下的取樣速率時有效。對于250MS/s和更高的取樣速率，示波器將恢復到“取樣”采集模式，這時最窄的可檢測脈沖寬度為1/（取樣速率）如果按單詞序列按鈕，包絡采集在N個采集后停止。使用通用旋鈕設置采集數(shù)目。如果按單詞序列按鈕，平均采集在N個采集后停止，使用通用旋鈕設置采集數(shù)目。取樣圖示圖17圖18圖19圖20圖17：取樣模式圖18：峰值檢波模式圖19：包絡模式圖20：平均值模式將穩(wěn)壓供電電源輸出140V，使用泰克生產(chǎn)的TDS

25、3052B示波器，（示波器本機阻抗1M，配合適用差分探頭型號為TT-HV 150,100X，差分探頭輸入阻抗100M，選擇不同的采集模式，工作電壓的波形會有所不同。表6：實際案例中不同采集模式的對比采集模式波形顯示取樣峰值檢波包絡平均值穩(wěn)壓電源輸出140V，正弦波電壓峰值的理論值應該是140V×1.414=197.96V，穩(wěn)壓電源的輸出電壓存在尖峰或毛刺，所以導致在取樣、峰值檢波、包絡三個模式下測試出來的峰值電壓大于理論值，只有平均模式條件下能夠滿足要求。結論：在峰值工作電壓的測試過程中，示波器采樣模式的選取對工作電壓的測量準確性有著確定性的作用。問題6：不同波形的工作電壓如何選取有

26、效值與真有效值？有效值：r.m.s，理解為對于交流電的有效值相當于在相同的電阻上獲得相同功耗的直流電壓或電流。因為是交流電，所以不能直接用瞬時值來代替有效值，必須用時間平均（積分）的方法以獲得正確的結果。對于常見的一些信號波形，下表列出其一些參數(shù)。波形名稱波形圖有效值平均值波形系數(shù)波峰系數(shù)正弦波半波整流的正弦波2全波整流的正弦波三角波鋸齒波方波1111脈沖表7：部分信號波形的參數(shù)其中：T為信號的周期，為脈沖信號的脈寬；假定信號的幅值為1有些測量電壓的儀表就利用了上述的轉換原理，知道了信號的波形系數(shù)和波峰系數(shù)之后，就可以對確定信號進行不同值之間的轉換。例如，用萬用表的交流電壓檔測電壓有效值時，只

27、要測出信號的平均值再乘以1.11即可得出其有效值。但是這僅僅限于正弦波信號才是正確的，對于非正弦波則讀數(shù)將不正確，測出的并非信號真正的有效值。所以帶出了真有效值的概念，true r.m.s，即真正的有效值。其實際算法與有效值r.m.s相同，對于標準的正弦波而言，兩者完全相同。對于其他非正弦波的波形，強調(diào)測量其真有效值才有一定的意義。對于任意周期信號其有效值都定義為。假設非正弦周期信號可以分解為：，則其有效值可以表示為：根據(jù)三角函數(shù)的正交性可以得到：由此可見，對于任意周期函數(shù)，其真有效值等于它的恒定分量和各個諧波分量有效值的平方和的平方根。結論：如果輸出信號為非正弦波信號，工作電壓的測量值必須測量其真有效值，而測量真有效值就必須要求儀器儀表的內(nèi)部有能夠實現(xiàn)這種信號運算的芯片