【實作實驗室】除濕機為什麼會無故起火?分壓電容原來是罪魁禍首

作者:實作派

新聞上經常會出現除濕機燒毀的事情,到底為什麼除濕機會無故起火燃燒呢?阿信助教就來告訴各位,廠商在成本驅動之下做了哪些要命的決定。

除濕機燒毀事故統計

先看個統計數字,根據台灣區冷凍空調工程工業同業公會的除濕機事故報告,2008~2016 年之間的除濕機事故統計,主要集中在兩個原因,分壓電容與繼電器,其中又以分壓電容為大宗,而這兩個元件都位在除濕機的電源側,如果元件發生故障會很危險。

2008~2016 年的除濕機事故通報案件統計

電源降壓

除濕機內部需要低壓電源來驅動電路板,也許是 12 V 或 24 V,我沒有實際拆下測量過,但是市電的電壓是 110 V,因此需要先將市電降壓,才能給電路板使用。大家在學校應該都學過,如果要將 110 V 轉為 24 V 或 12 V 的低壓,第一個想到的就是透過 Transformer 變壓器,利用線圈砸數的不同得到不同的低電壓。

只是各位有買過變壓器就會知道,變壓器非常的笨重,因為裡面都是扎扎實實的銅線,偏偏銅線是成本,因此廠商便開始想方設法,尋找低成本的替代方案,於是「電容分壓」就是其中一個選項。

分壓電路

一般在電子電路裡面,如果晶片需要參考電壓作為 input,九成會採用下圖左方的電阻分壓法,由於類比 IC 的參考電壓只是拿來參考,並沒有要拿來驅動設備,因此分壓電阻上的電流可以非常小,而晶片輸入端的阻抗可以到 Mega 級(可以忽略 chip 端的並聯效應),因此分壓用的電阻值可以用到 10 K 級。

電阻分壓與電容分壓(圖片來源:實作派提供)

在電源電路當中,用電阻分壓法雖然也能讓負載 RL 工作,但用來分壓的電阻 R,卻也同時會消耗能量產生熱能,這在節能與安全上可不是件好事,因此如果要達到分壓的效果,卻又想避免能量消耗,那麼用電容分壓是個不錯的選擇,因為電容在 AC 上會產生電抗,可以限制通過的電流,所以才有了右圖的設計。

分壓電容故障

根據冷凍空調公會的除濕機事故報告,實際的線路中,罪魁禍首第一名就是分壓電容,原因是在電源啟動的那一剎那,會有非常高的突波發生,瞬間電流可達到 31.5 A,這樣的電流可說是非常大喔!

電容如果沒有抗突波的能力,經過幾次大量的電流衝擊,就會慢慢被擊穿,到時候就會因電流過大而燒起來。這在報告中有詳細的波形與測試,並且利用 X-ray 觀察被鑿穿的程度,所以電容失效並非一瞬間造成,而是經年累月的突波打擊導致最後起火燃燒。

除濕機燒毀的電容分壓電路(圖片來源:摘自台灣區冷凍空調工程工業公會的調查分析報告)

召回換安規電容 Safety Capacitor

由於突波往往超出電路常規的好幾倍規模,因此在分壓電容的選擇上,必須選擇安全度更高的安規電容(Safety Capacitor)。所謂「安規電容」是指有經過認證的電容,每個機構與國家要求都不同,其中 IEC60384-14 是國際規範,其餘的 ENEC、CQC、UL、KC 等都是不同地區或國家的規範,廠商通常會將該認證過的字樣標示在電容器上面。

所謂「除濕機召回」就是將原本的分壓電容換成安規電容,那為何廠商一開始不採用呢?原因只有一個,它比較貴,電容廠商每過一個認證都需要花錢,印的字樣越多表示拿到的認證越多,成本自然墊高

今天除濕機廠商的產品價值若無法從競品中脫穎而出,那麼消費者就沒有買貴的理由,對廠商來說,為了維持自己的利潤,如果售價無法拉高,那就只能壓低成本了,安全問題就冒出來了。

這裡有網友自行拆解檢視已經召回更換的分壓電容除濕機召回番外篇,各位可以看看除濕機電路板上的分壓電容長什麼樣子。

安規電容的外觀會標示 IEC60384-14 與其它安規的字樣(圖片來源:實作派提供)

X 電容

安規電容的規格分為 X 與 Y 兩種形式,X 電容用於跨接在火線(L)與中性線(N)之間,X 的名稱來自於跨接的英文 Cross,X 電容強調脈衝電壓(Impulse Voltage)的耐受性,根據不同的脈衝耐壓規格,分為 X1、X2、X3 三種類別,表列如下,原文摘自 EMI/RFI suppression capacitors。

Y 電容

而 Y 電容用於跨接在電力線(火線 L or 中性線 N)與地線(G)之間,由於與接地有關因此它強調絕緣性,Y 的名稱來自於 L/N 分別透過電容與 G 相接後像個 Y 型得名。依照絕緣特性,區分為 Y1~Y4 等級,用來表示它的絕緣耐受度。

有些電容可能同時具有 X 與 Y 的特性,因此會同時標註在電容上。安規電容的好處就是它不會因為電容失效導致短路或觸電,所以在電源饋入的地方如果有電容的設計,使用安規電容會比較安全。

繼電器老化

繼電器是除濕機起火原因的第二名,主要在於簧片接處點之間會因長期使用導致接觸不良,因而產生高熱而融毀,因此廠商在繼電器的選用上,必須挑選接點有良好處理的繼電器,例如接點的表面處理需要厚一些,或是電鍍的表層需要不易脫落的處理。

但事實上繼電器是有壽命限制的,例如用了 50 萬次之後就不再保證功能正常,datasheet 裡面一定都會寫,下方是我摘自 OMRON 的其中一款機械式繼電器的資料。

所以再好的繼電器也有老化的一天,若發現家電在啟動時有與平常不同的怪異現象,請不要再繼續使用,先送檢查確認電源電路該換就換再繼續使用,會比較安全。

另外繼電器的簧片會導致彈跳現象,也就是接觸與放開的瞬間,會產生火花,用示波器來看就可以看到相當大的突波,讓分壓電容承受更大的壓力。

我自己沒有除濕機,下圖是我從音響擴大機拆下來的故障繼電器,由於這個擴大機的聲音經常斷斷續續的,因此推測是喇叭訊號的繼電器接觸不良導致;拆開之後將繼電器的接點翻出來一看,果然發現繼電器接點的表層已經脫落,可以看到脫落的地方顏色明顯不同,而此處的導電性也急遽下降。

還好這樣的繼電器是用在電流不高的家用音響擴大機,頂多就是聲音斷斷續續,不至於引發高熱,如果這樣的接觸點用來導通大電流裝置,例如壓縮機或馬達,就非常有可能會在接觸點產生高熱而融毀。

接觸點表層脫落的繼電器(圖片來源:實作派提供)

(本文經同意轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:賴佩萱)

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Author: StrongPiLab

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