Cum să îndepliniți cerințele IEC 60335 privind alimentarea cu energie electrică pentru aparatele de uz casnic și dispozitivele IoT

Lansarea noului standard de siguranță IEC 60335, ca răspuns la utilizarea tot mai largă a electrocasnicelor inteligente și a dispozitivelor conectate la Internetul lucrurilor (IoT) în locuințe, a adus noi provocări pentru proiectanți în ceea ce privește sursele de alimentare. Standardul recent publicat are cerințe stricte pentru tensiunile de izolare, linia de fugă și distanța minimă de izolare în aer, și pentru curenții de scurgere în sursele de alimentare c.a. - c.c. Proiectarea unor surse de alimentare c.a. - c.c. compacte și rentabile care să îndeplinească numeroasele cerințe este dificilă, iar procesul de testare și aprobare necesar adaugă costuri suplimentare și încetinește timpul de lansare pe piață.

La provocările de proiectare se adaugă și faptul că multe aparate de uz casnic vor fi utilizate în medii în care există umezeală sau apă. Circuitele de alimentare c.a. - c.c. includ șine interne de alimentare de înaltă tensiune, ceea ce face dificilă proiectarea unui pachet adecvat pentru utilizarea în medii umede sau ude.

Pentru a face față acestor provocări, respectând în același timp termenele de livrare și bugetele stricte, proiectanții pot utiliza surse de alimentare c.a. - c.c. încapsulate care sunt deja certificate IEC/EN/UL 62368-1 și sunt proiectate pentru a îndeplini cerințele IEC/EN/UL 61558/60335 pentru aplicații casnice.

Acest articol trece în revistă cerințele de bază IEC 60335-1, introduce conceptul de testare pentru defecțiuni multiple simultane, conform cerințelor din IEC 60335, și analizează pe scurt Partea 2 din IEC 60335. Apoi prezintă mai multe surse de alimentare c.a. - c.c. de la CUI pe care proiectanții le pot folosi pentru a accelera proiectarea aparatelor inteligente și a dispozitivelor conectate IoT calificate conform IEC 60335, precum și a echipamentelor comerciale informatice (ITE).

Care sunt cerințele de bază ale IEC 60335?

IEC 60335 se referă la „siguranța aparatelor electrice de uz casnic și similare”, cu tensiuni nominale de până la 250 de volți pentru aplicații monofazate și de până la 480 de volți pentru aplicații cu faze multiple. IEC 60335-1 include cerințele de bază impuse pentru toate aparatele de uz casnic. Printre provocările cu care se confruntă proiectanții se numără înțelegerea modului în care IEC 60335-1 se compară cu standardul de siguranță IEC 60950-1 stabilit anterior pentru ITE. Există diferențe și asemănări privind nivelurile maxime ale curentului de scurgere, tensiunile de izolare și linia de fugă și distanța minimă de izolare în aer.

În condiții normale de funcționare, atunci când există o conexiune la pământ, curentul de scurgere circulă în șasiu sau în conductorul de protecție cu împământare. În cazul în care conexiunea la masă este întreruptă din orice motiv, curentul de scurgere poate trece prin corpul oricărei persoane care utilizează echipamentul, prezentând un potențial pericol. IEC 60335-1 recunoaște două categorii de echipamente: portabile și staționare. IEC 60950-1 include trei categorii de echipamente: portabile, mobile și staționare. Dispozitivele portabile din IEC 60335 sunt limitate la 0,75 miliamperi (mA) de curent de scurgere, la fel ca și dispozitivele portabile din IEC 60950-1. Dispozitivele mobile și staționare sunt limitate la 3,5 mA de curent de scurgere în IEC 60950-1, același nivel stipulat pentru aparatele staționare în IEC 60335-1.

Cerințele privind tensiunea de izolare fac, de asemenea, obiectul unor definiții diferite între cele două standarde. Nivelul de izolare necesar depinde de locația în cadrul circuitului: de la intrare la ieșire, de la ieșire la masă sau de la intrare la masă. IEC 60950-1 include doar valori fixe, cum ar fi o izolare de 3 kilovolți (kV) între intrare și ieșire. IEC 60335-1 variază cerința privind izolarea între intrare și ieșire în funcție de tensiunea de lucru: este specificată ca fiind de 2,4 kV plus de 2,4 ori mai mare decât tensiunea de lucru. În cazul izolării de la ieșire la masă, IEC 60335-1 nu are nicio cerință, în timp ce IEC 60950-1 specifică o izolare de 500 de volți.

Variațiile sunt evidente și în modul în care cele două standarde tratează linia de fugă și distanța minimă de izolare în aer. În timp ce ambele standarde se bazează pe tensiunea de lucru și pe tipul de izolație (de bază sau consolidată) pentru a defini linia de fugă și distanța minimă de izolare în aer, cerințele pot fi aceleași, mai stricte sau mai puțin stricte atunci când se compară IEC 60950-1 și IEC 60335-1.

Distanța cea mai scurtă dintre două părți conductoare de-a lungul unei suprafețe este definită ca linie de fugă (Figura 1). Atunci când tensiunea de lucru este între 250 și 300 de volți, IEC 60335-1 este mai restrictiv și solicită 8,0 milimetri (mm) de linie de fugă pentru izolația consolidată, în timp ce IEC 60950-1 necesită 6,4 mm de linie de fugă. În cazul în care tensiunea de lucru este cuprinsă între 200 și 250 de volți, ambele standarde impun o linie de fugă de 5,0 mm.

Figura 1: distanța liniei de fugă se măsoară pe suprafața izolației. (Sursa imaginii: CUI)

Distanța dintre două părți conductoare prin aer este distanța minimă de izolare în aer (Figura 2). Cerința pentru distanța minimă de izolare în aer din IEC 60335-1 este de numai 3,5 mm, în timp ce IEC 60950-1 este mai restrictiv, necesitând 4,0 mm atunci când se ia în considerare izolația consolidată și o tensiune de lucru între 150 și 300 de volți.

Figura 2: distanța minimă de izolare în aer se măsoară prin aer. (Sursa imaginii: CUI)

De asemenea, IEC 60335 impune ca aparatele electrocasnice să îndeplinească cerințele pentru clasa de protecție la pătrundere (IP), așa cum este definită în IEC 60529. Clasificarea IP se bazează pe mediul în care este utilizat aparatul. Multe aparate de uz casnic trebuie să funcționeze în condiții de siguranță în prezența umidității sau a apei. IEC 60529 definește nivelurile specifice de protecție necesare în funcție de clasificarea aparatului.

Dincolo de elementele de bază

Aparatele inteligente și dispozitivele conectate la IoT care alcătuiesc casa inteligentă de astăzi sunt mult mai sofisticate decât electrocasnicele tradiționale. Adesea, acestea includ afișaje cu ecran tactil, interfețe software, comenzi digitale, conectivitate prin protocolul de internet (IP) fără fir și/sau cu fir și alte funcții (Figura 3). Datorită acestei complexități suplimentare, IEC 60335 acoperă posibilitatea apariției simultane a două defecte, nu doar a unor defecte punctuale. Acest lucru este în contrast cu standardul de siguranță IEC 60950-1, care urmărește o funcționare sigură numai după defecțiuni individuale.

Figura 3: printre exemplele de aparate inteligente se numără frigiderele cu ecrane de înaltă definiție și conectivitate IP (stânga) și prăjitoarele de pâine cu comenzi LCD cu ecran tactil (dreapta). (Sursa imaginii: CUI)

IEC 60335-1 ia în considerare combinații de două defecțiuni hardware sau o combinație de defecțiuni hardware și software. Aceste teste pot fi deosebit de importante pentru dispozitivele electronice de alimentare care includ adesea o formă de control sau monitorizare digitală. Multe modele includ ceea ce IEC 60335-1 numește „circuite electronice de protecție” (PEC-uri). Conceptul de PEC din IEC 60335 se extinde dincolo de hardware și include diverse caracteristici software, cum ar fi software-ul de detectare a defecțiunilor. Standardul prevede că echipamentul trebuie să mențină funcționarea în siguranță atunci când un defect PEC apare după un alt defect, cum ar fi o defecțiune a izolației de bază, precum și atunci când un defect PEC apare înainte de un alt defect. Sistemul trebuie să rămână sigur.

De asemenea, cerința privind defecțiunile multiple include specificații privind compatibilitatea electromagnetică (CEM). IEC 60335 impune ca testarea CEM să fie efectuată după ce este cauzată defectarea PEC. De exemplu, descărcătoarele de supratensiune de pe intrarea de curent alternativ sunt deconectate. Acest test include sursa de alimentare internă pentru a se asigura că aceasta nu intră într-o stare de funcționare nesigură ca răspuns la interferențe electromagnetice (EMI) în urma defectării PEC.

IEC 60355 solicită funcționarea sigură a comenzilor firmware sau software cu EMI aplicată în condiții de defecțiune unică, cum ar fi o defecțiune PEC. În plus față de comenzile sistemului, această cerință se aplică surselor de alimentare individuale de c.a. - c.c., convertoarelor de c.c. - c.c. și driverelor de motor cu comenzi digitale. Aceste dispozitive trebuie să fie testate în sistem pentru a îndeplini această cerință.

A doua parte din IEC 60355

Spre deosebire de IEC 60950, IEC 60335 are două părți. Partea 2 (IEC 60335-2) include cerințe specifice pentru electrocasnice, acoperind peste 100 de tipuri diferite de aparate, de la prăjitoare de pâine la sisteme de aer condiționat. Proiectanții ar trebui să se familiarizeze cu partea 2, în măsura în care se aplică la proiectarea unor aparate specifice. Atunci când sunt specificate, cerințele din Partea 2 au prioritate față de cerințele de bază din Partea 1.

Părțile 1 și 2 sunt tratate diferit în SUA și în Europa. UL 60335-1 din SUA este armonizat cu IEC 60335-1, dar standardul UL nu recunoaște toate standardele din Partea 2. În plus, în Europa, EN 60335-1 a fost armonizat cu IEC 60335-1 și, spre deosebire de standardul UL, standardul EN recunoaște aproape toate standardele din Partea 2 pentru produse specifice.

Proiectare pentru îndeplinirea 60335

Pentru a simplifica proiectarea secțiunii de alimentare, respectând în același timp cerințele 60335, proiectanții de aparate inteligente, dispozitive conectate în IoT și ITE comerciale pot utiliza module preambalate. De exemplu, seria PSK de surse de alimentare c.a./c.c. încapsulate de la CUI este certificată IEC/EN/UL 62368-1 și este proiectată pentru a respecta IEC/EN/UL 61558/60335 pentru aplicații casnice. Aceste surse de alimentare sunt oferite la niveluri de putere de la 2 la 60 de wați cu o eficiență de până la 90% și sunt disponibile într-o varietate de stiluri de montare, inclusiv montare pe placă, pe șasiu sau pe șină DIN (Figura 4).

Figura 4: sursele de alimentare c.a. - c.c. încapsulate din seria PSK de la CUI sunt disponibile în stiluri de montare pe placă (dreapta jos), pe șasiu (stânga jos) și pe șină DIN (sus). (Sursa imaginii: CUI)

Exemplele de surse de alimentare din seria PSK includ:

• PSK-10D-12-T, care funcționează pe o gamă largă de intrări de la 85 până la 305 volți c.a. sau de la 100 până la 430 volți c.c. și emite 12 volți c.c. la o putere de până la 10 wați într-un pachet cu montare pe șasiu.
• PSK-S2C-24, care are o gamă de intrare de la 85 până la 305 volți c.a. sau de la 120 până la 430 volți c.c. și furnizează până la 2 wați la 24 volți c.c. într-un pachet cu montare pe placă.
• PSK-20D-12-DIN, care furnizează 20 de wați la 12 volți c.c. și are o gamă de intrare de la 85 până la 305 volți c.a. sau de la 100 până la 430 de volți c.c. într-un pachet pentru șină DIN.

Sursele de alimentare c.a. - c.c. din seria PSK au o izolare de la intrare la ieșire de 4 kV c.a., dispun de intervale largi de tensiune de intrare și o gamă largă de temperaturi de funcționare de la -40 până la +70 °C, unele modele putând ajunge până la 85 °C. De asemenea, seria oferă tensiuni de ieșire unice de 3,3, 5, 9, 12, 15 și 24 volți c.c., împreună cu protecții la supracurent, supratensiune și scurtcircuit continuu.

Atunci când lucrați cu modulele, trebuie să țineți cont de câteva lucruri. Unele componente externe sunt necesare pentru protecție și filtrare, precum și pentru a contribui la respectarea cerințelor de compatibilitate electromagnetică (CEM). O mare parte din aceste informații sunt furnizate în fișele tehnice care însoțesc produsele.

De exemplu, în cazul referinței de proiectare pentru aplicația PSK-10D-12-T de la CUI, o siguranță cu ardere lentă de 2 A/300 de volți este prevăzută în avans, împreună cu un varistor metalic-oxid (MOV) (Figura 5).

Figura 5: un proiect de referință pentru PSK-10D-12-T arată amplasarea componentelor de protecție la intrare și de filtrare la ieșire (sus) și valorile lor respective (jos). (Sursa imaginii: CUI)

Filtrarea ieșirii se realizează cu ajutorul unui condensator electrolitic de înaltă frecvență (C2) și a unui condensator ceramic (C1). Este important ca C2 să aibă o rezistență echivalentă în serie (ESR) scăzută și să aibă o marjă de cel puțin 20% din tensiunea de ieșire nominală. Plasarea unei diode de suprimare a tensiunii tranzitorii (TVS) chiar înainte de sarcină va ajuta la protejarea componentelor electronice din aval în cazul (puțin probabil) al unei defecțiuni a convertorului.

Pentru conformitatea CEM, CUI sugerează adăugarea unei rezistențe de 6,8 ohmi (Ω), 3 wați (R1) chiar înainte de intrarea de curent alternativ a modulului (Figura 6).

Figura 6: pentru protecția CEM, R1 trebuie adăugat la linia de intrare de curent alternativ, după cum se arată. (Sursa imaginii: CUI)

Concluzie

Pe măsură ce numărul dispozitivelor inteligente pentru casă și al dispozitivelor conectate la IoT continuă să crească, proiectanții trebuie să înțeleagă implicațiile standardului de siguranță IEC 60335, precum și relația acestuia cu IEC 60950. Standardul afectează direct modul în care sunt proiectate și calificate sursele de alimentare pentru aceste aplicații, creând anumite constrângeri de proiectare și niveluri de complexitate.

Pentru a aborda aceste complexități, proiectanții pot apela la surse de alimentare c.a. - c.c. încapsulate care acceptă soluții conforme cu IEC 60335. Aceste dispozitive de înaltă eficiență și densitate de putere ridicată sunt disponibile într-o varietate de tipuri de pachete, inclusiv pentru montare pe șasiu, pe placă și pe șină DIN. După cum s-a arătat, prin respectarea unor bune practici de proiectare de bază, aceste dispozitive pot reduce considerabil costurile de dezvoltare și timpul de lansare pe piață.

Lectură recomandată

1. O prezentare generală a evaluărilor IP și a conectorilor rezistenți la apă
2. Cum poate simpla șină DIN să rezolve problema modularității, flexibilității și comodității în sistemele industriale