Projektowanie obwodów ochronnych zgodnie z nową normą IEC 62368-1 dla urządzeń AV/ICT

Z biegiem czasu granice między technologią audiowizualną (AV) a technologią informacyjno-komunikacyjną (ICT) coraz bardziej się zacierają (jednym z przykładów są domowe produkty multimedialne, takie jak inteligentne telewizory). Ponadto przy projektowaniu zabezpieczeń produktów elektrycznych przyjęto podejście inżynierii opartej na przewidywaniu zagrożeń (Hazards Based Safety Engineering - HBSE). Tendencje te wpłynęły na standardy opracowane w celu ochrony osób instalujących, konserwujących i użytkujących taki sprzęt, czyniąc je przestarzałymi - wraz z dużą częścią urządzeń technicznych używanych do zapewnienia zgodności produktów AV i ICT z przepisami.

Przewidując taką ewentualność, Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) opracowała nową normę, IEC 62368-1 (Urządzenia techniki fonicznej/wizyjnej, informatycznej i telekomunikacyjnej - Część 1: Wymagania bezpieczeństwa). Nowa norma zastępuje dwie starsze normy (IEC 60950-1 i IEC 60065) jedną normą, która obejmuje zarówno sprzęt informacyjny i komunikacyjny (ICT) oraz audiowizualny (AV), jak i produkty takie jak urządzenia Internetu rzeczy (IoT) i urządzenia elektroniczne z zasilaniem bateryjnym, pracujące pod napięciem do 600V. Norma została wprowadzona w grudniu 2020r. i zastosowano w niej podejście inżynierii opartej na przewidywaniu zagrożeń (HBSE).

Ten artykuł przedstawia normę IEC 62368-1 i wskazuje, że chociaż może ona wydawać się bardziej złożona niż poprzednie oddzielne normy, to jednak upraszcza sprawy i umożliwia osiągnięcie wyższego poziomu bezpieczeństwa oraz elastyczności projektowania. W artykule przedstawiono również i opisano zastosowanie dostępnych na rynku produktów ochrony elektrycznej firmy Littelfuse, które mogą być wykorzystane w celu ułatwienia projektowania produktów i podsystemów spełniających wymagania przepięciowe i udarowe dla każdej kategorii objętej normą IEC 62368-1.

Czym jest norma IEC 62368-1?

Norma IEC 62368-1 została przyjęta w celu zastąpienia starszych norm jedną, która definiuje ochronę obwodów w celu zapewnienia bezpieczeństwa elektrycznego i elektronicznego sprzętu informacyjnego i komunikacyjnego (ICT), audiowizualnego (AV) oraz Internetu rzeczy (IoT) o napięciu znamionowym nieprzekraczającym 600V (ilustracja 1). Norma została zaprojektowana w celu ochrony osób instalujących, konserwujących i użytkujących wyżej wymieniony sprzęt, odzwierciedla również podejście HBSE, jakie inżynierowie przyjmują obecnie w projektowaniu zabezpieczeń. Podejście inżynierii opartej na przewidywaniu zagrożeń (HBSE) zastępuje poprzednie normatywne podejście do projektowania - które określało zbiór zasad, z którymi obwody ochronne powinny być zgodne - podejściem uwzględniającym zagrożenia, na które produkt najprawdopodobniej może być narażony. W rezultacie powstają obwody bezpieczeństwa, które chronią użytkownika nawet wtedy, gdy produkt ulegnie uszkodzeniu w wyniku działania jednego ze zidentyfikowanych zagrożeń.

Ilustracja 1: IEC 62368-1 zastępuje starsze normy bezpieczeństwa IEC 60951-1 i IEC 60065 jedną, która obejmuje technologie informacyjne i komunikacyjne (ICT), audiowizualne (AV) i inne produkty, takie jak Internet rzeczy (IoT) oraz urządzenia elektroniczne z zasilaniem bateryjnym. (Źródło ilustracji: Littelfuse)

Norma IEC 62368-1 odnosi się nie tylko do produktu końcowego, ale także do komponentów i podsystemów (takich jak zasilacze), z których jest on zbudowany. Przez nieokreślony czas nowa norma tymczasowo zezwala na ponowne wykorzystanie konstrukcji i podzespołów, które były zgodne ze starszymi normami. Oczekuje się, że projektanci wprowadzą nowy standard na kluczowych rynkach, takich jak Ameryka Północna, Wielka Brytania, Japonia oraz Australia/Nowa Zelandia.

Ochrona obwodów dla ludzi

Zgodność z normą IEC 62383-1 wymaga od projektanta zastosowania metodologii inżynierii opartej na przewidywaniu zagrożeń (HBSE). Oznacza to:

• zidentyfikowanie źródeł energii, z których korzysta produkt
• pomiar poziomów energii wytwarzanych przez te źródła
• określenie, czy energia z tych źródeł jest niebezpieczna
• sklasyfikowanie poziomu zagrożenia
• określenie, czy zagrożenie może spowodować obrażenia lub pożar
• określenie odpowiednich rozwiązań ochronnych w celu:
  • ochrony osób przed bólem i urazami wywoływanymi przez sklasyfikowane zagrożenia
  • zmniejszenia prawdopodobieństwa obrażeń lub szkód materialnych spowodowanych pożarem wywołanym przez usterkę w urządzeniu
• pomiaru skuteczności tych rozwiązań ochronnych

Norma wyszczególnia trzy klasy źródeł energii (ES). Źródło energii klasy 1 (ES1) mieści się w ograniczeniach klasy 1 w normalnych warunkach pracy lub w obliczu pojedynczej usterki. Występująca energia może być odczuwalna przez człowieka, ale nie będzie bolesna i nie wystarczy do wywołania zapłonu. W celu ochrony zwykłych użytkowników przed źródłami energii (ES) klasy 1 nie są wymagane żadne zabezpieczenia.

Poziomy źródeł energii klasy 2 (ES2) przekraczają limity klasy 1, ale pozostają poniżej limitów klasy 2 podczas zwykłych lub nieprawidłowych warunków pracy produktu, albo warunków spowodowanych pojedynczą usterką. Występująca energia może być wystarczająca do wywołania bólu, ale jest mało prawdopodobne, aby spowodowała uraz. Występująca energia może być wystarczająca do spowodowania zapłonu w pewnych warunkach. W celu ochrony zwykłych użytkowników przed źródłami energii (ES) klasy 2 jest wymagane co najmniej jedno zabezpieczenie.

Największe zagrożenie niesie ze sobą źródło energii klasy 3 (ES3). Jego energia przekracza maksymalny limit klasy 2 w warunkach normalnych, nieprawidłowych lub powstających w wyniku pojedynczej awarii i może spowodować obrażenia ciała lub zapłon i rozprzestrzenianie się ognia. Rodzaj obrażeń spowodowanych przez źródła energii ES3 może obejmować migotanie komór, zatrzymanie akcji serca lub oddechu, a także oparzenia skóry lub narządów wewnętrznych. W celu ochrony zwykłych użytkowników przed źródłami energii ES3 konieczne jest zastosowanie podwójnego lub wzmocnionego zabezpieczenia.

W szczególności nowa norma określa progi wytrzymałości na stany nadmiernego napięcia i wymagania dotyczące ochrony przeciwprzepięciowej dla różnych kategorii, obejmujących różne typy produktów i miejsca ich zastosowania.

Ważne jest, aby projektant zrozumiał, że rzeczywiste wartości graniczne prądu i napięcia stosowane w klasach ES1, ES2 i ES3 mogą się różnić. Przykładowo, na wymagania dotyczące wartości granicznej napięcia ma wpływ częstotliwość robocza zasilania. Dla napięć zasilania o częstotliwości poniżej 1kHz, granica ES1 wynosi 30V_rms (wartość skuteczna), 42,4V_peak (wartość szczytowa) oraz 60V=. Wartość graniczna ES2 wynosi 50V_rms, 70,7V_peak oraz 120V=.

Urządzenia muszą być zgodne albo z wartością graniczną napięcia, albo z wartością graniczną prądu określoną w odpowiedniej klasie energetycznej, ale nie muszą być zgodne z obiema granicami. Wartości graniczne różnią się również w zależności od normalnego lub nieprawidłowego działania, a także od stanu pojedynczej usterki. Są one wyszczególnione w rozdziale 5 normy. Istnieją również podpunkty, obejmujące takie kwestie jak wartości graniczne dla przebiegów impulsowych, w zależności od czasu wyłączenia.

Ochrona obwodów dla urządzeń

Podczas gdy ochrona ludzi jest najważniejszą kwestią dla każdego producenta sprzętu, ochrona produktu końcowego przed uszkodzeniami spowodowanymi skokami napięcia i prądu jest również istotną kwestią. Norma IEC 62368-1 opiera się na dwóch starszych normach i określa minimalne wartości znamionowe wytrzymałości dla urządzeń w celu zapewnienia odporności na stany nieustalone nadnapięć i przetężeń.

Norma określa trzy „kategorie nadnapięcia” (I, II i III) dla urządzeń po stronie domowej licznika energii elektrycznej. Urządzenia po stronie przesyłowej licznika należą do IV kategorii nadnapięciowej.

Kategoria I dotyczy w szczególności urządzeń niepodłączonych do sieci elektrycznej (takich jak przenośne urządzenia z zasilaniem bateryjnym), natomiast kategoria II dotyczy urządzeń ICT i AV podłączanych złączami wtykowymi do sieci elektrycznej. Kategoria III jest przeznaczona dla systemów stanowiących część infrastruktury budynku, takich jak tablice rozdzielcze, wyłączniki automatyczne, okablowanie, puszki połączeniowe, przełączniki, gniazda i urządzenia przemysłowe.

Kategoria II obejmuje generalnie konstrukcje urządzeń oparte na sieci prądu zmiennego 120 lub 230V, bądź na zasilaczach prądu zmiennego w zakresie od 100 do 250V. Norma określa, że taki sprzęt musi mieć minimalny poziom odporności na stany nieustalone napięcia szczytowego na poziomie 1,5kV dla zasilania 120V~ i 2,5kV dla zasilania 230V~ (ilustracja 2).

Ilustracja 2: norma IEC 62368-1 określa różne kategorie przepięć w zależności od tego, gdzie produkt końcowy jest używany. Kategorie I, II i III dotyczą produktów stosowanych po stronie domowej licznika elektrycznego, natomiast kategoria IV obejmuje produkty stosowane po stronie przesyłowej. (Źródło ilustracji: Littelfuse)

Projekt obwodu spełniający wymagania normy IEC 62368-1 w zakresie ochrony przeciwprzepięciowej

Projektowanie obwodów, które spełniają wymagania normy w zakresie ochrony przed stanami nieustalonymi nadnapięć i przetężeń, nie jest zbyt trudne. Kluczem jest skierowanie wartości szczytowych stanów nieustalonych z dala od wrażliwych urządzeń przez zapewnienie alternatywnej ścieżki przewodzenia. Istnieją dwie zalecane techniki w zależności od tego, czy zasilacz wykorzystuje tryb różnicowy, czy tryb różnicowy i tryb wspólny (ilustracja 3A i B).

Ilustracja 3: ochrona przed stanami nieustalonymi napięcia i prądu dla w kategorii II według normy IEC 62368-1 obejmuje tryb różnicowy (A, góra) lub tryb różnicowy i wspólny (B, dół). (Źródło ilustracji: Littelfuse)

W trybie różnicowym (3A) ochrona jest realizowana przez bezpiecznik topikowy (I) chroniący przed przetężeniami, wraz z chronionym termicznie warystorem metalowo-tlenkowym (TMOV) (II). Warystor TMOV składa się z dwóch elementów: aktywowanego termicznie urządzenia, które otwiera się w przypadku przegrzania spowodowanego nieprawidłowym nadnapięciem oraz z tlenkowego ochronnika przepięciowego (MOV). W normalnych warunkach pracy ochronnik MOV ma bardzo wysoką rezystancję, co umożliwia przepływ normalnych napięć roboczych przez obwód. Przy wyższych napięciach, takich jak stany nieustalone wartości szczytowych, ochronnik MOV wykazuje niską rezystancję, uniemożliwiając przepływ prądu do produktu końcowego.

Rozwiązanie łączące tryb różnicowy i wspólny również wykorzystuje bezpiecznik topikowy i warystor TMOV na przewodzie fazowym i przewodzie neutralnym, jednak wprowadza dwa dodatkowe tlenkowe ochronniki przepięciowe (MOV) oraz iskiernik gazowy (GDT). Jak pokazano na ilustracji 3B, tlenkowe ochronniki przepięciowe (MOV) są dodawane do przewodu fazowego i uziemienia oraz przewodu neutralnego i uziemienia, szeregowo z iskiernikiem gazowym (GDT). W normalnych warunkach pracy iskierniki gazowe (GDT) charakteryzują się wysoką rezystancją izolacji oraz niską pojemnością i upływnością. Jednak w przypadku wystąpienia stanów nieustalonych wysokiego napięcia, zamknięty gaz zamienia się w plazmę i rozprasza napięcie z dala od produktu końcowego.

Chociaż zalecana jest opcja chronionego termicznie warystora metalowo-tlenkowego (TMOV) (ze względu na ochronę termiczną oraz niskie napięcie przepuszczania i napięcie progowe), można rozważyć inne formy zabezpieczenia trybu różnicowego, zachowując zgodność z normą. Przykłady obejmują tlenkowy ochronnik przepięciowy (MOV), tyrystor ochronny plus ochronnik MOV (szczególnie w przypadku produktów takich jak modemy) lub diodę TVS. W przypadku ochrony w trybie wspólnym, tlenkowe ochronniki przepięciowe (MOV) plus iskierniki gazowe (GDT) są jedynym dopuszczalnym rozwiązaniem.

Jednak dobór komponentów przez inżyniera może być bardziej problematyczny. Urządzenia muszą spełniać kryteria ochrony zdefiniowane w normie IEC 62368-1, aby produkt końcowy był zgodny z tą normą.

Bezpiecznik topikowy (I) służy do zapobiegania uszkodzeniu wrażliwych obwodów podczas zdarzeń związanych z przetężeniem (i aby pomóc produktowi końcowemu przejść próby zwarciowe). Rozważając bezpiecznik topikowy, projektant musi wziąć pod uwagę komponent, który:

• nie aktywuje się bez przyczyny,
  • na przykład nie może otwierać obwodu podczas normalnego działania ani podczas prób impulsów udarowych,
• ma napięcie znamionowe wyższe niż normalne napięcie robocze systemu,
• bezpiecznie przerywa maksymalny prąd zwarciowy
• mieści się w dostępnej przestrzeni
• Spełnia wymagania certyfikacyjne niezależnych jednostek (np. IEC i UL)

Dobre opcje dla produktu kategorii II o napięciu 240V~ to 0215008.MRET1SPP, urządzenie o natężeniu 8A lub 0215012.MRET1P, model o natężeniu 12A, należące do serii 215 firmy Littelfuse. Seria 215 to ceramiczne, zwłoczne bezpieczniki kasetowe o wymiarach 20 na 5mm, odporne na udary, zaprojektowane zgodnie ze specyfikacją IEC, zapewniające indywidualną ochronę komponentów lub obwodów wewnętrznych.

Kluczowym wymogiem dla bezpiecznika w tym zastosowaniu jest to, że jego zdolność przerywania musi być równa lub wyższa od maksymalnego prądu zakłóceniowego w obwodzie. W przeciwnym razie urządzenie nie będzie działać prawidłowo i istnieje ryzyko, że szkodliwy prąd będzie nadal płynął w obwodzie, gdy bezpiecznik topikowy powinien był go przerwać. Bezpieczniki serii 215 mają wysoką zdolność przerywania, wynoszącą 1,5kV przy 250V~.

Przy doborze chronionego termicznie warystora metalowo-tlenkowego (TMOV) (II) (ukazanego w obwodach przedstawionych na ilustracjach 3A i B) projektant powinien wziąć pod uwagę następujące wskazówki:

• warystor TMOV powinien być zgodny z normą dotyczącą warystorów, taką jak IEC 61051-1 lub IEC 61643-331
• maksymalne ciągłe napięcie robocze (MCOV) wynosi ≥ 1,25 x napięcie znamionowe urządzenia
  • Na przykład w przypadku zasilania prądem zmiennym o napięciu 240V~ maksymalne ciągłe napięcie robocze (MCOV) komponentu musi wynosić co najmniej 300V
• Warystor TMOV powinien być odporny na wielokrotne udary (zgodnie z definicją podaną w punkcie 2.3.6 normy IEC 61051-2 lub punkcie 8.1.1 normy IEC 61643-331)
  • Na przykład w przypadku zasilania prądem zmiennym o napięciu 240V, warystor TMOV powinien wytrzymać 10 impulsów fali kombinowanej 2,5kV/1,25kA, trwającej 1,2/50μs dla napięcia oraz 8/20μs dla prądu
• Komponent musi przechodzić standardową próbę przeciążenia warystora
  • Na przykład dla zasilania prądem zmiennym 240V podczas badania należy zastosować 2 x napięcie znamionowe (480V) z rezystorem szeregowym (R) o wartości 3,84kΩ (podczas kolejnych prób wartość R zmniejsza się o połowę, aż do otwarcia obwodu) (ilustracja 4)).

Ilustracja 4: schemat próby przeciążeniowej. Komponent ochronny należy poddać przeciążeniu napięciem 2 x większym od napięcia znamionowego, a próbę powtarzać ze zmniejszanymi o połowę wartościami R1, aż do otwarcia obwodu. (Źródło ilustracji: Littelfuse)

Urządzenie TMOV14RP300EL2T7 firmy Littelfuse jest dobrym kandydatem do tego zastosowania. Urządzenie to charakteryzuje się maksymalnym ciągłym napięciem roboczym (MCOV) wynoszącym 300V (spełnia wymagania normy dla komponentów 240V~), średnicą 14mm, co stanowi wystarczający rozmiar korpusu, aby spełnić wymagania dotyczące wielokrotnego udaru. Ponadto urządzenie TMOV14RP300EL2T7 posiada zabezpieczenie termiczne, dlatego maksymalne ciągłe napięcie robocze (MCOV) 300V jest wystarczające do przejścia próby przeciążeniowej warystora. Aby zapewnić dodatkowy czynnik bezpieczeństwa, niechroniony termicznie tlenkowy ochronnik przepięciowy (MOV) powinien mieć maksymalne ciągłe napięcie robocze (MCOV) na poziomie 420V lub wyższym. Chroniony termicznie warystor metalowo-tlenkowy (TMOV) może wytrzymać szczytowy prąd udarowy pojedynczego zdarzenia (<20µs) o wartości do 6kA. Ilustracja 5 przedstawia wytrzymałość udarową dla powtarzających się udarów i czasu trwania udaru.

Ilustracja 5: wytrzymałość dostarczanego przez firmę Littelfuse 14mm tlenkowego ochronnika przepięciowego (MOV) na powtarzające się udary. Urządzenie może wytrzymać szczytowy prąd udarowy pojedynczego zdarzenia (<20µs) o wartości do 6kA. (Źródło ilustracji: Littelfuse)

Wymagania dla tlenkowych ochronników przepięciowych (MOV) i iskierników gazowych (GDT) stosowanych do ochrony w trybie wspólnym są również podyktowane przez normę IEC 61051-1 lub IEC 61643-331 dla tych komponentów. Zgodność z ww. normą pozwala podzespołom zbudowanym z komponentów zgodnych z normami zachować zgodność z normą IEC 62368-1. W tym przypadku ochronnik MOV musi spełniać te same wymagania dotyczące maksymalnego ciągłego napięcia roboczego (MCOV) i udarów, które zostały opisane powyżej dla warystora TMOV. Ponieważ jednak te dwa urządzenia są stosowane w połączeniu z iskiernikiem gazowym (GDT), próby przeciążeniowe są przeprowadzane na połączonym obwodzie ochronnym, a nie na samym ochronniku MOV.

Tlenkowy ochronnik przepięciowy (MOV) V10E300P firmy Littelfuse spełnia te wymagania. Komponent ten posiada maksymalne ciągłe napięcie robocze (MCOV) 300V i średnicę 10mm, co czyni go wystarczająco wytrzymałym, aby spełnić wymagania normy dotyczące wielokrotnego udaru. Może on wytrzymać szczytowy prąd udarowy pojedynczego zdarzenia o wartości do 3,5kA. Aby spełnić wymagania normy, iskiernik gazowy (GDT) musi przejść próbę wytrzymałości elektrycznej na napięcie 2,5kV, a także spełniać wymagania dotyczące odstępu izolacyjnego i drogi upływu.

Iskiernik gazowy (GDT) CG33.0LTR firmy Littelfuse jest jedną z opcji do tego zastosowania. Jest to dwuelektrodowe urządzenie wysokonapięciowe przeznaczone do ochrony przeciwprzepięciowej i zastosowań wymagających wysokiej izolacji. Iskiernik gazowy (GDT) ma rezystancję izolacji 10GΩ przy napięciu 100V oraz pojemność <1,5pF. Jego napięcie przebicia wynosi 4,6kV i wytrzymuje on maksymalny prąd udarowy 10kA.

Połączenie dwóch tlenkowych ochronników przepięciowych (MOV) V10E300P i jednego iskiernika gazowego (GDT) CG33.0LTR jest w stanie sprostać próbie przeciążeniowej wskazanej przy powyższym opisie obwodu ochronnego z chronionym termicznie warystorem metalowo-tlenkowym (TMOV).

Podsumowanie

Norma IEC 62368-1 wprowadza jeden standard ochrony obwodów w produktach zasilanych napięciem do 600V, gdzie wcześniej obowiązywały oddzielne normy dla urządzeń informacyjnych i komunikacyjnych (ICT) oraz audiowizualnych (AV). Formalizuje ona również ochronę obwodów dla produktów nieobjętych starymi normami, takich jak urządzenia Internetu rzeczy (IoT) i urządzenia z zasilaniem bateryjnym. Chociaż inżynierowie zaznajomieni ze starymi normami będą musieli zmienić swoje podejście do projektowania, norma IEEE 62368-1 upraszcza aspekty techniczne ochrony obwodów i umożliwia osiągnięcie wyższego poziomu bezpieczeństwa i elastyczności projektowania. Ponadto producenci komponentów ochronnych, tacy jak Littelfuse, oferują urządzenia i porady, które ułatwiają projektowanie obwodów zgodnych z nową normą.