Spełnienie wymagań normy IEC 60335 dotyczących zasilaczy do urządzeń domowych i urządzeń Internetu rzeczy (IoT)

Opublikowanie nowej normy dotyczącej bezpieczeństwa IEC 60335 w odpowiedzi na rosnące wykorzystanie urządzeń inteligentnych i urządzeń połączonych z Internetem rzeczy (IoT) w domach przyniosło projektantom nowe wyzwania w zakresie zasilania. Niedawno wydana norma zawiera surowe wymagania dotyczące napięć izolacyjnych, dróg upływu i odstępów izolacyjnych oraz prądów upływu w zasilaczach prądu zmiennego-stałego. Projektowanie kompaktowych i ekonomicznych zasilaczy prądu zmiennego-stałego, które spełniają liczne wymagania, jest trudne, a przechodzenie przez niezbędny proces testowania i zatwierdzania zwiększa koszty i wydłuża czas wprowadzania na rynek.

Należy dodać do tego jeszcze wyzwania projektowe, gdyż wiele urządzeń gospodarstwa domowego ma być używanych w środowiskach, w których występuje wilgoć lub woda. Obwody zasilania prądu zmiennego-stałego zawierają wewnętrzne szyny zasilające wysokiego napięcia, co utrudnia zaprojektowanie obudowy nadającej się do użytku w wilgotnym lub mokrym środowisku.

Aby sprostać tym wyzwaniom, a jednocześnie dotrzymać napiętych terminów i budżetów, projektanci mogą stosować zasilacze prądu zmiennego-stałego w obudowie, które posiadają już certyfikat IEC/EN/UL 62368-1 i są zaprojektowane tak, aby spełniały wymagania normy IEC/EN/UL 61558/60335 dla zastosowań domowych.

W niniejszym artykule dokonano przeglądu podstawowych wymagań normy IEC 60335-1, przedstawiono koncepcję testowania wielu jednoczesnych uszkodzeń zgodnie z wymaganiami normy IEC 60335 i pokrótce omówiono część 2 normy IEC 60335. W dalszej części zaprezentowano kilka zasilaczy prądu zmiennego-stałego firmy CUI, które projektanci mogą wykorzystać do przyspieszenia projektowania urządzeń inteligentnych zgodnych z normą IEC 60335 i urządzeń połączonych z Internetem Rzeczy, a także komercyjnego sprzętu informatycznego (ITE).

Jakie są podstawowe wymagania normy IEC 60335?

Norma IEC 60335 obejmuje „bezpieczeństwo domowych i podobnych urządzeń elektrycznych” o napięciu znamionowym do 250V dla jednej fazy i do 480V dla wielu faz. Norma IEC 60335-1 zawiera podstawowe wymagania stawiane wszystkim urządzeniom gospodarstwa domowego. Wśród wyzwań stojących przed projektantami jest zrozumienie, jak norma IEC 60335-1 ma się do wcześniejszej normy bezpieczeństwa IEC 60950-1 dotyczącej sprzętu informatycznego (ITE). Istnieją różnice i podobieństwa dotyczące maksymalnych poziomów prądu upływu, napięć izolacji oraz dróg upływu i odstępów izolacyjnych.

Podczas normalnej pracy, gdy istnieje połączenie z uziemieniem, w panelu lub przewodzie ochronnym płynie prąd upływu. Jeśli uziemienie zostanie przerwane z jakiegokolwiek powodu, prąd upływu może przepłynąć przez ciało osoby obsługującej sprzęt, stanowiąc potencjalne zagrożenie. Norma IEC 60335-1 rozróżnia dwie kategorie sprzętu: przenośny i stacjonarny. Norma IEC 60950-1 natomiast rozróżnia trzy kategorie sprzętu: ręczny, przenośny i stacjonarny. Prąd upływu dla sprzętu przenośnego w normie IEC 60335 jest ograniczony do 0,75mA, czyli wartości odpowiadającej sprzętowi ręcznemu w normie IEC 60950-1. Prądu upływu dla sprzętu przenośnego i stacjonarnego w normie IEC 60950-1 jest ograniczony do 3,5mA, czyli wartości odpowiadającej sprzętowi stacjonarnemu w normie IEC 60335-1.

Wymagania dotyczące napięcia izolacji podlegają również różnym definicjom w obu normach. Wymagany poziom izolacji zależy od lokalizacji w obwodzie: między wejściem i wyjściem, wyjściem i uziemieniem oraz wejściem i uziemieniem. Norma IEC 60950-1 określa wprost stałe wartości, takie jak izolacja 3kV między wejściem i wyjściem. W normie IEC 60335-1 wymagania dotyczące izolacji między wejściem i wyjściem są zmienne w zależności od napięcia roboczego: określa się ją jako 2,4kV plus 2,4 razy napięcie robocze. W przypadku izolacji między wyjściem i uziemieniem, norma IEC 60335-1 nie określa wymagań, natomiast norma IEC 60950-1 podaje izolację 500V.

Różnice są również widoczne w sposobie, w jaki te dwie normy traktują drogi upływu i odstępy izolacyjne. Chociaż obie normy w celu określenia drogi upływu i odstępu izolacyjnego opierają się na napięciu roboczym i typie izolacji (podstawowa lub wzmocniona), wymagania mogą być takie same, bardziej rygorystyczne lub łagodniejsze przy porównywaniu norm IEC 60950-1 i IEC 60335-1.

Mianem drogi upływu określa się najkrótszą odległość między dwiema przewodzącymi częściami wzdłuż powierzchni (ilustracja 1). Dla napięcia roboczego w zakresie od 250 do 300V norma IEC 60335-1 jest bardziej restrykcyjna i wymaga drogi upływu 8,0mm dla wzmocnionej izolacji, podczas gdy norma IEC 60950-1 wymaga 6,4mm. Jeśli napięcie robocze wynosi od 200 do 250V, obie normy wymagają drogi upływu 5,0mm.

Ilustracja 1: droga upływu jest mierzona na powierzchni izolacji. (Źródło ilustracji: CUI)

Odstęp izolacyjny to odległość w powietrzu między dwiema częściami przewodzącymi (ilustracja 2). Odstęp wymagany normą IEC 60335-1 wynosi tylko 3,5mm, podczas gdy norma IEC 60950-1 jest bardziej restrykcyjna, narzucając wymóg 4,0mm przy uwzględnieniu wzmocnionej izolacji i napięciu roboczym od 150 do 300V.

Ilustracja 2: odstęp izolacyjny mierzony jest w powietrzu. (Źródło ilustracji: CUI)

Norma IEC 60335 wymaga również, aby urządzenia miały stopień ochrony (IP) określony w normie IEC 60529. Stopień ochrony IP zależy od środowiska, w którym urządzenie jest używane. Wiele urządzeń gospodarstwa domowego powinno działać bezpiecznie w obecności wilgoci lub wody. Norma IEC 60529 definiuje określone poziomy ochrony wymagane w zależności od klasyfikacji urządzenia.

Kwestie zaawansowane

Urządzenia inteligentne i połączone z Internetem rzeczy (IoT), które składają się na współczesny dom inteligentny, są znacznie bardziej wyrafinowane niż tradycyjne urządzenia. Często zawierają ekrany dotykowe, interfejsy oprogramowania, cyfrowe elementy sterujące, łączność bezprzewodową lub przewodową z wykorzystaniem protokołu internetowego (IP) oraz inne funkcje (ilustracja 3). Ze względu na tę dodatkową złożoność norma IEC 60335 obejmuje możliwość jednoczesnego występowania dwóch usterek, a nie tylko usterek jednopunktowych. Kontrastuje to z normą bezpieczeństwa IEC 60950-1, w której omówiono bezpieczną pracę tylko w przypadku pojedynczych usterek.

Ilustracja 3: urządzenia inteligentne to m.in. lodówki z wyświetlaczami o wysokiej rozdzielczości i łącznością IP (po lewej) oraz tostery z dotykowym ekranem LCD (po prawej). (Źródło ilustracji: CUI)

Norma IEC 60335-1 uwzględnia kombinacje dwóch usterek sprzętowych lub kombinację usterki sprzętowej i programowej. Takie testy mogą być szczególnie ważne dla urządzeń energoelektronicznych, które często zawierają jakąś formę cyfrowego sterowania lub monitorowania. Wiele projektów obejmuje to, co norma IEC 60335-1 określa jako „ochronne obwody elektroniczne” (PEC). Ich koncepcja w normie IEC 60335 wykracza poza sprzęt i obejmuje różne funkcje oprogramowania, takie jak oprogramowanie do wykrywania usterek. Norma wymaga, aby działanie urządzenia nadal było bezpieczne, gdy usterka ochronnych obwodów elektronicznych wystąpi po innej usterce, takiej jak usterka izolacji podstawowej, a także przed inną usterką. Układ musi pozostać bezpieczny.

Wymóg uwzględnienia wielu usterek obejmuje również specyfikacje kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Norma IEC 60335 wymaga, aby w przypadku, gdy ochronne obwody elektroniczne zawiodą, przeprowadzane były testy kompatybilności elektromagnetycznej. Na przykład w przypadku odłączenia ochronników przepięciowych na wejściu prądu zmiennego. Ten test obejmuje wewnętrzne źródło zasilania, aby upewnić się, że nie przejdzie ono w niebezpieczny stan działania w odpowiedzi na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) po usterce ochronnych obwodów elektronicznych.

Norma IEC 60355 wymaga, aby elementy sterujące oprogramowania (w tym oprogramowania układowego) działały bezpiecznie przy zakłóceniach elektromagnetycznych w warunkach pojedynczej usterki, takiej jak usterka ochronnych obwodów elektronicznych. Oprócz elementów sterujących układu wymaganie to dotyczy pojedynczych zasilaczy prądu zmiennego-stałego, przetwornic prądu stałego i sterowników silników ze sterowaniem cyfrowym. Urządzenia te muszą zostać przetestowane w instalacji, aby spełnić powyższe wymaganie.

Druga część normy IEC 60355

W przeciwieństwie do normy IEC 60950, norma IEC 60335 składa się z dwóch części. Część 2 (IEC 60335-2) zawiera wymagania specyficzne dla ponad 100 różnych typów urządzeń, od tosterów po systemy klimatyzacyjne. Projektanci powinni zapoznać się z częścią 2, ponieważ dotyczy ona projektowania konkretnych urządzeń. Jeśli zostało to określone, wymagania części 2 są nadrzędne w stosunku do wymagań podstawowych części 1.

Części 1 i 2 są traktowane inaczej w USA i Europie. Norma UL 60335-1 w USA jest zharmonizowana z normą IEC 60335-1, ale norma UL nie uwzględnia wszystkich wymogów części 2. W Europie norma EN 60335-1 została również zharmonizowana z normą IEC 60335-1 i w przeciwieństwie do normy UL, norma EN uznaje prawie wszystkie wymagania części 2 dotyczące określonych produktów.

Projektowanie z myślą o spełnieniu normy 60335

Aby uprościć projekt sekcji zasilania przy jednoczesnym spełnieniu wymagań normy 60335, projektanci inteligentnych urządzeń, urządzeń podłączonych do Internetu rzeczy (IoT) i komercyjnego sprzętu informatycznego (ITE) mogą korzystać z gotowych modułów. Na przykład zasilacze prądu zmiennego-stałego w obudowach serii PSK firmy CUI posiadają certyfikat IEC/EN/UL 62368-1 i zostały zaprojektowane zgodnie z normą IEC/EN/UL 61558/60335 dla zastosowań domowych. Zasilacze te są oferowane w wersjach o mocy od 2 do 60W ze sprawnością do 90% i są dostępne w różnych rodzajach montażu, w tym do montażu na płytce, panelowego lub na szynie DIN (ilustracja 4).

Ilustracja 4: zasilacze prądu zmiennego-stałego w obudowie serii PSK firmy CUI są dostępne w wersjach do montażu na płytce (po prawej u dołu), panelowego (po lewej u dołu) i na szynie DIN (u góry). (Źródło ilustracji: CUI)

Przykładowe zasilacze serii PSK:

• Zasilacz PSK-10D-12-T, który działa w szerokim zakresie napięć wejściowych od 85 do 305V~ lub od 100 do 430V=, dostarcza na wyjściu napięcie 12V= oraz mocy do 10W ijest przewidziany do montażu panelowego.
• Zasilacz PSK-S2C-24, który ma zakres napięć wejściowych od 85 do 305V~ lub 120 do 430V=, dostarcza na wyjściu moc 2W napięciu 24V= i jest przewidziany do montażu na płytce.
• Zasilacz PSK-20D-12-DIN dostarcza na wyjściu moc 20W przy napięciu 12V=, ma zakres napięć wejściowych od 85 do 305V~ lub od 100 do 430V= i jest przewidziany do montażu na szynie DIN.

Zasilacze prądu zmiennego-stałego serii PSK mają izolację między wejściem a wyjściem na poziomie 4kV~, charakteryzują się szerokim zakresem napięć wejściowych i szerokim zakresem temperatur pracy od -40 do 70°C, a niektóre modele do 85°C. Seria oferuje również pojedyncze napięcia wyjściowe 3,3, 5, 9, 12, 15 i 24V=, wraz z zabezpieczeniami nadprądowymi, przepięciowymi i przed zwarciami ciągłymi.

Podczas pracy z modułami należy pamiętać o kilku rzeczach. Do ochrony i filtrowania, a także do spełnienia wymagań w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) wymagane są pewne komponenty zewnętrzne. Dużo informacji na ten temat znajduje się w załączonych arkuszach danych.

Na przykład, w projekcie referencyjnym zastosowania PSK-10D-12-T firmy CUI, z góry przewidziano bezpiecznik zwłoczny 2A/300V wraz z tlenkowym ochronnikiem przepięciowym (MOV) (ilustracja 5).

Ilustracja 5: projekt referencyjny zasilacza PSK-10D-12-T pokazuje zabezpieczenie wejścia i rozmieszczenie komponentów filtrowania na wyjściu (u góry) oraz ich odpowiednie wartości (u dołu). (Źródło ilustracji: CUI)

Filtrowanie wyjściowe jest realizowane za pomocą kondensatora elektrolitycznego wysokiej częstotliwości (C2) i kondensatora ceramicznego (C1). Ważne jest, aby kondensator C2 miał niską równoważną rezystancję szeregową (ESR) i miał co najmniej 20% marginesu na znamionowe napięcie wyjściowe. Umieszczenie diody TVS tuż przed odbiornikiem pomoże chronić elektronikę znajdującą się dalej w obwodzie w (mało prawdopodobnym) przypadku usterki przetwornicy.

Aby zapewnić kompatybilność elektromagnetyczną, firma CUI sugeruje dodanie rezystora 6,8Ω o mocy 3W (R1) tuż przed wejściem prądu zmiennego do modułu (ilustracja 6).

Ilustracja 6: dla zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej na linii wejściowej prądu zmiennego należy dodać rezystor R1 (jak pokazano). (Źródło ilustracji: CUI)

Podsumowanie

Ponieważ liczba domowych urządzeń inteligentnych i urządzeń połączonych z Internetem rzeczy (IoT) stale rośnie, projektanci muszą zrozumieć konsekwencje normy bezpieczeństwa IEC 60335, a także jej związek z normą IEC 60950. Norma bezpośrednio wpływa na sposób projektowania i kwalifikacji zasilaczy do tych zastosowań, narzucając pewne ograniczenia projektowe i zwiększając złożoność.

Aby rozwiązać te zawiłości, projektanci mogą sięgnąć po zasilacze prądu zmiennego-stałego, które obsługują rozwiązania zgodne z normą IEC 60335. Omawiane wysokowydajne urządzenia o dużej gęstości mocy są dostępne w różnych wersjach montażowych, w tym do montażu panelowego, na płytce i na szynie DIN. Dzięki przestrzeganiu podstawowych dobrych praktyk projektowych, omawiane urządzenia mogą znacznie obniżyć koszty rozwoju i czas wprowadzenia produktu na rynek.

Rekomendowane artykuły

1. Omówienie stopni ochrony IP oraz złączy wodoszczelnych
2. W jaki sposób prosta szyna DIN rozwiązuje problemy modułowości, elastyczności i wygody w systemach przemysłowych