Hogyan feleljen meg az IEC 60335 szabvány háztartási készülékek és IoT-eszközök tápegységeire vonatkozó követelményeinek ?

Az IEC 60335 biztonsági szabványnak az intelligens készülékek és a tárgyak internetére (IoT) kapcsolódó eszközök egyre szélesebb körű otthoni használatára válaszul kidolgozott frissített változata új kihívások elé állította a tápegységek tervezőit. A nemrégiben kiadott szabvány szigorú követelményeket támaszt a váltakozó áramról egyenáramra átalakító (AC-DC) tápegységek szigetelési feszültségeire, a kúszóáramutakra és légrésekre, valamint a kúszóáramokra vonatkozóan. A számos követelménynek megfelelő, kisméretű és költségtakarékos, váltakozó áramról egyenáramra átalakító (AC-DC) tápegységek tervezése nehéz feladat, a szükséges tesztelési és jóváhagyási folyamatok elvégzése pedig további költségeket jelent, és növeli a piacra kerülési időt.

A tervezési kihívásokat nehezíti, hogy számos háztartási készüléket várhatóan olyan környezetben használnak, ahol pára vagy víz van jelen. Az AC-DC tápegység-áramkörökben belső nagyfeszültségű tápsínek is vannak, ami megnehezíti a nedves vagy vizes környezetben való használatra alkalmas tokozás kialakítását.

A tervezők ezeknek a kihívásoknak a szoros határidők és a szűk költségvetés betartása mellett történő megoldására használhatnak olyan tokozott AC-DC tápegységeket, amelyek már rendelkeznek IEC/EN/UL 62368-1 tanúsítvánnyal, és amelyeket úgy terveztek, hogy megfeleljenek a háztartási készülékekre vonatkozó IEC/EN/UL 61558/60335 szabványok követelményeinek.

Ez a cikk áttekinti az IEC 60335-1 szabvány alapvető követelményeit, bemutatja a több egyidejű hiba vizsgálatának az IEC 60335 által előírt elvét, és röviden áttekinti az IEC 60335 szabvány 2. részét. Ezután bemutatja a CUI cég néhány AC-DC tápegységét, amelyeket a tervezők felhasználhatnak IEC 60335 minősítésű intelligens készülékek és a dolgok internetére (IoT) kapcsolódó eszközök, valamint az általános célú informatikai berendezések (ITE) tervezésének felgyorsítására.

Melyek az IEC 60335 alapvető követelményei?

Az IEC 60335 az egyfázisú készülékek esetében 250 V-ig, többfázisú készülékek esetében 480 V-ig terjedő névleges feszültségű „háztartási és hasonló villamos készülékek biztonságára” vonatkozik. Az IEC 60335-1 tartalmazza az összes háztartási készülékkel szemben támasztott alapvető követelményeket. A tervezők előtt álló feladatok között szerepel annak megértése, hogy az IEC 60335-1 hogyan viszonyul az informatikai berendezésekre korábban kidolgozott IEC 60950-1 biztonsági szabványhoz. Vannak különbségek és hasonlóságok a legnagyobb kúszóáramszintekkel, a szigetelési feszültségekkel, valamint a kúszóáramutakkal és légrésekkel kapcsolatban.

Normál üzemmódban, földelt készülék esetében a kúszóáram a vázban vagy a védőföldelő vezetékben folyik. Ha a földelő kapcsolat bármilyen okból megszakad, a kúszóáram átfolyhat a berendezést kezelő személy testén, ami potenciális veszélyforrást jelent. Az IEC 60335-1 két kategóriába sorolja a berendezéseket: hordozható és helyhez kötött. Az IEC 60950-1 három készülékkategóriát tartalmaz: kézi, mozgatható és helyhez kötött. Az IEC 60335 szerint a hordozható eszközök kúszóárama 0,75 mA-re van korlátozva, ez azonos az IEC 60950-1 szerint a kézi eszközökre megszabott értékkel. A mozgatható és a helyhez kötött eszközök kúszóáramát az IEC 60950-1 szabvány 3,5 mA-re korlátozza, és ugyanezt az értéket írja elő az IEC 60335-1 szabvány a helyhez kötött készülékekre.

A szigetelési feszültségre vonatkozó követelményeket a két szabvány szintén eltérően határozza meg. A szigetelési feszültség előírt értéke az áramkörön belüli helytől függ: a bemenet és a kimenet között, a kimenet és a föld között, illetve a bemenet és a föld között. Az IEC 60950-1 egyszerűen rögzített értékeket ír elő, például a bemenet és a kimenet között 3 kV szigetelési feszültséget. Az IEC 60335-1 a bemenet és a kimenet közötti szigetelési feszültségre előírt értéket a működési feszültség alapján változtatja: 2,4 kV plusz a működési feszültség 2,4-szerese. A kimenet és a föld közötti szigetelésre az IEC 60335-1 nem tartalmaz semmilyen követelményt, míg az IEC 60950-1 szabvány 500 V-os szigetelési feszültséget ír elő.

Az eltérések abban is megnyilvánulnak, hogy a két szabvány hogyan kezeli a kúszóáramutakat és a légréseket. Bár a kúszóáramút és légrés meghatározásánál mindkét szabvány az üzemi feszültségre és a szigetelés típusára (alapszintű vagy megerősített) támaszkodik, az IEC 60950-1 és az IEC 60335-1 szabványt összehasonlítva a követelmények olykor azonosak, máskor szigorúbbak vagy lazábbak.

A kúszóáramút a két vezető alkatrész közötti legrövidebb távolság egy felület mentén (1. ábra). Ha az üzemi feszültség 250 V és 300 V között van, az IEC 60335-1 szigorúbb, és megerősített szigetelés esetén 8,0 mm-es kúszóáramutat, míg az IEC 60950-1 szabvány 6,4 mm-es kúszóáramutat ír elő. Ha az üzemi feszültség 200 V és 250 V között van, mindkét szabvány 5,0 mm-es kúszóáramutat követel meg.

1. ábra: A kúszóáramút a szigetelés felületén mért távolság (kép: CUI)

A légrés a két vezető alkatrész közötti távolság levegőn keresztül (2. ábra). Az IEC 60335-1 szabványban előírt légrés mindössze 3,5 mm, míg az IEC 60950-1 szigorúbb, 4,0 mm-t ír elő megerősített szigetelés, valamint 150 V és 300 V közötti üzemi feszültség esetén.

2. ábra: A légrés a levegőn keresztül mért távolság (kép: CUI)

Az IEC 60335 előírja továbbá, hogy a készülékeknek meg kell felelniük az IEC 60529 szabványban meghatározott behatolásvédelmi (IP) besorolásnak. Az IP-besorolás a készülék használati környezetétől függ. Számos háztartási készüléknek párás környezetben vagy víz jelenlétében is biztonságosan kell működnie. Az IEC 60529 a készülék besorolásától függően határozza meg a szükséges védelmi szinteket.

Az alapokon túl

A mai okosotthonokban megtalálható intelligens készülékek és a dolgok internetére (IoT) kapcsolódó eszközök sokkal kifinomultabbak, mint a hagyományos készülékek. Gyakran tartalmaznak érintőképernyős kijelzőket, szoftveres illesztőfelületeket, digitális kezelőszerveket, és fel vannak ruházva vezeték nélküli vagy vezetékes internetprotokollos (IP) kapcsolatokkal és egyéb képességekkel is (3. ábra). E miatt a megnövekedett összetettség miatt az IEC 60335 nemcsak az egyedileg előforduló hibák, hanem az egyidejűleg fellépő két hiba lehetőségére is kiterjed. Ez ellentétben áll az IEC 60950-1 biztonsági szabvánnyal, amely csak egy fellépő hiba esetén várja el a biztonságos működést.

3. ábra: Az intelligens készülékek közé tartoznak például a nagy felbontású kijelzővel és IP protokollos kapcsolattal ellátott hűtőszekrények (balra) és az LCD-érintőképernyős kezelőszervekkel rendelkező kenyérpirítók (jobbra). (kép: CUI)

Az IEC 60335-1 két hardverhiba, illetve hardver- és szoftverhiba kombinációját veszi figyelembe. Ezek a vizsgálatok különösen fontosak lehetnek az elektronikus áramátalakító eszközök esetében, amelyek gyakran tartalmaznak valamilyen digitális vezérlést, szabályozást vagy felügyeletet. Sok készülék tartalmaz olyan elemeket, amelyeket az IEC 60335-1 „elektronikus védőáramköröknek” (PEC) nevez. Az IEC 60335 szabványban az elektronikus védőáramkörök fogalma túlmutat a hardveren, és különböző szoftverfunkciókat is magában foglal, amilyen például a hibaérzékelő szoftver. A szabvány előírja, hogy a berendezésnek akkor is fenn kell tartania a biztonságos működést, ha az elektronikus védőáramkörök hibája egy másik hiba, például az alapszintű szigetelés meghibásodása után, és akkor is, ha egy másik hiba előtt következik be. A rendszernek biztonságosnak kell maradnia.

A több hiba bekövetkezésére vonatkozó követelmény elektromágneses összeférhetőségi (EMC) előírásokat is tartalmaz. Az IEC 60335 előírja, hogy az elektronikus védőáramkörök meghibásodását követően EMC-vizsgálatot kell végezni. Ilyen például az az eset, amikor a váltakozó áramú bemeneten lévő túlfeszültségvédők le vannak választva. Ez a vizsgálat a belső tápegységre is kiterjed annak érdekében, hogy az az elektronikus védőáramkörök meghibásodását követően az elektromágneses zavarás (EMI) hatására ne kerüljön biztonságtalan üzemállapotba.

Az IEC 60355 előírja, hogy egy hiba, például az elektronikus védőáramkörök meghibásodása esetén a firmware-es és szoftveres kezelőszervek elektromágneses zavarás jelenlétében is biztonságosan működjenek. A rendszer kezelőszervein kívül ez a követelmény az egyes AC-DC tápegységekre, egyenáramról egyenáramra (DC-DC) átalakítókra és a digitális vezérlésű motorvezérlő egységekre is vonatkozik. Ezeket az eszközöket a rendszerben kell tesztelni ahhoz, hogy megfeleljenek ennek a követelménynek.

Az IEC 60355 második része

Az IEC 60950 szabványtól eltérően az IEC 60335 két részből áll. A 2. rész (IEC 60335-2) készülékspecifikus követelményeket tartalmaz, amelyek több mint 100 különböző készüléktípusra vonatkoznak a kenyérpirítóktól a légkondicionáló rendszerekig. A tervezőknek tisztában kell lenniük a 2. résszel, mert az adott típusú készülékek tervezésére vonatkozik. Ha az van előírva, a 2. rész követelményei elsőbbséget élveznek az 1. részben leírt alapkövetelményekkel szemben.

Az 1. és 2. részt az Amerikai Egyesült Államokban és Európában eltérően kezelik. Az Amerikai Egyesült Államokban az UL 60335-1 összhangban van az IEC 60335-1 szabvánnyal, de az UL szabvány nem ismeri el a 2. rész összes szabványát. Az EN 60335-1 szabványt Európában is összhangba hozták az IEC 60335-1 szabvánnyal, és az UL szabvánnyal ellentétben az EN szabvány elismeri a 2. rész szinte valamennyi, adott típusú termékekre vonatkozó előírását.

Tervezés a 60335 szabványnak való megfelelést szem előtt tartva

Hogy egyszerűbb legyen a 60335 szabvány követelményeit teljesítő tápegységek tervezése, az intelligens készülékek, a dolgok internetére (IoT) kapcsolódó eszközök és az informatikai berendezések tervezői gyárilag tokozott modulokat is használhatnak. Például a CUI cég PSK sorozatú tokozott AC-DC tápegységei IEC/EN/UL 62368-1 tanúsítvánnyal rendelkeznek, és úgy tervezték őket, hogy megfeleljenek a háztartási készülékekre vonatkozó IEC/EN/UL 61558/60335 szabványoknak. Ezek a tápegységek 2 W és 60 W közötti teljesítményszintekkel kaphatóak, akár 90%-os hatásfokkal és többféle beépítési móddal, beleértve a lapra szerelhető, a vázra szerelhető és a DIN-sínre szerelhető változatokat is (4. ábra).

4. ábra: A CUI cég PSK sorozatú, tokozott AC-DC tápegységei lapra (jobbra lent), vázra (balra lent) és DIN-sínre (fent) szerelhető kivitelben is kaphatóak (kép: CUI)

Példák a PSK sorozatú tápegységekre:

• A PSK-10D-12-T, amely tág bemeneti tartományban, 85–305 V váltakozó feszültség vagy 100–430 V egyenfeszültség között működik, és legfeljebb 10 W teljesítményt ad le 12 V egyenfeszültség mellett, vázra szerelhető változatban kapható.
• A PSK-S2C-24, amelynek bemeneti tartománya 85–305 V váltakozó feszültség vagy 120–430 V egyenfeszültség közötti, és legfeljebb 2 W teljesítményt ad le 24 V egyenfeszültség mellett, lapra szerelhető tokozásban érhető el.
• A PSK-20D-12-DIN, amely 20 W teljesítményt ad le 12 V egyenfeszültség mellett, 85–305 V váltakozó feszültség vagy 100–430 V egyenfeszültség közötti bemeneti tartományban használható, és DIN-sínes kivitelben szerezhető be.

A PSK sorozatú AC-DC tápegységek a bemenet és a kimenet között 4 kV váltakozó áramú szigetelési feszültséggel, valamint széles bemenetifeszültség-tartományokkal és –40 °C – +70 °C közötti széles üzemihőmérséklet-tartománnyal rendelkeznek, de egyes típusok akár 85 °C-os hőmérsékleten is használhatóak. A sorozat tagjai 3,3, 5, 9, 12, 15 vagy 24 V-os (egyetlen) kimenő egyenfeszültséget, valamint túláram- és túlfeszültségvédelmet és folyamatos rövidzárvédelmet is kínálnak.

A modulokkal való munka során néhány dolgot érdemes szem előtt tartani. A védelem és a szűrés, valamint az elektromágneses összeférhetőségi (EMC) követelmények teljesítése érdekében szükség van néhány külső alkatrészre. A termékhez mellékelt adatlapok számos erre vonatkozó tudnivalót tartalmaznak.

Például a CUI PSK-10D-12-T készüléktervezési referenciáján látható elöl egy 2 A/300 V értékű, lassú kioldású olvadóbiztosíték és egy fémoxid varisztor (MOV) (5. ábra).

5. ábra: A PSK-10D-12-T referenciatervén látható a bemeneti védelem és a kimeneti szűrőelemek elhelyezése (fent) és a szükséges alkatrészértékek (lent) (kép: CUI)

A kimeneti szűrés egy nagyfrekvenciás elektrolitkondenzátor (C2) és egy kerámiakondenzátor (C1) segítségével történik. Fontos, hogy a C2 alacsony egyenértékű soros ellenállással (ESR) rendelkezzen, és legalább 20%-os tartalékkal a névleges kimeneti feszültséghez képest. Egy közvetlenül a terhelés előtt elhelyezett feszültséglökés-kioltó (TVS) dióda segít megvédeni a tápegység utáni elektronikát az áramátalakító (valószínűtlen) meghibásodása esetén.

Az elektromágneses összeférhetőség érdekében a CUI egy 6,8 Ω-os, 3 W-os ellenállás (R1) hozzáadását javasolja közvetlenül a modul váltakozó áramú bemenete előtt (6. ábra).

6. ábra: Az elektromágneses összeférhetőség érdekében az R1 ellenállást a váltakozó áramú bemenetre kell kötni az ábrának megfelelően (kép: CUI)

Összegzés

Mivel az intelligens otthoni eszközök és a dolgok internetére (IoT) kapcsolódó eszközök száma folyamatosan növekszik, a tervezőknek meg kell ismerniük az IEC 60335 biztonsági szabvány tartalmát, valamint az IEC 60950 szabványhoz való viszonyát. A szabvány közvetlenül érinti az ezekbe a készülékekbe szánt tápegységek tervezését és minősítését, ami bizonyos tervezési megkötéseket és összetettségi szinteket jelent.

Ezen összetett problémák megoldása érdekében a tervezők használhatnak az IEC 60335 szabványnak megfelelő megoldásokat támogató, tokozott AC-DC tápegységeket. Ezek a jó hatásfokú, nagy fajlagos teljesítményű eszközök többféle kiszerelési formában kaphatóak, beleértve a vázra, a lapra és a DIN-sínre szerelhető változatokat is. Mint látható, néhány alapvető bevált tervezési módszer betartásával ezek az eszközök jelentősen csökkenthetik a fejlesztési költségeket és a piacra kerülési időt.

Ajánlott olvasnivaló

1. An Overview of IP Ratings and Waterproof Connectors (Az IP-besorolások és a vízálló csatlakozók áttekintése)
2. How the Simple DIN Rail Solves for Modularity, Flexibility, & Convenience in Industrial Systems (Hogyan oldja meg az egyszerű DIN-sín a modulrendszer használatát, a rugalmasságot és a kényelmet az ipari rendszerekben)