Slik er du i samsvar med strømforsyningskravene i IEC 60335 for husholdningsapparater og IoT-enheter

Utgivelsen av den nye IEC 60335-sikkerhetsstandarden er en respons på det faktum at den økende bruken av smarte apparater og tingenes Internett-tilkoblede enheter i hjemmet har medført nye strømforsyningsutfordringer for konstruktører. Den nylig utgitte standarden har strenge krav til isolasjonsspenninger, krypnings- og klaringsavstander og lekkasjestrøm i AC-DC-strømforsyninger. Det er vanskelig å konstruere kompakte og kostnadseffektive AC-DC-strømforsyninger som oppfyller de mange kravene, og det å gjennomgå den nødvendige test- og godkjenningsprosessen fører til økte kostnader og gjør at det tar lengre tid å få produktet ut på markedet.

I tillegg til konstruksjonsutfordringene, forventes det at mange husholdningsapparater brukes i omgivelser hvor fuktighet eller vann er til stede. AC-DC strømforsyningskretser inkluderer interne høyspente strømskinner, noe som gjør det vanskelig å utforme emballasje som er egnet for bruk i fuktige eller våte omgivelser.

For å håndtere disse utfordringene, og samtidig møte stramme tidsfrister og budsjetter, kan konstruktører bruke innkapslede AC-DC-strømforsyninger som allerede er IEC/EN/UL 62368-1-sertifisert og utviklet for å oppfylle IEC/EN/UL 61558/60335-kravene for husholdningsapparater.

Denne artikkelen gjennomgår de grunnleggende kravene i IEC 60335-1, introduserer konseptet med å teste etter flere samtidige feil i henhold til IEC 60335 og tar kort for seg del 2 i IEC 60335. Den introduserer deretter flere AC-DC-strømforsyninger fra CUI som konstruktører kan bruke til å fremskynde utviklingen av IEC 60335-kvalifiserte smarte apparater og IoT-tilkoblede enheter, samt kommersielt informasjonsteknologisk utstyr (ITE).

Hva er de grunnleggende kravene i IEC 60335?

IEC 60335 dekker «sikkerhet for husholdningsapparater og lignende elektriske apparater», med nominell enfaset spenning på opptil 250 volt og flerfaset spenning på opptil 480 volt. IEC 60335-1 inkluderer de grunnleggende kravene som stilles til alle husholdningsapparater. En av utfordringene som konstruktører står overfor, er å forstå hvordan IEC 60335-1 er sammenlignbar med den tidligere etablerte IEC 60950-1-sikkerhetsstandarden for ITE. Det er forskjeller og likheter knyttet til maksimale lekkasjestrømnivåer, isolasjonsspenninger og krypnings- og klaringsavstander.

Under normal drift, når det er en jordforbindelse, strømmer lekkasjestrømmen inn i chassiset eller den beskyttende jordlederen. Hvis jordforbindelsen oppheves av en eller annen grunn, kan lekkasjestrømmen strømme gjennom kroppen til eventuelle personer som bruker utstyret, noe som utgjør en potensiell fare. IEC 60335-1 anerkjenner to utstyrskategorier: bærbart og stasjonært. IEC 60950-1 inkluderer tre utstyrskategorier: håndholdt, flyttbart og stasjonært. Bærbare enheter i IEC 60335 er begrenset til en lekkasjestrøm på 0,75 milliampere (mA), det samme som håndholdte enheter i IEC 60950-1. Flyttbare og stasjonære enheter er begrenset til en lekkasjestrøm på 3,5 mA i IEC 60950-1, det samme nivået som er fastsatt for stasjonære apparater i IEC 60335-1.

Krav til isolasjonsspenning er også gjenstand for ulike definisjoner mellom de to standardene. Nødvendig isolasjonsnivå avhenger av plasseringen i kretsen: inngang til utgang, utgang til jord, eller inngang til jord. IEC 60950-1 inkluderer faste verdier som 3 kilovolt (kV) isolasjon mellom inngang og utgang. IEC 60335-1 varierer isolasjonskravet for inngang-til-utgang basert på driftsspenningen: Den er spesifisert som 2,4 kV pluss 2,4 ganger driftsspenningen. Når det kommer til isolasjon for utgang-til-jord, har ikke IEC 60335-1 noen krav, mens IEC 60950-1 spesifiserer isolasjon på 500 volt.

Variasjonene er også tydelige på grunn av hvordan de to standardene behandler krypnings- og klaringsavstander. Selv om begge standardene er avhengige av driftsspenningen og isolasjonstypen (grunnleggende eller forsterket) for å definere krypning og klaring, kan kravene være identiske, strengere eller løsere når de sammenlignes med IEC 60950-1 og IEC 60335-1.

Den korteste avstanden mellom to ledende deler langs en overflate, er definert som krypning (figur 1). Når driftsspenningen er mellom 250 og 300 volt, er IEC 60335-1 mer restriktiv og krever 8,0 millimeter (mm) krypning for å gi forsterket isolasjon, mens IEC 60950-1 krever en krypning på 6,4 mm. Hvis driftsspenningen er mellom 200 og 250 volt, gir begge standardene en krypning på 5,0 mm.

Figur 1: Krypningen måles på isolasjonens overflate. (Bildekilde: CUI)

Avstanden mellom to ledende deler gjennom luft er klaringsavstanden (figur 2). Klaringskravet i IEC 60335-1 er bare 3,5 mm, mens IEC 60950-1 er mer restriktiv med et klaringskrav på 4,0 mm når man tar forsterket isolasjon og en driftsspenning på mellom 150 og 300 volt i betraktning.

Figur 2: Klaringsavstanden måles gjennom luften. (Bildekilde: CUI)

IEC 60335 krever også at apparater oppfyller krav til kapslingsgrad (IP-systemet), som er definert i IEC 60529. IP-klassifiseringen er basert på omgivelsene der apparatet brukes. Mange husholdningsapparater forventes å fungere trygt i nærheten av fuktighet eller vann. IEC 60529 definerer spesifikke beskyttelsesnivåer som er nødvendige, avhengig av apparatets klassifisering.

Utover det grunnleggende

De smarte apparatene og IoT-tilkoblede enhetene som utgjør dagens smarthjem, er langt mer sofistikerte enn tradisjonelle apparater. De omfatter ofte berøringsskjermer, programvaregrensesnitt, digitale styringer, konnektivitet med trådløs og/eller kablet Internett-protokoll (IP) og andre funksjoner (figur 3). På grunn av denne ekstra kompleksiteten, har IEC 60335 muligheten for at to feil kan oppstå samtidig, ikke bare enkeltpunktsfeil. Dette står i kontrast til IEC 60950-1-sikkerhetsstandarden, som bare ser etter sikker drift etter enkeltfeil.

Figur 3: Eksempler på smarte apparater omfatter kjøleskap med høyoppløselige skjermer og IP-konnektivitet (venstre) og brødristere med LCD-berøringsskjermer for styring (høyre). (Bildekilde: CUI)

IEC 60335-1 ser på kombinasjoner av to maskinvarefeil eller en kombinasjon av maskinvare- og programvarefeil. Disse testene kan være spesielt viktige for strømelektronikkutstyr som ofte omfatter en form for digital styring eller overvåking. Mange konstruksjoner inkluderer det IEC 60335-1 refererer til som «beskyttende elektronikkretser» (PEC – protective electronics circuits). Konseptet med å ha en PEC i IEC 60335 innebærer mer enn maskinvare, forskjellige programvarefunksjoner er også inkludert, for eksempel feildeteksjonsprogramvare. Standarden krever at utstyret opprettholder sikker drift når en PEC-feil oppstår etter en annen feil, for eksempel en svikt i den grunnleggende isolasjonen, samt når en PEC-feil oppstår før en annen feil. Systemet må fortsette å være trygt.

Flerfeil-kravet omfatter også spesifikasjoner for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC – electromagnetic compatibility). IEC 60335 krever at EMC-testing utføres etter at det har oppstått en feil på PEC-en. For eksempel er overspenningsavlederne på vekselstrømsinngangen frakoblet. Denne testen omfatter den interne strømforsyningen for å sørge for at den ikke går inn i en upålitelig driftstilstand som følge av elektromagnetisk interferens (EMI) etter feilen i PEC-en.

IEC 60355 krever at fastvare- eller programvarestyringene fungerer trygt med påført EMI under enkeltfeilstilstander, for eksempel en PEC-feil. I tillegg til systemstyringene, gjelder dette kravet for individuelle AC-DC-strømforsyninger, DC-DC-omformere og motordrivere med digitale styringer. Disse enhetene må testes i systemet for å oppfylle dette kravet.

Den andre delen av IEC 60355

I motsetning til IEC 60950, har IEC 60335 to deler. Del 2 (IEC 60335-2) omfatter apparatspesifikke krav som dekker over 100 forskjellige apparattyper, som spenner fra brødristere til klimaanlegg. Konstruktører bør gjøre seg kjent med del 2, da denne handler om utformingen av bestemte apparater. Når spesifisert, tar kravene i del 2 prioritet foran de grunnleggende kravene i del 1.

Del 1 og 2 behandles forskjellig i USA og Europa. UL 60335-1 i USA er harmonisert med IEC 60335-1, men UL-standarden anerkjenner ikke alle standardene i del 2. I Europa har NS-EN 60335-1 også blitt harmonisert med IEC 60335-1, og i motsetning til UL-standarden anerkjenner EN-standarden nesten alle standardene i del 2 for bestemte produkter.

Konstruere med mål om å være i samsvar med 60335

For å forenkle utformingen av strømforsyningsdelen og samtidig oppfylle 60335-kravene, kan konstruktører av smarte apparater, IoT-tilkoblede enheter og kommersiell ITE bruke ferdigpakkede moduler. For eksempel er innkapslede AC/DC-strømforsyninger i PSK-serien fra CUI IEC/EN/UL 62368-1-sertifisert og utviklet for å oppfylle IEC/EN/UL 61558/60335 for husholdningsapparater. Disse strømforsyningene tilbys i effektnivåer som spenner fra 2 til 60 watt med opptil 90 % virkningsgrad, og de kommer i en rekke forskjellige monteringstyper, deriblant kortmontering, chassismontering eller DIN-skinne (figur 4).

Figur 4: CUI sin PSK-serie med innkapslede AC-DC-strømforsyninger er tilgjengelige med følgende monteringstyper: kort (nederst til høyre), chassis (nederst til venstre) og DIN-skinne (øverst). (Bildekilde: CUI)

Eksempler på strømforsyninger i PSK-serien omfatter:

• PSK-10D-12-T, som fungerer over et bredt inngangsområde på 85 til 305 volt vekselstrøm eller 100 til 430 volt likestrøm, leverer utgangsverdier på opptil 10 watt ved 12 volt likestrøm i en chassismontert kapsling.
• PSK-S2C-24, som har et inngangsområde på 85 til 305 volt vekselstrøm eller 120 til 430 volt likestrøm, leverer opptil 2 watt ved 24 volt likestrøm i en kortmontert kapsling.
• PSK-20D-12-DIN, som leverer 20 watt ved 12 volt likestrøm og har et inngangsområde på 85 til 305 volt vekselstrøm eller 100 til 430 volt likestrøm i en DIN-skinnemontert kapsling.

PSK-seriens AC-DC-strømforsyninger har 4 kV inngang-til-utgang-isolasjon (vekselstrøm), brede spenningsområder for inngangen og et bredt driftstemperaturområde som spenner fra –40 opp til +70 °C, der noen modeller er klassifisert for opptil 85 °C. Serien tilbyr også enkeltutgangsspenninger på 3,3; 5,9; 12; 15 og 24 volt likestrøm, kombinert med overstrømsvern, overspenningsvern og kontinuerlig kortslutningsbeskyttelse.

Når du arbeider med modulene, er det er par ting du må huske på. Noen eksterne komponenter kreves for beskyttelse og filtrering, samt for å bidra til å oppfylle kravene til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Mye av denne informasjonen er å finne i de medfølgende databladene.

For eksempel, med CUI sin PSK-10D-12-T-referanse for konstruksjonsutforming, forhåndsleveres en treg sikring på 2 A / 300 V, sammen med en metalloksid-varistor (MOV) (figur 5).

Figur 5: En referansekonstruksjon for PSK-10D-12-T viser komponentplassering for inngangsbeskyttelse og utgangsfiltrering (øverst) og deres respektive verdier (nederst). (Bildekilde: CUI)

Utgangsfiltrering oppnås ved hjelp av en høyfrekvent elektrolyttkondensator (C2) og en keramikkondensator (C1). Det er viktig at C2 har en lav ekvivalent seriemotstand (ESR), og har minst 20 % margin på den nominelle utgangsspenningen. Plassering av en TVS-diode (TVS – Transient Voltage Suppression) rett før lasten vil bidra til å beskytte nedstrøms elektronikk i tilfelle (usannsynlig) omformerfeil.

For EMC-samsvar, foreslår CUI å legge til en 6,8 ohm (Ω), 3-watts motstand (R1) rett før vekselstrømsinngangen til modulen (figur 6).

Figur 6: For EMC-beskyttelse bør R1 legges til ved vekselstrøminngangslinjen, som vist. (Bildekilde: CUI)

Konklusjon

Etter hvert som antallet smarthjem-apparater og IoT-tilkoblede apparater fortsetter å øke, må konstruktører forstå implikasjonene av IEC 60335-sikkerhetsstandarden, samt dens tilknytning med IEC 60950. Standarden påvirker direkte hvordan strømforsyninger er konstruert og kvalifisert for disse bruksområdene, og skaper visse konstruksjonsbegrensninger og flere lag med kompleksitet.

For å håndtere disse kompleksitetene kan konstruktører bruke innkapslede AC-DC-strømforsyninger som støtter løsninger som er i samsvar med IEC 60335. Disse høyeffektive enhetene med høy tetthet er tilgjengelige i en rekke kapslingstyper, deriblant for chassismontering, kortmontering og DIN-skinne. Som vist, ved å følge noen grunnleggende, men gode konstruksjonsfremgangsmåter, kan disse enhetene i stor grad redusere utviklingskostnadene og tiden det tar å få det ferdige produktet ut på markedet.

Anbefalt lesing

1. En oversikt over IP-klassifiseringer og vanntette kontakter
2. Slik er den enkle DIN-skinnen en løsning for modularitet, fleksibilitet og lettvinthet i industrielle systemer