Come progettare circuiti di protezione conformi al nuovo standard AV/ICT IEC 62368-1

Nel tempo, il confine tra la tecnologia audiovisiva (AV) e le tecnologie informatica e delle comunicazioni (ICT) è sempre meno netto: i prodotti multimediali domestici come le TV intelligenti ne sono un esempio. Inoltre, gli ingegneri prediligono un approccio HBSE (progettazione di sicurezza basata sul rischio) per lo sviluppo dei meccanismi di protezione dei prodotti elettrici. Queste tendenze hanno avuto un impatto sugli standard progettati per proteggere le persone che installano, mantengono e utilizzano tali apparecchiature, rendendoli obsoleti, insieme a gran parte dell'hardware utilizzato per garantire la conformità dei prodotti AV e ICT.

Anticipando questa eventualità, l'IEC ha sviluppato un unico nuovo standard, IEC 62368-1(Information And Communication Technology Equipment - Part 1: Safety Requirements). Questo nuovo standard sostituisce due vecchi standard (IEC 60950-1 e IEC 60065) con uno che copre sia le apparecchiature ICT e AV, sia i prodotti come i dispositivi per Internet delle cose (IoT) e gli apparecchi elettronici a batteria, funzionanti fino a 600 V. Lo standard è stato implementato nel dicembre del 2020 e adotta un approccio HBSE.

Questo articolo presenta la norma IEC 62368-1 e mostra che, anche se può sembrare più complessa delle precedenti, semplifica le cose e permette livelli più alti di sicurezza e flessibilità di progettazione. L'articolo introdurrà e descriverà anche l'uso dei prodotti di protezione elettrica disponibili in commercio di Littelfuse che possono essere utilizzati per facilitare la progettazione di prodotti e sottosistemi che soddisfano i requisiti di sovratensione e picco transitorio per ogni categoria coperta da IEC 62368-1.

Che cos'è IEC 62368-1?

La norma IEC 62368-1 è stata adottata per sostituire i vecchi standard con uno unico che definisce la protezione dei circuiti per la sicurezza delle apparecchiature elettriche ed elettroniche ICT, AV e IoT con una tensione nominale non superiore a 600 V (Figura 1). Concepito per proteggere le persone che installano, mantengono e utilizzano tali apparecchiature, lo standard riflette anche l'approccio HBSE che gli ingegneri adottano ora. HBSE sostituisce il precedente approccio ingegneristico prescrittivo - che stabiliva una serie di regole a cui i circuiti di protezione dovevano aderire - con uno che considera i pericoli a cui un prodotto può essere esposto. Il risultato sono circuiti di sicurezza che proteggono l'utente anche se il prodotto si guasta quando è soggetto a uno dei pericoli identificati.

Figura 1: IEC 62368-1 sostituisce i vecchi standard di sicurezza IEC 60951-1 e IEC 60065 con uno che copre ICT, AV e altri prodotti come IoT e dispositivi elettronici a batteria. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

IEC 62368-1 si applica non solo al prodotto finale, ma anche ai componenti e ai sottosistemi (come gli alimentatori) con cui è costruito. Per un periodo non specificato, il nuovo standard permette temporaneamente il riutilizzo di progetti e sottoinsiemi che erano conformi ai vecchi standard. Gli ingegneri dovrebbero adottare il nuovo standard per i mercati chiave come Nord America, Regno Unito, Giappone e Australia/Nuova Zelanda.

Protezione dei circuiti per le persone

La conformità a IEC 62383-1 richiede che un ingegnere utilizzi una metodologia HBSE. Questo significa:

• Identificare le fonti di energia (ES) utilizzate dal prodotto
• Misurare i livelli di energia prodotti da queste fonti
• Determinare se l'energia delle fonti è pericolosa
• Classificare il livello di pericolo
• Identificare se il pericolo potrebbe causare lesioni o incendi
• Determinare gli schemi di salvaguardia appropriati per:
  • Proteggere le persone dal dolore e da lesioni prodotte dai pericoli classificati
  • Ridurre la probabilità di lesioni o danni alla proprietà a causa di un incendio originato da un guasto all'interno dell'apparecchiatura
• Misurare l'efficacia di queste misure di salvaguardia

La norma specifica tre classi di ES. Un ES di classe 1 (ES1) rimane sotto i limiti di classe 1 in condizioni di funzionamento normali, in condizioni anomale o in presenza di un singolo guasto. L'energia presente potrebbe essere rilevata da una persona, ma non sarebbe dolorosa e non sarebbe sufficiente a causare l'accensione. Non sono richieste salvaguardie per proteggere gli utenti ordinari dagli ES di classe 1.

I livelli di energia ES di classe 2 (ES2) superano i limiti di classe 1 ma rimangono al di sotto dei limiti di classe 2 durante le condizioni di funzionamento del prodotto normali, anormali o a singolo guasto. L'energia presente può essere sufficiente a causare dolore, ma è improbabile che causi lesioni. L'energia presente potrebbe essere sufficiente a causare l'accensione in alcune condizioni. È necessaria almeno una salvaguardia per proteggere gli utenti ordinari dalle fonti di energia di classe 2.

La classe ES 3 (ES3) è la più pericolosa. Qui l'energia supera il limite massimo di classe 2 in condizioni normali, anormali o di singolo guasto e può causare lesioni o l'accensione e la diffusione di un incendio. Il tipo di lesione causata da un ES3 potrebbe estendersi alla fibrillazione, all'arresto cardiaco/respiratorio o alle ustioni della pelle e/o degli organi interni. Una protezione doppia o rinforzata è necessaria per proteggere gli utenti ordinari da un ES3.

In particolare, il nuovo standard determina le soglie di resistenza alla sovratensione e i requisiti di protezione dai picchi transitori per le diverse categorie, coprendo diversi tipi di prodotti e dove vengono utilizzati.

È importante che il progettista capisca che i limiti effettivi di corrente e tensione applicabili a ES1, ES2 e ES3 variano. Ad esempio, i requisiti del limite di tensione sono influenzati dalla frequenza di funzionamento dell'alimentazione. Per le tensioni da un'alimentazione che funziona sotto 1 kHz, il limite ES1 è di 30 V_rms, 42,4 V_pk e 60 V c.c. Il limite ES2 è di 50 V_rms, 70,7 V_pk e 120 V c.c.

L'apparecchiatura deve rispettare il limite di tensione o di corrente specificato dalla classe energetica applicabile, ma non deve necessariamente rispettarli entrambi. I limiti variano anche in base al funzionamento normale o anormale o di una singola condizione di guasto. Questi limiti sono definiti nella clausola 5 della norma. Altre sotto-clausole coprono aspetti come i limiti per le forme d'onda degli impulsi, secondo i tempi di inattività.

Protezione dei circuiti per le apparecchiature

Mentre la protezione delle persone è la preoccupazione principale di qualsiasi produttore di apparecchiature, anche la protezione del prodotto finale contro i danni da picchi di tensione e corrente è un aspetto importante. IEC 62368-1 si basa sulle due norme precedenti e specifica i valori minimi di resistenza per le apparecchiature per garantire l'immunità da sovratensioni e sovracorrenti transitorie.

La norma definisce tre "categorie di sovratensione" (I, II e III) per le apparecchiature sul lato domestico del contatore di corrente. Le apparecchiature sul lato di distribuzione del contatore sono in categoria di sovratensione IV.

In particolare, la categoria I è per le apparecchiature non collegate alla rete (come i dispositivi portatili a batteria), mentre la categoria II è per le apparecchiature ICT e AV collegabili al cablaggio dell'edificio. La categoria III è per i sistemi che fanno parte dell'infrastruttura dell'edificio, come quadri di distribuzione, interruttori, cablaggi, scatole di giunzione, interruttori, prese e attrezzature industriali.

La categoria II copre generalmente i progetti di apparecchiature basate su una rete in c.a. a 120 o 230 V o per una gamma come gli alimentatori c.a. da 100 a 250 V. Lo standard definisce che tali apparecchiature devono avere un livello minimo di resistenza alla tensione transitoria di picco di 1,5 kV per un'alimentazione a 120 V c.a. e di 2,5 kV per un'alimentazione a 230 V c.a. (Figura 2).

Figura 2: IEC 62368-1 specifica diverse categorie di sovratensione a seconda della destinazione d'uso del prodotto finale. Le categorie I, II e III sono per i prodotti usati sul lato domestico del contatore di corrente, mentre la categoria IV copre i prodotti usati sul lato della distribuzione. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Progettazione del circuito per soddisfare i requisiti di protezione dai picchi transitori IEC 62368-1

Progettare circuiti che siano conformi ai requisiti dello standard per la protezione contro eventi transitori di sovratensione e sovracorrente non è eccessivamente difficile. La chiave è deviare il picco transitorio lontano dall'attrezzatura sensibile fornendo un percorso di conduzione alternativo. Ci sono due tecniche raccomandate a seconda che l'alimentatore utilizzi uno schema di modo differenziale o differenziale e comune (Figura 3A e B).

Figura 3: La protezione da tensione e corrente transitoria per IEC 62368-1 categoria II comprende schemi di modo differenziale (A, in alto) o differenziale e comune (B, in basso). (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Nello schema del modo differenziale (3A), la protezione avviene mediante un fusibile (I) per proteggere da eventi di sovracorrente, insieme a un varistore metallo-ossido con protezione termica (TMOV) (II). Il TMOV è composto da due elementi, un dispositivo ad attivazione termica progettato per aprirsi in caso di surriscaldamento dovuto alla sovratensione anomala e un MOV. Durante il funzionamento normale, il MOV ha una resistenza molto alta, permettendo alle tensioni operative normali di fluire attraverso il circuito. A tensioni più elevate, come un picco transitorio, il MOV presenta una bassa resistenza, impedendo alla corrente di fluire al prodotto finale.

Lo schema di modo differenziale e comune fa anche uso del fusibile e del TMOV attraverso le linee in tensione e neutro, ma aggiunge altri due MOV e un tubo a scarica di gas (GDT). Come mostrato nella Figura 3B, i MOV sono aggiunti attraverso la linea di tensione e di terra, e la linea di neutro e di terra, in serie con il GDT. In condizioni di funzionamento normale, i GDT sono caratterizzati da un'alta resistenza di isolamento e da una bassa capacità e perdita. Tuttavia, quando è esposto a transitori di alta tensione, il gas racchiuso si trasforma in plasma e dissipa la tensione lontano dal prodotto finale.

Mentre l'opzione TMOV è raccomandata (perché è dotata di protezione termica una bassa tensione di tenuta all'impulso e basso picco di tensione transitorio), si possono considerare altre forme di protezione del modo differenziale pur rimanendo conformi allo standard. Gli esempi includono un MOV, un tiristore di protezione più un MOV (in particolare per prodotti come i modem) o un diodo TVS. Per la protezione di modo comune, i MOV più la protezione GDT è l'unica soluzione consentita.

Le cose si fanno un po' più complicate per l'ingegnere durante la selezione dei componenti. I dispositivi devono soddisfare i criteri di protezione definiti in IEC 62368-1 affinché il prodotto finale sia conforme alla norma.

Il fusibile (I) è usato per prevenire danni ai circuiti sensibili durante eventi di sovracorrente (e per aiutare il prodotto finale a superare i test di guasto). Nella selezione del fusibile, il progettista deve considerare un componente che:

• Eviti il numero di falsi interventi
  • Ad esempio, non deve aprirsi durante il funzionamento normale o aprirsi durante il test di picco transitorio
• Abbia una tensione superiore a quella della normale tensione operativa del sistema
• Interrompa in modo sicuro la massima corrente di guasto
• Si adatti allo spazio disponibile
• Soddisfi le certificazioni di terzi richieste (es., IEC e UL)

Buone opzioni per un prodotto a 240 V c.a. di categoria II sono 0215008.MRET1SPP, un dispositivo da 8 A o 0215012.MRET1P, un modello da 12 A, entrambi appartenenti alla serie 215 di Littelfuse. La serie 215 è un fusibile a cartuccia ceramico di 20 x 5 mm ritardato, resistente alle sovratensioni, progettato per la conformità alle specifiche IEC e per fornire una protezione individuale ai componenti o ai circuiti interni.

Un requisito chiave per un fusibile in questa applicazione è che il suo potere di interruzione deve soddisfare o superare la corrente di guasto massima del circuito. Altrimenti, il dispositivo non funzionerà correttamente e c'è il rischio che la corrente dannosa continui a fluire nel circuito quando il fusibile dovrebbe essersi aperto. I fusibili serie 215 hanno un alto potere di interruzione di 1,5 kV a 250 V c.a.

Quando si seleziona il TMOV (II) (mostrato nei circuiti illustrati nelle figure 3A e B), il progettista dovrebbe considerare le seguenti linee guida:

• Il TMOV dovrebbe essere conforme a uno standard per componenti di varistori come IEC 61051-1 o IEC 61643-331
• La massima tensione operativa continua (MCOV) è ≥1,25 x tensione nominale dell'apparecchiatura
  • Ad esempio, per un'alimentazione di 240 V c.a., il componente MCOV deve essere minimo di 300 V
• Il TMOV deve resistere a impulsi multipli (come definito da 2.3.6 di IEC 61051-2 o 8.1.1 di IEC 61643-331)
  • Ad esempio, per un'alimentazione di 240 V c.a., il TMOV dovrebbe resistere a 10 impulsi di 2,5 kV/1,25 kA di onda combinata di tensione 1,2/50 μs e corrente 8/20 μs
• Il componente deve superare la prova di sovraccarico dei varistori dello standard
  • Ad esempio, per un'alimentazione di 240 V c.a., il test dovrebbe applicare 2 x tensione nominale (480 V) con un resistore in serie (R) di 3,84 kΩ (per i test successivi, il valore di R viene dimezzato fino a quando il circuito non si apre). Vedere la Figura 4.

Figura 4: Schema della prova di sovraccarico. Il componente di protezione deve essere sottoposto a un sovraccarico di tensione pari a 2 x la tensione nominale e il test deve essere ripetuto con valori di R1 dimezzati progressivamente fino all'apertura del circuito. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Il dispositivo TMOV14RP300EL2T7 di Littelfuse è un buon candidato per questa applicazione. Il dispositivo ha un MCOV di 300 V (che soddisfa il requisito standard del componente di un'alimentazione a 240 V c.a.) con un diametro di 14 mm, una dimensione del corpo sufficiente per soddisfare il requisito di impulso multiplo. Inoltre, poiché il TMOV14RP300EL2T7 è dotato di protezione termica, il suo MCOV di 300 V è sufficiente per superare la prova di sovraccarico del varistore. Per un ulteriore fattore di sicurezza, un MOV senza protezione termica dovrebbe avere un MCOV di 420 V o superiore. Il TMOV può sopportare una sovracorrente transitoria di picco di singolo evento (<20 µs) fino a 6 kA. La Figura 5 illustra la capacità di protezione dalla sovracorrente transitoria ripetuta e la durata di un picco transitorio.

Figura 5: Capacità di protezione dalla sovracorrente transitoria per il MOV da 14 mm di Littelfuse. Il dispositivo può sopportare una sovracorrente transitoria di picco di singolo evento (<20 µs) fino a 6 kA. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

I requisiti per i MOV e i GDT utilizzati per la protezione di modo comune sono anche dettati dallo standard dei componenti IEC 61051-1 o IEC 61643-331. L'aderenza a questo standard permette ai sottoinsiemi realizzati da componenti conformi di essere a loro volta conformi a IEC 62368-1. In questo caso, il MOV deve soddisfare gli stessi requisiti MCOV e di sovratensione come notato per il TMOV sopra, ma perché i due dispositivi sono utilizzati insieme a un GDT, le prove di sovraccarico sono eseguite sul circuito di protezione combinato e non sul solo MOV.

Il MOV V10E300P di Littelfuse è perfetto. Questo componente ha un MCOV di 300 V e un diametro di 10 mm, il che lo rende abbastanza robusto da soddisfare il requisito di impulso multiplo dello standard. Può sopportare una sovracorrente transitoria di picco fino a 3,5 kA. Per soddisfare i requisiti dello standard, il GDT deve superare un test di resistenza elettrica di una tensione di resistenza di 2,5 kV e soddisfare la conformità alla distanza di isolamento in aria e alla distanza di isolamento superficiale.

Il GDT CG33.0LTR di Littelfuse è una valida scelta per questa applicazione. Si tratta di un dispositivo a due elettrodi ad alta tensione progettato per la protezione dalle sovratensioni e per applicazioni ad alto isolamento. Il GDT ha una resistenza di isolamento di 10 GΩ a 100 V e una capacità elettrica di <1,5 pf. Ha una tensione di rottura di 4,6 kV e può sopportare una corrente di picco massima di 10 kA.

La combinazione di due MOV V10E300P e un singolo GDT CG33.0LTR è in grado di soddisfare la prova di sovraccarico delineata nella descrizione del circuito di protezione TMOV di cui sopra.

Conclusione

IEC 62368-1 introduce un unico standard per la protezione dei circuiti di prodotti che funzionano con un'alimentazione fino a 600 V, dove prima si applicavano standard separati per ICT e AV. Inoltre, formalizza la protezione dei circuiti per i prodotti non coperti dal vecchio standard, come i dispositivi IoT e quelli a batteria. Anche se gli ingegneri che hanno familiarità con i vecchi standard dovranno cambiare il loro approccio di progettazione, IEEE 62368-1 semplifica la progettazione della protezione dei circuiti e assicura livelli più alti di sicurezza e flessibilità. Inoltre, i produttori di componenti di protezione come Littelfuse offrono dispositivi e consigli che semplificano la progettazione di circuiti conformi al nuovo standard.