Come soddisfare i requisiti di alimentazione IEC 60335 per elettrodomestici e dispositivi IoT

Il rilascio del nuovo standard di sicurezza IEC 60335 in risposta all'uso crescente di elettrodomestici intelligenti e dispositivi connessi all'Internet delle cose (IoT) nelle abitazioni ha determinato nuove sfide per i progettisti. La norma rilasciata di recente prevede requisiti rigorosi per le tensioni di isolamento, le distanze di isolamento superficiale e di isolamento in aria e le correnti di dispersione negli alimentatori c.a./c.c. Progettare alimentatori c.a./c.c. compatti ed economici che soddisfino i numerosi requisiti è difficile e superare il processo dei test e delle approvazioni fa lievitare i costi e rallenta il time-to-market.

Oltre a ciò, molti elettrodomestici sono destinati all'uso in ambienti in cui è presente umidità o acqua. I circuiti di alimentazione c.a./c.c. includono rail di alimentazione interni ad alta tensione, che rendono difficile progettare un incapsulamento adatto all'uso in ambienti umidi o bagnati.

Per risolvere queste sfide pur rispettando le scadenze e i vincoli di budget, i progettisti possono utilizzare alimentatori c.a./c.c. incapsulati già certificati IEC/EN/UL 62368-1 e sono progettati per soddisfare i requisiti IEC/EN/UL 61558/60335 per applicazioni domestiche.

Questo articolo passa in rassegna i requisiti di base IEC 60335-1, introduce il concetto di test per guasti multipli simultanei richiesto dalla norma IEC 60335 e spiega brevemente la Parte 2 di IEC 60335. Presenta quindi diversi alimentatori c.a./c.c. di CUI che i progettisti possono utilizzare per accelerare la progettazione di elettrodomestici intelligenti e di dispositivi connessi IoT qualificati IEC 60335, nonché di apparecchiature informatiche (ITE) commerciali.

Quali sono i requisiti di base della norma IEC 60335?

IEC 60335 copre la "sicurezza degli elettrodomestici e apparecchi simili", con tensioni nominali fino a 250 V monofase e fino a 480 V multifase. IEC 60335-1 comprende i requisiti di base per tutti gli elettrodomestici. Tra le sfide dei progettisti c'è quella di capire come la norma IEC 60335-1 si confronta con lo standard di sicurezza IEC 60950-1 precedentemente stabilito per le ITE. Ci sono differenze e somiglianze riguardanti i massimi livelli della corrente di dispersione, delle tensioni di isolamento e delle distanze di isolamento superficiale e in aria.

Nel funzionamento normale, quando vi è un collegamento a terra, la corrente di dispersione scorre nel telaio o nel conduttore di terra di protezione. Se il collegamento a terra vien meno per qualsiasi motivo, la corrente di dispersione può passare attraverso il corpo di un operatore, presentando un potenziale pericolo. IEC 60335-1 riconosce due categorie di apparecchiature: portatili e fisse. IEC 60950-1 include tre categorie di apparecchiature: palmari, mobili e fisse. I dispositivi portatili in IEC 60335 sono limitati a 0,75 mA di corrente di dispersione, lo stesso dei dispositivi portatili in IEC 60950-1. I dispositivi mobili e fissi sono limitati a 3,5 mA di corrente di dispersione in IEC 60950-1, lo stesso livello stabilito per gli apparecchi fissi in IEC 60335-1.

I requisiti della tensione di isolamento sono anche soggetti a definizioni diverse tra i due standard. Il livello di isolamento richiesto dipende dalla posizione all'interno del circuito: da ingresso a uscita, da uscita a terra o da ingresso a terra. IEC 60950-1 include semplicemente valori fissi come 3 kV di isolamento tra l'ingresso e l'uscita. IEC 60335-1 varia il requisito di isolamento da ingresso a uscita in base alla tensione di lavoro: specificandolo a 2,4 kV più 2,4 volte la tensione di lavoro. Nel caso dell'isolamento da uscita a terra, la norma IEC 60335-1 non ha alcun requisito, mentre la norma IEC 60950-1 specifica un isolamento di 500 V.

Le variazioni sono anche evidenti nel modo in cui le due norme trattano le distanze di isolamento superficiale e in aria. Mentre entrambi gli standard si basano sulla tensione di lavoro e sul tipo di isolamento (base o rinforzato) per definire le distanze di isolamento superficiale e in aria, i requisiti possono essere identici, più rigorosi o più permissivi quando si confrontano IEC 60950-1 e IEC 60335-1.

La distanza più breve tra due parti conduttrici lungo una superficie è definita come distanza di isolamento superficiale (Figura 1). Quando la tensione di lavoro è tra 250 e 300 V, la norma IEC 60335-1 è più restrittiva e richiede 8,0 mm di distanza di isolamento superficiale per l'isolamento rinforzato, mentre la norma IEC 60950-1 richiede 6,4 mm. Se la tensione di lavoro è tra 200 e 250 V, entrambe le norme impongono 5,0 mm di distanza di isolamento superficiale.

Figura 1: La distanza di isolamento superficiale si misura sulla superficie dell'isolante. (Immagine per gentile concessione di CUI)

La distanza tra due parti conduttrici attraverso l'aria è la distanza di isolamento in aria (Figura 2). Il requisito di distanza di isolamento in aria nella norma IEC 60335-1 è di soli 3,5 mm, mentre la norma IEC 60950-1 è più restrittiva e richiede 4,0 mm quando si considera un isolamento rinforzato e una tensione di lavoro tra 150 e 300 V.

Figura 2: La distanza di isolamento in aria è misurata attraverso l'aria. (Immagine per gentile concessione di CUI)

IEC 60335 richiede anche che gli apparecchi soddisfino il grado di protezione dalle infiltrazioni (IP) definito in IEC 60529. La classificazione IP si basa sull'ambiente in cui viene utilizzato l'apparecchio. Molti elettrodomestici sono destinati a funzionare in modo sicuro in presenza di umidità o acqua. La norma IEC 60529 definisce livelli specifici di protezione necessari a seconda della classificazione dell'apparecchio.

Approfondimenti

Gli elettrodomestici intelligenti e i dispositivi connessi all'IoT che compongono le moderne case intelligenti sono molto più sofisticati degli elettrodomestici tradizionali. Spesso includono display touchscreen, interfacce software, controlli digitali, connettività IP (Internet Protocol) wireless e/o cablata e altre funzionalità (Figura 3). A causa di questa complessità aggiuntiva, la norma IEC 60335 prevede la possibilità che due guasti si verifichino contemporaneamente, non l'uno dopo l'altro. Questo contrasta con lo standard di sicurezza IEC 60950-1 che affronta il funzionamento sicuro solo dopo i guasti singoli.

Figura 3: Esempi di elettrodomestici intelligenti includono frigoriferi con display ad alta definizione e connettività IP (sinistra) e tostapane con controlli LCD touchscreen (destra). (Immagine per gentile concessione di CUI)

IEC 60335-1 considera combinazioni di due guasti hardware o una combinazione di guasti hardware e software. Questi test possono essere particolarmente importanti per i dispositivi con elettronica di potenza che spesso includono una sorta di controllo o monitoraggio digitale. Molti progetti includono ciò che la norma IEC 60335-1 chiama "circuiti elettronici di protezione" (PEC). Il concetto di PEC nella norma IEC 60335 si estende oltre l'hardware e include varie caratteristiche software come il software di rilevamento dei guasti. Lo standard richiede che l'apparecchiatura mantenga un funzionamento sicuro quando un guasto PEC si verifica dopo un altro guasto tipo l'avaria dell'isolamento di base, ma anche quando un guasto PEC si verifica prima di un altro guasto. Il sistema deve rimanere sicuro.

Il requisito di guasto multiplo include anche le specifiche di compatibilità elettromagnetica (EMC). IEC 60335 richiede che i test EMC siano eseguiti dopo aver causato il guasto del PEC. Ad esempio, i limitatori di sovratensione sull'ingresso c.a. sono scollegati. Questo test include l'alimentazione interna per assicurarsi che non passi a una condizione operativa non sicura in risposta alle interferenze elettromagnetiche (EMI) in seguito al guasto del PEC.

IEC 60355 richiede che i controlli firmware o software funzionino in modo sicuro con EMI applicata in condizioni di guasto singolo, come un guasto PEC. Oltre ai controlli del sistema, questo requisito si applica ai singoli alimentatori c.a./c.c., ai convertitori c.c./c.c. e ai driver per motori muniti di controlli digitali. Questi dispositivi devono essere testati nel sistema per soddisfare tale requisito.

La Parte 2 della norma IEC 60355

A differenza della norma IEC 60950, IEC 60335 ha due parti. La Parte 2 (IEC 60335-2) include requisiti specifici per gli apparecchi, che coprono oltre 100 diversi tipi di apparecchi, dai tostapane ai sistemi di climatizzazione. I progettisti dovrebbero familiarizzare con la Parte 2 dato che si applica alla progettazione di apparecchi specifici. Quando specificati, i requisiti della Parte 2 hanno la precedenza sui requisiti di base della Parte 1.

Le Parti 1 e 2 sono affrontate in modi diversi negli Stati Uniti e in Europa. UL 60335-1 negli Stati Uniti è armonizzata a IEC 60335-1, ma lo standard UL non riconosce tutti gli standard della Parte 2. In Europa, la norma EN 60335-1 è stata anche armonizzata a IEC 60335-1 e, a differenza della norma UL, la norma EN riconosce quasi tutte le norme della Parte 2 per prodotti specifici.

Progettare per soddisfare la norma 60335

Per semplificare la progettazione della sezione di alimentazione pur rispettando i requisiti 60335, i progettisti di elettrodomestici intelligenti, dispositivi connessi all'IoT e ITE commerciali possono utilizzare moduli preconfezionati. Ad esempio, la serie PSK di alimentatori c.a./c.c. incapsulati di CUI è certificata IEC/EN/UL 62368-1 e progettata per soddisfare le norme IEC/EN/UL 61558/60335 per le applicazioni domestiche. Questi alimentatori sono offerti in livelli di potenza da 2 a 60 W con un'efficienza fino al 90% e sono disponibili in una varietà di stili di montaggio tra cui su scheda, su telaio o su guida DIN (Figura 4).

Figura 4: Gli alimentatori c.a./c.c. incapsulati serie PSK di CUI sono disponibili negli stili di montaggio su scheda (in basso a destra), su telaio (in basso a sinistra) e su guida DIN (in alto). (Immagine per gentile concessione di CUI)

Esempi di alimentatori serie PSK includono:

• PSK-10D-12-T che funziona su un ampio intervallo di ingresso da 85 a 305 V c.a. o da 100 a 430 V c.c. e produce 12 V c.c. fino a 10 W in un contenitore per il montaggio su telaio.
• PSK-S2C-24 che ha un intervallo di ingresso da 85 a 305 V c.a. o da 120 a 430 V c.c. ed eroga fino a 2 W a 24 V c.c. in un contenitore per il montaggio su scheda.
• PSK-20D-12-DIN che eroga 20 W a 12 V c.c. e ha un intervallo di ingresso da 85 a 305 V c.a. o da 100 a 430 V c.c. in un contenitore per il montaggio su guida DIN.

Gli alimentatori c.a./c.c. serie PSK hanno un isolamento da ingresso a uscita di 4 kV c.a., sono caratterizzati da un ampio intervallo della tensione di ingresso e da un ampio intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +70 °C, con alcuni modelli classificati fino a 85 °C. La serie offre anche tensioni di uscita singole di 3,3, 5, 9, 12, 15 e 24 V c.c., insieme a protezioni continue da sovracorrente, sovratensione e cortocircuiti.

Ci sono alcuni aspetti da tenere a mente quando si lavora con i moduli. Sono necessari alcuni componenti esterni per la protezione e il filtraggio, così come per aiutare a soddisfare i requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC). Molte di queste informazioni sono fornite nelle schede tecniche dei prodotti.

Ad esempio, il progetto di riferimento dell'applicazione PSK-10D-12-T di CUI comprende un fusibile ad azione ritardata da 2 A/300 V, insieme a un varistore metallo-ossido (MOV) (Figura 5).

Figura 5: Un progetto di riferimento PSK-10D-12-T mostra il posizionamento dei componenti di protezione in ingresso e di filtraggio in uscita (in alto) e i loro rispettivi valori (in basso). (Immagine per gentile concessione di CUI)

Il filtraggio dell'uscita è realizzato mediante un condensatore elettrolitico ad alta frequenza (C2) e un condensatore ceramico (C1). È importante che C2 abbia una bassa resistenza equivalente in serie (ESR) e che abbia un margine almeno del 20% sulla tensione di uscita nominale. Posizionare un diodo di soppressione di tensioni transitorie (TVS) appena prima del carico aiuterà a proteggere l'elettronica a valle nel caso (improbabile) di guasto del convertitore.

Per la conformità EMC, CUI suggerisce di aggiungere al modulo un resistore da 6,8 Ω, 3 W (R1) subito prima dell'ingresso c.a. (Figura 6).

Figura 6: Per la protezione EMC, R1 deve essere aggiunto alla linea di ingresso c.a., come mostrato. (Immagine per gentile concessione di CUI)

Conclusione

Poiché il numero di dispositivi di domotica e connessi all'IoT continua ad aumentare, i progettisti devono capire le implicazioni della norma di sicurezza IEC 60335, nonché la sua relazione con IEC 60950. Lo standard influenza direttamente il modo in cui gli alimentatori sono progettati e qualificati per queste applicazioni, determinando alcuni vincoli di progettazione e nuovi livelli di complessità.

Per affrontarle, i progettisti possono affidarsi ad alimentatori c.a./c.c. incapsulati che supportano soluzioni conformi alla norma IEC 60335. Questi dispositivi ad alta efficienza e alta densità di potenza sono disponibili in una varietà di stili di incapsulamento, tra cui il montaggio su telaio, su scheda e su guida DIN. Come mostrato, seguendo alcune buone pratiche di progettazione di base, questi dispositivi possono ridurre notevolmente i costi di sviluppo e il time-to-market.

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