Hoe aan de IEC 60335-eisen voor voedingen voor huishoudelijke apparaten en IoT-apparaten voldoen

Het uitbrengen van de nieuwe IEC 60335 veiligheidsnorm als reactie op het toenemende gebruik van slimme apparaten en op Internet of Things (IoT) aangesloten apparaten in huizen heeft nieuwe uitdagingen voor ontwerpers met zich meegebracht op het gebied van voedingen. De onlangs uitgebrachte norm bevat strenge eisen voor isolatiespanningen, kruip en luchtafstand en lekstromen in netvoedingen. Het ontwerpen van compacte en voordelige netvoedingen die aan de talrijke eisen voldoen, is moeilijk en het doorlopen van de vereiste test- en goedkeuringsprocedures brengt extra kosten met zich mee en vertraagt het op de markt brengen van een product.

De uitdagingen voor ontwerpers worden nog groter doordat veel huishoudelijke apparaten naar verwachting zullen worden gebruikt in omgevingen met vocht of water. Netvoedingen bevatten interne hoogspanningsrails, waardoor het moeilijk is een verpakking te ontwerpen die geschikt is voor gebruik in vochtige of natte omgevingen.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden en toch aan strakke deadlines en budgetten te voldoen, kunnen ontwerpers ingekapselde netvoedingen gebruiken die reeds IEC/EN/UL 62368-1 gecertificeerd zijn en ontworpen zijn om aan de IEC/EN/UL 61558/60335 eisen voor huishoudelijke toepassingen te voldoen.

In dit artikel worden de basisvereisten van IEC 60335-1 besproken, het concept van testen op meerdere gelijktijdige defecten geïntroduceerd zoals door IEC 60335 geëist en wordt Deel 2 van IEC 60335 in het kort besproken. Vervolgens worden verschillende netvoedingen van CUI geïntroduceerd die ontwerpers kunnen gebruiken om het ontwerp van IEC 60335 gekwalificeerde slimme apparaten en IoT-verbonden apparaten en van commerciële IT-apparatuur (ITE) te versnellen.

Wat zijn de basisvereisten volgens IEC 60335?

IEC 60335 heeft betrekking op de 'veiligheid van huishoudelijke en soortgelijke elektrische toestellen', met nominale spanningen tot 250 volt voor eenfase toestellen en tot 480 volt voor meerfasen toestellen. IEC 60335-1 bevat de basisvereisten die aan alle huishoudelijke apparaten worden gesteld. Een van de uitdagingen waarmee ontwerpers worden geconfronteerd, is te begrijpen hoe IEC 60335-1 zich verhoudt tot de eerder vastgestelde veiligheidsnorm IEC 60950-1 voor ITE. Er zijn verschillen en overeenkomsten met betrekking tot maximale lekstromen, isolatiespanningen, kruip en luchtafstand.

Bij normaal bedrijf, wanneer er een massaverbinding is, vloeien lekstromen naar het chassis of de aardleiding. Indien de massaverbinding om welke reden dan ook verbroken is, kan de lekstroom door het lichaam lopen van een persoon die het apparaat gebruikt, wat een potentieel gevaar inhoudt. IEC 60335-1 onderscheidt twee categorieën apparatuur: draagbare en vast opgestelde. IEC 60950-1 onderscheidt drie categorieën apparatuur: in de hand gehouden apparatuur, verplaatsbare apparatuur en vast opgestelde apparatuur. De lekstroom in verplaatsbare apparaten is volgens IEC 60335 tot 0,75 milliampère (mA) beperkt, gelijk aan in de hand gehouden apparaten volgens IEC 60950-1. De lekstroom in verplaatsbare en vast opgestelde apparaten is volgens IEC 60950-1 tot 3,5 mA beperkt, gelijk aan vast opgestelde apparatuur volgens IEC 60335-1

Voor de vereisten inzake isolatiespanning gelden eveneens verschillende definities tussen de twee normen. Het vereiste isolatieniveau hangt af van de plaats binnen de schakeling: ingang naar uitgang, uitgang naar massa of ingang naar massa. IEC 60950-1 bevat slechts vaste waarden zoals 3 kilovolt (kV) isolatie tussen de ingang en de uitgang. In IEC 60335-1 is de eis voor de ingangs-/uitgangsisolatie afhankelijk van de werkspanning: deze wordt gespecificeerd als 2,4 kV plus 2,4 maal de werkspanning. In het geval van isolatie van de uitgang naar massa stelt IEC 60335-1 geen eisen, terwijl IEC 60950-1 isolatie van 500 volt voorschrijft.

De verschillen zijn ook duidelijk in de manier waarop de twee normen kruip en luchtafstand behandelen. Hoewel beide normen uitgaan van de werkspanning en het isolatietype (standaard of versterkt) om kruip en luchtafstand te definiëren, kunnen de eisen bij vergelijking van IEC 60950-1 en IEC 60335-1 gelijk, strenger of minder streng zijn.

De kortste afstand tussen twee geleidende delen langs een oppervlak wordt gedefinieerd als kruip (Afbeelding 1). Wanneer de werkspanning tussen 250 en 300 volt ligt, is IEC 60335-1 strenger en wordt hier 8,0 millimeter (mm) kruip voor versterkte isolatie vereist, terwijl bij IEC 60950-1 6,4 mm kruip wordt vereist. Als de werkspanning tussen 200 en 250 volt ligt, schrijven beide normen een kruip van 5,0 mm voor.

Afbeelding 1: De kruip gemeten op het oppervlak van de isolatie. (Bron afbeelding: CUI)

De afstand tussen twee geleidende delen door de lucht is de luchtafstand (Afbeelding 2). De volgens IEC 60335-1 vereiste luchtafstand is slechts 3,5 mm, terwijl IEC 60950-1 strenger is en hier 4,0 wordt mm vereist, wanneer rekening wordt gehouden met versterkte isolatie en een werkspanning tussen 150 en 300 volt.

Afbeelding 2: De luchtafstand wordt door de lucht gemeten. (Bron afbeelding: CUI)

In IEC 60335 wordt tevens vereist dat toestellen voldoen aan de beschermingsgraad tegen binnendringing (IP) zoals gedefinieerd in IEC 60529. De IP-waarde is gebaseerd op de omgeving waarin het apparaat wordt gebruikt. Van veel huishoudelijke apparaten wordt verwacht dat zij veilig werken in de aanwezigheid van vocht of water. In IEC 60529 worden specifieke vereiste beschermingsniveaus gedefinieerd, afhankelijk van de classificatie van het apparaat.

Dieper in de materie

De slimme apparaten en met het IoT verbonden apparaten waaruit het smart home van vandaag bestaat, zijn veel geavanceerder dan traditionele apparaten. Zij hebben vaak touchscreens, software-interfaces, digitale bediening, draadloze en/of bedrade Internet Protocol (IP)-connectiviteit, en andere mogelijkheden (Afbeelding 3). Vanwege deze extra complexiteit bestrijkt IEC 60335 de mogelijkheid van twee gelijktijdige storingen, niet alleen enkelvoudige storingen. Dit in tegenstelling tot de veiligheidsnorm IEC 60950-1, waarin alleen na individuele storingen een veilige werking wordt gegarandeerd.

Afbeelding 3: Voorbeelden van slimme apparaten zijn koelkasten met Hd-displays en IP-connectiviteit (links) en broodroosters met lcd-touchscreens (rechts). (Bron afbeelding: CUI)

In IEC 60335-1 wordt rekening gehouden met combinaties van twee hardwarefouten of een combinatie van hard- en softwarefouten. Deze tests kunnen bijzonder belangrijk zijn voor vermogenselektronica-apparaten die vaak een of andere vorm van digitale bediening of bewaking omvatten. Veel ontwerpen bevatten wat in IEC 60335-1 'beschermende elektronische schakelingen' (PEC's) worden genoemd. Het concept van een PEC in IEC 60335 gaat verder dan hardware en omvat ook diverse softwarefuncties zoals software om fouten te detecteren. In de norm wordt vereist dat de apparatuur veilig blijft werken wanneer een PEC-fout na een andere fout optreedt, zoals een defect in de basisisolatie, alsmede wanneer een PEC-fout optreedt vóór een andere fout. Het systeem moet veilig blijven.

De eis voor meervoudige storingen omvat ook specificaties voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Volgens IEC 60335 moeten EMC-tests worden uitgevoerd nadat de PEC defect is geraakt. Bijvoorbeeld, overspanningsbeveiligingen op de netvoedingsingang worden losgekoppeld. Deze test omvat de interne voeding om na te gaan of deze niet in een onveilige bedrijfstoestand terechtkomt als gevolg van elektromagnetische interferentie (EMI) na het uitvallen van de PEC.

In IEC 60355 wordt voorgeschreven dat besturingen in firmware of software veilig functioneren als EMI bij eenmalige storingscondities, zoals een PEC-storing, optreedt. Naast de systeembesturingen geldt deze eis ook voor afzonderlijke netvoedingen, gelijkstroomomvormers en motoraandrijvingen met digitale regeling. Deze inrichtingen moeten in het systeem worden getest om aan deze eis te voldoen.

Het tweede deel van IEC 60355

In tegenstelling tot IEC 60950, bestaat IEC 60335 uit twee delen. Deel 2 (IEC 60335-2) omvat specifieke eisen voor toestellen en bestrijkt meer dan 100 verschillende typen toestellen, van broodroosters tot airconditioningsystemen. Ontwerpers moeten zich vertrouwd maken met deel 2 voor zover dit van toepassing is op het ontwerp van specifieke toestellen. Indien gespecificeerd, hebben de eisen van deel 2 voorrang op de basiseisen van deel 1.

Deel 1 en 2 worden in de VS en Europa verschillend behandeld. UL 60335-1 in de VS is geharmoniseerd met IEC 60335-1, maar de UL-norm erkent niet alle normen van Deel 2. In Europa is EN 60335-1 ook geharmoniseerd tot IEC 60335-1, en in tegenstelling tot de UL-norm erkent de EN-norm bijna alle normen van deel 2 voor specifieke producten.

Conform 60335 ontwerpen

Om het ontwerp van het voedingsgedeelte te vereenvoudigen en tegelijkertijd te voldoen aan de eisen volgens 60335, kunnen ontwerpers van slimme apparaten, IoT-verbonden apparaten en commerciële ITE gebruikmaken van voorverpakte modules. De PSK-serie ingekapselde netvoedingen van CUI zijn bijvoorbeeld IEC/EN/UL 62368-1 gecertificeerd en ontworpen om aan IEC/EN/UL 61558/60335 voor huishoudelijke toepassingen te voldoen. Deze voedingen worden aangeboden in vermogensniveaus van 2 tot 60 watt met een rendement tot 90% en zijn verkrijgbaar in diverse montagestijlen, zoals printplaatmontage, chassismontage of DIN-railmontage (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De ingekapselde netvoedingen uit de PSK-serie van CUI zijn verkrijgbaar met printplaatmontage (rechtsonder), chassismontage (linksonder) en DIN-railmontage (boven). (Bron afbeelding: CUI)

Voorbeelden van voedingen uit de PSK-serie zijn:

• De PSK-10D-12-T werkt over een breed ingangsbereik van 85 tot 305 volt wisselspanning of 100 tot 430 volt gelijkspanning, en levert 12 volt gelijkspanning bij maximaal 10 watt als chassismontage.
• De PSK-S2C-24 werkt over een breed ingangsbereik van 85 tot 305 volt wisselspanning of 120 tot 430 volt gelijkspanning, en levert 24 volt gelijkspanning bij maximaal 2 watt als printplaatmontage.
• De PSK-20D-12-DIN levert 20 watt bij 12 volt gelijkspanning, en heeft een ingangsbereik van 85 tot 305 volt wisselspanning of 100 tot 430 volt gelijkspanning als DIN-railmontage.

De netvoedingen van de PSK-serie hebben 4 kV in-/uitgangsisolatie, een breed bereik aan ingangsspanningen en een breed bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot +70 °C, waarbij sommige modellen een temperatuurbereik tot 85 °C hebben. De serie biedt ook afzonderlijke uitgangsspanningen van 3,3, 5, 9, 12, 15 en 24 volt gelijkspanning, samen met beveiliging tegen te hoge stroomsterkte, te hoge spanning en continue kortsluiting.

Bij het werken met de modules moet u aan enkele aspecten denken. Er zijn enkele externe componenten nodig voor bescherming en filtering, en om te helpen voldoen aan de eisen voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Veel van deze informatie is in de bijgevoegde datasheets te vinden.

Bij het referentieontwerp voor de PSK-10D-12-T van CUI is bijvoorbeeld aan de voorzijde een trage zekering van 2 A/300 volt geplaatst, samen met een metaaloxidevaristor (MOV) (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Een referentieontwerp voor de PSK-10D-12-T toont de plaatsing van ingangsbescherming en uitgangsfilter (boven) en respectieve waardes ervan (onder). (Bron afbeelding: CUI)

De uitgangsfiltering wordt gerealiseerd met een elektrolytische condensator voor hoge frequenties (C2) en een keramische condensator (C1). Het is belangrijk dat C2 een lage equivalente serieweerstand (ESR) heeft, en een marge van minstens 20% op de nominale uitgangsspanning. Het plaatsen van een TVS-diode voor piekspanningsonderdrukking net voor de belasting helpt bij het beschermen van de daarachter gelegen elektronica in het (onwaarschijnlijke) geval van een storing in de omvormer.

Om aan de EMC-voorschriften te voldoen, stelt CUI voor een weerstand van 6,8 ohm (Ω) en 3 watt (R1) vlak voor de wisselspanningsingang van de module te plaatsen (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Voor EMC-bescherming moet R1 in de wisselspanningsingang worden geplaatst, zoals afgebeeld. (Bron afbeelding: CUI)

Conclusie

Aangezien het aantal smart home-apparaten en met het IoT verbonden apparaten blijft toenemen, moeten ontwerpers de implicaties van de veiligheidsnorm IEC 60335 begrijpen, evenals de relatie met IEC 60950. De norm is rechtstreeks van invloed op de wijze waarop voedingen voor deze toepassingen worden ontworpen en gekwalificeerd, en creëert bepaalde ontwerpbeperkingen en lagen van complexiteit.

Om deze complexiteit aan te pakken, kunnen ontwerpers hun toevlucht nemen tot ingekapselde netvoedingen die oplossingen ondersteunen die aan IEC 60335 voldoen. Deze uiterst efficiënte apparaten met een hoge vermogensdichtheid zijn verkrijgbaar in diverse verpakkingsvormen, waaronder chassismontage, printmontage en DIN-railmontage. Zoals aangetoond kunnen deze toestellen, door enkele elementaire, goede ontwerppraktijken te volgen, de ontwikkelingskosten en de tijd die nodig is om ze op de markt te brengen, aanzienlijk verminderen.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Een overzicht van IP-classificatie en waterdichte connectoren
2. Hoe de eenvoudige DIN-rail in industriële systemen oplossingen biedt voor modulariteit, flexibiliteit en gemak