כיצד לתכנן מעגלי הגנה תואמים עבור תקן AV/ICT‏ החדש IEC 62368-1

עם הזמן, הגבולות בין אור-קולי (AV) לבין טכנולוגיית מידע ותקשורת (ICT) נעשו יותר ויותר מטושטשים (מוצרי מולטימדיה ביתיים כמו טלוויזיות חכמות הם רק דוגמה אחת). בנוסף, המהנדסים עברו לגישה של הנדסת בטיחות מבוססת סיכונים (HBSE) בעת תכנון הגנה למוצרי חשמל. מגמות אלה השפיעו על הסטנדרטים שנועדו להגן על אנשים שמתקינים, מתחזקים ומשתמשים בציוד כזה, והופכים אותם למיושנים - ביחד עם חלק ניכר מהחומרה ההנדסית המשמשת להבטחת תאימות מוצרי AV ו- ICT.

כדי להתמודד עם מצב זה, ארגון IEC‏ הקדים ופיתח תקן חדש אחד, IEC 62368-1‏ (ציוד טכנולוגיות מידע ותקשורת - פרק1: דרישות הבטיחות). תקן חדש זה מחליף שני תקנים ישנים יותר (IEC 60950-1 ו- IEC 60065) עם תקן אחד המכסה ציוד ICT ו- AV כאחד, כמו גם מוצרים כגון התקני אינטרנט של דברים (IoT‏) ומכשירים אלקטרוניים מוזני-סוללות הפועלים עד 600 וולט. התקן יושם בדצמבר 2020 ומאמץ גישת HBSE.

מאמר זה מציג את תקן IEC 62368-1‏ ומראה שבעוד שהוא יכול להיראות מורכב יותר מהתקנים הנפרדים הקודמים, הוא מפשט את העניינים ומאפשר רמות גבוהות יותר של בטיחות וגמישות תכנון. המאמר גם יציג ויתאר את השימוש במוצרי הגנה חשמלית זמינים מסחרית מבית Littelfuse, בהם ניתן להקל על תכנון מוצרים ותתי-מערכות העומדים בדרישות מתח-יתר ונחשולים עבור כל קטגוריה המכוסה על ידי IEC 62368-1‏.

מהו IEC 62368-1‏?

תקן IEC 62368-1‏ אומץ כדי להחליף תקנים ישנים יותר עם תקן אחד המגדיר הגנת מעגלים עבור בטיחות ציוד ICT, AV ו- IoT חשמלי ואלקטרוני עם מתח נומינלי שלא עולה על 600 וולט (איור 1). תוכנן כדי להגן על אנשים שמתקינים, מתחזקים ומשתמשים בציוד כזה, התקן גם משקף את גישת HBSE שבה נוקטים כעת מהנדסים עבור הנדסת בטיחות. גישת HBSE מחליפה את הגישה ההנדסית הקודמת - שקבעה מערך של כללים שמעגלי הגנה צריכים לציית להם - עם גישה הבוחנת את הסכנות שאליהן המוצר עלול להיחשף. התוצאה היא מעגלי בטיחות המגנים על המשתמש גם אם המוצר כושל כאשר הוא נתון לאחד הסיכונים המזוהים.

איור 1‏: תקן IEC 62368-1 מחליף את תקני הבטיחות הישנים יותר של IEC 60951-1‏ ו- IEC 60065 עם תקן אחד המכסה ICT‏, AV‏ ומוצרים אחרים כגון IoT‏ והתקני אלקטרוניקה מוזני-סוללות. (מקור התמונה: Littelfuse)

תקן IEC 62368-1‏ חל לא רק על מוצרי משתמש-סופי אלא גם על רכיבים ותתי-מערכות (כגון ספקי-כוח) מהם הם בנויים. במשך תקופה לא-מוגדרת, התקן החדש מאפשר זמנית את השימוש בתכנים ותת-מכללים התואמים לתקנים הישנים. המהנדסים צפויים לאמץ את התקן החדש עבור השווקים העיקריים כמו צפון אמריקה, הממלכה המאוחדת, יפן ואוסטרליה/ניו זילנד.

הגנת מעגלים עבור אנשים

תאימות לתקן IEC 62368-1‏ דורשת מהמהנדסים ליישם מתודולוגיית HBSE‏. זה אומר:

• זיהוי מקורות האנרגיה (ES) בהם משתמש המוצר
• מדידת רמות האנרגיה המיוצרות על ידי אותם מקורות
• קביעה אם האנרגיה מהמקורות היא מסוכנת
• סיווג רמת הסיכון
• זיהוי האם הסיכון עלול לגרום לפציעה או שריפה
• קביעת תוכניות אמצעי הגנה מתאימים כדי:
  • להגן על אנשים מפני כאב ופציעה מפני הסיכונים המסווגים
  • הקטנת הסבירות לפציעה או נזק לרכוש עקב שריפה שמקורה בתקלה בתוך הציוד
• מדידת היעילות של אותם אמצעי הגנה

התקן מפרט שלוש קטגוריות. Class 1 ES‏ (ES1‏) נותר בגבולות Class 1‏ במהלך תנאי פעולה רגילים, תנאים חריגים או בנוכחות תקלה יחידה. האנרגיה הקיימת יכולה להתגלות על ידי אדם אך לא תהיה מכאיבה ולא תספיק כדי לגרום להצתה. לא נדרשים אמצעי הגנה כדי להגן על משתמשים רגילים מפני Class 1 ES‏.

רמות האנרגיה של Class 2 ES‏ (ES2‏) הן גבוהות יותר מגבולות Class 1 אך נותרות מתחת לגבולות Class 2 במהלך תנאי פעולה רגילים, תנאים חריגים או בנוכחות תקלה יחידה. האנרגיה הקיימת עשויה להספיק לגרום לכאב, אך לא סביר שהיא תגרום לפציעה. האנרגיה הקיימת יכולה להספיק כדי לגרום להצתה בתנאים מסוימים. נדרש לפחות אמצעי הגנה אחד כדי להגן על משתמשים רגילים ממקורות אנרגיה Class 2‏.

Class 3 ES‏ (ES3‏) הוא המסוכן ביותר. האנרגיה שלו עולה על הגבול המקסימלי של Class 2 בתנאים רגילים, חריגים או תקלה-יחידה, ועלולה לגרום לפציעה, הצתה או התפשטות אש. סוג הפציעה הנגרם מ- ES3 יכול להתפשט לפרפור, דום לב/נשימה או כוויות בעור ו/או באיברים פנימיים. נדרש אמצעי הגנה כפול או מחוזק כדי להגן על משתמשים רגילים מפני ES3.

במיוחד, התקן החדש קובע ספי עמידה למתח-יתר ודרישות הגנה מפני נחשולים עבור הקטגוריות השונות, ומכסה סוגי מוצרים שונים והיכן הם משמשים.

חשוב שהמתכנן יבין כי גבולות הזרם והמתח בפועל החלים על ES1, ES2 ו- ES3 משתנים. לדוגמה, דרישות גבול המתח מושפעות מתדר הפעולה של ספק-הכוח. עבור מתחים מהספקת-כוח הפועלת מתחת ל- 1 קילו-הרץ (kHz‏), גבולות ES1 הם 30 וולט_rms‏, 42.4 וולט_שיא ו- 60 וולט DC‏. גבולות ES2‏ הם 50 וולט_rms‏, 70.7 וולט_שיא ו- 120 וולט DC‏.

על הציוד להיות תואם לגבול המתח או לגבול הזרם המצוינים בקטגוריית האנרגיה המתאימה, אך אינו חייב להיות תואם לשניהם. הגבולות גם משתנים בהתאם לפעולה נורמלית או חריגה, או בתנאי תקלה-יחידה. גבולות אלו מפורטים בסעיף 5 בתקן. ישנם גם תת-סעיפים המכסים מאפיינים נוספים כגון גבולות עבור צורות-גל פולסים, בהתאם לזמן מצב-מופסק.

הגנת מעגלים עבור ציוד

ההגנה על אנשים היא אמנם הדאגה העיקרית של כל יצרן ציוד, אך גם הגנה על המוצר הסופי מפני נזקים מנחשולי מתח וזרם היא גם כן דאגה חשובה. תקן IEC 62368-1 מתבסס על שני התקנים הישנים יותר ומציין את דירוג העמידה המינימלי לציוד כדי להבטיח חסינות מפני מתחי-יתר וזרמי-יתר טרנזיינטיים.

התקן מגדיר שלוש "קטגוריות מתח-יתר" (I‏, II ו- III) עבור ציוד בצד הבית של מונה החשמל. הציוד בצד החלוקה של המונה נמצא בקטגוריית מתח-יתר IV.

ספציפית, קטגוריה I מיועדת לציוד שאינו מחובר לרשת החשמל (כגון התקנים ניידים מוזני-סוללות), ואילו קטגוריה II מיועדת לציוד ICT ו- AV נתקעים המחוברים לחיווט הבניין. קטגוריה III מיועדת עבור מערכות המהוות חלק מתשתית הבניין כגון לוחות חלוקה, מפסקי זרם, חיווט, תיבות צמתים, מתגים, שקעים וציוד לתעשיות.

קטגוריה II מכסה בדרך כלל תכני ציוד המבוססים על רשת החשמל AC‏ 120 או 230 וולט, או לתחום כמו ספקי-כוח AC של 100 עד 250 וולט. התקן מגדיר כי ציוד כזה חייב לעמוד ברמות מתח שיא טרנזיינטי מינימלי של 1.5 קילו-וולט (kV) עבור ספק-כוח של 120 וולט, ו- kV‏ 2.5‏ עבור ספק-כוח של 230 וולט (איור 2).

איור 2‏: תקן IEC 62368-1 מפרט קטגוריות מתח-יתר שונות בהתאם למקומות בהם משמש המוצר הסופי. קטגוריות I‏, II ו- III מיועדות עבור מוצרים המשמשים בצד הבית של מונה החשמל, ואילו קטגוריה IV מכסה מוצרים המשמשים בצד החלוקה. (מקור התמונה: Littelfuse)

תכן מעגלים לעמידה בדרישות ההגנה מפני נחשולים של תקן IEC 62368-1

תכנון מעגלים העומדים בדרישות התקן להגנה מפני מתחי-יתר וזרמי-יתר טרנזיינטיים אינו יותר מדי קשה. המפתח הוא להסיט את שיא הטרנזיינט מהציוד הרגיש על ידי הספקת נתיב הולכה חלופי. ישנן שתי טכניקות מומלצות, בהתאם לאופן הפעולה של ספק-הכוח - דיפרנציאלי או דיפרנציאלי-ומשותף (איורים 3‏ A‏ ו- B‏).

איור 3‏: ההגנה מפני מתחים וזרמים טרנזיינטיים בהתאם לתקן IEC 62368-1‏ קטגוריה II כוללת אופן דיפרנציאלי (A, למעלה), או אופן דיפרנציאלי ואופן משותף (B, למטה). (מקור התמונה: Littelfuse)

בסכמת אופן דיפרנציאלי (3A), ההגנה מושגת באמצעות נתיך (I) להגנה מפני אירועי זרם-יתר, ביחד עם ואריסטור תחמוצת מתכת (TMOV) מוגן תרמית (II). ה- TMOV מורכב משני אלמנטים, התקן המופעל תרמית המיועד לפתיחה במקרה של התחממות-יתר עקב מתח-יתר חריג ו- MOV. בפעולה רגילה, ל- MOV יש התנגדות גבוהה ביותר המאפשרת למתחי פעולה רגילים לזרום דרך המעגל. במתחים גבוהים יותר, כמו שיא טרנזיינטי, ה- MOV מציג התנגדות נמוכה ומקצר את הזרם מלזרום למוצר הסופי.

סכמת האופנים הדיפרנציאלי והמשותף גם משתמשת בנתיך וב- TMOV‏ על פני קווי האפס והמתח, אך מוסיפה עוד שני ואריסטורי MOV‏ ושפופרת פריקה בגז (GDT). כמוצג באיור 3B‏, ואריסטורי MOV‏ נוספים מחוברים על פני קווי המתח וההארקה ועל פני קווי האפס וההארקה, בטור עם שפופרת GDT‏. בפעולה רגילה, לשפופרות GDT יש התנגדות בידוד גבוהה ובנוסף קיבוליות וזליגה נמוכות. עם זאת, כאשר היא נחשפת לטרנזיינטי מתח גבוה, הגז הסגור בתוך השפופרת הופך לפלזמה ומפזר את המתח מחוץ למוצר הסופי.

בעוד שאופציית TMOV היא מומלצת (מכיוון שהיא כוללת הגנה תרמית, העברת אנרגיה נמוכה ומתח הידוק), ניתן לשקול צורות אחרות של הגנת אופן דיפרנציאלי תוך שהיא נותרת תואמת לתקן. דוגמאות לכך כוללות MOV, תיריסטור הגנה פלוס MOV (במיוחד עבור מוצרים כגון מודמים) או דיודת TVS. עבור הגנת אופן משותף, הגנת ואריסטורי MOV‏ פלוס GDT‏ היא הפיתרון המותר היחידי.

הדברים נעשים קצת יותר מסובכים עבור המהנדסים במהלך בחירת הרכיבים. על ההתקנים לעמוד בקריטריוני ההגנה המוגדרים ב- IEC 62368-1 על מנת שהמוצר הסופי יהיה תואם לתקן.

נתיך (I) משמש למניעת נזק למעגלים רגישים במהלך אירועי זרם-יתר (וכדי לעזור למוצר הסופי לעבור בדיקות תקלות). כאשר שוקלים את הנתיך, המתכנן צריך לשקול רכיב ש-:

• ימנע הפעלות-שווא מטרידות
  • לדוגמה, אסור לו להיפתח במהלך פעולה רגילה או להיפתח במהלך בדיקת פולס נחשול
• בעל דירוג מתח מעל לזה של מתח הפעולה הרגיל של המערכת
• מנתק בבטחה את זרם התקלה המקסימלי
• מתאים למקום הפנוי
• עומד בהרשאות הנדרשות של צד-שלישי (לדוגמה, IEC ו- UL)

אפשרויות טובות עבור מוצר קטגוריה II של 240 וולט AC‏ הן ה- 0215008.MRET1SPP‏, התקן 8 אמפר (A), או 0215012.MRET1P‏, דגם A‏ 12‏, שניהם מסדרת 215 מבית Littelfuse. סדרת 215 היא של נתיכי תרמיל עמידים בפני נחשולים עם גוף קרמי בגודל של 20 על 5 מילימטר (מ"מ) ועם שיהוי-זמן המתוכננים בהתאם למפרט IEC תוך הגנה אינדיבידואלית עבור רכיבים או מעגלים פנימיים.

דרישת מפתח עבור נתיך ביישום זה היא שדירוג הניתוק שלו חייב לעמוד או לעלות על זרם התקלה המקסימלי של המעגל. אחרת ההתקן לא יעבוד כראוי, וקיים סיכון שהזרם המזיק ימשיך לזרום במעגל כאשר הנתיך היה צריך להיפתח. נתיכי סדרת 215 הם בעלי דירוג ניתוק גבוה של kv‏ 1.5‏ ב- 250 וולט AC‏.

בעת בחירת ואריסטור TMOV‏ (II) (מוצג במעגלים המתוארים באיורים 3‏ A ו- B‏), המתכננים צריכים לשקול את ההנחיות הבאות:

• ה- TMOV צריך להיות תואם לתקן של רכיב ואריסטור כגון IEC 61051-1 או IEC 61643-331‏
• מתח הפעולה הרצוף המקסימלי (MCOV) הוא ≥ 1.25 x המתח הנומינלי של הציוד
  • לדוגמה, עבור ספק-כוח 240 וולט AC, רכיב ה- MCOV חייב להיות מינימום 300 וולט
• ה- TMOV צריך לעמוד בפני מספר פרצים (כהגדרתם ב- 2.3.6 של IEC 61051-2‏ או ב- 8.1.1 של IEC 61643-331‏)
  • לדוגמה, עבור ספק-כוח 240 וולט AC‏, ה- TMOV צריך לעמוד בגל משולב של 10 פולסים של kV‏ 2.5‏/1.25 קילו-אמפר (kA‏) למשך 1.2/50 מיקרו-שנייה (μs‏) מתח ו- μs‏ 8/20‏ זרם
• הרכיב חייב לעבור את מבחן עומס-יתר ואריסטור של התקן
  • לדוגמה, עבור ספק-כוח 240 וולט AC‏, הבדיקה צריכה ליישם 2‏ x‏ המתח הנומינלי (480 וולט) עם נגד (R) טורי של 3.84 קילו-אוהם (kΩ) (עבור בדיקות עוקבות, ערך R הוא מחצית מזה עד שהמעגל נפתח) (איור 4)).

איור 4‏: סכמת בדיקת עומס-יתר. על רכיב ההגנה להיות נתון לעומס-יתר של 2 x‏ המתח הנומינלי של עומס-יתר, והבדיקה תחזור על עצמה עם ערכים אינקרמנטליים של מחצית R1 עד לפתיחת המעגל. (מקור התמונה: Littelfuse)

התקן TMOV14RP300EL2T7‏ מבית Littelfuse‏ הוא מועמד טוב עבור יישום זה. ההתקן הוא ואריסטור MCOV של 300 וולט ((העומד בדרישת התקן של הרכיב עבור הספקת-כוח 240 וולט AC‏) בקוטר של 14 מילימטרים (מ"מ), גודל גוף מספיק לעמידה בדרישה של מספר פרצים. יתר על כן, מכיוון שה- TMOV14RP300EL2T7 הוא מוגן תרמית, ה- MCOV שלו של 300 וולט מספיק כדי לעבור את מבחן עומס-יתר ואריסטור. כגורם בטיחות נוסף, ל- MOV שאינו מוגן תרמית צריך להיות MCOV של 420 וולט ומעלה. ה- TMOV יכול לעמוד בזרם שיא של אירוע-יחיד (< 20‎ µs) של עד ‎6 kA. איור 5 ממחיש את יכולת העמידה עבור נחשולים חוזרים ונשנים ואת משך הנחשול.

איור 5‏: יכולת נחשולים חוזרים ונשנים עבור MOV‏ 14 מ"מ מבית Littelfuse‏. ההתקן יכול לעמוד בזרם נחשול שיא של אירוע-יחיד (< ‎20 µs) של עד ‎6 kA. (מקור התמונה: Littelfuse)

הדרישות עבור MOV ו- GDT המשמשים להגנת אופן-משותף מוכתבות גם על ידי תקני הרכיבים IEC 61051-1 או IEC 61643-331. עמידה בתקן זה מאפשרת לתת-מכללים הבנויים מרכיבים תואמים להיות בתורם תואמים לתקן IEC 62368-1. במקרה זה, ה- MOV צריך לעמוד באותן דרישות MCOV והנחשולים כפי שצוינו עבור ה- TMOV לעיל, אך מכיוון ששני ההתקנים משמשים ביחד עם GDT, בדיקות עומס-יתר מבוצעות על מעגל ההגנה המשולב ולא על ה- MOV לבדו.

ה- MOV‏ V10E300P‏ מבית Littelfuse‏ מתאים למשימה. לרכיב זה יש MCOV של 300 וולט וקוטר של 10 מ"מ, ההופכים אותו לחסון דיו כדי לעמוד בדרישת מספר פרצים של התקן. הוא יכול לעמוד בזרם נחשול שיא של עד kA‏ 3.5‏. כדי לעמוד בדרישות התקן, על ה- GDT לעבור בדיקת חוזק חשמלית של מתח עמידה של kV‏ 2.5‏ ולעמוד בתאימות Clearance‏ ו- Creepage‏.

ה- GDT‏ CG33.0LTR‏ מבית Littelfuse‏ הוא אפשרות אחת עבור יישום זה. זה התקן מתח גבוה בעל שתי אלקטרודות המתוכנן עבור הגנה מפני נחשולים ויישומי בידוד גבוה. ל- GDT יש התנגדות בידוד של 10 גיגה-אוהם (GΩ‏) ב- 100 וולט, וקיבוליות של < 1.5 פיקו-פאראד (pF‏). יש לו מתח פריצה של kV‏ 4.6‏ והוא יכול לעמוד בזרם נחשול מקסימלי של kA‏ 10‏.

הצירוף של שני ואריסטורי MOV‏ V10E300P ו- GDT CG33.0LTR יחיד מסוגל לעמוד במבחן עומס-יתר המתואר עם מעגל ההגנה TMOV לעיל.

סיכום

ה- IEC 62368-1‏ מציג תקן יחיד להגנה על מעגלים של מוצרים הפועלים עד הספקת-כוח של 600 וולט, שעבורם הוחלו קודם לכן תקנים נפרדים עבור ICT ו- AV. הוא גם מגדיר הגנת מעגלים עבור מוצרים שלא היו מכוסים על ידי התקנים הישנים, כגון IoT‏ והתקנים מוזני-סוללות. למרות שמהנדסים המכירים את התקנים הישנים יצטרכו לשנות את גישת התכנון שלהם, ה- IEEE 62368-1 מפשט את הנדסת הגנת המעגלים ומאפשר רמות גבוהות יותר של בטיחות וגמישות תכנון. בנוסף, יצרני רכיבי הגנה כמו Littelfuse מציעים התקנים וייעוץ המקלים על תכנון מעגלים התואמים לתקן החדש.