כיצד לעמוד בדרישות הספקת-הכוח של IEC 60335 עבור מכשירי חשמל ביתיים והתקני IoT

פרסום תקן הבטיחות החדש של IEC 60335 בתגובה לשימוש המתרחב במכשירי חשמל חכמים ובמכשירים מחוברי אינטרנט של דברים (IoT) בתוך הבית הביאה אתגרים חדשים למתכנני ספקי-כוח חדשים. לתקן שפורסם לאחרונה יש דרישות מחמירות עבור מתחי בידוד, מרחקי Creepage‏ ו- Clearance‏ וזרמי זליגה בספקי-כוח AC-DC. תכנון ספקי-כוח AC-DC קומפקטיים עם יחס עלות-תועלת מיטבי העומדים בדרישות הרבות הוא קשה, ותהליך הבדיקות והאישורים הנדרשים מוסיף עוד עלויות ומאט את זמן היציאה לשוק.

בנוסף לאתגרי התכנון , מכשירי חשמל ביתיים רבים צפויים לשמש בסביבות בהן יש רטיבות או מים. מעגלי ספק-כוח AC-DC‏ כוללים פסי הספקת-הכוח במתח גבוה, המכבידים על תכנון מארזים המתאימים לשימוש בסביבות לחות או רטובות.

כדי להתמודד עם אתגרים אלו תוך עמידה בלוחות זמנים ותקציבים הדוקים, המתכננים יכולים להשתמש בספקי-כוח AC-DC במארז סגור שכבר מורשים לתקן IEC/EN/UL 62368-1 ומתוכננים לעמוד בדרישות IEC/EN/UL 61558/60335 עבור יישומי ביתיים.

מאמר זה סוקר את הדרישות הבסיסיות של IEC 60335-1, מציג את העיקרון של בדיקה עבור מספר כשלים בו-זמניים כפי שנדרש על ידי IEC 60335, ומתייחס בקצרה לחלק 2 של IEC 60335. לאחר מכן הוא מציג מספר ספקי-כוח AC-DC מבית CUI שהמתכננים יכולים להשתמש בהם כדי להאיץ את התכנון של מכשירי חשמל חכמים והתקני IoT מחוברים מורשי IEC 60335, כמו גם ציוד טכנולוגיית מידע (ITE) מסחרי.

מהן הדרישות הבסיסיות של IEC 60335?

IEC 60335 מכסה את "בטיחותם של מכשירי חשמל ביתיים ודומיהם", עם מתחים של עד 250 וולט עבור חד-פאזי ועד 480 וולט עבור רב-פאזי. IEC 60335-1 כולל את הדרישות הבסיסיות המוטלות על כל מכשירי החשמל הביתיים. בין האתגרים העומדים בפני המתכננים הוא להבין את ההשוואה בין IEC 60335-1 לבין תקן הבטיחות IEC 60950-1 הקודם עבור ITE. ישנן דרישות שונות ודומות הקשורות לרמות זרם זליגה, מתחי בידוד ומרחקי Clearance‏ ו- Creepage‏ מקסימליים.

בפעולה רגילה, כאשר יש חיבור הארקה, זורם זרם זליגה בשלדה או במוליך ההארקה המגן. אם חיבור ההארקה התנתק מסיבה כלשהי, זרם הזליגה יכול לזרום דרך גופו של כל אדם המפעיל את הציוד, הגורם לסכנה פוטנציאלית. IEC 60335-1 מכיר שתי קטגוריות של ציוד: נייד ונייח. IEC 60950-1 כולל שלוש קטגוריות של ציוד, נישא-ביד, נייד ונייח. התקנים ניידים ב- IEC 60335 מוגבלים ל- 0.75 מיליאמפר (mA) של זרם זליגה, זהה להתקנים נישאים-ביד ב-IEC 60950-1. התקנים ניידים ונייחים מוגבלים לזרם זליגה של mA‏ 3.5‏ ב- IEC 60950-1, רמה זהה לזו שנקבעה עבור התקנים נייחים ב- IEC 60335-1.

גם דרישות מתח הבידוד כפופות להגדרות שונות בין שני התקנים. רמת הבידוד הנדרשת תלויה במיקום בתוך המעגל: כניסה-ליציאה, יציאה-להארקה או כניסה-להארקה. IEC 60950-1 פשוט כולל ערכים קבועים כגון בידוד של 3 קילו-וולט (kV) בין כניסה-ליציאה. IEC 60335-1 משנה את דרישת הבידוד מכניסה-ליציאה על בסיס על מתח העבודה: הוא מוגדר כ- kV‏ 2.4‏ פלוס מתח העבודה כפול 2.4‏. במקרה של בידוד יציאה-להארקה, ל-IEC 60335-1 אין דרישה, בעוד IEC 60950-1 מגדיר בידוד של 500 וולט.

ההבדלים ניכרים גם באופן שבו שני התקנים מתייחסים למרחקי Clearance‏ ו- Creepage‏. בעוד ששני התקנים מסתמכים על מתח העבודה וסוג הבידוד (בסיסי או מחוזק) כדי להגדיר Creepage‏ ו- Clearance‏, הדרישות עשויות להיות זהות, מחמירות יותר או קלות יותר כאשר משווים בין IEC 60950-1 ל- IEC 60335-1.

המרחק הקצר ביותר בין שני חלקים מוליכים לאורך משטח מוגדר כ- Creepage‏ (איור 1). כאשר מתח העבודה הוא בין 250 ל- 300 וולט, IEC 60335-1 מגביל יותר ודורש Creepage‏ של 8.0 מילימטרים (מ"מ) עבור בידוד מחוזק, בעוד ש- IEC 60950-1 דורש Creepage‏ של 6.4 מ"מ. אם מתח העבודה הוא בין 200 ל- 250 וולט, שני התקנים מחייבים Creepage‏ של 5.0 מ"מ.

איור 1‏: מרחק Creepage‏ נמדד על פני משטח הבידוד. (מקור התמונה: CUI)

המרחק באוויר בין שני חלקים מוליכים הוא מרחק Clearance‏ (איור 2). דרישת Clearance‏ ב- IEC 60335-1 היא של 3.5 מ"מ בלבד, בעוד ש- IEC 60950-1 מגביל יותר, ודורש 4.0 מ"מ כאשר בוחנים בידוד מחוזק ומתח עבודה בין 150 ל- 300 וולט.

איור 2‏: מרחק Clearance‏ נמדד דרך האוויר. (מקור התמונה: CUI)

IEC 60335 גם דורש ממכשירי חשמל לעמוד בדירוג הגנת חדירות (IP) כפי שמוגדר ב- IEC 60529. דירוג IP מבוסס על הסביבה שבה נעשה שימוש במכשיר החשמל. מכשירי חשמל ביתיים רבים צפויים לפעול בצורה בטוחה בנוכחות לחות או מים. IEC 60529 מגדיר רמות ספציפיות של הגנה הנדרשות בהתאם לסיווג מכשיר החשמל.

מעבר ליסודות

מכשירי חשמל חכמים והתקנים מחוברים-IoT‏ המרכיבים את הבית החכם של היום הם מתוחכמים הרבה יותר מאשר מכשירי חשמל מסורתיים. לעתים קרובות הם כוללים צגי מסך מגע, ממשקי תוכנה, בקרות דיגיטליות, חיבוריות פרוטוקול אינטרנט (IP) אלחוטי ו/או קווי ויכולות אחרות (איור 3). בשל מורכבות נוספת זו, IEC 60335 מכסה את האפשרות של שתי תקלות המתרחשות בו-זמנית, לא רק תקלות יחידות. זאת בניגוד לתקן הבטיחות IEC 60950-1 המיועד לפעולה בטוחה רק לאחר תקלות יחידות.

איור 3: דוגמאות למכשירי חשמל חכמים כוללות מקררים עם צגים ברזולוציה גבוהה וחיבוריות IP (משמאל) וטוסטרים עם פקדי מסך מגע LCD (מימין). (מקור התמונה: CUI)

IEC 60335-1 מתייחס לצירופים של שתי תקלות חומרה או שילוב של תקלות חומרה ותוכנה. בדיקות אלו עשויות להיות חשובות במיוחד עבור התקני אלקטרוניקה בהספק גבוה הכוללים לרוב צורה כלשהי של בקרה או ניטור דיגיטליים. תכנים רבים כוללים את מה ש- IEC 60335-1 מכנה "מעגלי הגנה אלקטרוניים" (PECs). הרעיון של PEC‏ ב- IEC 60335 הולך מעבר לחומרה וכולל מאפייני תוכנה שונים כגון תוכנות לגילוי תקלות. התקן מחייב שהציוד ימשיך לפעול בצורה בטוחה כאשר תקלת PEC מתרחשת לאחר תקלה נוספת כגון כשל בבידוד הבסיסי וכן כאשר תקלת PEC מתרחשת לפני תקלה אחרת. המערכת חייבת להישאר בטוחה.

דרישת כשלים מרובים כוללת גם מפרטי תאימות אלקטרומגנטית (EMC). IEC 60335 מחייב לבצע בדיקות EMC לאחר שה- PEC גרם לכשל. לדוגמה, משככי נחשולים בכניסת AC מנותקים. בדיקה זו כוללת את הספקת-הכוח הפנימית כדי להבטיח שהיא לא נכנסת למצב של פעולה לא בטוחה בתגובה להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) בעקבות כשל של ה- PEC.

IEC 60355‏ דורש שבקרות הקושחה או התוכנה יפעלו בבטחה עם EMI המיושם בתנאי תקלה יחידה, כגון כשל PEC. בנוסף לבקרות המערכת, דרישה זו חלה על ספקי-כוח AC-DC, ממירי DC-DC ודוחפי מנועים אינדיבידואליים עם פקדים דיגיטליים. התקנים אלה חייבים להיבדק במערכת כדי לעמוד בדרישה זו.

החלק השני של IEC 60355

בניגוד ל- IEC 60950‏, ל- IEC 60335‏ יש שני חלקים. חלק 2 (IEC 60335-2) כולל דרישות ספציפיות-למכשיר-החשמל, המכסות למעלה מ- 100 סוגי מכשירי חשמל שונים, החל מטוסטרים ועד למערכות מיזוג אוויר. המתכננים צריכים להכיר את חלק 2 מאחר והוא חל על תכנים של מכשירי חשמל ספציפיים. כאשר מצוין, לדרישות חלק 2 יש עדיפות על הדרישות הבסיסיות בחלק 1.

חלקים 1 ו- 2 מטופלים באופן שונה בארה"ב ובאירופה. UL 60335-1 בארה"ב מותאם ל- IEC 60335-1, אך תקן UL אינו מכיר בכל תקני חלק 2‏. באירופה, גם EN 60335-1 עבר התאמה ל- IEC 60335-1, ובניגוד לתקן UL, תקן EN מכיר כמעט בכל תקני חלק 2 עבור מוצרים ספציפיים.

תכנון לעמידה ב- 60335

כדי לפשט את התכן של הספקת-הכוח תוך עמידה בדרישות 60335‏, המתכננים של מכשירי חשמל חכמים, התקנים מחוברי-IoT ו-ציוד ITE מסחרי יכולים להשתמש במודולים ארוזים-מראש. לדוגמה, ספקי-הכוח AC/DC במארז סגור סדרת PSK מבית CUI מורשים לתקן IEC/EN/UL 62368-1 ומתוכננים לעמוד בתקן IEC/EN/UL 61558/60335 עבור יישומים ביתיים. ספקי-כוח אלה מוצעים ברמות הספק של 2 עד 60 וואט עם עד 90% נצילות ומגיעים במגוון של סגנונות הרכבה, כולל הרכבת לוח, הרכבת שלדה או מסילת DIN (איור 4).

איור 4: ספקי-כוח AC-DC במארז סגור סדרת PSK מבית CUI זמינים בסגנונות הרכבת לוח (ימין למטה), שלדה (שמאל למטה) ומסילת DIN (עליון). (מקור התמונה: CUI)

דוגמאות של ספקי-כוח סדרת PSK כוללות:

• ה- PSK-10D-12-T הפועל על פני תחום כניסות רחב של 85 עד 305 וולט AC או 100 עד 430 וולט DC, ומוציא 12 וולט DC בהספק של עד 10 וואט במארז הרכבה שלדה.
• ה- PSK-S2C-24 בעל תחום כניסות של 85 עד 305 וולט AC או 120 עד 430 וולט DC, ומספק עד 2 וואט ב- 24 וולט DC במארז הרכבת לוח.
• ה- PSK-20D-12-DIN המספק 20 וואט ב-12 וולט DC, ובעל תחום כניסות של 85 עד 305 וולט AC או 100 עד 430 וולט DC במארז מסילת DIN.

לספקי-הכוח AC-DC סדרת PSK יש בידוד כניסה-ליציאה AC של kV‏ 4‏ עם תחומי מתחי כניסה רחבים, ותחום טמפרטורות פעולה רחב מ- 40°C‏- עד 70°C‏+, עם כמה דגמים בדירוג של 85°C+. הסדרה מציעה גם מתחי יציאה יחידים של 3.3, 5, 9, 12, 15 ו- 24 וולט DC, יחד עם הגנות זרם-יתר, מתח-יתר וקצר רצוף.

כשעובדים עם המודולים יש כמה דברים שחשוב לזכור. כמה מהרכיבים החיצוניים נדרשים להגנה ולסינון, כמו גם כדי לסייע בעמידה בדרישות התאימות האלקטרומגנטית (EMC). חלק גדול מהמידע הזה מסופק בגיליונות הנתונים הנלווים.

לדוגמה, עם תכן הייחוס עבור ה- PSK-10D-12-T מבית CUI, נתיך בהפעלה-איטית של A‏ 2‏ / 300 וולט מסופק מראש, יחד עם וריסטור תחמוצת מתכת (MOV) (איור 5).

איור 5‏: תכן הייחוס עבור ה- PSK-10D-12-T‏ מציג את מיקום רכיבי הגנת הכניסה וסינון היציאה (למעלה) ואת הערכים שלהם בהתאמה (למטה). (מקור התמונה: CUI)

סינון היציאה מושג באמצעות קבל אלקטרוליטי בתדר גבוה (C2) וקבל קרמי (C1). חשוב של- C2 תהיה התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏) נמוכה ושוליים של 20% לפחות מעל מתח היציאה הנקוב. הכנסת דיודת שיכוך מתחים טרנזיינטיים (TVS) ממש לפני העומס תסייע להגן על האלקטרוניקה במורד-הזרם במקרה (הלא-סביר) של כשל בממיר.

עבור תאימות EMC, חברת CUI מציעה להוסיף נגד של 6.8 אוהם (Ω‏), 3 וואט (R1) ממש לפני כניסת ה- AC למודול (איור 6).

איור 6‏: עבור הגנת EMC, יש להוסיף את R1 בקו כניסת AC כמוצג. (מקור התמונה: CUI)

סיכום

ככל שמספר התקני הבית החכם וההתקנים מחוברי-IoT ממשיך לגדול, המתכננים צריכים להבין את ההשלכות של תקן הבטיחות של IEC 60335, כמו גם את הקשר שלו ל- IEC 60950. התקן משפיע ישירות על האופן שבו ספקי-כוח מתוכננים ומורשים עבור יישומים אלו, ויוצר אילוצי תכנון ושכבות של מורכבות מסוימים.

כדי להתמודד עם המורכבויות הללו, המתכננים יכולים לפנות לספקי-כוח AC-DC במארז סגור התומכים בפתרונות תואמי IEC 60335. התקנים אלו עם נצילות גבוהה וצפיפות הספק גבוהה זמינים במגוון של סגנונות מארזים, כולל הרכבה בשלדה, הרכבה בלוח ומסילת DIN. כפי שהוצג, על ידי ביצוע כמה פרקטיקות תכנון בסיסיות וטובות, התקנים אלו יכולים להפחית במידה ניכרת את עלויות הפיתוח ולקצר את זמן היציאה לשוק.

המלצות לקריאה נוספת

1. סקירה כללית של מחברים חסיני-מים ודירוגי IP
2. איך מסילת DIN פשוטה עונה למודולריות, גמישות ונוחות במערכות תעשייתיות