Uuden AV/ICT-standardin IEC 62368-1 mukaisten suojapiirien suunnittelu

Audiovisuaalisen teknologian (AV) ja informaatio- ja viestintäteknologian (ICT) väliset rajat ovat ajan mittaan sumentuneet yhä enemmän. Esimerkiksi käyvät vaikkapa kotitalouskäyttöön tarkoitetut multimediatuotteet, kuten älytelevisiot. Suunnittelijat ovat myös alkaneet suunnitella sähkölaitteiden suojausta yhä enemmän vaarojen tunnistamiseen perustuvan turvallisuussuunnittelun (HBSE) näkökulmasta. Nämä trendit ovat vaikuttaneet laitteita asentavien, kunnossapitävien ja käyttävien ihmisten suojelemiseen tähtääviin standardeihin, samoin kuin laitteistosuunnitteluun, joka tähtää AV- ja ICT-tuotteiden vaatimustenmukaisuuden varmistamiseen.

IEC on ennakoinut kehitystä laatimalla uuden yhteisen standardin IEC 62368-1 (Information And Communication Technology Equipment - Part 1: Safety Requirements), jota ei ole suomennettu. Tämä uusi standardi korvaa kaksi aiempaa standardia (IEC 60950-1 ja IEC 60065) yhdellä, sekä ICT- ja AV-laitteita että esineiden internetissä (IoT) käytettäviä ja akku- tai paristokäyttöisiä sähkölaitteita koskevalla standardilla. Standardi kattaa enintään 600 voltin jännitettä käyttävät laitteet. Tämä HBSE-lähestymistapaan perustuva standardi tuli voimaan joulukuussa 2020.

Tässä artikkelissa esitellään uusi IEC 62368-1 ‑standardi ja näytetään, että vaikka se saattaa vaikuttaa aiempia erillisiä standardeja monimutkaisemmalta, se itse asiassa yksinkertaistaa asioita ja auttaa saavuttamaan paremman turvallisuuden sekä lisää suunnittelun joustavuutta. Lisäksi artikkelissa esitellään ja kuvaillaan eräitä kaupallisesti saatavana olevia sähkösuojaustuotteita. Littelfusen tuotteet helpottavat sellaisten tuotteiden ja osajärjestelmien suunnittelua, jotka täyttävät IEC 62368-1 ‑standardin eri luokkien ylijännite- ja syöksyjännitevaatimukset.

Mikä on IEC 62368-1?

IEC 62368-1 korvaa vanhemmat standardit yhdellä uudella standardilla, jossa määritellään nimellisjännitteeltään enintään 600 voltin sähkö- ja elektroniikkalaitteiden (ICT, AV ja IoT) piirien suojaus (kuva 1). Standardin tarkoituksena on suojella laitteita asentavia, kunnossapitäviä ja käyttäviä ihmisiä. Lisäksi se on laadittu turvallisuussuunnittelun HBSE-lähestymistavan mukaisesti. HBSE korvaa aiemman sääntöpohjaisen lähestymistavan, jossa määritettiin suojauspiirejä koskevat vaatimukset. Sen sijaan lähtökohtana on tuotteeseen todennäköisten kohdistuvien vaarojen ottaminen huomioon. Lopputuloksena syntyvät suojauspiirit suojaavat käyttäjää myös tuotteen vikaantuessa jonkin tunnistetun vaaran seurauksena.

Kuva 1: IEC 62368-1 korvaa aiemmat IEC 60951-1- ja IEC 60065 ‑turvallisuusstandardit yhdellä standardilla, joka koskee ICT-, AV- ja muita tuotteita, kuten IoT-tuotteita sekä paristo- tai akkukäyttöistä elektroniikkaa. (Kuvan lähde: Littelfuse)

IEC 62368-1 koskee loppukäyttäjille tarkoitetun tuotteen lisäksi myös komponentteja ja osajärjestelmiä (kuten virtalähteitä), joista tuote koostuu. Uusi standardi sallii toistaiseksi määrittämättömän ajan myös aiempien standardien mukaisten suunnitelmien ja osakokoonpanojen käytön. Uusi standardi otetaan todennäköisesti käyttöön tärkeimmillä markkina-alueilla, kuten Pohjois-Amerikassa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa, Japanissa sekä Australiassa ja Uudessa-Seelannissa.

Ihmisiä suojeleva virtapiiri

IEC 62383-1 ‑standardin vaatimusten täyttäminen edellyttää HBSE-menetelmän käyttämistä. Tämä tarkoittaa

• tuotteessa käytettävien energialähteiden tunnistamista
• kyseisten lähteiden tuottamien energiatasojen mittausta
• lähteiden energian vaarallisuuden arviointia
• vaaran tason luokittelua
• vaarasta aiheutuvan vamma- ja tulipalovaaran tunnistamista
• asianmukaisten suojausratkaisujen määrittämistä:
  • ihmisten suojeleminen luokiteltujen vaarojen aiheuttamalta kivulta ja vammoilta
  • laiteviasta johtuvan tulipalon aiheuttamien vammojen tai omaisuusvahinkojen todennäköisyyden vähentäminen
• suojatoimien tehokkuuden mittaamista.

Standardissa määritellään kolme energialähteiden (ES) luokkaa. Luokan 1 energialähteet (ES1) pysyvät luokan 1 raja-arvojen sisällä normaaleissa käyttöolosuhteissa, poikkeavissa käyttöolosuhteissa sekä yksittäisen vian tapahtuessa. Ihminen saattaa pystyä havaitsemaan energian, mutta se ei aiheuta kipua eikä sytytä tulipaloa. Tavallisten käyttäjien suojaaminen luokan 1 energialähteiltä ei edellytä toimenpiteitä.

Luokan 2 energialähteet (ES2) ylittävät luokan 1 raja-arvot, mutta pysyvät luokan 2 raja-arvojen sisällä normaaleissa ja poikkeavissa käyttöolosuhteissa sekä yksittäisen vian tapahtuessa. Niissä oleva energia saattaa riittää aiheuttamaan kipua, mutta se ei todennäköisesti aiheuta vammaa. Energia saattaa joissakin tapauksessa riittää sytyttämään tulipalon. Tavallisten käyttäjien suojaaminen luokan 2 energialähteiltä edellyttää vähintään yhtä varotoimea.

Luokan 3 energialähteet (ES3) ovat vaarallisimpia. Niiden energia ylittää luokan 2 enimmäistason normaaleissa ja poikkeavissa käyttöolosuhteissa sekä yksittäisen vian tapahtuessa, ja energia voi aiheuttaa vamman tai sytyttää tulipalon ja aiheuttaa sen leviämisen. Tyypin ES3 energialähteen aiheuttama vamma voi aiheuttaa lihasvärinää, sydämen tai hengityksen pysähtymistä sekä ihon ja/tai sisäelinten palovammoja. Tavallisten käyttäjien suojaaminen luokan 3 energialähteiltä edellyttää kaksinkertaista tai tehostettua suojausta.

Uudessa standardissa määritellään erityisesti eri luokkien ylijännitteen sietokynnykset sekä syöksyjännitesuojausta koskevat vaatimukset, jotka koskevat eri tuotetyyppejä ja niiden käyttöpaikkoja.

Suunnittelijan on tärkeää ymmärtää, että luokkien ES1, ES2 ja ES3 varsinaiset virta- ja jänniterajat vaihtelevat. Esimerkiksi jänniterajavaatimuksiin vaikuttaa teholähteen toimintataajuus. Jos teholähteen taajuus on alle 1 kilohertsi (kHz), ES1-raja on 30 volttia_rms, 42,4 volttia (_huippu) ja 60 volttia DC. ES2-raja on 50 volttia _rms, 70,7 volttia (_huippu) ja 120 volttia DC.

Laitteen pitää noudattaa joko sovellettavan energialuokan jännite- tai virtarajaa, mutta molempia ei tarvitse noudattaa. Lisäksi rajat vaihtelevat sen mukaan, onko kyseessä normaali vai poikkeava toiminta vai yksittäinen vikatilanne. Rajat on yksilöity standardin kohdassa 5. Alakohdissa määritellään esimerkiksi pulssiaaltomuotojen rajat sulkuajan mukaan.

Laitteen virtapiirien suojaus

Kaikki laitevalmistajat haluavat ensisijaisesti suojella ihmisiä, mutta myös lopputuotteen suojeleminen jännite- ja virtapiikeiltä on tärkeää. IEC 62368-1 perustuu kahteen vanhempaan standardiin, ja siinä määritellään laitteiden vähimmäiskestorajat, joilla varmistetaan laitteiden sietokyky transienttiylijännitteille ja ylivirroille.

Standardissa määritellään sähkömittarin kotitalouspuolella käytettäville laitteille kolme ylijänniteluokkaa (I, II ja III). Mittarien jakelupuolen laitteet kuuluvat ylijänniteluokkaan IV.

Luokka I sisältää laitteet, joita ei ole kytketty verkkovirtaan (kuten kannettavat akkukäyttöiset laitteet), luokka II puolestaan sisältää verkkovirtaan kytkettävät ICT- ja AV-laitteet. Luokka III on tarkoitettu rakennuksen infrastruktuuriin kuuluville järjestelmille, kuten jakokeskuksille, johdonsuojakatkaisijoille, johdoille, jakorasioille, kytkimille, pistorasioille sekä teollisuuskäyttöön tarkoitetuille laitteille.

Luokka II sisältää yleensä laitteet, jotka on suunniteltu käytettäväksi 120 tai 230 voltin verkkovaihtovirralla tai tietyllä alueella, kuten 100–250 voltin AC-teholähteillä. Standardin mukaan tällaisten laitteiden täytyy kestää vähintään 1,5 kilovoltin (kV) transienttijännitepiikit 120 voltin AC-teholähteessä sekä 2,5 kV:n piikit 230 voltin AC-teholähteessä (kuva 2).

Kuva 2: IEC 62368-1 ‑standardissa määritellään lopputuotteen käyttöpaikan mukaan useita ylijänniteluokkia. Luokat I, II ja III on tarkoitettu sähkömittarin kotitalouspuolella käytettäville laitteille ja luokka IV jakelupuolella käytettäville laitteille. (Kuvan lähde: Littelfuse)

IEC 62368-1 ‑standardin syöksyjännitevaatimukset täyttävien virtapiirien suunnittelu

Standardin transienttiylijännite- ja ylivirtasuojaa koskevat vaatimukset täyttävien virtapiirien suunnittelu ei ole erityisen vaikeaa. Tärkeintä on ohjata ylijännitepiikki pois herkästä laitteesta tarjoamalla sille vaihtoehtoinen johtumisreitti. Käytettävissä on kaksi suositeltavaa tekniikkaa, yksi differentiaalimuotoisille teholähteille ja toinen differentiaali- ja yhteismuotoisille teholähteille (kuvat 3A ja B).

Kuva 3: IEC 62368-1 ‑standardin luokan II transienttijännite- ja virtasuojaus kattaa sekä differentiaalimuotoisen (ylempi kuva A) että differentiaali- ja yhteismuotoisen (alempi kuva B) vaihtoehdon. (Kuvan lähde: Littelfuse)

Differentiaalimuotoisessa vaihtoehdossa (3A) suojaukseen käytetään ylivirtatapahtumilta suojaavan sulakkeen (I) lisäksi lämpösuojattua metallioksidivaristoria (TMOV) (II). TMOV koostuu kahdesta elementistä: lämmöllä aktivoituvasta laitteesta, joka on suunniteltu aukeamaan, jos poikkeava ylijännite aiheuttaa ylikuumenemista, sekä metallioksidivaristorista. Metallioksidivaristorin vastus on normaalin toiminnan aikana erittäin suuri, joten normaalit käytönaikaiset jännitteet pääsevät kulkemaan virtapiirin kautta. Metallioksidivaristorin vastus pienenee, kun jännite kasvaa esimerkiksi transienttipiikin vuoksi. Silloin se estää virtaa kulkemasta lopputuotteeseen asti.

Myös differentiaali- ja yhteistilaisessa mallissa hyödynnetään sulaketta ja TMOV-komponenttia jännitteisen johdon ja nollajohdon kesken, mutta lisäksi siinä on kaksi ylimääräistä metallioksidivaristoria sekä kaasupurkausputki (GDT). Kuten kuvassa 3B esitetään, metallioksidivaristorit lisätään jännitteisen ja maadoitusjohdon väliin sekä nolla- ja maadoitusjohdon väliin. Metallioksidivaristorit kytketään sarjaan kaasupurkausputken kanssa. Normaalissa toiminnassa kaasupurkausputken eristysresistanssi on suuri ja kapasitanssi sekä vuoto pieniä. Kun kaasupurkausputki altistuu korkeille jännitetransienteille, sen kaasu muuttuu plasmaksi ja se ohjaa jännitteen pois lopputuotteesta.

Vaikka TMOV-teknologian käyttö on suositeltavaa (koska se tarjoaa hyvän lämpösuojauksen ja päästää läpi vain vähän energiaa alhaisella rajoitusjännitteellä), standardin vaatimukset pystyy täyttämään myös muilla differentiaalimuotoisilla suojaustavoilla. Tällaisia ovat esimerkiksi metallioksidivaristori, suojaustyristori yhdessä metallioksidivaristorin kanssa (etenkin modeemien kaltaisissa laitteissa) sekä TVS-diodi. Yhteismuotoisen tilan suojauksessa ainoa sallittu ratkaisu on metallioksidivaristorien käyttö yhdessä GDT:n kanssa.

Suunnittelijan työ muuttuu hitusen hankalammaksi siinä vaiheessa, kun on aika valita komponentit. Laitteiden on täytettävä IEC 62368-1 ‑standardissa määritetyt kriteerit, jotta lopputuote täyttäisi standardin vaatimukset.

Sulakkeen (I) avulla estetään herkkien virtapiirien vaurioituminen ylivirtatilanteissa. Lisäksi ne auttavat lopputuotetta läpäisemään vikatestit. Sulakkeen valinnassa täytyy ottaa huomioon ainakin seuraavat asiat:

• ei tarpeetonta laukeamista
  • sulake ei esimerkiksi saa palaa normaalissa käytössä tai syöksyjännitepulssitestin aikana
• nimellisjännite ylittää järjestelmän normaalin käyttöjännitteen
• katkaisee turvallisesti maksimivikavirran
• mahtuu käytettävissä olevaan tilaan
• täyttää tarvittavat kolmannen osapuolen sertifioinnit (esim. IEC ja UL).

Sopivia 240 voltin AC ja luokan II tuotteita ovat esimerkiksi Littelfusen 215-sarjan 8 ampeerin (A) laite 0215008.MRET1SPP tai 12 A:n malli 0215012.MRET1P. Tämän 215-sarjan putkisulakkeiden koko on 20 x 5 millimetriä (mm). Ne tarjoavat aikaviiveen, syöksyjännitesuojauksen ja keraamisen rungon, ja ne on suunniteltu täyttämään IEC-vaatimukset ja tarjoamaan riippumaton suojaus komponenteille tai sisäisille virtapiireille.

Tällaisessa käytössä tärkein vaatimus sulakkeelle on se, että sen katkaisuvirtaluokituksen on oltava vähintään yhtä suuri tai suurempi kuin virtapiirin maksimivikavirran. Muuten laite ei toimi oikein ja on olemassa riski, että vahingoittava virta pääsee jatkamaan virtapiiriin, vaikka sulakkeen olisi pitänyt katkaista piiri. Näiden 215-sarjan sulakkeiden katkaisuvirtaluokitus on korkea, 1,5 kA jännitteellä 250 volttia AC.

TMOV:n (II) valinnassa (ks. kuvien 3A ja B virtapiirit) suunnittelijan on otettava huomioon seuraavia seikkoja:

• TMOV:n on täytettävä varistorikomponenttia koskevan standardin vaatimukset (esim. IEC 61051-1 tai IEC 61643-331)
• suurin jatkuva käyttöjännite (MCOV) on ≥ 1,25 x laitteen nimellisjännite
  • esimerkiksi 240 voltin vaihtovirtalähteessä komponentin MCOV-arvon on oltava vähintään 300 volttia
• TMOV:n tulisi kestää useita iskuja (ks. IEC 61051-2, kohta 2.3.6, tai IEC 61643-331, kohta 8.1.1)
  • esimerkiksi 240 voltin vaihtovirtalähteessä TMOV:n tulisi kestää 10 pulssia 2,5 kV/1,25 kiloampeerin (kA) yhdistelmäaaltoa; 1,2/50 mikrosekuntia (μs) jännitettä ja 8/20 μs virtaa
• komponentin on läpäistävä standardin mukainen varistorin ylikuormitustesti
  • esimerkiksi 240 voltin vaihtovirtalähteellä testauksessa on käytettävä 2 x nimellisjännitettä (= 480 volttia) ja 3,84 kilo-ohmin (kΩ) sarjaan kytkettyä vastusta (R) (myöhemmissä testeissä R-arvo puolitetaan toistuvasti, kunnes piiri katkeaa) (kuva 4)).

Kuva 4: Ylikuormitustesti. Suojauskomponenttiin on kohdistettava 2 x nimellisjännitettä korkeampi jännite, ja testi toistetaan siten, että R1:n arvo puolitetaan toistuvasti, kunnes piiri katkeaa. (Kuvan lähde: Littelfuse)

Littelfusen TMOV14RP300EL2T7 on hyvä ratkaisu tähän käyttöön. Laitteen MCOV on 300 volttia, joten se täyttää standardin 240 voltin vaihtovirtalähteen kanssa käytettäviä komponentteja koskevan vaatimuksen. Sen halkaisija on 14 millimetriä (mm), joten sen runko on riittävän suuri täyttämään useita iskuja koskevan vaatimuksen. Koska TMOV14RP300EL2T7 on lämpösuojauttu, sen 300 voltin MCOV riittää myös varistorin ylikuormitustestin läpäisemiseen. Turvallisuuden parantamiseksi lämpösuojaamattoman MOV:n MCOV-arvon tulisi olla vähintään 420 volttia. TMOV kestää jopa 6 kA:n yksittäisen syöksyvirtapiikin (< 20 µs). Kuvassa 5 on esitetty toistuvien syöksyjänniteiden sietokyky suhteessa pulssin kestoon.

Kuva 5: Littelfusen 14 mm:n MOV:n toistuvien syöksyjänniteiden kestokyky. Laite kestää jopa 6 kA:n yksittäisen syöksyvirtapiikin (< 20 µs). (Kuvan lähde: Littelfuse)

Myös yhteistilan suojauksessa käytettäviä MOV- ja GDT-komponentteja koskevat vaatimukset perustuvat IEC 61051-1- tai IEC 61643-331 ‑komponenttistandardiin. Standardin vaatimukset täyttävistä komponenteista voidaan rakentaa yhteensopivia osakokoonpanoja, jotka puolestaan täyttävät IEC 62368-1 ‑standardin vaatimukset. MOV-komponentin täytyy silloin täyttää samat MCOV- ja syöksyvaatimukset kuin edellä esitetyt TMOV-komponenttia koskevat vaatimukset, mutta koska näitä kahta laitetta käytetään yhdessä GDT:n kanssa, ylikuormitustestit tehdään pelkän MOV:n sijaan suojauspiirin yhdistelmälle.

Littelfusen V10E300P-MOV täyttää nämä vaatimukset. Tämän komponentin MCOV on 300 volttia ja halkaisija 10 mm, joten se täyttää myös standardin toistuvien iskujen kestoa koskevan vaatimuksen. Laite kestää jopa 3,5 kA:n yksittäisen syöksyvirtapiikin. Standardin vaatimusten täyttäminen edellyttää, että GDT läpäisee 2,5 kV kestojännitetestin ja täyttää ilmaväliä ja pintaväliä koskevat vaatimukset.

Littelfusen CG33.0LTR-GDT on yksi tällaiseen käyttöön sopiva komponentti. Tämä kaksielektrodinen suurjännitelaite on suunniteltu syöksyjännitesuojaukseen ja korkeajännite-erotukseen. GDT:n eristysresistanssi 100 voltin jännitteellä on 10 gigaohmia (GΩ) ja kapasitanssi < 1,5 pikofaradia (pf). Sen läpilyöntijännite on 4,6 kV, ja se kestää jopa 10 kA:n syöksyvirran.

Kahden V10E300P-MOV:n ja yhden CG33.0LTR-GDT:n yhdistelmä täyttää TMOV-suojauspiirin yhteydessä esitetyn ylikuormitustestin vaatimukset.

Yhteenveto

IEC 62368-1 ‑standardi kokoaa yhteen enintään 600 voltin teholähteellä käytettävien virtapiirien suojausvaatimukset aiemmin käytössä olleiden, erillisten ICT- ja AV-laitteita koskeneiden standardien sijaan. Lisäksi siinä määritetään virtapiirien suojausvaatimukset myös tuotteille, joita aiemmat standardit eivät koskeneet, kuten IoT-laitteille ja akkukäyttöisille laitteille. Vaikka aiemmat standardit tuntevat suunnittelijat joutuvat muuttamaan suunnitteluperiaatteitaan, IEEE 62368-1 yksinkertaistaa virtapiirien suojauksen suunnittelua ja auttaa parantamaan turvallisuutta ja suunnittelun joustavuutta. Littelfusen kaltaiset suojauskomponenttien valmistajat tarjoavat lisäksi laitteita ja neuvoja, joiden avulla uuden standardin mukaisten virtapiirien suunnittelu sujuu helpommin.