IEC 60335 ‑standardin kodinkoneita ja IoT-laitteita koskevien virtalähdevaatimusten täyttäminen

Älylaitteiden ja kodissa käytettävien esineiden internetiin (IoT) kytkettyjen laitteiden laajentuvan käytön vuoksi julkaistu uusi IEC 60335 ‑turvallisuusstandardi on tuonut suunnittelijoille uusia tehonsyöttöön liittyviä haasteita. Hiljattain julkaistussa standardissa määrätään tiukat vaatimukset, jotka koskevat AC-DC-virtalähteiden erotusjännitteitä, pinta- ja ilmavälejä sekä vuotovirtoja. Pienten ja kustannustehokkaiden, lukuisat vaatimukset täyttävien AC-DC-virtalähteiden suunnittelu on vaikeaa, ja tarvittavat testaus- ja hyväksyntämenettelyt aiheuttavat lisäkustannuksia sekä pidentävät markkinoille tuomiseen kuluvaa aikaa.

Suunnittelua vaikeuttaa myös se, että monia kodinkoneita käytetään kosteissa tai märissä olosuhteissa. AC-DC-virtalähteet sisältävät korkeajännitetasoja. Tästä syystä niille on vaikeaa suunnitella kosteisiin tai märkiin käyttöolosuhteisiin sopiva kotelo.

Suunnittelijat voivat ratkaista nämä haasteet ja pysyä tiukoissa aikatauluissa sekä budjeteissa käyttämällä kapseloituja AC-DC-virtalähteitä, joilla on IEC/EN/UL 62368-1 ‑sertifiointi. Ne on suunniteltu täyttämään kodinkoneita koskevat IEC/EN/UL 61558/60335 ‑vaatimukset.

Tässä artikkelissa käydään läpi IEC 60335-1 ‑standardin perusvaatimukset, esitellään IEC 60335:n edellyttämä useiden samanaikaisten vikojen testauskonsepti ja käsitellään lyhyesti IEC 60335 ‑standardin osaa 2. Sen jälkeen artikkelissa esitellään useita CUI-yhtiön AC-DC-virtalähteitä, joiden avulla IEC 60335 ‑vaatimukset täyttävien älylaitteiden ja IoT-laitteiden sekä kaupallisten tietotekniikkalaitteiden (ITE) suunnittelua voidaan nopeuttaa.

Mitkä ovat IEC 60335 -perusvaatimukset?

IEC 60335 ‑standardi koskee ”kodinkoneiden ja vastaavien sähkölaitteiden turvallisuutta”, kun laitteen nimellisjännite on enintään 250 volttia (yksi vaihe) tai 480 volttia (useita vaiheita). IEC 60335-1 sisältää kaikkia kodinkoneita koskevat perusvaatimukset. Suunnittelijoiden täytyy muun muassa ymmärtää, miten IEC 60335-1 poikkeaa aiemmasta tietotekniikkalaitteiden IEC 60950-1 ‑turvallisuusstandardista. Näiden kahden standardin välillä on eroja ja samankaltaisuuksia, jotka liittyvät sallittuihin vuotovirtatasoihin, erotusjännitteisiin ja pinta- sekä ilmaväleihin.

Jos maadoitus on kunnossa, vuotovirrat kulkevat normaalissa käytössä rungossa tai suojamaadoitusjohtimessa. Jos maadoitukseen tulee jostakin syystä vika, vuotovirta voi kulkea laitetta käyttävän ihmisen kehon kautta ja aiheuttaa mahdollisen vaaratilanteen. Laitteet jaetaan IEC 60335-1 ‑standardissa kahteen ryhmään: kannettavat ja kiinteät. IEC 60950-1 ‑standardissa laiteryhmiä on puolestaan kolme: kädessä pidettävä, siirrettävä ja kiinteä. IEC 60335 ‑standardi rajoittaa kannettavien laitteiden vuotovirran 0,75 milliampeeriin (mA), mikä on sama kuin IEC 60950-1 ‑standardin kädessä pidettäviä laitteita koskeva rajoitus. IEC 60950-1 ‑standardin mukaan siirrettävien ja kiinteiden laitteiden vuotovirta saa olla enintään 3,5 mA, mikä on sama kuin IEC 60335-1 ‑standardin kiinteitä laitteita koskeva rajoitus.

Myös erotusjännitevaatimukset on määritelty näissä kahdessa standardissa eri tavoin. Vaadittu erotustaso vaihtelee sen mukaan, mikä virtapiirin osa on kyseessä: tulosta lähtöön, lähdöstä maahan vai tulosta maahan. IEC 60950-1 käyttää yksinkertaisia kiinteitä arvoja, kuten 3 kilovoltin (kV) erotus tulon ja lähdön välillä. IEC 60335-1-standardissa puolestaan tulon ja lähdön välistä erotusta koskeva vaatimus vaihtelee käyttöjännitteen mukaan: erotuksen on oltava 2,4 kV plus 2,4 kertaa käyttöjännite. IEC 60335-1 ei sisällä lähdön ja maan välistä erotusta koskevaa vaatimusta, kun taas IEC 60950-1-standardissa tämän erotuksen on oltava 500 volttia.

Myös pinta- ja ilmavälejä koskevat erot ovat selkeitä. Kummassakin standardissa määritellään pinta- ja ilmavälit käyttöjännitteen ja eristystyypin (tavallinen tai vahvistettu) perusteella, mutta niitä koskevat vaatimukset voivat olla samat, tiukemmat tai löyhemmät.

Pintaväli tarkoittaa lyhintä kahden johtavan osan välistä etäisyyttä pintaa pitkin (kuva 1). Jos käyttöjännite on 250–300 volttia, IEC 60335-1 ‑standardin vaatimus on tiukempi, sillä se edellyttää vahvistetulle eristykselle 8,0 millimetrin (mm) pintaväliä siinä missä IEC 60950-1 ‑standardissa riittää 6,4 mm. Jos käyttöjännite on 200–250 volttia, molemmissa standardeissa vaaditaan 5,0 mm:n pintaväli.

Kuva 1: Pintaväli mitataan eristeen pintaa pitkin. (Kuvan lähde: CUI)

Ilmaväli tarkoittaa lyhintä kahden johtavan osan välistä etäisyyttä ilmaa pitkin (kuva 2). IEC 60335-1 ‑standardissa vaadittava ilmaväli on vain 3,5 mm, mutta IEC 60950-1 ‑standardin rajoitus on tiukempi, 4,0 mm, käyttäessä vahvistettua eristystä ja 150–300 voltin käyttöjännitettä.

Kuva 2: Ilmaväli tarkoittaa etäisyyttä ilmaa pitkin. (Kuvan lähde: CUI)

IEC 60335 edellyttää myös, että laitteet täyttävät IEC 60529 ‑standardin mukaiset IP-kotelointivaatimukset. IP-luokitus perustuu laitteen käyttöympäristöön. Monien kodinkoneiden on toimittava turvallisesti myös kosteassa tai märässä ympäristössä. IEC 60529 ‑standardissa määritetään vaaditut kotelointitasot sovellusluokan mukaan.

Laajemmat vaatimukset

Nykyisten älykotien älylaitteet ja IoT-laitteet ovat huomattavasti sofistikoituneempia kuin perinteiset kodinkoneet. Niissä käytetään usein kosketusnäyttöjä, ohjelmistorajapintoja, digitaalisia säätimiä, langallisia tai langattomia internetyhteyksiä sekä muita ominaisuuksia (kuva 3). Tämän korkeamman kompleksisuuden vuoksi IEC 60335 -standardissa on otettu huomioon kahden samanaikaisen vian mahdollisuus, ei vain yksittäisiä vikoja, toisin kuin IEC 60950-1 ‑turvallisuusstandardissa, joka koskee toiminnan turvallisuutta yksittäisen vian tapahtuessa.

Kuva 3: Esimerkiksi tarkalla näytöllä ja internetyhteydellä varustetut jääkaapit (vasemmalla) ja kosketusnäytölliset leivänpaahtimet (oikealla) ovat älylaitteita. (Kuvan lähde: CUI)

IEC 60335-1 ‑standardissa otetaan huomioon mahdollisuus, että laitteessa on samanaikaisesti kaksi laitteistovikaa tai laitteisto- ja ohjelmistoviat. Tällainen testaus voi olla erityisen tärkeää etenkin sellaisille tehoelektroniikkalaitteille, joissa on usein jonkinlainen digitaalinen ohjain tai valvontalaite. Monissa ratkaisuissa käytetään IEC 60335-1 ‑standardin mukaisia suojapiirejä (protective electronics circuit, PEC). IEC 60335 ‑standardissa PEC-käsite kattaa laitteiston lisäksi myös erilaisia ohjelmistollisia toimintoja, kuten viantunnistusohjelmistot. Standardissa edellytetään, että laitteen käyttö pysyy turvallisena, jos esimerkiksi peruseristyksen vikaantumisen kaltaisen vian jälkeen tapahtuu myös PEC-vika, tai jos PEC-vika tapahtuu ennen jotakin muuta vikaa. Järjestelmän täytyy pysyä turvallisena.

Useamman vian sietovaatimus koskee myös sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC). IEC 60335 ‑standardissa vaaditaan, että EMC-testit suoritetaan sen jälkeen kun PEC asetetaan vikatilaan, esimerkiksi kun AC-tulovirran ylijännitesuojat on irrotettu. Testissä on varmistettava, ettei sisäinen virtalähde toimi vaarallisessa toimintatilassa, jos se altistuu PEC:n vikaantumisen jälkeen sähkömagneettisille häiriöille (EMI).

IEC 60355 -vaatimusten mukaan laiteohjelmiston ja ohjelmistollisen ohjauksen on toimittava turvallisesti, kun järjestelmässä on PEC:n vikaantumisen kaltainen vika ja se altistuu sähkömagneettisille häiriöille. Tämä vaatimus koskee järjestelmän ohjaimien lisäksi yksittäisiä digitaalisesti ohjattuja AC-DC-virtalähteitä, tasasähkömuuttajia ja moottorin ohjaimia. Vaatimuksen täyttäminen edellyttää näiden laitteiden testausta järjestelmän osana.

IEC 60355 ‑standardin toinen osa

Toisin kuin IEC 60950 ‑standardissa, IEC 60335:ssä on kaksi osaa. Osa 2 (IEC 60335-2) sisältää laitekohtaiset vaatimukset, ja siinä on lueteltu yli sata erilaista kodinkonetyyppiä leivänpaahtimista ilmastointijärjestelmiin. Suunnittelijoiden kannattaa tutustua osaan 2, koska se koskee tiettyjen kodinkoneiden suunnittelua. Osan 2 vaatimuksia on sovellettava, jos ne ovat päällekkäisiä osan 1 perusvaatimuksien kanssa.

Osia 1 ja 2 käytetään Yhdysvalloissa ja Euroopassa eri tavoin. Yhdysvalloissa UL 60335-1 on yhdenmukaistettu IEC 60335-1 ‑standardin kanssa, mutta UL-standardi ei sisällä kaikkia osan 2 vaatimuksia. Myös eurooppalainen EN 60335-1 ‑standardi on yhdenmukaistettu IEC 60335-1 ‑standardin kanssa, ja toisin kuin UL-standardissa, EN-standardissa tunnustetaan lähes kaikki osan 2 tiettyjä tuotteita koskevat vaatimukset.

60335-vaatimusten täyttäminen suunnittelussa

Älylaitteiden, IoT-laitteiden ja kaupallisten tietotekniikkalaitteiden tehonsyöttöosion suunnittelua ja 60335-vaatimusten täyttämistä voi helpottaa valmiiden moduulien avulla. Esimerkiksi CUI PSK -sarjan kapseloidut AC/DC-virtalähteet on sertifioitu IEC/EN/UL 62368-1 ‑standardin mukaisesti ja ne on suunniteltu täyttämään IEC/EN/UL 61558/60335 ‑standardien kodinkoneita koskevat vaatimukset. Saatavana on 2–60 watin tehonlähteitä, joiden hyötysuhde on jopa 90 %. Asennusvaihtoehtoihin kuuluvat muun muassa asennus piirilevylle, runkoasennus sekä DIN-kisko (kuva 4).

Kuva 4: CUI PSK -sarjan kapseloiduista AC-DC-virtalähteistä on saatavana piirilevylle asennettavia (alhaalla oikealla), runkoasennettavia (alhaalla vasemmalla) ja DIN-kiskoon asennettavia (ylhäällä) malleja. (Kuvan lähde: CUI)

Alla esitetään muutama esimerkki PSK-sarjan virtalähteistä:

• PSK-10D-12-T toimii laajalla 85–305 voltin (AC) tai 100–430 voltin (DC) tulojännitealueella ja tarjoaa runkoasennettavana versiona 12 voltin (DC) jännitteen ja jopa 10 watin virran.
• PSK-S2C-24-versio toimii 85–305 voltin (AC) tai 120–430 voltin (DC) tulojännitealueella ja tarjoaa piirilevyyn asennettavana jopa 2 watin tehon 24 voltin (DC) jännitteellä.
• PSK-20D-12-DIN tarjoaa 20 watin tehon 12 voltin (DC) jännitteellä. Tämän DIN-kiskoon asennettavan mallin tulojännite voi olla 85–305 volttia (AC) tai 100–430 volttia (DC).

PSK-sarjan AC-DC-virtalähteiden erotus tulon ja lähdön välillä on 4 kV AC. Niissä on laajat tulojännitealueet ja kattava käyttölämpötila-alue, -40 ... +70 °C ja joissakin malleissa jopa 85 °C. Sarjaan kuuluu myös yhden lähtöjännitteen malleja (3,3; 5; 9; 12; 15 ja 24 volttia DC) ja ne sisältävät ylivirran, alivirran ja jatkuvan oikosulun suojauksen.

Moduulien käytössä täytyy ottaa huomioon eräitä seikkoja. Suojaukseen ja suodatukseen tarvitaan joitakin ulkoisia komponentteja, samoin sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC) koskevien vaatimusten täyttämiseen. Näitä asioita käsitellään moduulien teknisissä tiedoissa.

Esimerkiksi CUI PSK-10D-12-T ‑referenssisuunnitelmassa moduulin edessä käytetään 2 A / 300 voltin hidasta sulaketta sekä metallioksidivaristoria (MOV) (kuva 5).

Kuva 5: PSK-10D-12-T-referenssisuunnitelmassa on esitetty tulon suojaukseen ja lähdön suodatukseen käytettävien komponenttien sijainnit (yllä) ja arvot (alla). (Kuvan lähde: CUI)

Lähdön suodatukseen käytetään suurtaajuista elektrolyyttikondensaattoria (C2) ja keraamista kondensaattoria (C1). C2:n ekvivalenttisen sarjavastuksen (ESR) on oltava pieni ja nimellislähtöjännitteen marginaalin vähintään 20 %. Ylijännitteen rajoitindiodin (TVS) käyttö juuri ennen kuormaa auttaa suojaamaan jäljempänä olevia elektroniikkaosia muuntimen (epätodennäköiseltä) vikaantumiselta.

CUI suosittelee EMC-vaatimusten täyttämiseksi 6,8 ohmin (Ω), 3 watin vastuksen (R1) lisäämistä juuri ennen moduulin AC-jännitetuloa (kuva 6).

Kuva 6: EMC-suojaukseen käytetään AC-tulolinjaan lisättävää kuvassa esitettyä R1-vastusta. (Kuvan lähde: CUI)

Yhteenveto

Älykkäiden kodinkoneiden ja IoT-laitteiden määrä kasvaa jatkuvasti, ja suunnittelijoiden on otettava huomioon IEC 60335 ‑turvallisuusstandardin vaatimukset sekä sen suhde IEC 60950 ‑standardiin. Kyseinen standardi vaikuttaa suoraan virtalähteiden suunnitteluun ja hyväksyntään käytettäväksi tällaisissa sovelluksissa, sillä siitä seuraa tiettyjä suunnittelua koskevia rajoituksia ja se lisää vaatimusten monimutkaisuutta.

Suunnittelijat voivat vastata näihin haasteisiin käyttämällä IEC 60335 ‑vaatimukset täyttäviä kapseloituja AC-DC-virtalähteitä. Näistä tehokkaista tehotiheydeltään korkeista laitteista on saatavana erilaisia kotelointivaihtoehtoja, esimerkkeinä runkoasennus, piirilevyyn asennus ja DIN-kiskoasennus. Kuten edellä esitetään, tällaiset laitteet voivat laskea kehityskustannuksia ja nopeuttaa markkinoille tuloa huomattavasti, jos tiettyjä hyvän suunnittelun perusperiaatteita noudatetaan.

Suositeltavaa luettavaa

1. Yleiskatsaus IP-luokituksiin ja vedenpitäviin liittimiin
2. Miten yksinkertainen DIN-kisko parantaa teollisuusjärjestelmien modulaarisuutta, joustavuutta ja käytettävyyttä