Como cumprir às exigências IEC 60335 para fontes de alimentação em eletrodomésticos e dispositivos IoT

O lançamento da nova norma de segurança IEC 60335 em resposta à expansão do uso de aparelhos inteligentes e dispositivos conectados à Internet das coisas (IoT) dentro de casa trouxe novos desafios em fontes de alimentação para os projetistas. A norma recém-lançada tem requisitos rigorosos para tensões de isolação, distâncias de fuga e folga, e correntes de fuga em fontes de alimentação CA-CC. Projetar fontes de alimentação CA-CC compactas e econômicas que atendam aos inúmeros requisitos é difícil e passar pelo processo de testes e aprovações necessários acrescenta custos e diminui o tempo de lançamento no mercado.

Além dos desafios de projeto, espera-se que muitos eletrodomésticos sejam usados em ambientes onde haja umidade ou água. Os circuitos de alimentação CA-CC incluem trilhos de alimentação internos de alta tensão, tornando difícil o projeto de empacotamento adequado para uso em ambientes úmidos ou molhados.

Para enfrentar estes desafios e ao mesmo tempo cumprir prazos e orçamentos apertados, os projetistas podem usar fontes de alimentação encapsuladas CA-CC já certificadas pela IEC/EN/UL 62368-1 e projetadas para atender aos requisitos IEC/EN/UL 61558/60335 para aplicações domésticas.

Este artigo revisa os requisitos básicos da IEC 60335-1, introduz o conceito de testes para várias falhas simultâneas como exigido pela IEC 60335, e considera brevemente a Parte 2 da IEC 60335. Em seguida, apresenta várias fontes de alimentação CA-CC da CUI que os projetistas podem usar para acelerar o projeto de aparelhos inteligentes e dispositivos conectados a IoT qualificados pela IEC 60335, bem como equipamentos comerciais de tecnologia da informação (ITE).

Quais são as exigências básicas da IEC 60335?

A IEC 60335 cobre a "segurança de aparelhos elétricos domésticos e similares", com tensões nominais de até 250 volts para monofásicos e de até 480 volts para multifásicos. A IEC 60335-1 inclui os requisitos básicos colocados em todos os eletrodomésticos. Entre os desafios enfrentados pelos projetistas está a compreensão de como a IEC 60335-1 se compara com a norma de segurança IEC 60950-1 previamente estabelecida para ITE. Há diferenças e semelhanças relacionadas aos níveis máximos de corrente de fuga, tensões de isolação, distâncias de fuga e de folga.

Em operação normal, quando há uma conexão terra, a corrente de fuga flui no chassi ou no condutor de proteção do terra. Se a conexão ao terra for interrompida por qualquer motivo, a corrente de fuga pode fluir através do corpo de qualquer pessoa que opere o equipamento, apresentando um risco em potencial. A IEC 60335-1 reconhece duas categorias de equipamentos: portáteis e estacionários. A IEC 60950-1 inclui três categorias de equipamentos, portátil, móvel e estacionário. Os dispositivos portáteis na IEC 60335 são limitados a 0,75 miliamperes (mA) de corrente de fuga, o mesmo que os dispositivos portáteis na IEC 60950-1. Os dispositivos móveis e estacionários estão limitados a 3,5 mA de corrente de fuga na IEC 60950-1, o mesmo nível estipulado para aparelhos estacionários na IEC 60335-1.

Os requisitos de tensão de isolação também estão sujeitos a diferentes definições entre as duas normas. O nível de isolação necessário depende da localização dentro do circuito: entrada para saída, saída para terra, ou entrada para terra. A IEC 60950-1 inclui simplesmente valores fixos como 3 quilovolts (kV) de isolação entre a entrada e a saída. A IEC 60335-1 varia a exigência de isolação de entrada para saída com base na tensão de trabalho: é especificada como 2,4 kV mais 2,4 vezes a tensão de trabalho. No caso da isolação da saída para terra, a IEC 60335-1 não tem nenhuma exigência, enquanto a IEC 60950-1 especifica a isolação de 500 volts.

As variações também são evidentes na forma como as duas normas tratam as distâncias de fuga e de folga. Embora ambas as normas dependam da tensão de trabalho e do tipo de isolação (básica ou reforçada) para definir a fuga e a folga, as exigências podem ser as mesmas, mais rigorosas ou mais frouxas quando se compara as normas IEC 60950-1 e IEC 60335-1.

A distância mais curta entre duas partes condutoras ao longo de uma superfície é definida como fuga (Figura 1). Quando a tensão de trabalho está entre 250 e 300 volts, a IEC 60335-1 é mais restritiva e requer 8,0 milímetros (mm) de fuga para isolamento reforçado, enquanto a IEC 60950-1 requer 6,4 mm de fuga. Se a tensão de trabalho estiver entre 200 e 250 volts, ambas as normas exigem 5,0 mm de fuga.

Figura 1: A distância da fuga é medida na superfície do isolamento. (Fonte da imagem: CUI)

A distância entre duas partes condutoras através do ar é a distância de folga (Figura 2). A exigência de folga na IEC 60335-1 é de apenas 3,5 mm, enquanto a IEC 60950-1 é mais restritiva, exigindo 4,0 mm quando se considera um isolamento reforçado e uma tensão de trabalho entre 150 e 300 volts.

Figura 2: A distância de folga é medida através do ar. (Fonte da imagem: CUI)

A IEC 60335 também requer aparelhos para atender à classificação de proteção contra ingresso (IP), conforme definido na IEC 60529. A classificação IP é baseada no ambiente onde o aparelho é utilizado. Espera-se que muitos eletrodomésticos operem com segurança na presença de umidade ou água. A IEC 60529 define níveis específicos de proteção necessários, dependendo da classificação do aparelho.

Além do básico

Os eletrodomésticos inteligentes e os dispositivos conectados à IoT, que compõem a casa inteligente de hoje, são muito mais sofisticados do que os eletrodomésticos tradicionais. Muitas vezes incluem telas sensíveis ao toque, interfaces de software, controles digitais, conectividade de protocolo de internet (IP) com fio e/ou sem fio, e outras capacidades (Figura 3). Devido a esta complexidade adicional, a IEC 60335 cobre a possibilidade de duas falhas ocorrerem simultaneamente, e não apenas falhas de um único ponto. Isso contrasta com a norma de segurança IEC 60950-1, que procura uma operação segura somente após uma única falha.

Figura 3: Exemplos de aparelhos inteligentes incluem geladeiras com displays de alta definição e conectividade IP (esquerda) e torradeiras com controles de tela tátil LCD (direita). (Fonte da imagem: CUI)

A IEC 60335-1 considera combinações de duas falhas de hardware ou uma combinação de falhas de hardware e software. Esses testes podem ser especialmente importantes para dispositivos eletrônicos de potência, que muitas vezes incluem alguma forma de controle ou monitoramento digital. Muitos projetos incluem o que a IEC 60335-1 chama de "circuitos eletrônicos de proteção" (PECs). O conceito de um PEC na IEC 60335 vai além do hardware e inclui vários recursos de software, tais como software de detecção de falhas. A norma exige que o equipamento mantenha uma operação segura quando uma falha PEC ocorrer após outra falha, como uma falha básica de isolação, como também quando uma falha PEC ocorrer antes de outra falha. O sistema deve permanecer seguro.

A exigência de falhas múltiplas também inclui especificações de compatibilidade eletromagnética (EMC). A IEC 60335 exige que os testes EMC sejam realizados após a falha do PEC. Por exemplo, os supressores de surtos na entrada CA são desconectados. Este teste inclui a fonte de alimentação interna para garantir que não entre em uma condição de operação insegura em resposta à interferência eletromagnética (EMI) após a falha do PEC.

A IEC 60355 exige que os controles de firmware ou software operem com segurança com EMI aplicada sob condições de falha única, tais como uma falha de PEC. Além dos controles do sistema, esta exigência se aplica a fontes de alimentação CA-CC individuais, conversores CC-CC e acionadores de motor com controles digitais. Estes dispositivos devem ser testados no sistema para atender a esta exigência.

A segunda parte da IEC 60355

Ao contrário da IEC 60950, a IEC 60335 tem duas partes. A Parte 2 (IEC 60335-2) inclui requisitos específicos de aparelhos, cobrindo mais de 100 tipos diferentes de aparelhos, desde torradeiras a sistemas de ar condicionado. Os projetistas devem se familiarizar com a Parte 2, pois ela se aplica ao projeto de aparelhos específicos. Quando especificado, os requisitos da Parte 2 têm precedência sobre os requisitos básicos da Parte 1.

As partes 1 e 2 são tratadas de forma diferente nos EUA e na Europa. A UL 60335-1 nos EUA está harmonizada com a IEC 60335-1, mas a norma UL não reconhece todas as normas da Parte 2. Na Europa, a EN 60335-1 também foi harmonizada com a IEC 60335-1 e, ao contrário da norma UL, a norma EN reconhece quase todas as normas da Parte 2 para produtos específicos.

Projetando para atender a 60335

Para simplificar o projeto da seção de fonte de alimentação e, ao mesmo tempo, atender aos requisitos 60335, os projetistas de aparelhos inteligentes, dispositivos IoT conectados e ITE comerciais podem usar módulos pré-empacotados. Por exemplo, a série PSK de fontes de alimentação CA/CC encapsuladas da CUI tem certificação IEC/EN/UL 62368-1 e foi projetada para atender a IEC/EN/UL 61558/60335 para aplicações domésticas. Estas fontes de alimentação são oferecidas em níveis de potência de 2 a 60 watts com rendimento de até 90 % e vêm em uma variedade de estilos de montagem, incluindo montagem em placas, montagem em chassi ou trilho DIN (Figura 4).

Figura 4: As fontes de alimentação encapsuladas CA-CC da série PSK da CUI estão disponíveis nos estilos de montagem em placas (inferior direito), chassi (inferior esquerdo) e trilho DIN (superior). (Fonte da imagem: CUI)

Exemplos de fontes de alimentação da série PSK incluem:

• O PSK-10D-12-T que opera em uma ampla faixa de entrada de 85 a 305 volts CA ou 100 a 430 volts CC, e produz 12 volts CC a até 10 watts em um invólucro para montagem em chassi.
• O PSK-S2C-24 que tem uma faixa de entrada de 85 a 305 volts CA ou 120 a 430 volts CC, e fornece até 2 watts a 24 volts CC em um invólucro para montagem em placa.
• O PSK-20D-12-DIN que fornece 20 watts a 12 volts CC, e tem uma faixa de entrada de 85 a 305 volts CA ou 100 a 430 volts CC em um invólucro para trilho DIN.

As fontes de alimentação CA-CC da série PSK têm isolação de 4 kV CA de entrada para saída, apresentam amplas faixas de tensão de entrada e uma ampla faixa de temperatura de operação de -40 até +70 °C, com alguns modelos dimensionados até 85 °C. A série também oferece tensões de saída únicas de 3,3, 5, 9, 12, 15 e 24 volts CC, além de proteções contra sobrecorrente, sobretensão e de curto-circuito em corrente contínua.

Ao trabalhar com os módulos, há algumas coisas a se ter em mente. Alguns componentes externos são necessários para proteção e filtragem, bem como para ajudar a atender às exigências de compatibilidade eletromagnética (EMC). Muitas dessas informações são fornecidas nas fichas técnicas que acompanham o produto.

Por exemplo, com referência ao projeto de aplicação PSK-10D-12-T da CUI, um fusível de retardo de 2 A/300 volts de é fornecido na entrada, com um varístor de óxido metálico (MOV) (Figura 5).

Figura 5: Um projeto de referência para o PSK-10D-12-T mostra a proteção de entrada e os componentes filtrantes de saída (acima) e seus respectivos valores (abaixo). (Fonte da imagem: CUI)

A filtragem de saída é realizada utilizando um capacitor eletrolítico de alta frequência (C2) e um capacitor cerâmico (C1). É importante que o C2 tenha uma baixa resistência equivalente em série (ESR), e tenha pelo menos 20 % de margem sobre a tensão nominal de saída. A colocação de um diodo de supressão de tensão transiente (TVS) imediatamente antes da carga, ajudará a proteger a eletrônica a jusante no (improvável) evento de falha do conversor.

Para conformidade EMC, a CUI sugere adicionar um resistor (R1) de 6,8 ohm (Ω) e 3 watts, logo antes da entrada CA do módulo (Figura 6).

Figura 6: Para proteção EMC, R1 deve ser adicionado na linha de entrada CA, conforme mostrado. (Fonte da imagem: CUI)

Conclusão

Como o número de dispositivos domésticos inteligentes e dispositivos IoT conectados continua a aumentar, os projetistas precisam entender as implicações da norma de segurança IEC 60335, bem como sua relação com a IEC 60950. A norma afeta diretamente como as fontes de alimentação são projetadas e qualificadas para estas aplicações, criando certas restrições de projeto e camadas de complexidade.

Para resolver essas complexidades, os projetistas podem recorrer a fontes de alimentação CA-CC encapsuladas que suportam soluções compatíveis com a IEC 60335. Estes dispositivos de alto rendimento e alta densidade de energia estão disponíveis em uma variedade de estilos de empacotamento, incluindo montagem em chassi, montagem em placas e trilho DIN. Conforme mostrado, seguindo algumas práticas básicas e boas de projeto, estes dispositivos podem reduzir muito os custos de desenvolvimento e o tempo de colocação no mercado.

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