Projektowanie obwodów ochronnych zgodnie z nową normą IEC 62368-1 dla urządzeń AV/ICT

Ochrona obwodów dla ludzi

Zgodność z normą IEC 62383-1 wymaga od projektanta zastosowania metodologii inżynierii opartej na przewidywaniu zagrożeń (HBSE). Oznacza to:

• zidentyfikowanie źródeł energii, z których korzysta produkt
• pomiar poziomów energii wytwarzanych przez te źródła
• określenie, czy energia z tych źródeł jest niebezpieczna
• sklasyfikowanie poziomu zagrożenia
• określenie, czy zagrożenie może spowodować obrażenia lub pożar
• określenie odpowiednich rozwiązań ochronnych w celu:
• ochrony osób przed bólem i urazami wywoływanymi przez sklasyfikowane zagrożenia
• zmniejszenia prawdopodobieństwa obrażeń lub szkód materialnych spowodowanych pożarem wywołanym przez usterkę w urządzeniu
• pomiaru skuteczności tych rozwiązań ochronnych

Norma wyszczególnia trzy klasy źródeł energii (ES). Źródło energii klasy 1 (ES1) mieści się w ograniczeniach klasy 1 w normalnych warunkach pracy lub w obliczu pojedynczej usterki. Występująca energia może być odczuwalna przez człowieka, ale nie będzie bolesna i nie wystarczy do wywołania zapłonu. W celu ochrony zwykłych użytkowników przed źródłami energii (ES) klasy 1 nie są wymagane żadne zabezpieczenia.

Poziomy źródeł energii klasy 2 (ES2) przekraczają limity klasy 1, ale pozostają poniżej limitów klasy 2 podczas zwykłych lub nieprawidłowych warunków pracy produktu, albo warunków spowodowanych pojedynczą usterką. Występująca energia może być wystarczająca do wywołania bólu, ale jest mało prawdopodobne, aby spowodowała uraz. Występująca energia może być wystarczająca do spowodowania zapłonu w pewnych warunkach. W celu ochrony zwykłych użytkowników przed źródłami energii (ES) klasy 2 jest wymagane co najmniej jedno zabezpieczenie.

Największe zagrożenie niesie ze sobą źródło energii klasy 3 (ES3). Jego energia przekracza maksymalny limit klasy 2 w warunkach normalnych, nieprawidłowych lub powstających w wyniku pojedynczej awarii i może spowodować obrażenia ciała lub zapłon i rozprzestrzenianie się ognia. Rodzaj obrażeń spowodowanych przez źródła energii ES3 może obejmować migotanie komór, zatrzymanie akcji serca lub oddechu, a także oparzenia skóry lub narządów wewnętrznych. W celu ochrony zwykłych użytkowników przed źródłami energii ES3 konieczne jest zastosowanie podwójnego lub wzmocnionego zabezpieczenia.

W szczególności nowa norma określa progi wytrzymałości na stany nadmiernego napięcia i wymagania dotyczące ochrony przeciwprzepięciowej dla różnych kategorii, obejmujących różne typy produktów i miejsca ich zastosowania.

Ważne jest, aby projektant zrozumiał, że rzeczywiste wartości graniczne prądu i napięcia stosowane w klasach ES1, ES2 i ES3 mogą się różnić. Przykładowo, na wymagania dotyczące wartości granicznej napięcia ma wpływ częstotliwość robocza zasilania. Dla napięć zasilania o częstotliwości poniżej 1kHz, granica ES1 wynosi 30Vrms (wartość skuteczna), 42,4Vpeak (wartość szczytowa) oraz 60V=. Wartość graniczna ES2 wynosi 50Vrms, 70,7Vpeak oraz 120V=.

Urządzenia muszą być zgodne albo z wartością graniczną napięcia, albo z wartością graniczną prądu określoną w odpowiedniej klasie energetycznej, ale nie muszą być zgodne z obiema granicami. Wartości graniczne różnią się również w zależności od normalnego lub nieprawidłowego działania, a także od stanu pojedynczej usterki. Są one wyszczególnione w rozdziale 5 normy. Istnieją również podpunkty, obejmujące takie kwestie jak wartości graniczne dla przebiegów impulsowych, w zależności od czasu wyłączenia.

Ochrona obwodów dla urządzeń

Podczas gdy ochrona ludzi jest najważniejszą kwestią dla każdego producenta sprzętu, ochrona produktu końcowego przed uszkodzeniami spowodowanymi skokami napięcia i prądu jest również istotną kwestią. Norma IEC 62368-1 opiera się na dwóch starszych normach i określa minimalne wartości znamionowe wytrzymałości dla urządzeń w celu zapewnienia odporności na stany nieustalone nadnapięć i przetężeń.

Norma określa trzy „kategorie nadnapięcia” (I, II i III) dla urządzeń po stronie domowej licznika energii elektrycznej. Urządzenia po stronie przesyłowej licznika należą do IV kategorii nadnapięciowej.

Kategoria I dotyczy w szczególności urządzeń niepodłączonych do sieci elektrycznej (takich jak przenośne urządzenia z zasilaniem bateryjnym), natomiast kategoria II dotyczy urządzeń ICT i AV podłączanych złączami wtykowymi do sieci elektrycznej. Kategoria III jest przeznaczona dla systemów stanowiących część infrastruktury budynku, takich jak tablice rozdzielcze, wyłączniki automatyczne, okablowanie, puszki połączeniowe, przełączniki, gniazda i urządzenia przemysłowe.

Kategoria II obejmuje generalnie konstrukcje urządzeń oparte na sieci prądu zmiennego 120 lub 230V, bądź na zasilaczach prądu zmiennego w zakresie od 100 do 250V. Norma określa, że taki sprzęt musi mieć minimalny poziom odporności na stany nieustalone napięcia szczytowego na poziomie 1,5kV dla zasilania 120V~ i 2,5kV dla zasilania 230V~ (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Norma IEC 62368-1 określa różne kategorie przepięć w zależności od tego, gdzie produkt końcowy jest używany. Kategorie I, II i III dotyczą produktów stosowanych po stronie domowej licznika elektrycznego, natomiast kategoria IV obejmuje produkty stosowane po stronie przesyłowej. (Źródło ilustracji: © Littelfuse)