Cómo cumplir los requisitos de alimentación de la norma IEC 60335 para los electrodomésticos y los dispositivos IoT

La publicación de la nueva norma de seguridad IEC 60335 en respuesta a la expansión del uso de electrodomésticos inteligentes y dispositivos conectados a la Internet de las Cosas (IoT) dentro del hogar ha supuesto nuevos retos para los diseñadores en materia de fuentes de alimentación. La norma recientemente publicada establece requisitos estrictos para las tensiones de aislamiento, las distancias de fuga y separación, y las corrientes de fuga en las fuentes de alimentación CA-CC. Diseñar fuentes de alimentación CA-CC compactas y rentables que cumplan los numerosos requisitos es difícil, y pasar por el proceso de pruebas y aprobaciones necesario añade más costes y ralentiza el tiempo de comercialización.

A los retos de diseño se suma el hecho de que muchos electrodomésticos se utilizan en entornos donde hay humedad o agua. Los circuitos de alimentación CA-CC incluyen carriles de alimentación internos de alta tensión, lo que dificulta el diseño de un embalaje adecuado para su uso en entornos húmedos o mojados.

Para hacer frente a estos retos sin dejar de cumplir plazos y presupuestos ajustados, los diseñadores pueden utilizar fuentes de alimentación CA-CC encapsuladas que ya cuentan con la certificación IEC/EN/UL 62368-1 y están diseñadas para cumplir los requisitos IEC/EN/UL 61558/60335 para aplicaciones domésticas.

En este artículo se revisan los requisitos básicos de la norma IEC 60335-1, se introduce el concepto de prueba de múltiples fallos simultáneos que exige la norma IEC 60335 y se considera brevemente la parte 2 de la norma IEC 60335. A continuación, presenta varias fuentes de alimentación CA-CC de CUI que los diseñadores pueden utilizar para acelerar el diseño de aparatos inteligentes calificados por la norma IEC 60335 y dispositivos conectados al IoT, así como equipos comerciales de tecnología de la información (ITE).

¿Cuáles son los requisitos básicos de la norma IEC 60335?

La norma IEC 60335 cubre la "seguridad de los aparatos eléctricos domésticos y similares", con tensiones nominales de hasta 250 voltios para los monofásicos y de hasta 480 voltios para los multifásicos. La norma IEC 60335-1 incluye los requisitos básicos que deben cumplir todos los aparatos domésticos. Uno de los retos a los que se enfrentan los diseñadores es comprender cómo se compara la norma IEC 60335-1 con la norma de seguridad IEC 60950-1 para ITE, ya establecida. Existen diferencias y similitudes relacionadas con los niveles máximos de corriente de fuga, las tensiones de aislamiento y las distancias de fuga y separación.

En funcionamiento normal, cuando hay una conexión a tierra, la corriente de fuga fluye en el chasis o en el conductor de tierra de protección. Si la conexión a tierra se rompe por cualquier motivo, la corriente de fuga puede fluir a través del cuerpo de cualquier persona que opere el equipo, presentando un peligro potencial. La norma IEC 60335-1 reconoce dos categorías de equipos: portátiles y fijos. La norma IEC 60950-1 incluye tres categorías de equipos: portátiles, móviles y fijos. Los dispositivos portátiles de la norma IEC 60335 están limitados a 0.75 miliamperios (mA) de corriente de fuga, lo mismo que los dispositivos portátiles de la norma IEC 60950-1. Los dispositivos móviles y fijos están limitados a 3.5 mA de corriente de fuga en la norma IEC 60950-1, el mismo nivel estipulado para los aparatos fijos en la norma IEC 60335-1.

Los requisitos de tensión de aislamiento también están sujetos a diferentes definiciones entre las dos normas. El nivel de aislamiento requerido depende de la ubicación dentro del circuito: entrada a salida, salida a tierra o entrada a tierra. La norma IEC 60950-1 simplemente incluye valores fijos como el aislamiento de 3 kilovoltios (kV) entre la entrada y la salida. La norma IEC 60335-1 varía el requisito de aislamiento de entrada a salida en función de la tensión de trabajo: se especifica como 2.4 kV más 2.4 veces la tensión de trabajo. En el caso del aislamiento de salida a tierra, la norma IEC 60335-1 no establece ningún requisito, mientras que la norma IEC 60950-1 especifica un aislamiento de 500 voltios.

Las variaciones también son evidentes en la forma en que las dos normas tratan las distancias de fuga y de separación. Aunque ambas normas se basan en la tensión de trabajo y en el tipo de aislamiento (básico o reforzado) para definir la línea de fuga y la holgura, los requisitos pueden ser los mismos, más estrictos o más laxos al comparar las normas IEC 60950-1 e IEC 60335-1.

La distancia más corta entre dos partes conductoras a lo largo de una superficie se define como fuga (Figura 1). Cuando la tensión de trabajo está entre 250 y 300 voltios, la norma IEC 60335-1 es más restrictiva y exige 8.0 milímetros (mm) de fuga para el aislamiento reforzado, mientras que la norma IEC 60950-1 exige 6.4 mm de fuga. Si la tensión de trabajo está entre 200 y 250 voltios, ambas normas exigen 5.0 mm de fuga.

Figura 1: La distancia de fuga se mide en la superficie del aislamiento. (Fuente de la imagen: CUI)

La distancia entre dos partes conductoras a través del aire es la distancia de separación (Figura 2). El requisito de espacio libre de la norma IEC 60335-1 es de solo 3.5 mm, mientras que la norma IEC 60950-1 es más restrictiva, ya que exige 4.0 mm si se considera un aislamiento reforzado y una tensión de trabajo de entre 150 y 300 voltios.

Figura 2: La distancia de seguridad se mide a través del aire. (Fuente de la imagen: CUI)

La norma IEC 60335 también exige que los dispositivos cumplan el grado de protección contra la penetración (IP) definido en la norma IEC 60529. La clasificación IP se basa en el entorno en el que se utiliza el dispositivo. Se espera que muchos electrodomésticos funcionen con seguridad en presencia de humedad o agua. La norma IEC 60529 define los niveles específicos de protección necesarios en función de la clasificación del dispositivo.

Más allá de lo básico

Los electrodomésticos inteligentes y los dispositivos conectados al IoT que componen el hogar inteligente actual son mucho más sofisticados que los electrodomésticos tradicionales. Suelen incluir pantallas táctiles, interfaces de software, controles digitales, conectividad inalámbrica o por cable al protocolo de Internet (IP) y otras capacidades (Figura 3). Debido a esta complejidad añadida, la norma IEC 60335 contempla la posibilidad de que se produzcan dos fallos simultáneamente, no solo los fallos puntuales. Esto contrasta con la norma de seguridad IEC 60950-1, que busca un funcionamiento seguro solo después de un único fallo.

Figura 3: Ejemplos de electrodomésticos inteligentes son los frigoríficos con pantallas de alta definición y conectividad IP (izquierda) y las tostadoras con controles de pantalla táctil LCD (derecha). (Fuente de la imagen: CUI)

La norma IEC 60335-1 considera combinaciones de dos fallos de hardware o una combinación de fallos de hardware y software. Estas pruebas pueden ser especialmente importantes para los dispositivos de electrónica de potencia que suelen incluir alguna forma de control o supervisión digital. Muchos diseños incluyen lo que la norma IEC 60335-1 denomina "circuitos electrónicos de protección" (PEC). El concepto de PEC en la norma IEC 60335 va más allá del hardware e incluye varias funciones de software, como el software de detección de fallos. La norma exige que el equipo mantenga un funcionamiento seguro cuando un fallo PEC se produce después de otro fallo, como un fallo del aislamiento básico, así como cuando un fallo PEC se produce antes de otro fallo. El sistema debe seguir siendo seguro.

El requisito de fallo múltiple también incluye especificaciones de compatibilidad electromagnética (EMC). La norma IEC 60335 exige que las pruebas de compatibilidad electromagnética se realicen después de provocar el fallo del PEC. Por ejemplo, los descargadores de sobretensión en la entrada de CA están desconectados. Esta prueba incluye la fuente de alimentación interna para garantizar que no entra en una condición de funcionamiento inseguro en respuesta a la interferencia electromagnética (EMI) tras el fallo del PEC.

La norma IEC 60355 exige que los controles de firmware o software funcionen de forma segura con EMI aplicada en condiciones de fallo único, como un fallo de PEC. Además de los controles del sistema, este requisito se aplica a las fuentes de alimentación CA-CC individuales, los convertidores CC-CC y los controladores de motor con controles digitales. Estos dispositivos deben ser probados en el sistema para cumplir con este requisito.

La segunda parte de la norma IEC 60355

A diferencia de la CEI 60950, la CEI 60335 tiene dos partes. La parte 2 (IEC 60335-2) incluye los requisitos específicos de los electrodomésticos, que abarcan más de 100 tipos diferentes de aparatos, desde tostadoras hasta sistemas de aire acondicionado. Los diseñadores deben familiarizarse con la Parte 2 en lo que respecta al diseño de aparatos específicos. Cuando se especifica, los requisitos de la Parte 2 tienen prioridad sobre los requisitos básicos de la Parte 1.

Las partes 1 y 2 se tratan de forma diferente en Estados Unidos y en Europa. La norma UL 60335-1 en Estados Unidos está armonizada con la norma IEC 60335-1, pero la norma UL no reconoce todas las normas de la Parte 2. En Europa, la norma EN 60335-1 también se ha armonizado con la norma IEC 60335-1 y, a diferencia de la norma UL, la norma EN reconoce casi todas las normas de la Parte 2 para productos específicos.

Diseñar para cumplir la norma 60335

Para simplificar el diseño de la sección de la fuente de alimentación y al mismo tiempo cumplir con los requisitos de la norma 60335, los diseñadores de electrodomésticos inteligentes, dispositivos conectados al IoT e ITE comerciales pueden utilizar módulos preempaquetados. Por ejemplo, la serie PSK de fuentes de alimentación CA/CC encapsuladas de CUI cuenta con la certificación IEC/EN/UL 62368-1 y está diseñada para cumplir con la norma IEC/EN/UL 61558/60335 para aplicaciones domésticas. Estas fuentes de alimentación se ofrecen en niveles de potencia de 2 a 60 vatios con una eficiencia de hasta el 90% y vienen en una variedad de estilos de montaje, incluyendo el montaje en placa, el montaje en chasis o el carril DIN (Figura 4).

Figura 4: Las fuentes de alimentación CA-CC encapsuladas de la serie PSK de CUI están disponibles en estilos de montaje en placa (abajo a la derecha), chasis (abajo a la izquierda) y carril DIN (arriba). (Fuente de la imagen: CUI)

Algunos ejemplos de fuentes de alimentación de la serie PSK son

• El PSK-10D-12-T, que funciona en un amplio rango de entrada de 85 a 305 voltios de CA o de 100 a 430 voltios de CC, y emite 12 voltios de CC a un máximo de 10 vatios en un paquete de montaje en chasis.
• El PSK-S2C-24 tiene un rango de entrada de 85 a 305 voltios de CA o de 120 a 430 voltios de CC, y proporciona hasta 2 vatios a 24 voltios de CC en un paquete de montaje en placa.
• El PSK-20D-12-DIN que entrega 20 vatios a 12 voltios de CC, y tiene un rango de entrada de 85 a 305 voltios de CA o de 100 a 430 voltios de CC en un paquete de carril DIN.

Las fuentes de alimentación CA-CC de la serie PSK tienen un aislamiento de entrada-salida de 4 kV de CA, cuentan con amplios rangos de tensión de entrada y un amplio rango de temperaturas de funcionamiento, desde -40 hasta +70 °C, con algunos modelos clasificados hasta 85 °C. La serie también ofrece tensiones de salida únicas de 3.3, 5, 9, 12, 15 y 24 voltios de CC, junto con protecciones de sobrecorriente, sobretensión y cortocircuito continuo.

Al trabajar con los módulos hay que tener en cuenta algunas cosas. Algunos componentes externos son necesarios para la protección y el filtrado, así como para ayudar a cumplir los requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC). Gran parte de esta información se suministra en las hojas de datos adjuntas.

Por ejemplo, con la referencia de diseño de la aplicación PSK-10D-12-T de CUI, se proporciona un fusible lento de 2 A/300 voltios por adelantado, junto con un varistor de óxido metálico (MOV) (Figura 5).

Figura 5: Un diseño de referencia para el PSK-10D-12-T muestra la colocación de los componentes de protección de entrada y filtrado de salida (arriba) y sus respectivos valores (abajo). (Fuente de la imagen: CUI)

El filtrado de salida se realiza mediante un capacitor electrolítico de alta frecuencia (C2) y un capacitor cerámico (C1). Es importante que C2 tenga una baja resistencia equivalente en serie (ESR) y que tenga al menos un 20% de margen sobre la tensión nominal de salida. La colocación de un diodo de supresión de tensiones transitorias (TVS) justo antes de la carga ayudará a proteger los componentes electrónicos posteriores en el caso (poco probable) de que se produzca un fallo del convertidor.

Para el cumplimiento de la EMC, CUI sugiere añadir una resistencia de 6.8 ohmios (Ω) y 3 vatios (R1) justo antes de la entrada de CA al módulo (Figura 6).

Figura 6: Para la protección EMC, se debe añadir R1 en la línea de entrada de CA como se muestra. (Fuente de la imagen: CUI)

Conclusión:

A medida que el número de dispositivos domésticos inteligentes y dispositivos conectados al IoT sigue aumentando, los diseñadores deben comprender las implicaciones de la norma de seguridad IEC 60335, así como su relación con la IEC 60950. La norma afecta directamente a la forma en que se diseñan y califican las fuentes de alimentación para estas aplicaciones, creando ciertas restricciones de diseño y capas de complejidad.

Para hacer frente a estas complejidades, los diseñadores pueden recurrir a las fuentes de alimentación CA-CC encapsuladas que admiten soluciones conformes a la norma IEC 60335. Estos dispositivos de alta eficiencia y alta densidad de potencia están disponibles en una variedad de estilos de embalaje, incluyendo el montaje en chasis, el montaje en placa y el carril DIN. Como se ha demostrado, siguiendo algunas buenas prácticas básicas de diseño, estos dispositivos pueden reducir en gran medida los costos de desarrollo y el tiempo de comercialización.

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