Cómo diseñar circuitos de protección que cumplan la nueva norma AV/ICT IEC 62368-1

Por Steven Keeping

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Con el tiempo, las fronteras entre el sector audiovisual (AV) y las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) se han ido difuminando (los productos multimedia para el hogar, como los televisores inteligentes, son un ejemplo). Además, los ingenieros han pasado a adoptar un enfoque de ingeniería de seguridad basada en los riesgos (HBSE) a la hora de diseñar la protección de los productos eléctricos. Estas tendencias afectaron a las normas diseñadas para proteger a las personas que instalan, mantienen y utilizan dichos equipos, dejándolas obsoletas, junto con gran parte del hardware de ingeniería utilizado para garantizar que los productos audiovisuales y de TIC cumplieran con ellas.

Anticipándose a esta eventualidad, la CEI elaboró una nueva norma única, la IEC 62368-1(Equipos de tecnología de la información y la comunicación - Parte 1: Requisitos de seguridad). Esta nueva norma sustituye a dos normas más antiguas (IEC 60950-1 e IEC 60065) por una que abarca tanto los equipos TIC como los AV, así como productos como los dispositivos del Internet de las Cosas (IoT) y los aparatos electrónicos alimentados por baterías, que funcionan hasta 600 voltios. La norma se implantó en diciembre de 2020 y adopta un enfoque de HBSE.

Este artículo presenta la norma IEC 62368-1 y muestra que, aunque puede parecer más compleja que las normas anteriores por separado, simplifica las cosas y permite mayores niveles de seguridad y flexibilidad de diseño. El artículo también introducirá y describirá el uso de productos de protección eléctrica disponibles en el mercado de Littelfuse que pueden utilizarse para facilitar el diseño de productos y subsistemas que cumplan los requisitos de sobretensión y sobrecarga para cada categoría contemplada en la norma IEC 62368-1.

¿Qué es la norma IEC 62368-1?

La norma IEC 62368-1 se adoptó para sustituir las normas más antiguas por una que define la protección de los circuitos para la seguridad de los equipos eléctricos y electrónicos de TIC, AV e IoT con una tensión nominal no superior a 600 voltios (Figura 1). Diseñada para proteger a las personas que instalan, mantienen y utilizan estos equipos, la norma también refleja el enfoque de la HBSE que los ingenieros adoptan ahora para la ingeniería de seguridad. La HBSE sustituye el anterior enfoque de ingeniería prescriptiva -que establecía una serie de normas a las que debían atenerse los circuitos de protección- por otro que tiene en cuenta los peligros a los que puede estar expuesto un producto. El resultado son circuitos de seguridad que protegen al usuario incluso si el producto falla cuando está sometido a uno de los peligros identificados.

El diagrama de la norma IEC 62368-1 sustituye a las antiguas normas de seguridad IEC 60951-1 e IEC 60065 (haga clic para ampliar)Figura 1: La norma IEC 62368-1 sustituye a las antiguas normas de seguridad IEC 60951-1 e IEC 60065 por una que abarca las TIC, los AV y otros productos como el IoT y los dispositivos electrónicos alimentados por baterías. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

La norma IEC 62368-1 se aplica no solo al producto del usuario final, sino también a los componentes y subsistemas (como las fuentes de alimentación) con los que está construido. Durante un periodo no especificado, la nueva norma permite temporalmente la reutilización de diseños y subconjuntos que cumplían las normas anteriores. Se espera que los ingenieros adopten la nueva norma en mercados clave como Norteamérica, Reino Unido, Japón y Australia/Nueva Zelanda.

Circuito de protección para las personas

El cumplimiento de la norma IEC 62383-1 requiere que el ingeniero emplee una metodología HBSE. Esto significa:

  • Identificación de las fuentes de energía (ES) utilizadas por el producto
  • Medir los niveles de energía producidos por esas fuentes
  • Determinar si la energía de las fuentes es peligrosa
  • Clasificación del nivel de peligro
  • Identificar si el peligro puede causar lesiones o incendios
  • Determinar los planes de salvaguardia adecuados para:
    • Proteger a las personas contra el dolor y las lesiones derivadas de los peligros clasificados
    • Reducir la probabilidad de que se produzcan lesiones o daños materiales debido a un incendio originado por un fallo en el equipo
  • Medir la eficacia de esas salvaguardias

La norma detalla tres clases de ES. Una ES de clase 1 (ES1) permanece bajo los límites de la clase 1 durante las condiciones normales de funcionamiento, las condiciones anormales o en presencia de un único fallo. La energía presente podría ser detectada por una persona, pero no sería dolorosa y sería insuficiente para provocar una ignición. No se requieren salvaguardias para proteger a los usuarios habituales de las ES de clase 1.

Los niveles de energía de la Clase 2 ES (ES2) superan los límites de la Clase 1, pero se mantienen por debajo de los límites de la Clase 2 durante las condiciones de funcionamiento normal, anormal o de un solo fallo del producto. La energía presente puede ser suficiente para causar dolor, pero es poco probable que cause lesiones. La energía presente podría ser suficiente para provocar la ignición en algunas condiciones. Se requiere al menos una salvaguarda para proteger a los usuarios ordinarios de las fuentes de energía de la clase 2.

Un ES de clase 3 (ES3) es el más peligroso. Su energía supera el límite máximo de la Clase 2 en condiciones normales, anormales o de fallo único, y puede causar lesiones, o la ignición y propagación del fuego. El tipo de lesión causada por un ES3 podría llegar a la fibrilación, la parada cardíaca/respiratoria o las quemaduras de la piel y/o de los órganos internos. Se requiere una protección doble o reforzada para proteger a los usuarios ordinarios de un ES3.

En particular, la nueva norma determina los umbrales de resistencia a la sobretensión y los requisitos de protección contra sobretensiones para las distintas categorías, que abarcan los diferentes tipos de productos y el lugar donde se utilizan.

Es importante que el diseñador entienda que los límites reales de corriente y tensión aplicables a ES1, ES2 y ES3 varían. Por ejemplo, los requisitos de límite de tensión están influidos por la frecuencia de funcionamiento de la fuente de alimentación. Para las tensiones procedentes de una alimentación que funcione por debajo de 1 kilohercio (kHz), el límite del ES1 es de 30 voltiosrms, 42.4 voltios pico y 60 voltios CC. El límite del ES2 es de 50 voltiosrms, 70,7 voltiospeak y 120 voltios CC.

Los equipos deben cumplir con el límite de tensión o el límite de corriente especificado en la clase de energía aplicable, pero no tienen que cumplir con ambos. Los límites también varían en función del funcionamiento normal o anormal, o de una sola condición de fallo. Estos límites se detallan en la cláusula 5 de la norma. También hay subcláusulas, que cubren cosas como los límites de las formas de onda de los pulsos, según el tiempo de desconexión.

Protección de circuitos para equipos

Aunque la protección de las personas es la principal preocupación de cualquier fabricante de equipos, la protección del producto final contra los daños causados por los picos de tensión y corriente es también una preocupación importante. La norma IEC 62368-1 se basa en las dos normas anteriores y especifica los valores mínimos de resistencia de los equipos para garantizar la inmunidad a las sobretensiones y sobrecorrientes transitorias.

La norma define tres "categorías de sobretensión" (I, II y III) para los equipos del lado doméstico del contador eléctrico. Los equipos del lado de la distribución del contador están en la categoría de sobretensión IV.

En concreto, la categoría I es para los equipos no conectados a la red eléctrica (como los dispositivos portátiles que funcionan con baterías), mientras que la categoría II es para los equipos TIC y AV enchufables conectados al cableado del edificio. La categoría III es para los sistemas que forman parte de la infraestructura de los edificios, como los cuadros de distribución, los disyuntores, el cableado, las cajas de conexión, los interruptores, las tomas de corriente y los equipos para las industrias.

La categoría II suele abarcar los diseños de equipos basados en redes de CA de 120 o 230 voltios, o para una gama como las fuentes de alimentación de CA de 100 a 250 voltios. La norma define que estos equipos deben tener unos niveles mínimos de resistencia a picos de tensión transitoria de 1.5 kilovoltios (kV) para una alimentación de 120 voltios de CA, y de 2.5 kV para una alimentación de 230 voltios de CA (Figura 2).

El diagrama de la norma IEC 62368-1 especifica diferentes categorías de sobretensiónFigura 2: La norma IEC 62368-1 especifica diferentes categorías de sobretensión en función del lugar de utilización del producto final. Las categorías I, II y III son para los productos utilizados en el lado doméstico del contador eléctrico, mientras que la categoría IV cubre los productos utilizados en el lado de la distribución. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Diseño del circuito para cumplir los requisitos de protección contra sobretensiones de la norma IEC 62368-1

Diseñar circuitos que cumplan los requisitos de la norma en cuanto a protección contra sobretensiones y sobrecorrientes transitorias no es excesivamente difícil. La clave es desviar el pico transitorio lejos del equipo sensible proporcionando una vía de conducción alternativa. Hay dos técnicas recomendadas dependiendo de si la fuente de alimentación utiliza un esquema de modo diferencial, o de modo diferencial y común (Figura 3A y B).

Diagrama de protección contra tensiones y corrientes transitorias para la categoría II de la norma IEC 62368-1Figura 3: La protección contra tensiones y corrientes transitorias para la categoría II de la norma IEC 62368-1 comprende esquemas en modo diferencial (A, arriba), o en modo diferencial y común (B, abajo). (Fuente de la imagen: Littelfuse)

En el esquema de modo diferencial (3A), la protección se logra mediante un fusible (I) para proteger contra eventos de sobrecorriente, junto con un varistor de óxido metálico (TMOV) protegido térmicamente (II). El TMOV se compone de dos elementos, un dispositivo de activación térmica diseñado para abrirse en caso de sobrecalentamiento debido a la sobretensión anormal y un MOV. En funcionamiento normal, el MOV tiene una resistencia muy alta, lo que permite que fluyan tensiones operativas normales a través del circuito. A tensiones más altas, como un pico transitorio, el MOV presenta una baja resistencia, lo que impide que la corriente fluya hasta el producto final.

El esquema de modo diferencial y común también hace uso del fusible y del TMOV a través de las líneas vivas y neutras, pero añade dos MOV más y un tubo de descarga de gas (GDT). Como se muestra en la Figura 3B, los MOV se añaden a través de la línea viva y de tierra, y de la línea neutra y de tierra, en serie con el GDT. En funcionamiento normal, los GDT se caracterizan por su alta resistencia de aislamiento y su baja capacitancia y fugas. Sin embargo, cuando se expone a transitorios de alta tensión, el gas encerrado se convierte en plasma y disipa la tensión lejos del producto final.

Si bien se recomienda la opción TMOV (porque cuenta con protección térmica y baja tensión de paso de energía y de sujeción), se pueden considerar otras formas de protección de modo diferencial sin dejar de cumplir la norma. Algunos ejemplos son un MOV, un tiristor de protección más un MOV (especialmente para productos como los módems) o un diodo TVS. Para la protección en modo común, los MOV más la protección GDT es la única solución permitida.

Donde las cosas se ponen un poco más complicadas para el ingeniero es durante la selección de los componentes. Los dispositivos deben cumplir los criterios de protección definidos en la norma IEC 62368-1 para que el producto final cumpla la norma.

El fusible (I) se utiliza para evitar daños en los circuitos sensibles durante los eventos de sobrecorriente (y para ayudar al producto final a pasar la prueba de fallas). Al considerar el fusible, el diseñador debe tener en cuenta un componente que:

  • Evita desplazamientos molestos.
    • Por ejemplo, no debe abrirse durante el funcionamiento normal ni durante la prueba de impulsos de sobretensión.
  • Tiene una tensión nominal superior a la de la tensión operativa normal del sistema.
  • Interrumpe de forma segura la corriente de defecto máxima.
  • Se adapta al espacio disponible.
  • Cumple con las certificaciones de terceros requeridas (por ejemplo, IEC y UL).

Buenas opciones para un producto de categoría II de 240 voltios de CA son el 0215008.MRET1SPP, un dispositivo de 8 amperios (A), o el 0215012.MRET1P, un modelo de 12 A, ambos de la serie 215 de Littelfuse. La serie 215 es un fusible de cartucho de 20 por 5 milímetros (mm) con retardo de tiempo, resistente a sobretensiones y con cuerpo cerámico, diseñado para cumplir con las especificaciones de la CEI a la vez que proporciona protección individual para los componentes o los circuitos internos.

Un requisito clave para un fusible en esta aplicación es que su capacidad de interrupción debe cumplir o superar la corriente de fallo máxima del circuito. De lo contrario, el dispositivo no funcionará correctamente y se corre el riesgo de que siga circulando una corriente perjudicial en el circuito cuando el fusible debería haberse abierto. Los fusibles de la serie 215 tienen un alto grado de interrupción de 1.5 kV a 250 voltios de CA.

Al seleccionar el TMOV (II) (mostrado en los circuitos ilustrados en las figuras 3A y B), el diseñador debe tener en cuenta las siguientes directrices:

  • El TMOV debe cumplir una norma de componentes de varistores como la IEC 61051-1 o la IEC 61643-331
  • La tensión máxima de funcionamiento continuo (MCOV) es ≥ 1.25 x tensión nominal del equipo
    • Por ejemplo, para una fuente de alimentación de 240 voltios de CA, el componente MCOV debe ser de un mínimo de 300 voltios.
  • El TMOV debe soportar múltiples golpes (según la definición de 2.3.6 de la CEI 61051-2 o 8.1.1 de la CEI 61643-331).
    • Por ejemplo, para una fuente de alimentación de 240 voltios de CA, el TMOV debe soportar 10 pulsos de 2.5 kV/1,25 kiloamperios (kA) de onda combinada de 1.2/50 microsegundos (μs) de tensión y 8/20 μs de corriente
  • El componente debe superar la prueba de sobrecarga del varistor de la norma
    • Por ejemplo, para una fuente de alimentación de 240 voltios de CA, en las pruebas se debe aplicar 2 x la tensión nominal (480 voltios) con una resistencia en serie (R) de 3.84 kilohmios (kΩ) (para las pruebas posteriores, el valor R se reduce a la mitad hasta que el circuito se abra) (Figura 4)).

Esquema de la prueba de sobrecargaFigura 4: Esquema de la prueba de sobrecarga. El componente de protección debe someterse a una sobrecarga de tensión 2 veces superior a la nominal, y la prueba debe repetirse con valores de R1 reducidos a la mitad hasta que el circuito se abra. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

El dispositivo TMOV14RP300EL2T7 de Littelfuse es un buen candidato para esta aplicación. El dispositivo tiene un MCOV de 300 voltios (cumpliendo el requisito de la norma de componentes para una alimentación de 240 voltios de CA) con un diámetro de 14 milímetros (mm), un tamaño de cuerpo suficiente para cumplir el requisito de golpes múltiples. Además, como el TMOV14RP300EL2T7 está protegido térmicamente, su MCOV de 300 voltios es suficiente para superar la prueba de sobrecarga del varistor. Para un factor de seguridad adicional, un MOV no protegido térmicamente debería tener un MCOV de 420 voltios o superior. El TMOV puede soportar una corriente de pico de un solo evento (<20 µs) de hasta 6 kA. La figura 5 ilustra la capacidad de sobretensión para sobretensiones repetidas y la duración de las mismas.

Gráfico de la capacidad de sobretensión repetitiva del MOV de 14 mm de LittelfuseFigura 5: Capacidad de sobretensión repetitiva para el MOV de 14 mm de Littelfuse . El dispositivo puede soportar una corriente de pico de un solo evento (<20 µs) de hasta 6 kA. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Los requisitos para los MOV y GDT utilizados para la protección en modo común también están dictados por la norma de componentes IEC 61051-1 o IEC 61643-331. El cumplimiento de esta norma permite que los subconjuntos construidos a partir de componentes conformes sean a su vez conformes con la norma IEC 62368-1. En este caso, el MOV debe cumplir los mismos requisitos de MCOV y de sobretensión que los indicados anteriormente para el TMOV, pero como los dos dispositivos se utilizan junto con un GDT, las pruebas de sobrecarga se realizan en el circuito de protección combinado y no en el MOV solo.

El MOV V10E300P de Littelfuse se ajusta a la situación. Este componente tiene un MCOV de 300 voltios y un diámetro de 10 mm, lo que lo hace lo suficientemente robusto como para cumplir el requisito de golpes múltiples de la norma. Puede soportar una corriente de pico de hasta 3.5 kA. Para cumplir con los requisitos de la norma, el GDT debe superar una prueba de resistencia eléctrica de una tensión soportada de 2.5 kV, y cumplir con la holgura y la fluencia.

El GDT CG33.0LTR de Littelfuse es una opción para esta aplicación. Se trata de un dispositivo de alta tensión de dos electrodos diseñado para la protección contra sobretensiones y aplicaciones de alto aislamiento. El GDT tiene una resistencia de aislamiento de 10 gigaohms (GΩ) a 100 voltios, y una capacitancia de <1.5 picofaradios (pf). Tiene una tensión de ruptura de 4.6 kV y puede soportar una corriente de choque máxima de 10 kA.

La combinación de dos MOVs V10E300P y un solo GDT CG33.0LTR son capaces de cumplir con la prueba de sobrecarga descrita al describir el circuito de protección TMOV anteriormente.

Conclusión:

La norma IEC 62368-1 introduce una única norma para la protección de los circuitos de los productos que funcionan con una alimentación de hasta 600 voltios, cuando antes se aplicaban normas separadas para las TIC y los AV. También formaliza la protección de los circuitos para los productos no cubiertos por la antigua norma, como los dispositivos IoT y los que funcionan con baterías. Aunque los ingenieros familiarizados con las antiguas normas tendrán que cambiar su enfoque de diseño, la norma IEEE 62368-1 simplifica la ingeniería de protección de circuitos y permite mayores niveles de seguridad y flexibilidad de diseño. Además, los fabricantes de componentes de protección, como Littelfuse, ofrecen dispositivos y asesoramiento que simplifican el diseño de circuitos que cumplan la nueva norma.

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Acerca de este autor

Steven Keeping

Steven Keeping is a contributing author at Digi-Key Electronics. He obtained an HNC in Applied Physics from Bournemouth University, U.K., and a BEng (Hons.) from Brighton University, U.K., before embarking on a seven-year career as an electronics manufacturing engineer with Eurotherm and BOC. For the last two decades, Steven has worked as a technology journalist, editor and publisher. He moved to Sydney in 2001 so he could road- and mountain-bike all year round, and work as editor of Australian Electronics Engineering. Steven became a freelance journalist in 2006 and his specialities include RF, LEDs and power management.

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