Evaluación de fuentes de energía inteligentes y no estáticas: una aclaración racional

Jun 03, 2023

Nota del editor: el artículo en el que se basa este artículo se presentó originalmente en el Simposio internacional IEEE 2021 sobre ingeniería de cumplimiento de productos (ISPCE), realizado virtualmente en septiembre de 2021.

Se reimprime aquí con el permiso del IEEE. Derechos de autor 2021, IEEE.

Las fuentes de energía se están volviendo más complejas a medida que se diseñan sistemas para suministrar energía a través de cables de comunicación y otros cableados de infraestructura independientemente de la red eléctrica suministrada por la red eléctrica. Este documento propone aclarar cómo probar y medir adecuadamente el voltaje, la corriente y la potencia con respecto a estas fuentes de alimentación o fuentes que no se comportan como una fuente de red estática ya que el sistema de control está integrado en la fuente de alimentación e incluye retroalimentación del control remoto. equipo alimentado o cableado de distribución a la fuente para mantener el funcionamiento adecuado, o incluso iniciar una salida de energía continua.

Ejemplos de estas fuentes de energía inteligentes o no estáticas incluyen USB, alimentación a través de Ethernet (PoE), alimentación de energía inversa (RPF) y tecnologías de “gestión inteligente de fallas”. Estas tecnologías y sistemas inteligentes gestionados por fallas (a veces llamados “Sistemas de energía administrados por fallas”) pueden incluir fuentes que detectan una conexión específica a algún equipo remoto y luego encienden la energía y/o desconectan/reducen el nivel de voltaje cuando se produce una condición de falla. sentido. Una condición de falla detectada podría incluir una impedancia o circuito de carga anormal y/o un puente humano simulado.

No poder realizar pruebas apropiadas y realizar mediciones adecuadas basándose simplemente en evaluar el equipo fuente puede llevar a que se ponga en servicio equipo inseguro y potencialmente crear riesgos de descarga eléctrica e incendio en el equipo o en el cableado conectado.

Hay muchas cosas que hacemos desde nuestra formación y experiencia sin pensarlo dos veces; A estos los llamamos supuestos básicos y son parte de cada pequeño fragmento de nuestra vida. Cuando se trata de pruebas de seguridad de productos, siempre se supone que la energía necesaria para hacer funcionar el equipo bajo prueba (EUT) está disponible y proviene de fuentes de alimentación de CC o CA. Como tal, solo lo mencionamos en la placa de identificación del producto según lo exige la norma de seguridad, que generalmente es adecuada. Pero ahora necesitamos examinar esto con más detalle para aplicar adecuadamente la evaluación de las salidas secundarias del equipo bajo prueba, llamado Equipo de suministro de energía (PSE), o la energía en un dispositivo remoto llamado Dispositivo alimentado (PD). El proceso utilizado es bien conocido y normalmente se denomina aprovisionamiento o configuración, y lo utilizaremos en esta discusión. El aprovisionamiento (normalmente software/firmware) o la configuración (normalmente hardware) incluye proporcionar específicamente el firmware/software más el equipo de carga que debe ser ajustable para las diversas pruebas normales, anormales y de falla requeridas. También puede ser necesario utilizar equipos de soporte que se comuniquen con el PSE para generar ciertas salidas o señales que deban medirse.

Al examinar la situación habitual de muchos electrodomésticos, equipos monofásicos comerciales y de oficina que reciben energía de la red eléctrica, la expectativa es que la fuente de energía esté disponible en el laboratorio de pruebas, proporcione el voltaje y la corriente necesarios en la placa de identificación y tenga la capacidad para manejar las corrientes normales, anormales y de falla necesarias para el funcionamiento adecuado durante las pruebas. Sin duda, utilizar la energía bruta de la red será adecuado para probar dichos equipos; tener una fuente de alimentación intermedia y ajustable (generador local o fuente de alimentación variable) necesita un mayor escrutinio antes de comenzar las pruebas. Nada de esto se menciona siquiera en las normas de seguridad que utilizamos normalmente; es asumido.

Cuando un producto PSE también suministra energía a equipos posteriores, puede resultar difícil comprenderlo en su totalidad sin hacer suposiciones sobre sus características. Al evaluar un PD, se debe comprender la entrada nominal (voltaje y corriente o potencia). Sin embargo, para el PSE que suministra energía al PD, los estándares de seguridad generalmente no requieren ningún etiquetado de estas fuentes. Por lo tanto, el laboratorio de pruebas debe determinar y comprender las características de la fuente para evaluar un PD y, quizás lo más importante, debe comprender cómo garantizar que la fuente de salida del PSE se coloque en una situación que permita que las pruebas se realicen de una manera que Replica la intención de la norma de seguridad. Y esto puede implicar un conocimiento considerable del equipo e incluir equipos de soporte, software/firmware especial e incluso la conexión de un PD representativo. Estos conceptos pueden resultar ajenos a muchas evaluaciones de seguridad de productos que a menudo incluyen sólo el equipo específico presentado para evaluación. Cuando se necesita equipo adicional, esto a menudo se denomina prueba a nivel de sistema, y ​​muchas normas de seguridad se escriben basándose en pruebas de una única pieza de equipo, ya que el equipo conectado en uso normal a menudo se desconoce o puede que ni siquiera haya sido fabricado por el mismo proveedor. . Dado que las fuentes no estáticas o inteligentes utilizan información de control adicional (en uno o ambos extremos), esto se debe revelar claramente y, en la mayoría de los casos, se deben proporcionar módulos de transmisión y recepción adecuados solo para que el circuito funcione. Cualquier equipo de carga necesario suministrado se suma a otros equipos de software/firmware de aprovisionamiento/configuración que puedan ser necesarios.

Cabe señalar que IEC 62368‑1 se conoce específicamente como un estándar de equipos y, como tal, muchos laboratorios y fabricantes prueban los PSE y PD de forma independiente como entidades únicas e independientes. A menudo se argumenta que IEC 62368‑1 no es un estándar de sistema y, como tal, el equipo en el extremo remoto (ya sea PSE o PD) está fuera del alcance de la evaluación particular. Esto crea un gran enigma, ya que se espera que sea necesario probar y cargar el equipo para obtener las condiciones esperadas, pero sin un extremo opuesto real del sistema o un dispositivo que sea representativo del peor de los casos (o tal vez incluso cableado donde las pérdidas de IR pueden ser una carga significativa), no se puede lograr la condición deseada para las diversas pruebas. En algunos casos, el fabricante de un PSE o PD ni siquiera fabrica el equipo del extremo lejano, lo que hace que esto sea mucho más difícil. Un ejemplo simple es PoE, donde un conmutador PoE puede ser fabricado por un gran fabricante de conmutadores y puede tener de 4 a 96 puertos, con una cantidad máxima de energía que puede obtener con alimentación PoE (por ejemplo, 800 vatios en total), y el software controla cómo Gran parte de la potencia se distribuye entre el cableado y los PD (como un teléfono IP, una cámara de seguridad o incluso iluminación LED) en función de los dispositivos que están conectados y su consumo de energía necesario. Y la mayoría de las veces los fabricantes de PD no fabrican PSE y viceversa.

Este enigma requiere repensar los supuestos y requisitos de IEC 62368-1; donde el aprovisionamiento/configuración para pruebas adecuadas requiere un concepto y configuración a nivel de sistema con el fin de evaluar una sola entidad dentro del sistema, y ​​también una comprensión profunda de las características operativas de los productos por parte del laboratorio de pruebas. Tanto el fabricante del equipo como el laboratorio de pruebas deben llegar a un acuerdo sobre el equipo proporcionado para la configuración de la prueba que permitirá la evaluación completa del equipo que se está probando; módulos adicionales, etc., ya sea PSE o PD, según se requiera para la evaluación.

IEC 62368‑1, así como IEC 60950-1 e IEC 62368‑3, y la mayoría de los demás estándares asumen que los circuitos de Tecnología de Información y Comunicación Externa (TIC) que tienen energía proveniente del PSE al PD son alimentados por circuitos que generan una potencia máxima. voltaje en un circuito abierto sin carga, la medición comúnmente se denomina voltaje de circuito abierto. En general, bajo carga, el voltaje puede caer a medida que se reduce la resistencia (la carga en el PSE aumenta) y la corriente aumenta hasta que se produce el pliegue (normalmente con fuentes de alimentación conmutadas) o se suministra la máxima corriente de cortocircuito (normalmente con fuentes lineales). ). Estas fuentes podrían responder como se espera a cargas resistivas en valores de resistencia como 2000 ohmios o 5000 ohmios definidos en una norma de seguridad. Estos valores simulan una resistencia típica del cuerpo humano bajo una condición específica. Para ser considerada segura, la fuente debe suministrar una corriente de contacto segura o un voltaje de contacto aceptablemente bajo como se define en IEC 62368-1 Tabla 4, 'Límites de fuentes de energía eléctrica...' para proporcionar protección contra descargas eléctricas. Estos valores se basan en IEC 60479-1 utilizando técnicas de medición IEC 60990.

Sin embargo, muchas tecnologías y suministros más nuevos no tienen salida (o tienen una salida de preencendido o cosquilleo muy pequeña) en cargas resistivas. Como tal, se está volviendo evidente que las pruebas no se están realizando como se esperaba, lo que incluye los PD normales. Esto incluye, entre otros, la determinación de la clasificación de la fuente, lo que afecta a criterios como los requisitos de aislamiento. También afecta las mediciones de temperatura de la superficie y otras pruebas de carga térmica, ya que las fuentes no están funcionando cerca de su máxima potencia.

Por ejemplo, PoE genera voltajes de salida pequeños o periódicos en busca de una firma de impedancia de un PD. Hasta que vea esa firma de protocolo de enlace, no suministrará voltaje ni corrientes normales para alimentar un PD. Y en circuito abierto u otras condiciones (como cargas no capacitivas) especificadas en IEC 62368‑1, el PSE PoE solo enviará estas pequeñas señales de forma indefinida.

La gran mayoría de los informes de pruebas revisados ​​en laboratorios de todo el mundo indican que no hay voltaje o solo se reporta un voltaje pequeño para estos tipos de circuitos externos PoE. Esto no es inesperado ya que IEC 62368‑1 define el uso de cargas no capacitivas y/o circuitos abiertos para medir o cargar equipos. Dado que estas condiciones no provocan un protocolo de enlace adecuado, la activación de la fuente no se logra de manera que el circuito pueda caracterizarse o evaluarse según los requisitos de la norma de seguridad. Las pruebas del equipo o circuito(s) bajo las condiciones de carga definidas no se pueden realizar según lo previsto hasta que se haya completado con éxito esta verificación inicial de las características del circuito, lo que requiere un simulador de carga o un PD y cableado representativos del peor de los casos.

Otro ejemplo es una tecnología que funciona mucho más allá de RFT-V y RFT-C normalmente (alrededor de 330-400 VCC con varios miles de vatios efectivos) pero, como se interpreta hoy en día IEC 62368-1, no tendría salida ya que requiere un PD que es algo capacitivo y está especialmente diseñado para ese PSE. La salida es solo un pulso ocasional en un circuito abierto o carga resistiva no capacitiva que IEC 62368‑1 especifica para pruebas. Nuevamente, esto es una falla al proporcionar una guía de configuración adecuada en el estándar para poner el circuito en funcionamiento y luego caracterizarlo antes de probarlo en condiciones de carga específicas.

Se prevé que los detalles y la intención se aclaren en IEC 62368-1, 4.ª edición en el Anexo B, y estas mismas aclaraciones se describen en IEC 62368-2, Justificación para garantizar que estos circuitos se prueben y se informen adecuadamente. Esto se logrará mediante el uso de un método adecuado a nivel de sistema para simular el funcionamiento normal, incluidas las condiciones asumidas en IEC 62368-1 con pruebas normalmente con circuitos abiertos y diversas cargas, incluidas cargas no capacitivas, aplicadas. Sin embargo, se puede plantear la pregunta de cómo realizar una medición de voltaje de circuito abierto, ya sea en la fuente PSE o en la carga PD cuando se requiere un cable/carga adicional. Es posible que la medición deba realizarse con una carga mínima. Otros casos de prueba requeridos pueden usar resistencias específicas para cargar o medir circuitos y estos pueden disparar o apagar las fuentes. Las respuestas no son simples y requieren una reflexión considerable durante el proceso de prueba. Se debe utilizar la razonabilidad al realizar la prueba para demostrar la conformidad con la intención de la norma.

Aquí se describe el texto específico propuesto cláusula por cláusula para IEC 62368-1 para cubrir los temas discutidos.

El texto específico final del estándar se ajustará, por supuesto, dependiendo de qué versión del estándar se actualice.

El equipo se diseñará y construirá de manera que, en condiciones de funcionamiento normales como se especifica en la Cláusula B.2, condiciones de funcionamiento anormales como se especifica en la Cláusula B.3 y condiciones de falla única como se especifica en la Cláusula B.4, se proporcionen salvaguardias para reducir el probabilidad de lesiones o, en caso de incendio, daños materiales.

Las partes del equipo que podrían causar lesiones no serán accesibles y las partes accesibles no deberán causar lesiones.

Cuando el equipo está diseñado de manera que una o más de sus fuentes de energía requieren una técnica de configuración específica, una carga o protocolo o software para encender la salida de suministro, mantener la salida de suministro activa u obtener el voltaje, corriente o potencia de salida previstos en condiciones normales, Se deben proporcionar y emplear condiciones anormales y de falla única más un método para lograr ese resultado para evaluación y prueba.

Por ejemplo, conectar cargas representativas previstas en el peor de los casos o dispositivos con alimentación externa, y repetir con cualquier carga necesaria, incluso en condiciones de falla en el cableado de distribución y las cargas aplicadas.

Esto es fundamental para determinar características como el voltaje y la corriente de salida para las clasificaciones ES y PS, el uso en edificios y otros cableados; consulte IEC 62368-1, Anexo Q, circuitos destinados a la conexión al cableado de edificios, así como la carga adecuada para pruebas de calefacción. .

Estos ejemplos no son necesariamente exhaustivos.

El cumplimiento se comprueba mediante inspecciones y pruebas pertinentes.

Cuando la fuente es un circuito dentro del equipo, la corriente nominal de protección del circuito es:

La clasificación del dispositivo de protección contra sobrecorriente si la corriente está limitada por un dispositivo de protección contra sobrecorriente; o

La corriente de salida máxima, si la corriente está limitada por la impedancia de la fuente del suministro. La corriente de salida se mide con cualquier carga resistiva, incluido un cortocircuito medido después de la estabilización, generalmente 60 s o más después de la aplicación de la carga si la corriente está limitada por la impedancia o el dispositivo limitador de corriente es un fusible, un disyuntor o un PTC. dispositivo, o en tiempos más prolongados, como 5 s o más en otros casos.

Si la fuente es de un tipo que no genera voltajes/corrientes normales en una carga resistiva, la fuente debe conectarse a un dispositivo/impedancia terminal que encienda el voltaje/corriente de la fuente y cree las condiciones de prueba necesarias, incluido el peor de los casos. condiciónes de la prueba.

5.7.1 Generalidades

Las mediciones de la posible tensión de contacto, corriente de contacto y corriente del conductor de protección se realizan con el EUT alimentado con la tensión de alimentación más desfavorable (consulte B.2.3).

Activación: si una fuente de alimentación es de un tipo que requiere intercambio/negociación entre una carga o detecta cargas de forma inteligente y, como resultado, no permite la salida de voltajes/corrientes que ocurren normalmente en cargas resistivas, la fuente debe conectarse a un dispositivo terminal. /impedancia que enciende la fuente de voltaje/corriente y genera una salida en las condiciones nominales especificadas.

6.2.2.1 Generalidades

Un circuito eléctrico se clasifica como PS1, PS2 o PS3 según la energía eléctrica disponible para el circuito desde la fuente de energía. La clasificación de la fuente de energía eléctrica se determinará midiendo la potencia máxima en cada una de las siguientes condiciones:

Si la fuente o el circuito de carga son de un tipo que no permite la salida de voltajes/corrientes que ocurren normalmente en cargas resistivas, la fuente necesita estar conectada a un dispositivo/impedancia de terminación de activación que encienda el voltaje/corriente de la fuente y genere lo peor. -Entrega de energía del caso en condiciones normales y de falla. Si se mide un dispositivo de carga de este tipo, la fuente es la potencia efectiva máxima que se puede entregar durante condiciones normales de funcionamiento, así como en caso de fallos.

La potencia se mide en los puntos X e Y en la Figura 34, Medición de potencia para el peor caso de falla y en la Figura 35, Medición de potencia para el peor caso de falla de la fuente de energía.

Figura 1: IEC 62368-1, Figura 34, Medición de potencia para el peor de los casos

Figura 2: IEC 62368-1, Figura 35, Medición de energía para el peor caso de falla de fuente de energía

Los equipos destinados a proporcionar energía a través del sistema de cableado a equipos remotos deberán limitar la corriente de salida a un valor que no cause daño al sistema de cableado, debido al sobrecalentamiento, bajo cualquier condición normal de operación o condiciones de carga externa. La corriente continua máxima del equipo no debe exceder un límite de corriente que sea adecuado para el calibre mínimo del cable especificado en las instrucciones de instalación del equipo.

NOTA: Este cableado generalmente no está controlado por las instrucciones de instalación del equipo, ya que el cableado a menudo se instala independientemente de la instalación del equipo.

Los circuitos PS2 o circuitos PS3 que proporcionan energía y que están destinados a ser compatibles con LPS para circuitos externos (ver Anexo Q) deberán tener su potencia de salida limitada a valores que reduzcan la probabilidad de ignición dentro del cableado del edificio durante el funcionamiento normal y condiciones de falla externa.

Los circuitos externos de cables conductores pares, como los descritos en la Tabla 13, 'Tensiones transitorias de circuitos externos', números de identificación 1 y 2 que tengan un diámetro de cable mínimo de 0,4 mm, tendrán la corriente limitada a 1,3 Arms o CC.

EJEMPLO: Las características de tiempo/corriente de los fusibles tipo gD y tipo gN especificados en IEC 60269-2 cumplen con el límite anterior. Los fusibles tipo gD o tipo gN de 1 A cumplirían el límite de corriente de 1,3 A.

El cumplimiento se verifica mediante pruebas, inspecciones y, cuando sea necesario, mediante los requisitos del Anexo Q.

Los terminales de salida de los equipos que suministran energía a otros equipos, excepto las tomas de corriente y los enchufes de electrodomésticos conectados directamente a la red eléctrica, están conectados a la impedancia de carga más desfavorable, incluido el cortocircuito.

Si la fuente es de un tipo que no genera voltajes/corrientes normales en una carga resistiva, la fuente debe conectarse a un dispositivo/impedancia terminal que encienda el voltaje/corriente de la fuente y cree las condiciones normales y anormales en el peor de los casos.

E.1 Clasificación de fuentes de energía eléctrica para señales de audio Al clasificar las señales de audio como una fuente de energía eléctrica (consulte la Tabla E.1), el equipo debe operarse para entregar la máxima potencia de salida no recortada en su impedancia de carga nominal. Se retira la carga y se determina la clase de fuente de energía eléctrica a partir de la tensión de salida en circuito abierto resultante.

Si la fuente es de un tipo que no genera voltajes/corrientes normales en una carga resistiva, la fuente debe conectarse a un dispositivo terminal/impedancia que encienda el voltaje/corriente de la fuente, lo que crea las condiciones normales y anormales en el peor de los casos.

Q.1.1 Requisitos

Una fuente de energía limitada deberá cumplir con uno de los siguientes:

Si se utiliza un dispositivo PTC, deberá:

Cuando se utilice un dispositivo de protección contra sobrecorriente, deberá ser un fusible o un dispositivo electromecánico no ajustable y sin reinicio automático.

Si la fuente de alimentación es de un tipo que requiere comunicación/negociación entre una carga o detecta cargas de forma inteligente y, como resultado, no permite la salida de voltajes/corrientes que ocurren normalmente en cargas resistivas, la fuente debe conectarse a un dispositivo terminal/impedancia que enciende la fuente de voltaje/corriente y genera la entrega de energía en las condiciones especificadas.

Q.1.2 Método de prueba y criterios de cumplimiento

El cumplimiento se comprueba mediante inspección y medición y, en su caso, mediante el examen de los datos del fabricante de las baterías. Las baterías deberán estar completamente cargadas al realizar las mediciones de Uoc e Isc de acuerdo con la Tabla Q.1 y la Tabla Q.2. Se considerará la potencia máxima, como por ejemplo de una batería y de un circuito de red.

La carga a la que se hace referencia en las notas al pie b y c de la Tabla Q.1 y la Tabla Q.2 y en la Q1.1. se ajusta para desarrollar la máxima corriente y la máxima transferencia de potencia a su vez. Las condiciones de falla única se aplican en una red de regulación de acuerdo con la Cláusula Q.1.1, inciso c) mientras se encuentren bajo estas condiciones máximas de corriente y potencia.

Q.2 Prueba de circuitos externos: cable conductor emparejado

El equipo que suministra energía a un cable conductor pareado de circuito externo destinado a conectarse al cableado del edificio se debe verificar de la siguiente manera.

Si la limitación de corriente se debe a la impedancia inherente de la fuente de energía, se mide la corriente de salida en cualquier carga resistiva (ver nota e de Q.1 o f de Q.2), incluido un cortocircuito. El límite actual no se excederá en ningún momento después de 60 s de prueba. Si la limitación de corriente la proporciona un dispositivo de protección contra sobrecorriente que tiene una característica de tiempo/corriente específica:

Si la limitación de corriente la proporciona un dispositivo de protección contra sobrecorriente que no tiene una característica de tiempo/corriente especificada:

Aunque es conceptualmente sencillo, la implementación de requisitos adecuados para lograr la evaluación completa necesaria de una unidad PSE o PD es compleja cuando se incluye en los requisitos generales de una norma como IEC 62368-1 para garantizar que cada uno de ellos funcionará de forma independiente en una manera segura.

Los detalles presentados aquí se basan en la experiencia personal al abordar el proceso de evaluación para este tipo de equipo, una comprensión detallada de los requisitos establecidos en la norma más la aplicación de lo razonable, una técnica de adaptación de la norma basada en peligros, al proceso de evaluación de estas unidades.

Los detalles aquí proporcionarán al usuario una hoja de ruta completa a través de IEC 62368-1 que describe los detalles específicos que deben considerarse en la evaluación.

Cada parte en el proceso de evaluación debe ser razonable al adaptar estas evaluaciones, como se hace en otras situaciones (que generalmente no son tan complejas) para garantizar una evaluación completa de los peligros mostrando que las salvaguardas colocadas son adecuadas para proteger al usuario y el entorno local.

Los autores agradecen a IEC TC 108 HBSDT por sus comentarios para abordar este problema no resuelto y a IEC directamente por las citas base de IEC 62368-1 que se muestran aquí con modificaciones en detalle para abordar este difícil problema actual.

Jim WiesePeter PerkinspoepowerPSEestándarespruebas

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